土壤中多環(huán)芳烴的微生物降解及其機(jī)理研究

毛雪璐

摘? 要：多環(huán)芳烴是一種較為常見(jiàn)的環(huán)境污染物，屬于一種有機(jī)物質(zhì)，通常由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的稠環(huán)化合物生成，由于有機(jī)物沒(méi)有燃燒完全故此產(chǎn)生了這種物質(zhì)。這種物質(zhì)如果進(jìn)入人體內(nèi)部會(huì)導(dǎo)致器官逐漸衰竭或者致癌，故此一直受到人們高度關(guān)注。這類(lèi)物質(zhì)水溶性較低，很難通過(guò)自然環(huán)境方式對(duì)其進(jìn)行分解，但可以利用微生物對(duì)其進(jìn)行降解，文章主要介紹了多環(huán)芳烴性質(zhì)以及研究狀況，了解可以對(duì)多環(huán)芳烴進(jìn)行降解的微生物，并對(duì)其今后研究發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：多環(huán)芳烴;微生物;降解機(jī)理

多環(huán)芳烴是一種較為常見(jiàn)的有毒物質(zhì)，不僅可以使生態(tài)環(huán)境受到污染，也會(huì)影響人體健康，如果該物質(zhì)通過(guò)呼吸系統(tǒng)進(jìn)入人體，含有可能導(dǎo)致慢性疾病，癌癥，畸形等病癥發(fā)生。目前這種物質(zhì)已經(jīng)給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。因?yàn)槎喹h(huán)芳烴常存在于土壤當(dāng)中，許多土壤已經(jīng)受其污染，故此修復(fù)土壤質(zhì)量已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)部門(mén)和科學(xué)界專(zhuān)家急需解決的問(wèn)題，根據(jù)多環(huán)芳烴自身特征，科研人員決定利用微生物自身特性對(duì)其進(jìn)行降解。

1 多環(huán)芳烴降解的影響因素

因多環(huán)芳烴自身性質(zhì)較為穩(wěn)定，若只依靠自然界對(duì)其進(jìn)行降解需要花費(fèi)漫長(zhǎng)的時(shí)間。故此要以科學(xué)技術(shù)手段提升微生物降解多環(huán)芳烴能力，使微生物生存條件得以改變，以最快的速度將多環(huán)芳烴清除，保護(hù)生態(tài)環(huán)境免受其污染。多環(huán)芳烴降解過(guò)程往往會(huì)受到以下幾個(gè)因素影響，分別是微生物活性，基質(zhì)以及環(huán)境因子。

1.1 多環(huán)芳烴降解菌的活性影響

1.1.1 降解多環(huán)芳烴的微生物

目前，世界各地科研人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以降解烴類(lèi)的微生物大約有數(shù)十個(gè)屬，數(shù)量高達(dá)百余種，其中主要是細(xì)菌和真菌。在多環(huán)芳烴微生物降解研究過(guò)程中，最早研究的物質(zhì)是PAH萘，這種物質(zhì)研究過(guò)程最為簡(jiǎn)單，運(yùn)用分離方式科研人員應(yīng)得到許多可以降解萘的微生物。但對(duì)以往研究過(guò)程進(jìn)行分析卻發(fā)現(xiàn)，并不是所有細(xì)菌都具有相同的降解能力，大部分細(xì)菌都屬于假單胞。假單胞能夠降解大部分四環(huán)以下的多環(huán)芳烴。

1.1.2 多環(huán)芳烴降解菌的篩選

在受到污染的環(huán)境中選取細(xì)菌，并培養(yǎng)其分解多環(huán)芳烴的能力，將其放在受多環(huán)芳烴污染的環(huán)境當(dāng)中，以此來(lái)修復(fù)受到污染的環(huán)境。想要找出具有降解多環(huán)芳烴能力的細(xì)菌，首先需要對(duì)所有細(xì)菌進(jìn)行研究篩選，使其能夠可以修復(fù)受污染的生物。故此優(yōu)良的菌種可以為微生物處理污染物技術(shù)提供更好的幫助。在芘和苯并芘土壤中提取的細(xì)菌具有較強(qiáng)降解能力，降解效率遠(yuǎn)超其他細(xì)菌。

1.1.3 多環(huán)芳烴的降解基因

利用生物降解多環(huán)芳烴的關(guān)鍵在于微生物生存環(huán)境和數(shù)量以及繁殖速度，通常情況許多微生物可以在被多環(huán)芳烴污染的環(huán)境中生存，為了使微生物在最短的時(shí)間內(nèi)適應(yīng)污染環(huán)境，提升細(xì)菌降解活性，工作人員通常會(huì)采用科學(xué)技術(shù)手段改變菌種基因，之后使用它們降解受到多環(huán)芳烴污染的生物。而這一工作效果與多環(huán)芳烴關(guān)鍵酶有很大關(guān)系，有的基因位于染色體當(dāng)中，有的基因位于質(zhì)粒上。染色體中的基因較為穩(wěn)定其具有較大承載量。質(zhì)粒是遺傳因子，這種因子只存在與染色體之外，可以在細(xì)胞當(dāng)中對(duì)自我機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)制。迄今為止，世界各國(guó)科研人員已發(fā)現(xiàn)大約30種天然降解性質(zhì)粒。而隨著生物學(xué)不斷發(fā)展進(jìn)步，新的生物技術(shù)正逐漸用于降解受到多環(huán)芳烴污染的生物。PCR技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中發(fā)現(xiàn)許多可能成為代謝基因的物質(zhì)，由此可以看出利用構(gòu)建多環(huán)芳烴高效降解菌具有一定實(shí)用性。

1.2 基質(zhì)的影響

基質(zhì)的影響主要是指PAHs的生物可利用性。污染物的濃度、化學(xué)結(jié)構(gòu)、毒性、溶解性和吸附性能都影響PAHs的生物可利用性。生物降解過(guò)程中微生物對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化率依賴(lài)于生物對(duì)污染物的吸收、代謝及物質(zhì)轉(zhuǎn)化程度。由于多環(huán)芳烴特別是3環(huán)以上高分子量的PAHs具有親脂的特性，使其極易吸附在顆粒上，這使得他們?cè)谏锝到膺^(guò)程中傳質(zhì)成為限制因子。但是，可以通過(guò)共溶劑或表面活性劑的添加，可以減少或消除這方面的限制。

1.3 環(huán)境因子的影響

多環(huán)芳烴生物降解過(guò)程中會(huì)受到許多因素影響，例如溫度，營(yíng)養(yǎng)鹽等。在自然環(huán)境當(dāng)中，多環(huán)芳烴主要以混合物形式生存，而正是因?yàn)檫@種形式導(dǎo)致微生物生理生態(tài)受到影響，降低降解效果。溫度對(duì)降解效率的影響表現(xiàn)在多環(huán)芳烴化學(xué)成分和對(duì)微生物結(jié)構(gòu)群的影響，低溫環(huán)境中酶活性會(huì)逐漸降低，從而抑制多環(huán)芳烴生物降解，而高溫環(huán)境中多環(huán)芳烴代謝率將會(huì)達(dá)到最大值，但如果溫度超過(guò)40度，會(huì)提升多環(huán)芳烴自身毒性。在一般條件下，PAHs的生物降解需要氧氣的參與，為提高降解率，往往需要人為增加氧的濃度。細(xì)菌和真菌對(duì)PAHs代謝的都需要氧氣。厭氧條件下，一般增加硝酸鹽、硫酸鹽類(lèi)電子受體。環(huán)境中的氧氣對(duì)微生物而言是一個(gè)極為重要的限制因子，首先是氧氣的含量決定微生物群落的結(jié)構(gòu)。研究表明環(huán)境中微生物接觸污染物時(shí)間的長(zhǎng)短是PAHs能否發(fā)生無(wú)氧降解的關(guān)鍵因素引。營(yíng)養(yǎng)鹽的缺乏對(duì)微生物的生長(zhǎng)和種群的維持都是重要的限制因素。

2 多環(huán)芳烴降解的機(jī)理

2.1 以多環(huán)芳烴為唯一碳源和氮源的代謝機(jī)理

在多環(huán)芳烴的誘導(dǎo)和微生物分泌的單加氧酶或雙加氧酶的催化作用下，把氧加到苯環(huán)上，形成C-0鍵，再經(jīng)過(guò)加氫、脫水等作用使C-C鍵斷裂，苯環(huán)數(shù)減少。其中細(xì)菌產(chǎn)生雙加氧酶，真菌產(chǎn)生單加氧酶。不同的途徑有不一樣的中間產(chǎn)物，鄰苯二酚是常見(jiàn)的中間產(chǎn)物，具體的化合物依賴(lài)于羥基組的位置，有正、對(duì)或其他物質(zhì)，鄰苯二酚又有鄰位和間位2種代謝途徑。

2.2 多環(huán)芳烴的共代謝機(jī)理

所謂的共代謝是指利用一種容易降解的物質(zhì)作為支持微生物生長(zhǎng)繁殖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而同時(shí)降解另一種物質(zhì)，但后一種物質(zhì)的降解和轉(zhuǎn)化并不能使共代謝的微生物獲得能量、碳源或其它的任何營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。PAHs苯環(huán)的斷開(kāi)主要是靠加氧酶的作用：加氧酶把氧JJHNC-C鍵上形成C-0鍵，經(jīng)加氫、脫水等作用使C-C鍵斷裂，苯環(huán)數(shù)減少。PAHs降解的程度受加氧酶的活性影響。由于PAHs代謝酶的可誘導(dǎo)性，故可選擇投加基質(zhì)類(lèi)似物的方法來(lái)提高酶的活性，增強(qiáng)降解作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

多環(huán)芳烴多見(jiàn)于自然環(huán)境當(dāng)中，本身具有較強(qiáng)的毒性和生存能力，無(wú)論是對(duì)人體健康亦或是自然環(huán)境都會(huì)造成較大的危害。低環(huán)多環(huán)芳烴比較容易降解，但如果對(duì)具有高分子的多環(huán)芳烴進(jìn)行降解會(huì)面臨較大挑戰(zhàn)。根據(jù)本文可以看出，在降解過(guò)程中需要對(duì)以下兩點(diǎn)進(jìn)行考慮。其一，了解多環(huán)芳烴內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采取相應(yīng)措施改變其結(jié)構(gòu)，從而降低毒性。其二，了解能夠降解多環(huán)芳烴的微生物，和細(xì)菌進(jìn)行比較可以看出，真菌降解能力較強(qiáng)。

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