（环境科学专业论文）水溶液中溶解态多组分多环芳烃pahs的生物降解.pdf

a b s t r a c t t h et h e s i sc o m p r i s e so ff o u rc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ro ft h et h e s i si st h ei n t r o d u c t i o n w es t a r tf r o mc a t e g o r ya n d d i s t r i b u t i o no f p o l y c y c l i c a r o m a t i ch y d r o c a r b o n s p a h s t od e s c r i b et h e i r e n v i r o n m e n t a lb e h a v i o ra n da l l i m p o r t a n t f e a t u r eo ft h e i rb i o a v a i l a b i l i t y i e d i s s o l v e dp a h si st h em a j o rp a r tt h a th a sb i o a v a i l a b i l i t ya n dc a nb eu s e db y m i c r o o r g a n i s m s a f t e rt h a t ar e v i e wo nt h eb i o d e g r a d a t i o ns u c ha sb a c t e r i as t r a i na n d b i o d e g r a d a t i o nm e c h a n i s m sw e r ed i s c u s s e d a n db i o d e g r a d a t i o no fm u l t i c o m p o n e n t p a h s w h i c hi sa na s p e c tn e e dt ob ep a i dm o r ea t t e n t i o nt ow a sp r o p o s e d t h e n i n f o r m a t i o no fl o wm o l e c u l a rw e i g h to r g a n i ca c i d s l m w o a s a sw e l la st h e i r s i g n i f i c a n tr o l ei nb i o d e g r a d a t i o no fp a h sw e r ed i s c u s s e d a tl a s t f l u o r i m e t r ya n di t s a d v a n t a g ew e r ei n t r o d u c e da sp a h sa n a l y s i sm e t h o d r e s e a r c hp l a nw a sp r o p o s e d b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o na b o v e t h es e c o n dc h a p t e ri sr e s e a r c ho nb i o d e g r a d a t i o no fd i s s o l v e dm u l t i c o m p o n e n t p a h s f i r s t l y d u a l w a v e l e n g t hf l u o r i m e t r i cm e t h o dw a se s t a b l i s h e d t od e t e r m i n e m u l t i c o m p o n e n tp a h s p h e n a n t h r e n e p h p y r e n e p y a n df l u o r e n e f l u i nm s m m i n e r a ls a l t sm e d i u m s o l u t i o n t h e n b i o d e g r a d a t i o nr e s u l t so ft h et h r e e p a l i s s i n g l y o ra sam i x t u r eb yt w ok i n d so fb a c t e r i as t r a i n sw e r ec o m p a r e d a n d m e c h a n i s m si nt h eb i o d e g r a d a t i o np r o c e s sw e r ed i s c u s s e d i tc a nb ed e m o n s t r a t e dt h a t b o t hc o m e t a b o l i s ma n di n h i b i t o r ye f f e c t sw e r ef o u n dd u r i n gt h eb i o d e g r a d a t i o n p r o c e s s t h ei n h i b i t o r ye f f e c tm a yr e s u l tf r o mi n t e r a c t i o no f p a h sw h i c hc a nl e a di n t o t h e i rd e c r e a s e da p p a r e n ts o l u b i l i t y b u ti t sn e g a t i v ee f f e c tm a yb ec o m p e n s a t e db y c o m e t a b o l i s mw h i c hc a ni m p r o v et h eb i o d e g r a d a t i o na tl a s t i nt h et h i r dc h a p t e r e f f e c t so ft h r e ek i n d so fl m w o a sm a l i ca c i d c i t r i ca c i da n d b u t y r i ca c i d o nb i o d e g r a d a t i o no ft h r e ek i n d so fp a h sb yt h r e ek i n d so fb a c t e r i a s t r a i n sw h i c hh a v ed i f f e r e n tp o l a r i t yf e a t u r ew e r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y i tc a nb e c o n c l u d e dt h a t b u t y r i ca c i dw h i c hh a sl o wp o l a r i t ym a ye n h a n c et h eb i o d e g r a d a t i o n o fp a h sb yt h el o wp o l a rs t r a i n s i m i l a r l y c i t r i ca c i dw h i c hh a sh i g hp o l a r i t ym a y i i e n h a n c et h eb i o d e g r a d a t i o no fp a i l s b yh i g hp o l a rs t r a i n t h u s l m w o a sc 锄 e n h a n c et h eb i o d e g r a d a t i o nb yi m p r o v i n gt h ec o n t a c to fp a h sa n d s t r a i n s 弱w e l l 嬲 b i o a v a i l a b i l i t yo fp a h s i nt h el a s tc h a p t e r w em a d e c o n c l u s i o na n d p r o s p e c t k e yw o r d s b i o d e g r a d a t i o n p a h s f l u o r i m e t r y l m w o a s b a c t e r i as t r a i n i l l 膺 走了硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 多环芳烃 p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s 简称p a h s 是指两个或两个以 上苯环以线状 角状或簇状排列的稠环化合物 l 其所有的碳原子和氢原子都处 在同一个平面内 由于致癌 致畸 致突变的 三致 作用 p a h s 被列入对生 态系统和人类健康危害最大的化合物列表 危害性最大的1 0 美国环保总局 e p a 等也把p a h s 列为优先监测的污染物中的一类 2 1 在世界范围内每年约有4 3 0 0 0 吨p a h s 释放到大气中 同时有2 3 0 0 0 0 吨进入海 洋环境 对人类健康和生态环境具有巨大的潜在危害 已引起各国环境科学家的 极大重视 我国主要河流和海域 如长江 3 黄河 4 辽河 5 1 珠江 6 1 南渺7 1 厦门西港和香港维多利亚港 8 等 以及一些城市如南通 9 1 和包头 等的地表水都 不同程度的受到了p a h s 的污染 因此 深刻认识p a h s 的环境行为 对于寻求治 理p a h s 污染的新方法 评价和治理p a h s 污染都是十分必要的 也可为制定相关 的法律 法规提供依据 第一节p a h s 在水环境中的分布 环境行为及生物有效性 美国e p a 公布的优先监测的1 6 种未取代p a h s 的结构 物理化学常数如表 1 1 所示 1 1p a h s 的分类 结构及其基本性质 p a h s 根据分子结构和化学性质的不同可分为三种类型 1 具有联苯类结 构的p a h s 它们与苯的化学稳定性相似 2 线状排列的稠合类p a i l s 化学性 质较活泼 由于总电子数增加 每个电子的振动能降低 反应活性随之增强 此 类p a h s 化学反应的活性随苯环的增多而增强 且化学反应常发生在中葸位 蒽 中间的苯环相对应的碳位 上 3 角状排列的稠合类p a h s 化学反应活性总 体来说比苯环呈直线排列的p a h s 小 它们具有类似于菲的化学性质 在发生加 合反应时容易在中菲位 菲中间苯环的双键部位 上进行 p a h s 的稳定性与分子中环的排列有关 以线性排列方式的p a h s 化学性质 詹 走 硕士学位论文第一章绪论 最不稳定 以角状排列的p a i i s 相对稳定 含有四个以上苯环的角状p a e s 除 有较活泼的中菲位外 还往往存在与直线p a i l s 相似的活泼对位 中葸位 而那些 只具有中菲键 没有活泼对位结构的复杂稠环烃具有致癌性 表1 1 美国e p a 优先监测的1 6 种p a h s 的物理化学性质表f l i j t a b l e1 1t h e p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e so f1 6p a h si n c l u d e di nt h eu se p a p r i o r i t yl i s t 大多数p a h s 在常温下都是无色或淡黄色的结晶 熔点及沸点较高 蒸汽压 2 詹 走 硕士学位论文 第一章绪论 较小 具有疏水性 化学性质稳定 p a h s 的辛醇 水分配系数 用于表示 化合物分配在有机相和水相间的倾向 化合物的 值较低 则该化合物为亲水 性 具有较高的水溶性 否则该化合物为亲脂性 水溶性较差 p a h s 类化合物 大多数为非极性化合物 辛醇 水分配系数很大 k w 值一般都大于1 0 4 在水中 溶解度很小 随着苯环数量的增加 其脂溶性越强 水溶性越小 在环境中存在 时间越长 遗传毒性越高 其致癌性随着苯环数的增加而增强 1 2p a l i s 来源及在其水体中的分布 p a h s 所具有的稳定的共振能 较低的蒸汽压 三环以上的p a i l s 低的水 溶性和较高的辛醇 水分配系数等性质 使它们成为一类持久性的环境污染物 p a h s 广泛存在于空气 水 土壤 植物以及动物和它们的代谢产物中 环境中 p a h s 来源有自然源和人为源两种 1 2 自然源包括植物和微生物的内源性合成以 及森林和草原大火 火山活动等 人为源包括化石燃料燃烧 废物焚烧 汽车尾 气 煤和石油的精炼以及其他工业活动 1 3 1 天然水环境中p a h s 主要来源于大气沉降和地表径流等 降水会对大气中的 颗粒起冲洗作用 使大气中的p a h s 通过干湿沉降进入水体 另外地面径流 污 水排放及机动车辆燃料不完全燃烧后的废气随大气颗粒的沉降 1 0 1 8 等也 都是p a h s 进入地表水体的主要途径 p a h s 溶解度较低 它在表层水体中浓度通常也较低 另外 有调查表明 1 4 由于大气输入 水体微表层中p a h s 含量比水中高很多 而接近海底的水体中 p a h s 含量则比表层水中含量高 这是由底部沉积物颗粒的再悬浮作用所致 在 海岸带水环境中 河流的输入是十分重要的p a h s 来源 因此 河口处p a h s 含 量要比开阔海中高 且浓度随离河口距离的增加而减少 另外 p a h s 由于其辛醇 水分配系数高 易在沉积物颗粒 尤其是有机碳颗 粒和水中生物体内积聚 而向水相释放的速度缓慢 因此沉积物成了p a h s 的蓄 积库 尽管在水中p a h s 浓度以n g 和p g 数量级来计 沉积物中的p a i l s 的浓度 要高出水中浓度几个数量级 同时 水中以低分子量的p a h s 占主导 而在沉积 物中则以较高分子量的p a h s 占主导 这也是因为p a h s 在水中的溶解度低 且 溶解度随其分子量的增加而降低 l 引 3 詹疗戈 硕士学位论文第一章绪论 1 3 水环境中p a h s 的环境行为 p a h s 的环境行为和它们的物理化学性质密切相关 进入水环境后 p a h s 主要环境行为包括重悬浮 水 气界面的交换 沉积物 水中的分配 挥发 生物 富集 光降解和生物降解等 1 3 1 沉积物 水中的分配 p a h s 在水中的溶解度低 容易进入富含有机质的颗粒物中 并先累积于沉 积物之中 对于憎水有机物p a h s 来说 向沉积物中的累积是一种分配 而不是 一种吸附过程 1 5 1 3 2 生物富集 生物富集是 活的有机体直接从周围介质或间接的通过食物链在体内浓缩 累积和放大化学物质的能力 1 5 阍 这种累积可分为两个不同的过程 生物浓缩 和生物放大 这也被称作直接和间接的生物浓缩过程 1 3 3 生物降解作用 水环境中的微生物可降解p a h s 其反应机理是通过一个含有二氢醇的中间 体把羟基结合到芳环上 经过酶解作用使p a h s 发生转化 产生顺式的二氢醇中 间体 生物降解是治理环境中p a h s 的重要手段 目前四环以上p a h s 的生物降 解及多组分p a h s 共代谢降解等方面的研究已受到人们的广泛关注 1 7 1 由于微生 物降解被认为是一种最有效的方法而被广泛研究 因此研究p a h s 的微生物降解 对消除实际环境中的p a h s 意义重大 1 4 溶解态p a h s 及其生物有效性 近年来 有关p a h s 生物有效性的定义 8 2 0 评估环境中污染物生物有效性 生物可利用性的方法备受关注 2 一些温和的上述化合物萃取技术或非完全萃 取技术 1 9 2 2 已见报道 p a h s 在水环境中的存在方式有两种 游离态和聚合态 2 3 1 而这两种存在方 式又可分为3 种状态 吸附在悬浮性固体上的吸附态 溶解态以及乳化态 2 4 不 4 詹n 走了硕士学位论文第一章绪论 同形态的p a h s 对环境中生物体的毒害性和生物有效性是不同的 就生物降解机 理而言 人们普遍认为能够被微生物有效利用的p a h s 主要是其溶解态的部分 2 5 2 7 这部分具有极高的生物有效性 而吸附态p a h s 只有极小一部分能被微生 物利用 不同的实验研究证明 p a h s 溶解态的浓度决定其降解速率 且其溶解 态或游离态的多少是评价环境中毒害有机物毒害性的一个重要指标 2 8 3 2 因此生 物降解主要依赖污染物在水溶液中的溶解性 3 3 1 由于p a l l s 在水溶液中溶解度很低 其溶解态部分的含量就很少 一般在 l o 喝 1 0 击m o l l 数量级 这正是p a h s 很难有效快速地被微生物降解的原因 人们 在难溶性有机物的溶解度及其生物可利用性方面做了大量研究 a l e x a n d e r 3 4 认 为有机物的溶解度是影响其生物降解性能的一个较重要的参数 他对这种关系进 行了研究 结果表明 难溶于水的化合物要比易溶于水的化合物降解性能差 原 因在于 1 难溶化合物在水中的扩散程度差 且很容易被吸附或诱捕到惰性物 质上 使其很难到达微生物细胞的反应位置 从而妨碍了酶发挥作用 2 当生 物降解速度被溶解度控制时 反应速率则下降 另外 t h o m a s 等人 3 5 也研究了 一些微溶的有机物质的溶解度与生物降解的关系 a i c h i n g e r 等人 3 6 用呼吸法测 定了苯二酸酯及p a h s 等微溶性有机物的生物降解特性 认为溶解速率在确定很 多微溶化合物的生物降解速率时起着重要作用 以上事例均说明 对于p a h s 而 言 溶解度的大小和溶解态有机物的多少是控制其生物可利用性的重要原因 因 此 痕量溶解态p a h s 是其在水环境中生物有效性的重要组成部分 从生态毒理学的角度来看 越来越多的研究结果也表明 能够导致生态毒理 效应的p a h s 主要为其溶解态有效性部分 而不是其全部 因此研究痕量溶解 态p a h s 的生物降解行为对认识p a h s 在实际水环境中的生态毒理效应十分重要 但是由于分析测试手段的限制以及认识的不足 现行的实验室或现场研究方 法中 对均相液体中p a l l s 进行生物降解的研究所用溶剂大都为有机溶剂或有机 溶剂 水混合溶剂 研究对象p a h s 的浓度多为几十到几百 甚至上千个m g l 远远超出环境中的实际含量 且在实验体系中多以固体形式存在 不能反映实际 环境中生物有效性部分的p a h s 的生物降解行为 同时 现有的方法如萃取 g c h p l c 法在测定 研究溶解态p a h s 的降解过程 机理时 样品量大 难于 操作 例如 当被实验对象的浓度为几十m g l 时 即使有9 9 的降解 去处效 5 膺 走 硕士学位论文第一章绪论 率 其残留水平仍高于实际环境中的溶解态部分n g l 水平 且测得的结果无法 区别溶解态与固态p a h s 被生物降解间的差别 这些都导致目前对天然水体中接 近实际环境浓度的溶解态痕量p a h s 生物降解的研究较少 因此 研究溶解态 p a h s 的生物降解可以更真实地反映实际环境中p a h s 生物有效部分 即溶解态 低浓度水平p a h s 生物降解情况 对了解实际环境中p a h s 的迁移 转化等一 系列环境行为有着至关重要的意义 第二节p a h s 生物降解机理及多组分p a h s 生物降解 p a h s 的微生物降解难易度取决于其化学结构的复杂性和对降解酶的适应程 度 3 引 不同的微生物对各类p a h s 有不同的降解能力 降解速率 降解程度 所以微生物降解p a h s 就有不同的机理和途径 p a h s 生物降解分为好氧条件下 3 9 1 的降解及厌氧降解 4 0 l 研究表明 好氧条 件下 微生物降解p a h s 一般有两种方式 4 l 1 以p a h s 作为唯一碳源和能源 适合于低分子量的三环及三环以下p a h s 类化合物 2 p a h s 与其它有机质进 行共代谢 或共氧化 从而最终将污染物转化为稳定 无毒的最终产物 如水 c 0 2 简单的醇或酸及微生物自身的生物量 一般来说 随着p a h s 苯环数和辛 醇 水分配系数的增大 其降解速率越来越低 因此 低分子量p a i l s 萘 菲 葸 芴等 在环境中能较快地被降解 在环境中存在时间较短 对其降解机制的 了解也较为深入 而高分子量的p a h s 则难以降解 在环境中较稳定 人们对能 以其为唯一碳源和能源进行矿化的细菌的研究报道甚少 研究表明 许多四环或 多环高分子量p a h s 的降解是以共代谢方式进行的 4 2 j 2 1p a l i s 降解菌种及其筛选 许多细菌 真菌及藻类都具有降解p a h s 的能力 4 3 1 t r e c c a n i 等人在1 9 5 4 年从土壤中分离并鉴定出一株能降解萘的细菌h 4 i 在此后的半个世纪里 陆续有 数以百计的属于不同菌属的p a h s 降解茵从不同的环境中被分离和鉴定 虽然人 们从环境中发现的p a h s 降解菌几乎在各个菌属中都有分布 但是目前的研究表 明 不同的细菌对不同p a h s 的降解能力存在着很大的差另 j t 4 5 1 在从上世纪五十年代n k 十年代的近三十多年里 人们多将注意力集中在细 6 詹 走了硕士学位论文 第一章绪论 菌对萘 芴 菲等 些分子量较低 水溶性相对较高的多环芳香化合物降解机理 的研究上 直到1 9 8 8 年 h e i t k a m p 和c e r n i g l i a 首次从靠近油污地的沉积物样品 中分离出一株格兰氏阳性细菌 它可以降解一系列p a h s t 4 6 目前 人们分离出的常见的p a h s 降解微生物有 4 0 4 3 1 红球菌属 r h o d o c o c c u s 假单胞菌属 p s e u d o m o n a s 分枝杆菌 m y c o b a c t e r i u m 芽 胞杆菌属 b a c i l l u s 黄杆菌属 f l a v o b a c t e r i u m 气单胞菌属 a e r o m o n a s 拜叶林克氏菌属 b e i j e r n c k i a 棒状杆菌属 c o r y n e b a c t e r i u m 蓝细菌 c y a n o b a c t e r i a 微球菌属 m i c r o c o c c u s 诺卡氏菌属 n o c a r d i a 和弧菌属 v i b r h 9 等 另外 真菌也具有降解p a h s 的能力 研究较多的是白腐真菌 w h i t e r o t f u 删 有些藻类也能降解p a h s 但是因为它们光能自养的局限 其 降解效率很低 这方面的研究不多 4 7 j 为了缩短适应的期限 提高p a i l s 的生物降解速率 常常从受污染的环境中 分离并培养降解速率最大的优势菌株 然后再把它们用于污染环境的生物治理 4 8 有研究报道了把对某区域适应性特强的优势微生物菌株进行实验室培养后 再将其引入受同类p a h s 污染的区域 常常能引起有效的作用 2 2 单组分p a h s 作为唯一碳源的降解机理及代谢产物 好氧条件下 微生物降解p a h s 是在各种酶的催化下获得生长繁殖所需的能 量 在p a h s 等诱导下 微生物分泌的单加氧酶或双加氧酶催化并将氧加到苯环 上 形成c o 键 再经过加氢 脱水等作用使c c 键断裂 苯环数减少 丝状真菌一般产生单加氧酶 对p a h s 降解的第一步是羟基化p a i l s 即把 一个氧原子加到底物中形成芳烃化合物 产生环氧化合物中间体 继而通过水分 子的加成氧化为反式双氢乙醇和酚类 4 9 细菌主要产生双加氧酶 这是一个由还原酶 铁氧还蛋白 铁硫蛋白组成的 酶复合物 p a h s 降解的第一步是苯环裂解 把两个氧原子加到底物中形成二氧 化合物中间体双氧乙烷 进一步氧化成顺势双氢乙醇 4 6 5 0 5 1 双氢乙醇可继续氧 化为二羟基化合物 如儿茶酸 原儿茶酸和龙胆酸等中间代谢产物 接着苯环断 开 进一步代谢为三羧酸循环的中间产物 如琥珀酸 延胡索酸 乙酸 丙酮酸 和乙醛 降解中间产物被微生物用来合成自身的生物量 同时产生c 0 2 和水 微生物在加氧酶的作用下氧化p a h s 的途径见下图 7 膺 走 硕士学位论文第一章绪论 多 图1 1p a h s 的代谢途径 鸵i f i g 1 1p a t h w a y sf o r t h em i c r o b i a lc a t a b o l i s mo fp a h s p a h s 最初的氧化即苯环的加氧是p a h s 微生物降解反应的控速步骤 此后 降解进程加快 没有或很少有中间代谢物的积累 5 2 p a h s 的酶降解具有很强的 区域性和选择性 w a r s h a w s k y 的研究表明 藻类代谢p a h s 的途径与细菌类似 经双氧化酶加氧氧化为顺式二羟基化物 5 0 1 g i b s o na n ds u b r a i n a i l i a i l 5 3 1 研究表明 真菌代谢p a h s 则与哺乳动物类似 细菌色素氧化酶p 4 5 0 起重要作用 p a h s 苯 环的断开主要是靠加氧酶的作用 加氧酶的活性程度对p a h s 的降解有很大影响 有文献指出加氧酶可以作为有机污染的监测方法 5 4 1 p a h s 代谢的中间产物 随着p a h s 种类和代谢途径的不同而各不相同 邻 苯二酚是常见的中间产物 其又分为邻位和间位两种代谢途径 5 5 1 代谢过程会产 生 顺 顺 己二烯二酸 酮己二酸 丁二酸或2 羟基己二烯酸半醛 2 酮 4 戊 烯酸 丙酮酸与乙醛等 它们都能被微生物利用 最后产物是c 0 2 和水 2 3 多组分p a h s 的生物降解及共代谢机理 实际环境中 p a h s 主要以多组分形式存在 因此研究多组分p a h s 的生物 降解非常重要 在多组分的降解中 共代谢是一种经常发生的现象 2 3 1 共代谢的定义和机理 8 屠 走7 硕士学位论文第一章绪论 共代谢 c o m e t a b o l i s m 现象最早由e r l e a d b e t t e r 和j w f o s t e r 报道 并 命名为共氧化 c o o x i d a t i o n 这个定义描述了微生物能氧化底物却不能利用氧 化过程中的能量维持生长 必须从其它底物获得大部分碳源和能源的过程 5 6 1 后 来j e n s e n 扩展其内涵 提出共代谢的概念p 7 将有其他碳源和能源存在的条件 下 微生物酶活性增强 降解非生长基质的效率提高的现象称为共代谢作用 现在微生物的共代谢定义一般为 共代谢是只有在初级能源物质存在时才能 进行的有机化合物的生物降解过程 提供碳源和能源的物质称为共代谢底物 c o m e t a b o l i s ms u b s t r a t e 有些污染物 非生长基质 不能作为微生物的惟一 碳源和能源 其降解并不能引起微生物的生长和能量的产生 它们只是在微生物 利用生长基质时 与生长基质共酶 或是被某种微生物产生的酶降解成为不完全 氧化产物时 可以有多种酶或微生物参与 进而被别的微生物或酶利用并彻底降 解 最终完全氧化成c 0 2 和h 2 0 因而在纯菌种培养时的共代谢只是一种截止 式转化 d e a d e n dt r a n s f o r m a t i o n 而在混合菌种培养和自然环境中 这种转化 可以为其他微生物所进行的共代谢或其他微生物降解铺平道路 以共代谢方式使 难降解污染物经过一系列微生物的协同作用而得到彻底分解 微生物共代谢有机物的原因可能有以下几点 不能提供碳源 能源或其他的 必要物质 中间产物的抑制作用 缺少进一步降解的酶系 以及需要另外的基质 诱导代谢酶 共代谢可能存在以下几种情况 1 靠降解其他有机物提供能源 或碳源 2 与其他微生物协同作用 3 由其他物质的诱导产生相应的酶系 由于共代谢降解作用的存在 我们必须重新考虑难降解有机物这一概念 通 常确定有机污染物生物可降解性的方法均侧重于选择能以供试化合物作为唯一 碳源和能源的微生物 而不考虑微生物是否有活性 是否有能力共代谢降解这些 化合物 因此对有机污染物的生物可降解性评价是不全面的 微生物共代谢的反应中产生的既能代谢转化生长基质 一级基质 又能代谢 转化作为非生长基质的目标污染物 二级基质 的非专一性酶 是微生物共代谢 反应发生的关键 被称为关键酶 共基质代谢作用机理即非专一性关键酶的产生 和作用的机理 关键酶的一个重要特点是共诱导性j 微生物共代谢具有以下的特点 1 微生物首先利用易于降解的生长基质 维持细胞自身生长 2 难降解非生长基质如污染物作为二级基质被微生物同时 9 詹力走 硕士学位论文 第一章绪论 降解 3 生长基质和非生长基质之间对发挥降解作用的关键酶存在着竞争现象 4 污染物共代谢的中间产物不能作为营养被同化成细胞物质 并且有些会抑 制关键酶的活性 甚至对微生物有毒害作用 5 共代谢是需能反应 能量主要 来自生长基质的产能代谢 当生长基质被完全消耗时 能量来源于细胞自身储存 能量物质 5 引 2 3 2p a i l s 生物降解中的共代谢研究 共代谢是许多污染物微生物降解的主要机制 高分子量的p a h s 的降解要依 赖共代谢作用 5 9 1 由于大部分难降解有机物是通过共代谢途径进行降解的 在常 规环境条件下 能降解目标污染物的微生物数量少 且活性比较低 添加某些营 养物包括碳源与能源性物质或提供目标污染物降解过程所需因子 将有助于降解 菌的生长 改善处理系统的运行性能 如苏丹等 6 0 研究发现 与葡萄糖或菲共基 质可以提高苯并芘的生物降解速率 因此有人提出假设 用易于被微生物利用的 底物维持p a h s 降解菌的生长 这些降解菌的大量生长繁殖可以提高p a h s 的降 解率 6 1 b o u c h e z 等 蚓分离出6 种细菌 这些细菌至少能以如下6 种p a h s 萘 芴 菲 蒽 荧葸 芘中的一种为碳源和能源 他们在对生物降解过程中的两种p a h s 相互关系的观察中发现 除了协同作用外 p a h s 之间存在着剧烈的抑制作用 多种微生物混合培养能减缓p a h s 之间的抑制现象 他们认为共代谢是p a h s 降 解的一个普遍存在的重要特征 它扩展了微生物所能降解的有机物范围 d a nlm e n a l l y 等研究发现 纯培养p s e u e l o mo r l d s p u t i d a 系中的k b m 1 对 p a h s 混合物的生物降解由于萘的存在而被促进 它使菲的生物降解率提高4 倍 使芘的生物降解提高2 倍 研究发现萘与菲 芘等结构相似性 诱导了降解菲 芘酶的大量产生 从而大大提高了菲和芘的生物降解速率 6 2 2 4 研究p a h s 等有机污染物多组分生物降解的必要性 p a h s 等有机污染物进入环境后所处的系统都是由多种有机物 无机物 微 生物等组成的十分复杂的系统 实际环境中p a h s 以多组分共存 这种情况下 p a h s 之间的相互作用在其生物有效性中扮演重要角色 这种相互作用可以提高 p a h s 的潜在生物毒性和致癌性 并最终影响其生物降解过程 6 3 石5 1 因此 单一 1 0 膺 天了硕士学位论文第一章绪论 基质条件下p a l l s 的生物降解特性并不能代表其进入自然环境中的降解状况 采 用单一基质的理想条件得出的结论很难有效地指导实践 所以 开展共基质条件 下p a l l s 等有机污染物生物降解性的研究正越来越受到人们的重视 然而 已有的报道多是在p a h s 及其相关化合物以单组分形式存在的条件下 完成的 混合p a h s 的生物降解 特别是多组分p a h s 间相互作用对彼此生物降 解的影响方面的研究相对较少 另外 在p a l i s 共基质条件下的共代谢研究 尽管已取得一些进展 但整体 进展仍相当缓厦 目前对共代谢降解机制的研究并不深入 有些解释还是假设性 质的 6 还有待进一步研究 因此研究多组分混合p a h s 的生物降解及其相关机 理 对深入了解p a h s 在实际环境中的生物降解非常重要 第三节低分子量有机酸简介 3 1 低分子量有机酸的定义 有机酸是指包含c h o 链的含有一个或者多个羧基的化合物 有机酸在各种有 机体中广泛存在 低分子量有机酸 l o wm o l e c u l a rw e i g h to r g a n i ca c i d s l m w o a s 是指已被鉴定出 或者可以鉴定的分子量小于5 0 0 的含羧基 c o o h 化合物 6 6 1 其任意组合的基团的最大分子量不超过3 0 0 6 7 6 8 是土壤等天然环境 中普遍存在的一类有机化合物 现已检测出天然环境中主要的l m w o a s 有柠檬 酸 草酸 苹果酸 酒石酸 乙酸 水杨酸 五倍子酸 苯甲酸 香草酸 乳酸 丁酸等 6 9 7 1 脂肪族低分子量羧酸在土壤和土壤溶液中由一元 二元和三元羧酸 组成 包含不饱和碳原子和羟基 在绝大多数土壤溶液中 由于低分子量羧酸呈 弱酸性 至少一个羧酸基团是部分解离的 7 2 1 这些l m w o a s 在自然环境中 特 别是土壤环境中起着重要的作用 7 3 1 3 2l m w o a s 的种类 l m w o a s 按其分子内羧基的个数可分为三类 1 一元羧酸 如 乳酸 乙酸 苯甲酸 水杨酸 蚁酸等 2 二元羧酸 如 草酸 丙二酸 苹果酸 酒石酸等 3 多元羧酸 如 柠檬酸 顺乌头酸 丙酸 丁酸等 另外 按 其分子内烃基的结构及其挥发性大致也可分成三类 1 挥发性的脂肪族酸 1 1 膺 史了硕士学位论文第一章绪论 例如甲酸和乙酸等 2 非挥发性的脂肪族酸 例如柠檬酸 草酸 苹果酸 酒石酸等 3 芳香族酸 如三羟基苯甲酸 对羟基苯甲酸 苯甲酸 香草酸 等 就其在土壤中的相对含量来讲 一般挥发性的脂肪族酸 非挥发性的脂肪族 酸 芳香族酸 7 4 3 3l m w o a s 的来源 环境中l m w o a s 来源是多方面的 在土壤环境中以下列几个方面为主 1 动植物残体的分解 2 微生物代谢 7 6 7 7 3 植物根系的分泌 7 8 4 施 入土壤中有机物转化 7 9 其中根系分泌物的贡献十分重要 环境胁迫条件下 植 物根系常常主动或被动释放大量的有机物质进入根际f 删 有些是三羧酸循环的中 间产物 如丙酮酸 柠檬酸 顺 乌头酸 异柠檬酸 草酰琥珀酸 a 酮戊二酸 琥珀酸 苹果酸和草酰乙酸 其中如柠檬酸 苹果酸等在根系分泌物中占有相当 比例 8 1 1 同时 其他一些常见的脂肪酸 如甲酸 乙酸 丙酸 酪酸 草酸 乙 醇酸 乳酸和酒石酸也大量存在 植物根系通过根系分泌 根系分解等成为土壤 有机酸库中的重要贡献者 6 8 此外 微生物如细菌能生产一些简单的挥发性脂肪酸 甲酸 乙酸 丙酸和 丁酸 并且处于合成和分解的动态过程中 经有机残体分解产生的有机酸 有 一部分是原来植物体内游离的低级 c 1 c 4 脂肪酸 草酸 柠檬酸 苹果酸 酚酸等 但大部分是植物残体多种成分 淀粉 纤维 糖类 果胶等 发酵或水 解产生的低级饱和脂肪酸 木质素转化产生的酚酸 脂肪类分解产生的长链脂肪 酸如蜡酸 c 2 5 h 5 l c o o h 辛酸 c 7 h i s c o o h 等 近年来的研究表明 非生物过程也能产生有机酸 如湿润的硅酸盐矿物暴露 在太阳下也能产生蚁酸 s 2 此外大气沉降亦为土壤有机酸的外源之一 含n 有机 物如蛋白质在水解氨化过程中也产生有机酸 8 3 3 4 l m w o a s 的含量 从整体上讲 土壤中有机酸的浓度一般不高 为p n l o l 到m m o l 量级 而 l m w o a s 的含量一般在1 1 0 0 0 9 m o l l 范围内 8 4 8 5 1 且经常处于变动之中 由于 有机物在土壤中分布的不均匀性 因而土壤中存在着浓度较高的有机酸微区 最 明显的是它在根际微区的浓度有时可达到1 0 m o l l 8 6 甚至2 0 咖o n 7 9 1 土壤中 1 2 詹 走 硕士学位论文 第一章绪论 有机物分解产生的有机酸因有机物的性质和通气状况 温度条件等不同而不同 而作物根系分泌的有机酸种类繁多 通常含有柠檬酸和苹果酸 森林土壤中草酸 浓度更高 8 7 1 总体上看 虽然土壤中l m w o a s 的含量并不高且由于土壤微生物 的活动 这些有机酸在土壤中的寿命也很短 7 4 7 6 但因为它们能不断地形成和产 生并与周围环境的各项物质发生相互作用 使这些有机酸和它们相应的阴离子在 环境中具有十分重要的化学意义 盯 目前 有人已成功从植物分泌物中分离出一种l m w o a s 亚油酸 韶 并发 现它可以与p a h s 相互作用 并通过增 i p a h s 的生物有效性的方式而促进p a h s 的生物降解 l m w o a s 是实际环境中一种广泛存在的物质 尽管这些由脂肪酸 和芳香酸组成的l m w o a s 只占环境中溶解性有机碳的很小一部分 但它们具有 很高的反应活性 可以推测l m w o a s 很可能同通过与微生物发生相互作用 或 参与到微生物代谢活动中 而对微生物代谢以及p a h s 的微生物降解过程产生重 要影响 但这方面的研究相对较少 第四节荧光分析法及其在环境科学中的应用 p a h s 的物理学和光谱学性质及化学稳定性主要受到分子的共扼兀电子系统 影响 p a h s 分子内的高能兀键和相对低能的反兀键电子轨道的可利用性 导致 p a h s 吸收可见光或紫外光以后 使电子g t g 跃迁 当电子从激发态返回基态时 以荧光形式释放出能量 产生特征紫外吸收和荧光光谱 p a h s 由于具有大的共 轭体系和高的量子产率 使荧光分析法在对其分析检测中有明显优势 4 1 荧光分析法及在环境分析中的应用 为了对处于微量或痕量浓度水平的污染物质作出可靠的定性 定量检测和行 为判断 往往需要采集大量的样品 然后进行浓缩 富集和分离 这些微量污染 物质的分析测定 不仅需要有一系列灵敏 准确和精细的现代化分析测试技术 而且同时要求建立对低浓度下污染物的物理化学和生物化学性质和行为进行探 索的特殊研究技术和方法 荧光分析法即为其中的一种行之有效的方法之一 荧光分析法是通过测量样品的荧光强度 而用于定量测定许多无机物和有机 物的分析手段 8 9 1 具有灵敏度高 试样量少和方法快速 简单等特点 同时 它 1 3 詹 走 硕士学位论文第一章绪论 又具有荧光寿命 荧光量子产率 激发波长 发射波长等多个参数 因而有比较 好的选择性 早在1 6 世纪人们就观察到了荧光现象 最早检测苯并芘和其它p a h s 的方 法是荧光分析法 用于检测煤焦油中的致癌组分 荧光分析法能够测定低于n g 级的p a h s 2 0 世纪以来 特别是近几十年 荧光现象在理论方面取得了很大进 展 以荧光分析为基础的各种分析技术不断涌现和完善 诸如同步荧光分析法 导数荧光分析法 空间分辨荧光 s h p o l c s k i i 低温荧光光谱分析荧光动力分析法 时间分辨荧光 相分辨荧光和荧光免疫分析法 荧光偏振测定 固体表面荧光测 定 荧光反应速率法 三维荧光光谱技术和荧光光纤化学传感器等荧光分析方面 的某些新技术 新方法的发展 相应的加速了各种各样新型荧光分析仪器的问世 使荧光分析法不断朝着高效 痕量 微观和自动化的方向发展刚 另外荧光与具 有高灵敏度的g c m s 和h p l c 联用的技术也逐渐成熟 跏 环境污染物的定量分析是评价其环境效应的一个重要指标 荧光分析法为复 杂环境样品中微量元素及痕量物质的分析提供了新手段 使其在各种基质的环境 样品的分析中得到了广泛的应用 蔡其洪选用a l 3 0 n m 作为波长差用同步荧光法同时测定了l 2 苯并蒽 苯 并 k 芴和3 4 8 9 二苯并芘三种p a h s 该方法简便 快速 灵敏 无需预 分离 用于自来水 海水和溪水的分析 取得了良好的效果删 宋继梅等将三维 荧光用于油气化探中芳烃油气性的辨识 取得很好的效果 9 1 1 眭蔚 9 2 用导数恒 基体强度同步荧光分析法同时测定了光谱严重重叠的1 氯葸和9 溴葸 有效将 二者分离 荧光分析法因其具有高灵敏度 非破坏性 运行成本低和操作简单等 特点 9 3 1 在环境科学等方面得到了广泛的应用并展示出广阔的应用前景 4 2 荧光分析法在有机污染物生物降解研究中的应用 荧光分析法因其具有高灵敏度 非破坏性等特点 使所研究的有机污染物的 浓度接近于实际环境中的浓度 结果更可信 同时测定过程简单 无需大量有机 溶剂萃取 不造成二次污染 因此荧光分析法不仅在污染物的定量监测方面得到 了广泛的应用 在有机污染物生物降解行为研究中也逐渐受到重视 张勇等 2 6 1 采用同步荧光法研究矿物盐介质中溶解态芘的生物降解速率 所建 方法对溶解态芘的检测限为0 1 9 n g m l 相对标准偏差小于1 3 n 9 在相同 1 4 屠 走了硕士学位论文第一章绪论 实验条件下 用所建方法考察了三种不同芘的降解菌株对溶解态芘的降解能力 结果表明 该方法最大的特点是在不经萃取的情况下可直接用于溶解态芘的降解 过程的检测 所得结果与g c f i d 的实验结果一致 与现行的g c 法相比较 该 方法每一次检测的时间小于l m i n 仪器及运行成本很低 如果能与现行的研究 方法相结合 该方法的建立可为在实验室或现场研究p a h s 的生物降解及衰减提 供有力的研究手段 在上述结果的基础上庄一廷 舛 等进一步用荧光分析法研究了 羟丙基 d 环糊精 h p c d 对微生物降解溶解态芘的影响 实验结果表明 i i p c d 的存在不仅使体系的荧光强度大大增加 而且也增加了芘的生物有效性 从而加 快了芘的降解速率 同时h p c d 的加入使所建方法对芘的检测限改善为 0 0 1 7 n g m l 相对标准偏差小于0 4 n 7 另外 荧光分析法在水环境管理 质量评价 9 5 9 6 1 废水处理研究p 7 1 中都应用 广泛 除此外 荧光分析法还用于表征水环境体系中的天然有机化合