影响生物降解的因素[1]

影响生物降解的因素影响生物降解的因素 影响生物降解的因素有被降解的化合物种类浓度 微生物群体的活性如群 体的相互作用直接控制反应速度的环境因素 一 生物降解作用 生物降解是引起有机污染物分解的最重要的环境过程之一 水环境中化合 物的生物降解依赖于微生物通过酶催化反应分解有机物 当微生物代谢时 一 些有机污染物作为食物源提供能量和提供细胞生长所需的碳 另一些有机物 不能作为微生物的唯一碳源和能源 必须由另外的化合物提供 因此 有机物 生物降解存在两种代谢模式 生长代谢 Growth metabolism 和共代谢 Co metabolism 这两种代谢特征和降解速率极不相同 下面分别进行讨论 1 生长代谢 许多有毒物质可以像天然有机化合物那样作为微生物的生长基质 只要用 这些有毒物质作为微生物培养的唯一碳源便可鉴定是否属生长代谢 在生长代 谢过程中微生物可对有毒物质进行较彻底的降解或矿化 因而是解毒生长基质 去毒效应和相当快的生长基质代谢意味着与那些不能用这种方法降解的化合物 相比 对环境威胁小 2 共代谢 某些有机污染物不能作为微生物的唯一碳源与能源 必须有另外的化合物 存在提供微生物碳源或能源时 该有机物才能被降解 这种现象称为共代谢 它在那些难降解的化合物代谢过程中起着重要作用 展示了通过几种微生物的 一系列共代谢作用 可使某些特殊有机污染物彻底降解的可能性 微生物共代 谢的动力学明显不同于生长代谢的动力学 共代谢没有滞后期 降解速度一般 比完全驯化的生长代谢慢 共代谢并不提供微生物体任何能量 不影响种群多 少 然而 共代谢速率直接与微生物种群的多少成正比 Paris 等描述了微生 物催化水解反应的二级速率定律 由于微生物种群不依赖于共代谢速率 因而生物降解速率常数可以用 Kb Kb2 B 表示 从而使其简化为一级动力学方程 用上述的二级生物降解的速率常数文献值时 需要估计细菌种群的多少 不同技术的细菌计数可能使结果发生高达几个数量级的变化 因此根据用于计 算 Kb2 的同一方法来估计 B 值是重要的 3 微生物对环境污染物的生物降解能力 微生物对环境污染物的生物适应能力及降解潜力 生物降解 复杂有机化合物在微生物作用下转变成结构较简单化合物或 被完全分解的过程 终极降解 有机物彻底分解至释放出无机产物 CO2 与 H2O 的过程 生物转化 通过微生物代谢导致有机或无机化合物的分子结构发生某种 改变 生成新化合物的过程 微生物降解污染物的影响因素 物质的化学结构 生物降解有机物的难易程度首先取决于生物本身的特性 同时也与有机物 的结构特征有关 环境物理化学因素 包括微生物生长所需的营养元素 通气情况 酸碱度 温度 水分 光照 和毒物等 均会影响微生物对污染物降解的范围与速度 中间体或终产物可能变成更复杂的物质 或者毒性增加 比原始污染物 更为有害 4 微生物对环境污染物的降解 在自然生态系统中 来自于生物体的每一种天然的无毒有机物几乎都有相 对应的降解微生物 只要具备合适的条件 微生物就可以沿着一定的途径降解 这些有机物 1 多糖类的生物降解途径 多糖类有机物是异养微生物的主要能源 也是生物细胞重要的结构物质和 贮藏物质 这类有机物广泛地存在于动植物尸体及废料中 如纤维素 半纤维 素 淀粉 果胶质等 多糖类的生物降解途径 纤维素的降解途径 淀粉的降解途径 半纤维素的 降解途径 果胶质的降解途径 2 半纤维素的降解途径 3 木质素的降解 木质素的微生物降解过程十分缓慢 玉米秸秆进入土壤后 6 个月 木质素 仅减少 1 3 在厌氧的条件下降解得更慢 真菌降解木质素的速度比细菌要快 真菌中担子菌降解木质素的能力最强 另外有木霉 曲霉 镰孢霉的某些种 细菌中有假单胞菌等个别的种类能分解木质素 4 脂类的生物降解 脂肪是由高级脂肪酸和甘油合成的酯 在环境中微生物脂肪酶的作用下分 解较快 类脂包括磷脂 糖脂和固醇 蜡质由高级脂肪酸和高级单元醇化合而 成 这两者必须有特殊的脂酶才能降解 所以在环境中分解较慢 5 烷烃类的微生物降解 微生物对一般的烷烃的降解是通过单一末端氧化 双末端氧化 又称 氧 化 亚末端氧化的途径 烷烃 n 个碳原子 的分解通常从一个末端的氧化形成 醇开始 然后继续氧化形成醛 再氧化成羧酸 羧酸经 氧化后产物进入三 羧酸循环 被彻底降解为 CO2 和 H2O 6 烯烃类的微生物降解 微生物对烯烃的代谢 其途径有三种可能 在双键部位与 H2O 加成反应 生成醇 受单氧酶的作用生成一种环氧化物 再氧化成一个二醇 在分子饱和端发生反应 以上三种途径的代谢产物为饱和或不饱和脂肪酸 然后经过卢一氧化进入三羧 酸循环被完全分解 7 芳烃类的微生物降解 芳香烃在双加氧酶的作用下氧化为二羟基化的芳香醇 之后失去两个氧原 子形成邻苯二酚 邻苯二酚在邻位或间位开环 邻位开环生成己二烯二酸 再 氧化后的产物进入三羧酸循环 间位开环生成 2 羟己二烯半醛酸 进一步代谢 生成甲酸 乙醛和丙酮酸 8 脂环烃类的微生物降解 脂环烃较难进行生物降解 自然界几乎没有利用脂环烃生长的微生物 但 可以通过共代谢途径进行降解 脂环烃被一种微生物代谢形成的中间产物 可 以作为其他微生物的生长基质 9 农药的微生物降解 降解农药的微生物 细菌主要有假单胞菌属 芽孢杆菌属 产碱菌属 黄 杆菌属 节杆菌属等 放线菌有诺卡菌属 霉菌以曲霉属为代表 10 多氯联苯的微生物降解 从湖泊污泥中分离出来的产碱杆菌和不动杆菌能把多氯联苯 PCBs 转化 为联苯或对氯联苯 然后吸收这些分解产物 排出苯甲酸或取代苯甲酸 再由 环境中其他微生物继续降解 利用厌氧微生物的降解方法 通过共代谢作用 降解性质粒以及微生物之 间的互生关系等途径 也可使多氯联苯降解 转化 11 合成洗涤剂的微生物降解 合成洗涤剂的基本成分是人工合成的表面活性剂 根据表面活性剂在水中 的电离性状 可分为阴离子型 阳离子型 非离子型和两性电解质四大类 以 阴离子型洗涤剂的应用最为普遍 阴性表面活性剂中 高级脂肪链最易被微生物分解 其途径是 最初高级 脂肪链经微生物作用形成高级醇类 然后进一步氧化为羧酸 再在微生物的作 用下分解为 CO2 和 H2O 整个过程在有氧的条件下进行 二 有机物的结构与生物可降解性 1 链烃比环烃易生物降解 2 不饱和烃比饱和烃易分解 3 主链上个别碳原子被其他元素所取代会增加对生物氧化的抵抗力 4 碳支链对代谢作用有一定影响 5 取代基的位置种类数量及碳链长短影响化合物的生物降解性 三 有机物的结构影响生物降解性的原因 1 空间阻碍 胞外酶难以接触到一降解部分 2 毒性抑制不同取代基团具有不同毒性 3 增加反应步骤支链的增加会降低化合物的生物降解 4 有机物吸收运输到细胞内方式 四 微生物混合培养与生物降解 1 混合菌株之间的协同作用好氧菌之间 厌氧菌之间 细菌之间 细菌与真 菌之间工业废水污染物成分复杂混合菌更具价值 2 单一微生物容易有毒的末端产物这种毒物对微生物的生长具有抑制作用 氧化甲烷的微生物群落由四种菌组成将甲烷氧化成甲醇生丝微菌属成员利用甲 醇作为生长基质其他俩种微生物的作用还不清楚 五 降解性质粒 1 石油降解质粒编码降解石油及衍生物如樟脑 水杨酸盐 甲苯和二甲苯 等 2 农