危险性化合物的微生物降解-中国石油大学环境生物工程

危险性化合物（hazardouschemicals）——由于这些化学物质对人具有三致效应（致癌、致畸、致突变），故称之为危险性化合物。理论上——微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制，但是由于：新合成的化合物结构新颖；微生物对这些化合物无降解机制

因此新的化合物往往对微生物的降解表现出抗逆性来源——人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂的主要成分或石油化工产品的中间产物化学本质—脂肪烃、芳香烃类及其衍生物；最常见的为多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)、氯代烃（如三氯乙烷）、有机氮、有机氯、有机磷农药等要回答的实际问题能否生物降解？是否完全？—可行性哪种或哪几种微生物降解？后者中的分工脚色如何？—菌种选育及基因工程菌改造方向以及好厌氧工艺选择降解生化反应机理如何？哪些酶参与？限速步骤为哪一步？—酶工程强化的可行性微生物通常通过生态学协同作用完成为此类污染物的降解环境生物工程学工作者的任务从特定环境中分离纯化得到具有某些特定降解能力的微生物纯培养物驯化出降解某些污染物的微生物菌株，使其降解能力更强大通过基因工程手段来改造微生物使其具有特定的降解能力通常，任何有毒物质在混合培养条件下的速率均快于单个菌群的速率为什么要研究单个的、纯化了的微生物菌株，并研究其特点？微生物本身的特性必须要清楚：生理生化、遗传、降解能力降解机制、代谢过程二、微生物菌群的生态学地位

（微生物群落的生物降解功能）属于通常意义上共生、互生、寄生、拮抗的前两种。目前主要通过试验室混合菌培养模拟环境实际情况以下实验中发现的微生物现象是否与实际既然环境中真实情况完全一致不能确定，但可提供类比参考根据不同代谢作用进行职责划分，可以将微生物群落分为7种：（相当于我们人类社会职业分工，如厨师、医生、球员等等）Stirling等人(1976年)从环己烷上富集分离得到微生物群落：诺卡氏菌属（Nocardiasp.

）（放线菌中一种）可独立分解环己烷，但只有在能提供生物素（维生素B族）的假单胞菌属（Pseudomonas）存在情况下才能生存。假单胞菌属的角色（1）提供特殊营养物质（主要是生长因子）（相当于“厨师”或“营养师”）类似于我们肠道中的微生物为我们提供身体所需的维生素在利用甲烷生产单细胞蛋白的微生物群落中分离得到四种微生物：氧化甲烷的假单胞菌会受到体系中甲醇的毒害，体系中的生丝微菌确可将甲醇氧化去除。（该群落中的其余两个成员是黄细菌与不动杆菌）。对于甲烷的氧化，生丝微菌的脚色（2）去除生长抑制产物（相当于“大夫”或“环卫工”）微生物之间构成了类似食物链的关系，如降解黑苔酚的3种细菌之间的关系，假单胞菌、扩展短杆菌、短小杆菌三者均可降解3，5-二羟基甲苯（又称苔黑酚），但后两者只有在假单胞菌首先生长后才能降解苔黑酚。假单胞菌的角色（3）改善单个微生物的基本生长参数（条件）（相当于“大哥大”或“大姐大”）上述三类主要在简单有机物的降解中较为重要，对于复杂或异型有机物，危险性化合物和难降解化合物主要依靠下面四种类型生物代谢（4）对底物协调利用（相当于“足球队”或“流水作业”）单个微生物对某种物质没有降解能力，但混合后则能够降解该物质——以协同代谢降解为基础。如没有一种微生物可以杀虫剂二嗪农［硫代磷酸－O，O－二乙基－O－（2－异丙基－4－甲基－6－嘧啶基）酯］为唯一碳源生长原因何在？都不具有完整的降解酶。但节杆菌、链霉菌同时存在时，可将其降解“分工协作”第四类微生物再如，除草剂茅草枯（达拉朋；α，α-二氯丙酸钠）的降解一个从除草剂茅草枯上分离得到的多成员微生物群落，混合菌株的降解率比单个菌株的降解率之和还高20%（5）共代谢（相当于“友情客串”）共代谢——指某种生长底物和某种非生长底物（污染物，不作为生长必需的能源或碳源提供物）共用同一种酶的现象。生长底物是能被微生物用作为唯一碳源的物质。共酶现象——是指一些污染物(非生长底物)不能作为微生物生长的唯一碳源,而只能在生长底物被利用时，通过微生物产生的酶，将该污染物转化为不完全的氧化物。

如如土壤中广泛存在的好氧嗜甲烷菌－只能利用甲烷生存，其产生的单加氧酶专一性较差，可同时启动烃类的初始降解反应，为其他微生物进一步降解创造便利。第五类微生物注意：该特殊生长底物存在及数量的重要性！人工强化第六类微生物（6）氢（电子）转移（相当于“接线生”）复杂有机物1水解菌2发酵菌脂肪酸

乙酸

H2

+CO23产乙酸菌

CH4+CO2H2S+CO2硫酸盐还原菌4产甲烷菌4产甲烷菌厌氧代谢与去除生长抑制物、及协同作用的区别在于，氢受体物质存在的重要性——硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐解除过多氢对产乙酸菌的产物抑制有一种以上初始利用者存在，每个初始利用者作用相同，都可以将某特殊污染物降解利用（区别于协同利用之处）但混合菌群合力速率＞＞任何一个菌种单独降解速率如对除草剂对硫磷和苯甲酸降解菌群中各种微生物均可独立在以上唯一碳源培养基上生存，但混合菌对其降解速度远高于各自单独降解速率？尚不清楚第七类微生物（7）提供一种以上初级底物利用者（相当于“男女搭配干活不累”）确定某种污染物自然状态的生态降解菌群种类及其生态作用的目的？找出人工强化的关键所在如特定细菌的人工引入引发反应的加速进行？需要补充共代谢底物？补充电子受体（如硫酸盐）等？特定混合菌的固定化？第二节烃类化合物的微生物降解一般而言，具有易失去电子的取代基（如-OH、-COOH、-NH2）的芳香族化合物要比具有易获得电子的取代基（-NO2、-SO3H、卤代基）的芳香族化合物更易于氧化代谢。根据物质的化学结构，各种有机化合物的降解性能可以排成如下顺序：脂肪酸>有机磷酸盐〉长链苯氧基脂肪酸〉短链苯氧基脂肪酸〉单基取代苯氧基脂肪酸〉三基取代苯氧基脂肪酸〉硝基苯〉氯代烃类2.1好氧混合菌培养条件下（1）芳香族化合物的分解在芳香族与杂环化合物分解过程中起重要作用的微生物有假单胞菌、无色杆菌、节杆菌、棒杆菌、诺卡氏菌、分枝杆菌、曲霉、青霉等，这些微生物都能不同程度地使芳香族与杂环化合物分解。

微生物分解芳香族化合物的方式有两种：在酶的作用下直接将分子中的环状结构打开芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉环上的侧链基团，使之转变成儿茶酚（焦性儿茶酚，邻苯二酚

）或原儿茶酸（3,4-二羟基苯甲醛

）。三羧酸循环关键酶－加氧酶环境酶工程产品酶之一——后续介绍注意芳香族化合物的生物降解取代物酚石化废水、煤炭废水燃料、农药、炸药、医药、杀虫剂废水，毒性大，难降解硝基苯苯胺及多环芳烃萘蒽等加氧酶作用，形成共通中间产物开环进入三羧酸循环（2）烷烃同样加氧酶氧化为醇→脂酸→脂代谢(βω氧化）（2）烷烃同样加氧酶氧化为醇→脂酸→脂代谢(βω氧化）地下水、土壤、江河湖泊底部、厌氧污泥、垃圾场（1）单环芳烃及其衍生物极为缓慢（如甲苯、苯在培养基条件下34d和64d后消失）详细的降解机理尚不清楚，通过中间产物及放射性原子标记物（如H218O、14C）转化途径判断2.2厌氧混合菌培养条件下还原水解开环芳香环脂环族脂肪酸矿化水供氧氧化酚限速步骤？关键酶？微生物组成及生态关系？（2）多环芳烃及其衍生物试验数据报道萘(C10H8，二环)(7mg/l)、苊(C12H10，三环)(0.4mg/l)(染料中间体)分别在45d、40d后检测不出。含N、P、S的杂环芳烃（如喹啉C9H7N）在混合菌培养时也可转化，时间20～144d不等，具体机理不清每年全世界产量估计8×105t，应用于各类工农业生产，如化工合成中间体、润滑剂、绝缘剂、传热介质、增塑剂、农药等卤代烃——卤代芳烃（如氯代苯甲酸、氯酚类、氯苯类）和卤代脂肪烃第三节卤代有机化合物的微生物降解参学卤原子的引入使生物降解性大大降低如因何在呢？例如乙烯是三氯乙烯（半衰期300d）提供电子，保护C难受氧化剂(如O:)亲核攻击，同时原子半径大，空间位阻效应较大受进化的影响，生物通过专一性较差的酶对卤代有机物极性转化。四氯乙烯不能氧化卤代芳香化合物的生物降解是指其芳香环开裂形成中间代谢物及其有机卤素的矿化。生物降解的唯一重要限速步骤是卤素取代基从有机化合物中的脱除。根据报道它主要通过以下两种途径发生：3.1好氧混合菌培养条件下①先脱卤再开环：在降解的初期通过还原、水解或氧化分解去除机理消除卤素；

H2OCl-开环3-氯苯甲酸3-羟基苯甲酸3,5-二羟基苯甲酸限速步骤酶?如何发生?②先开环再脱卤；生成非芳香结构产物后通过自发水解脱卤或β-氧化消去卤化氢。

O2

加氧酶RClTCA,三羧酸循环O2

加氧酶邻位间位O2

加氧酶3-氯邻苯二酚酰基卤化物不可逆抑制R=H,OH,NH2,COOH大多数卤代物致死代谢物限速步骤?

（2）卤代脂肪烃卤代脂肪烃的氧化模式主要有以下两种：利用烷烃的细菌通过加氧酶将分子氧引入到有机分子中。一些能以卤代脂肪烃为唯一碳源和能源的微生物以这类化合物为初始底物代谢。通常认为作为脱油脂洗涤剂的氯代溶剂(如三氯甲烷)不能用传统生物处理方法处理,但一些能利用烷烃的土壤细菌可以降解氯乙烯、氯乙烷。O2

加氧酶环氧化物乙醛酸、二氯乙酸，甲酸氯取代基越多代谢速度越慢，代谢机理为共代谢（普通烷烃）专一性降解微生物如假单胞菌、生丝微菌可将氯代烷作为初始底物，进行氧化、还原、水解完全代谢氯代烷烃的微生物降解3.2厌氧混合菌培养条件下通过厌氧污泥系统以及自然湖泊底泥分析发现不能被好氧微生物降解的四氯乙烯、六氯环己烷（六六六）、五氯联苯（DDT)、六氯联苯及更高氯代联苯均可由厌氧微生物脱氯降解。已明确的规律待研究规律①逐个还原脱氯具体催化酶及步骤？限速步骤②补充葡萄糖、酵母膏、蛋白胨等可显著提高脱氯速率混合菌群生态协同机理——共代谢？营养因子补充？多初级底物？③低氧化还原电位对提高反应速率有利明确了可行性！如五氯酚用于制造防腐剂、杀虫剂、除草剂、杀菌消毒剂等，性质稳定，剧毒，优先控制污染物，对厌氧活性污泥半抑制浓度6mg/lCH4

＋CO2五氯酚（PCP)厌氧混合培养条件下脱氯与降解的假设途径第四节其他危险化合物的微生物降解典型基团降解机理典型中间产物偶氮染料(致突变）厌氧还原+好氧氧化(苯胺)亚硝胺(致癌）仅知几周内缓慢降解无资料化学农药有机氮RC(=NH)NH2脒共代谢？苯胺有机磷脂酶水解

(二甲基磷酸)有机氯略研究内容缺乏农药降解1.农药分子结构与微生物降解的关系现代农业的发展建立在大量化学合成农药广泛使用的基础之上。各种化学农药的共同特性是：有毒性；比较稳定，不易分解，与足够长的有效期；不易溶于水，具有脂溶性。进入环境中的农药有些是可以生物降解的，如有机磷农药。有些则是难以生物降解的，如有机氯农药。环境因子，如土壤的pH、温度、含水量、有机质含量、粘度及气候等均影响农药的降解。1.农药分子结构与微生物降解的关系图6-5-52,4-D、2,4,5-T苯胺灵、毒草胺的分子结构

化合物时间/周邻位间位对位氯苯酚甲氧酚甲基酚硝基酚苯酚32①1