微生物降解污染物的可持續(xù)發(fā)展

1、微生物降解污染物的可持續(xù)發(fā)展 12生物科學(xué)班唐小飛摘要 人類在生產(chǎn)與生活中常常會(huì)釋放到水體、大氣和土壤各種各樣的污染物，造成對(duì)環(huán)境和人類自身的不利影響。微生物在自然界分布廣泛，具有遺傳多樣性和代謝類型多樣性，因此釋放于環(huán)境中的幾乎所有的有機(jī)物都能被微生物降解與轉(zhuǎn)換。同時(shí)，微生物具有個(gè)體小、繁殖快、易變異和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。預(yù)計(jì)該領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞 微生物降解 有機(jī)污染物 化學(xué)農(nóng)藥 烴類化合物 重金屬 隨著人類社會(huì)化程度的不斷提高和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的日益頻繁，環(huán)境污染問題越來越突出，環(huán)境保護(hù)已成為世界各國面臨的共同課題之一。在污染防治與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)過程中，微生物在許多方面發(fā)揮著重要的作

2、用，例如微生物對(duì)有機(jī)污染物、化學(xué)農(nóng)藥、烴類化合物、重金屬等各種污染物的降解。1、有機(jī)物的降解 在城市污泥發(fā)酵處理過程中，研究微生物與有機(jī)污染物的相互作用關(guān)系具有重要的作用，通過實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)微生物對(duì)有毒污染有機(jī)物降解具有非常明顯的效果。為園林綠化安全施用城市發(fā)酵污泥提供科學(xué)依據(jù),將污水處理廠采集的脫水消化污泥,添加吸濕劑,使其含水量達(dá)40%后,裝入發(fā)酵池,與對(duì)照池同時(shí)進(jìn)行。、5、10、15、20天采樣,并同步進(jìn)行微生物培養(yǎng)計(jì)數(shù)和用色譜法對(duì)毒性有機(jī)物進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明,微生物對(duì)毒性有機(jī)物的降解有明顯效果,特別對(duì)甲苯、乙苯、鄰苯二甲酸醋、7一666、oP,一DDT等降解效果更顯著。同時(shí),微生物

3、類群的數(shù)量變化與毒性有機(jī)物的降解率呈正相關(guān)關(guān)系。毒性有機(jī)物的降解是以細(xì)菌、放線菌為主的微生物綜合作用的結(jié)果?？梢哉J(rèn)為污水處理廠的消化污泥通過發(fā)酵處理降解有機(jī)物是可行的,其產(chǎn)物應(yīng)用于園林綠地將是比較安全的?！?】城市污泥發(fā)酵處理中微生物對(duì)有機(jī)物的降解，劉慶余等2、微生物對(duì)化學(xué)農(nóng)藥的降解 化學(xué)農(nóng)藥包括各種人工合成的除草劑、殺蟲劑、殺菌劑等化學(xué)藥物，目前生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥主要是有機(jī)磷、有機(jī)氯、有機(jī)硫等農(nóng)藥。大部分的農(nóng)藥會(huì)在土壤中殘留，吸附于土壤，并以空氣、地表水?dāng)U散至更遠(yuǎn)的范圍，從而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中的動(dòng)植物、微生物以及人類自身造成影響。人類社會(huì)的發(fā)展為自身創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)也帶來許多生態(tài)環(huán)境問題,尤其是

4、化學(xué)農(nóng)藥的使用,是造成環(huán)境污染的主要/殺手0之一?；瘜W(xué)農(nóng)藥主要是人工合成的生物外源性物質(zhì),大多數(shù)農(nóng)藥本身對(duì)人類及其他生物具有毒性,加之多數(shù)農(nóng)藥還具有高殘留、難降解的特性,更使得化學(xué)農(nóng)藥的使用嚴(yán)重威脅人類的身心健康和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展【2】陶秀成.環(huán)境化學(xué).北京:高等教育出版社, 2002.土壤微生物是土壤環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中的重要成員,包括細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類和原生動(dòng)物等。土壤殘留農(nóng)藥,除一部分通過熱分解、光分解和化學(xué)分解外,大部份可通過環(huán)境微生物的降解或轉(zhuǎn)化作用,使有毒的農(nóng)藥轉(zhuǎn)化為無毒或低毒的其他化合物11。目前,從自然界中分離出的能降解農(nóng)藥的微生物,主要包括細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類等。3劉培桐

5、.環(huán)境學(xué)概論M .北京:高等教育出版社實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)境中農(nóng)藥的清除主要是靠細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物的降解作用。例如DDT可以被芽孢桿菌屬、棒桿菌屬、諾卡菌屬的一些種類降解，五氯硝基苯可以被鏈霉菌屬、諾卡菌屬的一些種類降解，敵百蟲可被曲霉、青霉等真菌降解。微生物降解農(nóng)藥主要是通過脫鹵作用、脫烴作用，對(duì)酚、胺、脂的水解作用、氧化作用、還原作用以及環(huán)裂解、縮合等方式把化學(xué)農(nóng)藥的分子結(jié)構(gòu)改變而達(dá)到的。微生物降解化學(xué)農(nóng)藥可分為兩種類型，一種是將農(nóng)藥作為碳源或氮源直接利用，這種情況下農(nóng)藥很快被微生物降解，另一種是通過共代謝作用降解。例如氟樂靈一種除草劑，可被一些曲霉作為唯一碳源。六六六是一種難以被降解的農(nóng)

6、藥，直腸梭菌在有蛋白胨存在時(shí)可降解丙體六六六，由于微生物不能直接從共代謝農(nóng)藥中獲得能量和碳源，其降解速度很慢。由以上可見,降解農(nóng)藥的微生物在自然界中廣泛存在,說明降解農(nóng)藥的微生物并非特殊種群。由于自然界中存在著這些大量可以降解農(nóng)藥的微生物,所以,微生物就成為生物修復(fù)技術(shù)的主體,通過微生物的作用,把環(huán)境中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為CO2和H2O等無毒無害或毒性較小的其他物質(zhì)【4】孔繁翔,尹大強(qiáng),嚴(yán)國安.環(huán)境生物學(xué)M .北京:高等教育出版社, 2000: 211-230.而上述幾個(gè)微生物類群中,由于細(xì)菌在其生化上的多種適應(yīng)能力和容易誘發(fā)突變菌株的特性,使其在農(nóng)藥降解過程中占有主要地位【5】虞云龍,樊德方,

7、陳鶴鑫.農(nóng)藥微生物降解的研究現(xiàn)狀與繁殖策略J.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展, 1996, 4(3): 28-36.3 微生物對(duì)烴類化合物的降解烴類包括烷烴、烯烴、炔烴、和脂環(huán)烴。存在的狀態(tài)有氣體、揮發(fā)性液體和固體。烴是石油產(chǎn)品的主要組成成分。隨著石油的開采、運(yùn)輸、加工和利用，由于各種污染導(dǎo)致烴類物質(zhì)進(jìn)入水體、土壤和大氣，因此，污染土壤和水體的生態(tài)修復(fù)成為人們研究的重點(diǎn)，而在眾多的石油污染中，烴是最常見的污染源。微生物對(duì)烴類的降解主要是在加氧酶的催化下，將分子氧滲入到基質(zhì)中形成含氧的中間產(chǎn)物，然后轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)參與代謝過程?！?】微生物學(xué)重點(diǎn)介紹一下微生物對(duì)石油的降解機(jī)制，石油作為重要能源之一已被世界各國廣泛使

8、用,由于在石油的開采、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加工和石化產(chǎn)品生產(chǎn)等過程中的漏油以及突發(fā)性泄油事故致使大量的石油進(jìn)入環(huán)境造成污染。石油污染的危害主要表現(xiàn)在對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能的破壞,嚴(yán)重影響土壤的透氣性和滲水性,導(dǎo)致土壤板結(jié)、肥力下降;在水體表面形成油膜,致使水中溶氧量急劇下降,造成水生生物的大量死亡,破壞水生生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源;還可進(jìn)入地下水系,直接污染地下水源,影響居民用水和農(nóng)田灌溉;石油中的一些致畸致癌物質(zhì)還可通過食物鏈的生物富集作用而直接危害人類健康。隨著人們對(duì)環(huán)境問題的日益關(guān)注,石油烴類的微生物降解研究工作也不斷得以深入。近十年來這一領(lǐng)域又有許多研究和相關(guān)報(bào)道,本文對(duì)相關(guān)工作進(jìn)行了綜述。根據(jù)

9、烴類的化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),烴類的降解途徑主要可分兩部分:鏈烴的降解途徑和芳香烴的降解途徑。直鏈烷烴的降解方式主要有三種:末端氧化、亞末端氧化和X氧化。此外,烷烴有時(shí)還可在脫氫酶作用下形成烯烴,再在雙鍵處形成醇進(jìn)一步代謝。關(guān)于芳香烴的降解途徑,在好氧條件下先被轉(zhuǎn)化為兒茶酚或其衍生物,然后再進(jìn)一步被降解。近十年來未見有新的降解途徑的報(bào)道,倒是對(duì)芳香烴的厭氧降解有諸多研究,目前的研究主要是調(diào)查和確認(rèn)芳香烴在厭氧條件下的可降解性。研究表明,微生物在厭氧條件下也可降解石油烴類。Seyfried等【7】Seyfried B,Glod G,Schocher R,et al.Appl Environ Microbi

10、ol,1994,60研究發(fā)現(xiàn),在反硝化條件下,甲苯的降解是由甲基的直接氧化起始的,可檢測到苯甲醛和苯甲酸的積累。4、微生物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)換 自然界存在許多重金屬，如汞、砷、鉛、鉻、鋅等，這些并不是生物所必須的元素，達(dá)到一定的濃度時(shí)會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生抑制或致死的作用，土壤和水體等環(huán)境中的有毒元素主要來自工業(yè)廢水、廢渣和垃圾。金屬的存在形式不同，其毒性作用也不同。微生物不能降解重金屬，但可以改變其存在狀態(tài)而改變其毒性。重金屬污染的微生物修復(fù)就是通過微生物與重金屬之間的相互作用以減輕重金屬對(duì)環(huán)境的危害。近年來,基于微生物對(duì)重金屬的作用機(jī)理,以修復(fù)有毒有害金屬污染或回收有經(jīng)濟(jì)價(jià)值重金屬為目的的生物處理技術(shù)日趨

11、成熟,微生物巨大的環(huán)境保護(hù)功能(生態(tài)毒理評(píng)價(jià)和生物修復(fù))顯得越來越重要。微生物對(duì)重金屬的吸附作用，微生物吸附重金屬離子的機(jī)理十分復(fù)雜,按是否消耗能量分為活細(xì)胞吸附與死細(xì)胞吸附兩種。微生物能通過多種途徑將重金屬離子吸附在其細(xì)胞表面。革蘭氏陽性細(xì)菌的細(xì)胞壁中含有較多的磷壁酸,帶有較強(qiáng)的負(fù)電荷,能吸附陽離子。在革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞壁中肽聚糖層的外層有810nm厚的脂多糖,帶有較強(qiáng)的負(fù)電荷,能吸附重金屬陽離子。真菌的細(xì)胞壁由甘露聚糖、葡聚糖、幾丁質(zhì)、纖維素和蛋白質(zhì)等成分組成,這些物質(zhì)帶有較強(qiáng)的負(fù)電荷,能吸附金屬陽離子【8】。 Ledin Maria. Accumulation of metals by

12、microorganisms)processes and importance for soil systemsJ.Earth-ScienceReviews,2000,51(1):1-311在活細(xì)胞中,重金屬離子在微生物細(xì)胞內(nèi)的富集是一個(gè)長期過程,此過程需要細(xì)胞代謝活動(dòng)提供能量,并且在這些過程中只對(duì)特定元素起作用(如鈣、鎂、鈉等元素),目前已提出的金屬運(yùn)送機(jī)制有離子泵、載體協(xié)助、脂類過度氧化和復(fù)合物滲透等【8】。過量的重金屬離子對(duì)微生物的生長也會(huì)產(chǎn)生毒害作用,活細(xì)胞內(nèi)積累重金屬離子的能力有限,而且活細(xì)胞的吸附量并不比死細(xì)胞高。Veit等研究發(fā)現(xiàn),在合適的外界條件(如pH、溫度等)下,死去的鳳尾

13、菇(Pleurotus pulmonarius,又名側(cè)耳)能對(duì)Cu2+進(jìn)行較好的吸收,最高富集量可達(dá)4.77j(干重分?jǐn)?shù))【9】。 Veit Marcia Teresinha, Tavares C R G, Gomes-da-Costa SM, et al. Adsorption isotherms of copper(II) for twospeciesof dead fungi biomassesJ.Process Biochemistry,2005,40(10):3303-33081)通過微生物對(duì)重金屬的主動(dòng)與被動(dòng)堆積作用而使重金屬得以在體內(nèi)富集。一些重金屬(特別是汞、鎘、鉛、鉻等)在水

14、體中不能被微生物降解,而只能發(fā)生各種形態(tài)相互轉(zhuǎn)化和分散、富集過程,如無機(jī)汞在底泥中厭氧細(xì)菌的作用下,可轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的甲基汞,而甲基汞又可通過食物鏈在生物體內(nèi)富集,最后進(jìn)入人體【10】。 Dean W. Boening. Ecological effects, transport, and fate of mercury: a general reviewJ. Chemosphere,2000,40(12):1335-13511(2)通過微生物的金屬轉(zhuǎn)化作用,如氧化-還原作用或烷基取代作用等,而使重金屬從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)。有些微生物,如嗜酸鐵氧化細(xì)菌(氧化亞鐵硫桿菌、氧化亞鐵鉤端螺旋桿

15、菌等)能夠氧化Fe2+、還原態(tài)的S(如H2S、S2O2 -3等)和金屬硫化物來獲得能源,影響許多金屬的活動(dòng)性。除了通過氧化金屬離子外,微生物還可把一些重金屬還原成可溶性的或揮發(fā)性的形態(tài),如有些微生物可把難性的Pu4+還原成可溶性的Pu3+,把Hg2+還原成揮發(fā)性的Hg,鐵錳氧化物的還原也可把吸附在難溶性Fe3+、Mn4+氧化物上的重金屬釋放出來。(3)微生物能夠產(chǎn)生影響重金屬活性的物質(zhì),如微生物新陳代謝過程中產(chǎn)生的簡單有機(jī)化合物、大分子腐殖酸和富里酸或其它分泌物等都能絡(luò)合環(huán)境中的重金屬離子,從而實(shí)現(xiàn)不同重金屬離子形態(tài)間的轉(zhuǎn)化。Chanmugathas和Bollag報(bào)道,在營養(yǎng)充分的條件下,土壤

16、微生物代謝活躍,促進(jìn)了對(duì)鎘的轉(zhuǎn)化。Kurek和Bollag比較了在不同碳源條件下微生物對(duì)重金屬的溶解,發(fā)現(xiàn)以土壤有機(jī)質(zhì)或土壤有機(jī)質(zhì)加麥稈作為微生物的碳源時(shí),微生物并不促進(jìn)鉛、鎘、鋅、銅等重金屬的溶解;如果同時(shí)加入葡萄糖作為碳源,經(jīng)過一段時(shí)間后,不滅菌處理的淋洗液中重金屬離子的濃度顯著高于滅菌處理。參考文獻(xiàn)【1】城市污泥發(fā)酵處理中微生物對(duì)有機(jī)物的降解，劉慶余等【2】陶秀成.環(huán)境化學(xué).北京:高等教育出版社, 2002.【3】劉培桐.環(huán)境學(xué)概論M .北京:高等教育出版社【4】孔繁翔,尹大強(qiáng),嚴(yán)國安.環(huán)境生物學(xué)M .北京:高等教育出版社, 2000: 211-230.【5】虞云龍,樊德方,陳鶴鑫.農(nóng)藥微生物降解的研究現(xiàn)狀與繁殖策略J.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展, 1996, 4(3): 28-36.【6】微生物學(xué)【7】Seyfried B,Glod G,Schocher R,et al.Appl Environ Microbiol,1994,60【8】 Ledin Maria. Accumulation of metals by microorganisms)processes and importance for soil systemsJ.Earth-ScienceReviews,2000,51(1):1-311【9】。 Veit Marcia Teresinha, Tava