第九章 微生物污染生態(tài)與生物修復(fù)

第九章微生物污染生態(tài)與

生物修復(fù)武青1032011224003微生物污染生態(tài)與生物修復(fù)微生物生態(tài)效應(yīng)土壤污染物的微生物凈化與修復(fù)微生物共代謝的原理和過程微生物的去毒作用植物修復(fù)及其對(duì)土壤微生物生物修復(fù)的促進(jìn)作用微生物生態(tài)效應(yīng)土壤污染物的產(chǎn)生人為影響意外事故自然災(zāi)害土壤污染的主要物質(zhì)無機(jī)元素及其化合物有毒有機(jī)污染物氮磷營(yíng)養(yǎng)元素寄生蟲、病原菌、病毒以及基因工程內(nèi)分泌干擾素微生物功能對(duì)土壤生態(tài)的指示作用微生物總數(shù)有機(jī)質(zhì)分解呼吸作用生物量氮的固定與礦化作用磷的積累和硫的氧化土壤酶活性鐵還原作用熱能釋放土壤污染物的微生物凈化與修復(fù)生物修復(fù)（Bioremediation）指利用生物將土壤、地表及地下水或海洋中的危險(xiǎn)性污染物現(xiàn)場(chǎng)去除或降解的工程技術(shù)系統(tǒng)。生物修復(fù)的基本指導(dǎo)思想凈化速度緩慢由于三方面的原因生物修復(fù)技術(shù)系統(tǒng)中添加氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽接種、馴化高效菌自然條件下DO不足營(yíng)養(yǎng)鹽缺乏高效菌生長(zhǎng)緩慢供氧快速去除污染物生物修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)：污染物原地被降解修復(fù)時(shí)間較短操作簡(jiǎn)便費(fèi)用少環(huán)境影響小生物修復(fù)的局限需對(duì)目標(biāo)地詳細(xì)調(diào)查微生物易受周圍條件的影響某些環(huán)境下污染物去除不完全生物修復(fù)的類型原位生物修復(fù)易位生物修復(fù)微生物污染修復(fù)原理微生物對(duì)污染的避性形態(tài)學(xué)造性具有莢膜（它是污染物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的最重要的屏障）生理學(xué)避性沉淀作用（產(chǎn)生某些物質(zhì)，該物質(zhì)能夠和溶液中的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不溶性化合物的過程）胞外絡(luò)合作用（產(chǎn)生某些物質(zhì)并且分泌到胞外時(shí)，有些物質(zhì)具有絡(luò)合金屬的能力。）細(xì)胞壁結(jié)合作用（與細(xì)胞壁的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)）微生物對(duì)污染的結(jié)合、鈍化作用在釀酒酵母中除發(fā)現(xiàn)可結(jié)合固定重金屬的金屬硫蛋白、重金屬螯合肽外，還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜上存在對(duì)銅有高度親合性的Ctrlp蛋白微生物對(duì)污染的降解與轉(zhuǎn)化1、微生物對(duì)金屬離子的轉(zhuǎn)化作用自然界中有一些特殊微生物，它們對(duì)有毒金屬離子具有抗性，可以使金屬離子發(fā)生轉(zhuǎn)化。通過甲基化作用、還原作用、氧化作用2、微生物對(duì)有機(jī)污染物的分解轉(zhuǎn)化作用微生物能夠分解轉(zhuǎn)化許多有機(jī)污染物，降低它們的生物毒性或使毒性完全消失。

農(nóng)藥——許多微生物能夠降解農(nóng)藥微生物共代謝的原理和過程共代謝基質(zhì)與共代謝微生物混合菌株的協(xié)同礦化作用共代謝的原因與共代謝相關(guān)的酶共代謝的環(huán)境意義共代謝發(fā)現(xiàn)早在20世紀(jì)60年代的研究中，發(fā)現(xiàn)一株能在一氯乙酸上生長(zhǎng)的假單胞菌能夠使三氯乙酸脫鹵。然而，該菌株不能利用三氯乙酸作為碳源生長(zhǎng)。共代謝作用（Cometabolism）某些有機(jī)物不能作為微生物培養(yǎng)的唯一碳源，必須有另外的化合物提供微生物碳源或能源，該有機(jī)物才降解，這類降解稱共代謝作用。共代謝基質(zhì)與共代謝微生物一、共代謝基質(zhì)與共代謝微生物1.共代謝基質(zhì)有許多化學(xué)品在培養(yǎng)物中可進(jìn)行共代謝例如環(huán)己烷、PCBs、3-三氟甲基苯甲酸、氯酚、3,4-二氯苯胺、1,3,5-三硝基苯、毒草胺、甲草胺、禾草敵、2,4-D、麥草畏等。共代謝基質(zhì)與共代謝微生物

基質(zhì)

產(chǎn)物氟甲烷二甲醚二甲基硫醚四氯乙烯苯并噻吩3-羥基苯甲酸環(huán)己烷3-氯酚氯苯3-硝基酚三硝基甘油對(duì)硫磷4-氯苯胺甲醛甲醇二甲基亞砜三氯乙烯苯并噻吩-2,3-雙酮2,3-羥基苯甲酸環(huán)己醇4-氯兒茶酚3-氯兒茶酚硝基氫醌1-和2-硝基甘油4-硝基酚4-氯乙酰替苯胺表4-5純培養(yǎng)中的一些共代謝基質(zhì)及其產(chǎn)物(1)共代謝基質(zhì)與共代謝微生物表4-5純培養(yǎng)中的一些共代謝基質(zhì)及其產(chǎn)物(2)基質(zhì)產(chǎn)物丙烷2-丁醇苯酚DDT鄰二甲苯2,4,5-T4-氟苯甲酸4,4’-二氯二苯基甲烷2,3,6-三氯苯甲酸3-氯苯甲酸三硝基甘油開蓬(kepone：十氯酮）4-三氟甲基苯甲酸丙酸、丙酮2-丁酮順，順-粘康酸（已二烯二酸）DDD、DDE、DBP鄰-甲苯甲酸2,4,5-三氯酚4-氟兒苯酚4-氯苯乙酸3,5-二氯兒茶酚4-氯兒茶酚芐基醇一氫開蓬4-三氟甲基-2,3-二羥基甲酸共代謝基質(zhì)與共代謝微生物2.實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基中進(jìn)行共代謝反應(yīng)的細(xì)菌

假單胞菌屬、不動(dòng)桿菌屬、諾卡氏菌屬、芽孢桿菌屬、分枝桿菌屬、節(jié)桿菌屬、無色桿菌屬(Achromobacter)、產(chǎn)堿菌屬、甲基彎曲菌屬(Methylosinus)、紅球菌屬、黃色桿菌屬(Xanthobacter)和亞硝化單胞菌屆等。3.進(jìn)行共代謝反應(yīng)的真菌

有青霉屬(Penicillium)

絲核菌屬(Rhizoctoia)等。

共代謝基質(zhì)與共代謝微生物4.共代謝中需要酶參與一系列酶系在進(jìn)行共代謝轉(zhuǎn)化時(shí)進(jìn)行著羥基化、氧化、去硝基、去氨基、水解、?；蛎焰I裂等作用。異養(yǎng)細(xì)菌和真菌進(jìn)行的共代謝反應(yīng)是多種多樣的。甲基營(yíng)養(yǎng)菌的甲烷單加氧酶能夠氧化烷烴、烯烴、仲醇、二(或三)氯甲烷、二烷基醚、環(huán)烷烴和芳香族等多種化合物。珊瑚狀諾卡氏菌(N．corallina)可以共代謝三(或四)甲基苯、二乙基苯、聯(lián)苯、四氫化萘和二甲基萘并產(chǎn)生多種產(chǎn)物。混合菌株的協(xié)同礦化作作用

協(xié)同礦化作用共代謝產(chǎn)物在培養(yǎng)液中積累，在自然界未必會(huì)積累。產(chǎn)物可在第二個(gè)菌株的作用下繼續(xù)共代謝或完全礦化。互補(bǔ)分解代謝混合菌株能使基質(zhì)完全礦化，使得基質(zhì)完全降解。菌株互補(bǔ)分解代謝途徑的出現(xiàn)啟發(fā)人們通過遺傳工程技術(shù)構(gòu)建能夠礦化母體化合物的新菌株?；旌暇甑膮f(xié)同礦化作作用基質(zhì)過程對(duì)應(yīng)的菌株對(duì)硫磷對(duì)硫磷→4-硝基酚和二乙基磷酸4-硝基酚為碳源和能源施氏假單胞菌銅綠假單胞菌環(huán)己烷環(huán)己烷→環(huán)己醇環(huán)己醇礦化兩種假單胞菌之間4,4’-二氯聯(lián)苯4,4’-二氯聯(lián)苯→4-氯苯甲酸4-氯苯甲酸為碳源和能源不詳不動(dòng)桿菌表4-6一些雙菌株的協(xié)同礦化作用(1)混合菌株的協(xié)同礦化作作用基質(zhì)過程對(duì)應(yīng)的菌株DDTDDT→4-氯苯乙酸4-氯苯乙酸用于生長(zhǎng)假單胞菌節(jié)桿菌2,4,5-T2,4,5-T→2,4,5-三氯酚2,4,5-三氯酚代謝熒光假單胞菌另一種微生物4-氯-3,5-二硝基苯甲酸4-氯-3,5-二硝基苯甲酸→2-羥基粘康酸半醛2-羥基粘康酸半醛礦化不詳鏈霉菌表4-6一些雙菌株的協(xié)同礦化作用(2)共代謝的原因細(xì)胞中微生物酶對(duì)有機(jī)物礦化作用的過程如下:abcA→B→C→D→→→CO2+能量+細(xì)胞-C在正常代謝過程中，a酶參與A→B的轉(zhuǎn)化，b酶參與B→C的轉(zhuǎn)化。如果第一個(gè)酶a底物專一性較低，它可以作用許多結(jié)構(gòu)相似的底物，如A’或A’’，產(chǎn)物分別為B’或B’’。酶b卻不能作用于B’或B’’使其轉(zhuǎn)化為C’或C’’,結(jié)果造成B’或B’’積累，即:aA’→B’X共代謝的原因

這種現(xiàn)象是由于最初的酶系作用的底物較寬，后面酶系作用的底物較窄而不能識(shí)別前面酶系形成的產(chǎn)物造成的。這種解釋的最初的證據(jù)來自對(duì)除草劑2,4-D代謝的研究。

2,4-D首先轉(zhuǎn)化為2,4-二氯酚，但是只有部分酶或很少的酶能進(jìn)一步代謝2,4-二氯酚。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，共代謝產(chǎn)物幾乎全部積累。共代謝的原因(2)中間產(chǎn)物的抑制作用■有機(jī)物在代謝過程中，最初基質(zhì)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物抑制了在以后起礦化作用酶系的活性或抑制該微生物的生長(zhǎng)。例如：■惡臭假單胞菌(Ps.putida)能共代謝氯苯形成3-氯兒茶酚，但不能將后者降解，因?yàn)樗种屏诉M(jìn)一步降解的酶系。共代謝的原因■惡臭假單胞菌可以將4-乙基苯甲酸轉(zhuǎn)化為4-乙基兒茶酚，而后者可以使以后代謝步驟必要的酶系失活。由于抑制酶的作用造成了惡臭假單胞細(xì)菌不能在氯苯或4-乙基苯甲酸上生長(zhǎng)。共代謝的原因(3)需要另外的基質(zhì)有些微生物需要第二種基質(zhì)進(jìn)行特定的反應(yīng)。第二種基質(zhì)可以提供當(dāng)前細(xì)胞反應(yīng)中不能充分供應(yīng)的物質(zhì)，例如轉(zhuǎn)化需要電子供體。有些第二種基質(zhì)是誘導(dǎo)物，例如一株銅綠假單胞菌要經(jīng)過正庚烷誘導(dǎo)才能產(chǎn)生羥化酶系，使鏈烷烴羥基化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醇(王家玲，1988)。與共代謝相關(guān)的酶

有些酶的專一性較差，可以作用于多種底物，這樣導(dǎo)致了共代謝。一些作用于一系列底物的單一酶系（1）甲烷營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌的甲烷單加氧酶甲烷營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌生長(zhǎng)在甲烷、甲醇和甲酸中時(shí)，能夠共代謝多種有機(jī)分子，其中包括一些主要污染物分子（如下反應(yīng)所示）。在這些反應(yīng)中，甲烷單加氧酶起催化作用。與共代謝相關(guān)的酶■發(fā)孢甲基彎曲菌可以轉(zhuǎn)化氯代脂肪烴為反式或順式1,2-二氯乙烯,1,1-二氯乙烯,1,2-二氯丙烷,1,3-二氯丙烯■生長(zhǎng)在甲烷中的其他一些細(xì)菌的酶可以催化正烷烴(C2-C8),正烯烴(C2-C6)和單或雙氯脂肪烴(C5-C6)與共代謝相關(guān)的酶(2)甲苯雙加氧酶(dioxygenase)■許多好氧細(xì)菌中存在甲苯雙加氧酶■甲苯雙加氧酶可使甲苯與O2結(jié)合■酶專一性較低可以降解三氯乙烯(TCE)(Nelsonelal，1988；Li&Wackett，1992)

轉(zhuǎn)化2-硝基甲苯、3-硝基甲苯為對(duì)應(yīng)的醇使4-硝基甲苯羥化

(Robertson，1992)與共代謝相關(guān)的酶圖4-3甲苯雙氧化酶催化的反應(yīng)與共代謝相關(guān)的酶(3)甲苯單加氧酶■在一些好氧細(xì)菌存在有甲苯單加氧酶■只能使O2中一個(gè)原子和甲苯結(jié)合形成鄰甲酚■酶的共代謝作用可共代謝三氯乙烯將3-硝基甲苯轉(zhuǎn)化為苯甲基醇（醛）將4-硝基甲苯轉(zhuǎn)化為苯甲基醛（醇）使其他芳香化合物加羥基

(Delgadoetal1992；Shields1991)。與共代謝相關(guān)的酶(4)丙烷利用菌加氧酶■利用丙烷作為碳源和能源的好氧菌加氧酶對(duì)作用的底物較寬■酶的作用(Wackettetal，1989)

可共代謝三氯乙烯（TCE）氯乙烯

1,1-二氯乙烯順-1,2-二氯乙烯反-1,2-二氯乙烯與共代謝相關(guān)的酶(5)歐洲亞硝化單胞菌的氨單—加氧酶■歐洲亞硝化單胞菌(Nitrosomonaseurolmea)是化能自養(yǎng)菌■在自然界以NH3為能源，以CO2為能源?！霭眴渭友趺傅墓泊x作用底物

TCE、1,1-二氯乙烯、二氯乙烷、四氯乙烷、氯仿、一氯乙烷、氟乙烷、溴乙烷和碘乙烷(Rmscheetal，1990，1991)、各種單環(huán)芳烴(Keener1994)、硫醚(Julietteetal，1993)以及氟甲烷和乙醚(Hymanetal，1994)。與共代謝相關(guān)的酶(6)鹵素水解酶(halidohydrolase)■鹵素酶可作用于簡(jiǎn)單鹵代脂肪酸■酶可以裂解氟乙酸、氯乙酸、碘乙酸；■裂解二氯乙酸、2-氯丙酸、2-氯丁酸；■去除1-碘甲烷、1-碘乙烷、1—氯丁烷、1-溴丁烷、l-氯己烷中的鹵素轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的正構(gòu)醇；■依不同的菌其作用有區(qū)別與共代謝相關(guān)的酶(7)脫鹵酶(dehalogenase)

脫鹵酶去除CH2Cl2、CH2BrCl、CH2Br2和CH2I2中的鹵素(Kohler-Staub&Leisinger，1985)，作用于4-氯苯甲酸、4-溴苯甲酸、4-碘苯甲酸(Thieleetal，1987)。(8)兒茶酚雙加氧酶該酶氧化兒茶酚、3-和4-甲基兒茶酚、3-氟兒茶酚。(9)苯甲酸羥化酶(hydmxylase)

該酶代謝苯甲酸、4-氨基苯甲酸、4-6硝基苯甲酸、4-氯苯甲酸、4-甲基苯甲酸。與共代謝相關(guān)的酶(10)腈裂解酶(lyase)

該酶裂解多種芳香腈類化合物的腈為氨。(11)磷酸酯酶(phosphatase)

該酶水解對(duì)硫磷、對(duì)氧磷、二嗪磷、毒死蜱和殺螟硫磷。(12)醇脫氫酶(dehydrogenase)

該酶氧化正脂肪醇(C1～C11)。(13)脫氨酶(deaminase)

該酶脫去多種嘌呤中的氨基。與共代謝相關(guān)的酶(14)烷基羥化酶該酶可以羥化多種烷基苯以及直鏈、分支和環(huán)式烷烴(VanBeilenetal，1994)。(15)烷基單加氧酶該酶降解TCE、氯乙烯、二氯乙烯和丙烯(Ensigneetal，1992)。(16)萘雙加氧酶該酶作用于二甲苯、硝基甲苯和乙苯的異構(gòu)物(Lee&Gibson，1996)。(17)聯(lián)苯雙加氧酶該酶可以使幾種PCB轉(zhuǎn)化(Heraandez，1995)與共代謝的環(huán)境意義■共代謝是微生物轉(zhuǎn)化的一種特殊的類型■環(huán)境污染物造成不良的環(huán)境影響的原因①進(jìn)行共代謝的微生物數(shù)量在環(huán)境中不會(huì)增加，物質(zhì)轉(zhuǎn)化速率很低。不像進(jìn)行基質(zhì)代謝的微生物隨微生物繁殖而增加代謝率。②共代謝使有機(jī)產(chǎn)物積累，產(chǎn)物是持久性的。由于在結(jié)構(gòu)上經(jīng)常和母體化合物差別不大，如果母體化合物是有毒的，共代謝產(chǎn)物也是有害的。與共代謝的環(huán)境意義■對(duì)自然界能共代謝各個(gè)基質(zhì)微生物的數(shù)量研究不多■土壤中能共代謝2，4-D的細(xì)胞數(shù)為(0.3-0.8)x106個(gè)／g(Fournier，1981)■從污水中分離到的細(xì)菌中有20％-75％細(xì)菌能共代謝DDT■污水中有9x107個(gè)／ml的細(xì)胞可共代謝農(nóng)藥(Pfaender&Alexander，1973)。

以除草劑毒莠定的降解為例：毒莠定在土壤中能被微生物群體所降解，但迄今仍未分離出能利用毒莠定為惟一能源的微生物。當(dāng)把毒莠定當(dāng)作補(bǔ)充能源和其它化合物一起加入營(yíng)養(yǎng)基后，它就能被各種微生物所降解，JacksonFester稱其為“共代謝作用”或“共氧化作用”。共代謝作用的發(fā)生可能是借助某些微生物的酶對(duì)基質(zhì)（如毒莠定）并不具有高度專一性，而對(duì)基質(zhì)有類似結(jié)構(gòu)的化合物能被分解，即無需再供給微生物以更多的能量。微生物通過共代謝作用降解微生物降解有機(jī)污染物的主要反應(yīng)類型（1）氧化作用:①醇的氧化，如醋化醋桿菌(Acetobacteraceti)將乙醇氧化為乙酸，氧化節(jié)桿菌(Arthrobacteroxydans)可將丙二醇氧化為乳酸；②醛的氧化，如銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)將乙醛氧化為乙酸；③甲基的氧化，如銅綠假單胞菌將甲苯氧化為安息香酸，表面活性劑的甲基氧化主要是親油基末端的甲基氧化為梭基的過程；④氧化去烷基化：如有機(jī)磷殺蟲劑可進(jìn)行此反應(yīng)；⑤硫醚氧化：如三硫磷、撲草凈等的氧化降解；⑥過氧化：艾氏劑和七氯可被微生物過氧化降解；⑦苯環(huán)輕基化：2，4-D和苯甲酸等化合物可通過微生物的氧化作用使苯環(huán)輕基化；⑧芳環(huán)裂解：苯酚系列的化合物可在微生物作用下使環(huán)裂解；⑨雜環(huán)裂解：五元環(huán)(雜環(huán)農(nóng)藥)和六元環(huán)（吡啶類)化合物的裂解；⑩環(huán)氧化：環(huán)氧化作用是生物降解的主要機(jī)制，如環(huán)戊二烯類殺蟲劑的脫鹵、水解、還原及羥基化作用，等等。(2)還原作用:①乙烯基的還原，如大腸桿菌（Escherichiacoliform)可將延胡索酸還原為琥珀酸；②醇的還原，如丙酸梭菌(Clostridiumpropionicum)可將乳酸還原為丙酸；③芳環(huán)羥基化，甲苯酸鹽在厭氧條件下可以羥基化；也有醌類還原、雙鍵、三鍵還原作用等。(3)基團(tuán)轉(zhuǎn)移作用:①脫羧作用，如戊糖丙酸桿菌（Prorionibacterium

pentosaceum)可使琥珀酸等羧酸脫羧為丙酸；②脫鹵作用，是氯代芳烴、農(nóng)藥、五氯酚等的生物降解途徑；③脫烴作用，常見于某些有烴基連接在氮、氧或硫原子上的農(nóng)藥降解反應(yīng)；還存在脫氫鹵以及脫水反應(yīng)等(4)水解作用:主要包括有酯類、胺類、磷酸酯化