微生物在多环芳烃降解应用中的机理及其研究趋势
录入时间:2011-10-8 16:14:58
来源：大家网
摘 要：多环芳烃具有毒性、生物蓄积性和半挥发性，并能在环境中持久存在，在近几年受到了人们的高度重视。微生物修复能处理费用低、效果好、污染物残留量低、不产生二次污染、能够保持或改善植物生长的土壤结构等，是去除环境中多环芳烃的主要途径。阐述了多环芳烃的性质、来源、危害和微生物对它的降解机理等，并对今后的发展趋势进行了展望。
关键词：微生物；多环芳烃；降解；研究趋势
1 多环芳烃的来源
1.1 天然源
多环芳烃的天然来源主要是燃烧和生物的合成，如：森林和草原火灾、火山爆发及微生物的内源合成等，在这些过程中均会产生PAHs，未开采的煤、石油中也含有大量的多环芳烃。
1.2 人为源
人为源是多环芳烃主要的来源，通过石油、煤炭、木材、垃圾焚烧和交通的直接排放等等，特别是化石燃料的燃烧是环境中PAHs的主要来源。总之是随着工业生产的发展，多环芳烃大大地增加，每年因人类的活动会有成千上万吨的多环芳烃释放到地球环境系统中，远远超过了环境的自净能力。
2 多环芳烃的危害
在世界范围内每年有约43000t PAHs释放到大气中，由于较高的亲脂性，多环芳烃可以通过食物链进入人体，对人类健康和生态环境具有很大的潜在危害，已引起各国环境科学家的极大重视。多环芳烃最突出的特性是具有强致癌性、致畸性及致突变性。当PAHs与-NO2、-OH、-NH2等发生作用时，会生成致癌性更强的PAHs衍生物。另外，PAHs很容易吸收太阳光中可见(400-760nm)和紫外(290-400nm)区的光，对紫外辐射引起的光化学反应尤为敏感。多环芳烃在其生成、迁移、转化和降解过程中，通过呼吸道、皮肤、消化道进入人体和动物体，即直接吸入被污染的气体；使用烟熏食物及饮用被污染水；皮肤直接与烟灰、焦油及各种石油产品等接触。
3 多环芳烃的降解机理
3.1 降解多环芳烃的微生物
自然界中存在的许多细菌、真菌及藻类都具有降解多环芳烃的能力。一般来说，随着多环芳烃苯环数量的增加，降解速率会越来越低。因此，低分子量的多环芳烃在环境中能较快被降解，在环境中存在的时间较短；而高分子量的多环芳烃则难于降解，能长期存在于环境中。
3.2 微生物降解多环芳烃的一般途径
微生物具有很强的分解代谢能力，虽然PAHs是一种极为稳定的难降解物质，但因其分布广泛，一些环境中的微生物可以经过适应和诱导，对PAHs进行代谢分解，甚至矿化。微生物主要以两种方式代谢：一种是以PAHs为唯一碳源和能源；另一种是与其它有机质共代谢。所谓的共代谢是指利用一种容易降解的物质作为支持微生物生长繁殖的营养物质，而同时降解另一种物质，但后一种物质的降解和转化并不能使共代谢的微生物获得能量、碳源或其它的任何营养物质。其中，微生物的共代谢作用对于难降解污染物PAHs的彻底分解或矿化起主导作用。并且低分子量的PAHs在环境中能较快的被降解，在环境中存在的时间较短；高分子量的则难以被降解，在环境中存在时间长，较稳定。
3.3 多环芳烃微生物降解的主要影响因素及其解决措施
由于PAHs性质稳定，单纯靠自然界的降解是很慢的，所以有必要通过研究多环芳烃微生物降解的影响因素，从而通过人为手段加以快速除去PAHs，减少环境中的污染物。
3.3.1 底物PAHs本身
底物PAHs本身的苯环数量影响很大，研究表明，两环和三环化物(萘、菲、蒽、芴等)在环境中存在的时间较短，能将PAHs作为唯一碳源的微生物就能矿化这些化合物。而四环多环高分子量的PAHs则难以降解，在环境中较稳定，研究表明，象白腐菌、烟管菌可以通过共代谢方式对这一类化合物加以降解。一般来说，随着PAHs苯环数的增加，辛醇——水分配系数增大，其降解速率越来越低。因此可通过添加表面活性剂(SAA)，降低介质表面和界面张力，增大PAHs在水相中的溶解度，促进PAHs从固相转移到水相，提高生物利用性。
3.3.2 微生物种群
微生物种群前已述及，PAHs尽管难于降解，但在长期受污染的环境中仍存在很多降解菌。在PAHs中，苯并芘(BaP)因其强致癌性、难降解而倍受关注，常作为研究的对象。大量的研究报导表明，白腐菌降解BaP及其它PAHs的能力较其它微生物强，但白腐菌降解也存在降解常不彻底，转化产物毒性可能更大的问题。由此可见，仅仅将单一优势菌应用于降解较单一的PAHs，其降解能力是有限的。因为环境中的PAHs是混合物，加之高分子量多环芳烃的降解属于共代谢，故在PAHs生物修复的实际处理中，最好接入经过驯化的高效混合菌或激发环境中的多种土著菌。Kotterman等研究表明，真菌和细菌混合培养更有利于苯并芘BaP的降解。
3.3.3 电子受体
电子受体环境中的氧气对微生物而言是一个极为重要的限制因子，首先是氧气的含量决定微生物群落的结构。研究表明，好氧环境和厌氧环境微生物都能降解PAHs，只是降解途径和降解效率不同而已。在好氧环境中，O2可直接作为电子受体，而在厌氧环境中，以NO3-、NO2-、SO42-等含氧酸根作为电子受体。在一般情况下，微生物降解PAHs多需要氧气的参与，为改善好氧状况，可采用生物通气或建立藻菌共生系统等生物修复方法。对于厌氧环境，也可添加NO3-、SO42-等含氧酸盐类电子受体。
3.3.4 营养元素状况
营养盐的缺乏对微生物的生长和种群的维持都是重要的限制因素。Lewis等研究表明，通过维持污染环境中C：N：P的正常比例，可促进PAHs的稳定降解。为了彻底降解和加快净化速度，生物修复中常添加氨和磷酸盐来调节C：N：P比例。但水溶性的氮、磷营养盐效果不好，还会造成富营养化，促进藻类生长繁殖。为克服这些缺点，目前国际上已研制出多种含N、P的亲油性肥料和包水性肥料，并已成功地应用于溢油事故的处理。
4 结语
环境中的多环芳烃分布广泛，结构稳定，单靠自然界的自净能力是远远不够的。生物降解是去除环境中的有机污染的重要途径，所以现在分离筛选出新的高效降解菌是很重要的，特别是能降解四环和四环以上的多环芳烃的高效降解菌。单一的降解技术也是很有局限性的，所以在PAHs的治理过程中可结合其它物理和化学方法对环境中的多环芳烃进行降解。对于多环芳烃的降解过程中的中间步骤还不是很清楚，需研究其降解过程中积累的中间产物的结构性质，对抑制微生物的生长情况，看其是否有致癌活性等等。另外，对于降解多环芳烃的共代谢机理及途径应深入研究，从而为环境保护作出贡献。
参考文献
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