微生物对环境有机污染物的降解与转化

第八章　微生物对环境有机污染物的降解与转化

在地球漫长的历史进程中，生物多聚物的缓慢进化和以这类物质为基质的微生物分解能力的进化是平行进行的，地球上没有任何的自然有机物过度积累就说明这一点。微生物分布广泛，代谢类型多样和适应变异能力强的特点为微生物对生物物质的巨大分解能力提供了基础。自然界物质中既有易于分解的蛋白质、脂肪、多糖，也有难以分解的木质素。环境有机污染物的进入对存在于环境中的微生物是一个挑战和选择压力。与自然存在的有机物不同，环境污染物既有自然来源，也有人工合成的，而且大多是人工合成生产的。后者也称为人造化合物(man made compounds)、人为化合物(anthropogenic chemicals)、合成化合物(synthetic compound)、合成有机化合物(synthetic organic compound)。它们中的许多其化学结构是自然界现存化合物中所没有的，因此也称为异生物源物质(xenobiotics)、异生物源有机化合物(xenobiotic organic compound)(xenote希腊文中意为外来的)。也有许多研究者把异生物源物质定义为现存酶所不认识的化合物。

环境有机污染物的导入和存在导致生物降解研究的兴起和深入。生物降解(biodegradation)被定义为生物因子(特别是微生物)作用下对物质的分解，一般来说生物降解是一个由微生物引起的衰变过程。从严格意义上说生物降解表示微生物可以完全裂解或矿化复杂的有机物成为无机物组成成分，如CO₂、水和矿质成分。生物转化(biotransformation)则主要指化合物部分结构的改变。从一般意义上来说生物降解、生物转化与微生物降解(microbial degradation)、微生物转化(microbial transformation)是一致的。大部分有机污染物的生物降解发生在好氧条件下，但许多有机化合物的生物降解在厌氧条件下也能发生，但其降解速率不如在好氧条件下那样快。一些微生物也能利用化合物如NO－3、SO₄^2－或F³⁺作为电子受体氧化有机物。某些化合物生物降解(如卤化烃)至少在开始时在厌氧条件时降解更快。本章把降解底物定位在有机污染物，微生物的降解作用统一使用生物降解的术语。存在于环境中的大量有机物(自然物质和部分污染物)易于被微生物所降解，可以称为易生物降解物质(readily biodegradable substances)，其余的化合物(主要是污染物和少量自然物质)则难为微生物所降解，可以称为很少或抗降解物质(poorly biodegradable substances or resist biodegradable substances)和顽固性化合物(recalcitrant substances)。我们一般把这类抗降解的化合物称为难降解污染物。许多难降解污染物还具有较强的生物毒性，所以这部分污染物也被称为有毒有机物(toxic organic chemicals)或有害有机物(hazardous organic chemicals)。有机污染物的被降解程度可用完全降解(complete degradation)、部分降解(partial degradation)来表述。完全降解指有机物被氧化成CO₂、水及其他无机物，并且形成新的微生物生物量。部分降解指分子的部分分解(如一个季碳原子上的脂肪链)或形成一种新的更稳定的化合物(如从简单的酚形成多酚)。与部分降解相关的是初步降解，初步降解来源于表面活性剂的降解研究，指分子的很少转化导致化合物某些特征性质的丧失，如表面活性剂疏水性脂肪(hydrophobic aliphatic)链的足够的缩短从而失去表面活性和发泡能力。部分或不完全降解的原因是;①缺乏合适的降解酶;②共代谢;③导致聚合或合成比母体化合物更稳定、更复杂的化合物;④产生毒性更强的中间化合产物。

生物降解作为生态系统物质循环过程中的重要一环，在其中起重要的作用。在C、H、O、N和S的循环中，没有微生物的活动这些元素就会被束缚在复杂的不被降解的物质中，它们就不能回到自然循环中。另外，微生物对死亡生物体的降解可以防止生物体积累在地球表面。

环境难降解污染物因其难以降解而长期残留，这就引起两个方面的问题，一是它们的分布广泛，另一个是生物富集。难降解污染物在环境中的存留时间长，因而可以输送到很远的地方。有的污染物不但难降解，而且是脂溶性的，它们在生物体中不但未被分解和大量排泄，还会贮积下来，再沿着食物链传递，使更高营养级生物比低营养级生物积累更多的污染物，从而对生物和人类造成严重的健康损害。由于每天都有大量环境污染物进入环境，填埋渗漏，空气、水、土地中有害污染物污染事件不断被披露，生物降解引起了人们的极大关注。

研究难降解污染物的降解是当前生物降解的主要课题。这种研究有重要理论和实际应用价值。一是通过研究可以查明化学结构与生物降解的相互关系，为化学家合成新的易降解有机物(环境友好材料)提供理论基础。二是可以为处理含难降解化合物的污水、废弃物以及修复污染环境提供理论指导。三是可以预测特定化合物在环境中的残留和归宿，为生态风险评价提供依据。生物降解性即一种化合物对自然生物过程的敏感性已经成为我们评价一种商业产品价值的重要标准，通过生物降解性，我们可以评价一种商品的可接受性。由于这些理由，人造化合物的微生物降解研究正成为十分活跃的研究领域。

生物降解和传统上所说的对蛋白质、多糖等有机物分解在本质上是一样的，但又有分解作用所没有的新特征(如共代谢、降解质粒等)，因此可视为是分解作用的扩展和延伸。

生物降解对生物地球化学循环及维持生态系统的健康有重要的意义，主要包括:①推动元素的地球化学循环;②微生物的降解过程是生态系统中碎屑食物链的起点;③移去污染物、降低生物毒性可以维持生态系统的健康。

生物降解性和抗生物降解性是一种对立统一的相互关系，一定条件下会相互转化。降解是在一定条件下作用的结果。有机物降解作用是一个复杂的过程，难以区分酶催化生物转化反应和纯碎的物理/化学效应。这样，转化产物可能是通过多途径产生的，包括:①微生物中发生的酶催化作用;②在环境中发生于胞外的酶催化作用;③物理化学催化;④转化可以是这些原理结合的结果。例如，酶催化产生的产物可以被物理化学方式进一步转化，反过来也是一样。这个问题的进一步复杂化还在于微生物能改变环境的物理化学性质。例如，微生物活动能影响生境的pH值和氧化还原状况，这样直接导致物理化学催化的变化。灭菌这种方法常被用来区别生物和非生物过程，但事实上灭菌不仅消除了微生物的活性，也影响了调查条件下培养源的物理化学性质。灭菌的大部分技术也能导致土壤理化性质的改变。灭菌土壤失去催化转化反应能力可以或不可以指示是微生物和酶所为。虽然理化过程能导致一种化合物的转化，但矿化大多数是微生物活性的结果。最重要的，许多科学家已经成功纯化参与各种转化反应的微生物酶，因此消除了所有关于代谢生物本质的所有怀疑。由此我们可以说生物降解是所有有机污染物衰减的最重要原因。