微生物在多環(huán)芳烴降解應用中的機理及其研究趨勢

摘 要：多環(huán)芳烴具有毒性、生物蓄積性和半揮發(fā)性，并能在環(huán)境中持久存在，在近幾年受到了人們的高度重視。微生物修復能處理費用低、效果好、污染物殘留量低、不產生二次污染、能夠保持或改善植物生長的土壤結構等，是去除環(huán)境中多環(huán)芳烴的主要途徑。闡述了多環(huán)芳烴的性質、來源、危害和微生物對它的降解機理等，并對今后的發(fā)展趨勢進行了展望。

關鍵詞：微生物；多環(huán)芳烴；降解；研究趨勢

中圖分類號：O65文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2008）08-0379-02

1 多環(huán)芳烴的來源

1.1 天然源 

多環(huán)芳烴的天然來源主要是燃燒和生物的合成，如：森林和草原火災、火山爆發(fā)及微生物的內源合成等，在這些過程中均會產生PAHs，未開采的煤、石油中也含有大量的多環(huán)芳烴。

1.2 人為源 

人為源是多環(huán)芳烴主要的來源，通過石油、煤炭、木材、垃圾焚燒和交通的直接排放等等，特別是化石燃料的燃燒是環(huán)境中PAHs的主要來源。總之是隨著工業(yè)生產的發(fā)展，多環(huán)芳烴大大地增加，每年因人類的活動會有成千上萬噸的多環(huán)芳烴釋放到地球環(huán)境系統中，遠遠超過了環(huán)境的自凈能力。

2 多環(huán)芳烴的危害

在世界范圍內每年有約43000t PAHs釋放到大氣中，由于較高的親脂性，多環(huán)芳烴可以通過食物鏈進入人體，對人類健康和生態(tài)環(huán)境具有很大的潛在危害，已引起各國環(huán)境科學家的極大重視。多環(huán)芳烴最突出的特性是具有強致癌性、致畸性及致突變性。當PAHs與-NO₂、-OH、-NH2等發(fā)生作用時，會生成致癌性更強的PAHs衍生物。另外，PAHs很容易吸收太陽光中可見(400-760nm)和紫外(290-400nm)區(qū)的光，對紫外輻射引起的光化學反應尤為敏感。多環(huán)芳烴在其生成、遷移、轉化和降解過程中，通過呼吸道、皮膚、消化道進入人體和動物體，即直接吸入被污染的氣體；使用煙熏食物及飲用被污染水；皮膚直接與煙灰、焦油及各種石油產品等接觸。

3 多環(huán)芳烴的降解機理

3.1 降解多環(huán)芳烴的微生物

自然界中存在的許多細菌、真菌及藻類都具有降解多環(huán)芳烴的能力。一般來說，隨著多環(huán)芳烴苯環(huán)數量的增加，降解速率會越來越低。因此，低分子量的多環(huán)芳烴在環(huán)境中能較快被降解，在環(huán)境中存在的時間較短；而高分子量的多環(huán)芳烴則難于降解，能長期存在于環(huán)境中。

3.2 微生物降解多環(huán)芳烴的一般途徑

微生物具有很強的分解代謝能力，雖然PAHs是一種極為穩(wěn)定的難降解物質，但因其分布廣泛，一些環(huán)境中的微生物可以經過適應和誘導，對PAHs進行代謝分解，甚至礦化。微生物主要以兩種方式代謝：一種是以PAHs為唯一碳源和能源；另一種是與其它有機質共代謝。所謂的共代謝是指利用一種容易降解的物質作為支持微生物生長繁殖的營養(yǎng)物質，而同時降解另一種物質，但后一種物質的降解和轉化并不能使共代謝的微生物獲得能量、碳源或其它的任何營養(yǎng)物質。其中，微生物的共代謝作用對于難降解污染物PAHs的徹底分解或礦化起主導作用。并且低分子量的PAHs在環(huán)境中能較快的被降解，在環(huán)境中存在的時間較短；高分子量的則難以被降解，在環(huán)境中存在時間長，較穩(wěn)定。

3.3 多環(huán)芳烴微生物降解的主要影響因素及其解決措施

由于PAHs性質穩(wěn)定，單純靠自然界的降解是很慢的，所以有必要通過研究多環(huán)芳烴微生物降解的影響因素，從而通過人為手段加以快速除去PAHs，減少環(huán)境中的污染物。

3.3.1 底物PAHs本身

底物PAHs本身的苯環(huán)數量影響很大，研究表明，兩環(huán)和三環(huán)化物(萘、菲、蒽、芴等)在環(huán)境中存在的時間較短，能將PAHs作為唯一碳源的微生物就能礦化這些化合物。而四環(huán)多環(huán)高分子量的PAHs則難以降解，在環(huán)境中較穩(wěn)定，研究表明，象白腐菌、煙管菌可以通過共代謝方式對這一類化合物加以降解。一般來說，隨著PAHs苯環(huán)數的增加，辛醇——水分配系數增大，其降解速率越來越低。因此可通過添加表面活性劑(SAA)，降低介質表面和界面張力，增大PAHs在水相中的溶解度，促進PAHs從固相轉移到水相，提高生物利用性。

3.3.2 微生物種群

微生物種群前已述及，PAHs盡管難于降解，但在長期受污染的環(huán)境中仍存在很多降解菌。在PAHs中，苯并芘(BaP)因其強致癌性、難降解而倍受關注，常作為研究的對象。大量的研究報導表明，白腐菌降解BaP及其它PAHs的能力較其它微生物強，但白腐菌降解也存在降解常不徹底，轉化產物毒性可能更大的問題。由此可見，僅僅將單一優(yōu)勢菌應用于降解較單一的PAHs，其降解能力是有限的。因為環(huán)境中的PAHs是混合物，加之高分子量多環(huán)芳烴的降解屬于共代謝，故在PAHs生物修復的實際處理中，最好接入經過馴化的高效混合菌或激發(fā)環(huán)境中的多種土著菌。Kotterman等研究表明，真菌和細菌混合培養(yǎng)更有利于苯并芘BaP的降解。

3.3.3 電子受體

電子受體環(huán)境中的氧氣對微生物而言是一個極為重要的限制因子，首先是氧氣的含量決定微生物群落的結構。研究表明，好氧環(huán)境和厭氧環(huán)境微生物都能降解PAHs，只是降解途徑和降解效率不同而已。在好氧環(huán)境中，O₂可直接作為電子受體，而在厭氧環(huán)境中，以NO₃-、NO₂-、SO42-等含氧酸根作為電子受體。在一般情況下，微生物降解PAHs多需要氧氣的參與，為改善好氧狀況，可采用生物通氣或建立藻菌共生系統等生物修復方法。對于厭氧環(huán)境，也可添加NO₃-、SO42-等含氧酸鹽類電子受體。

3.3.4 營養(yǎng)元素狀況

營養(yǎng)鹽的缺乏對微生物的生長和種群的維持都是重要的限制因素。Lewis等研究表明，通過維持污染環(huán)境中C：N：P的正常比例，可促進PAHs的穩(wěn)定降解。為了徹底降解和加快凈化速度，生物修復中常添加氨和磷酸鹽來調節(jié)C：N：P比例。但水溶性的氮、磷營養(yǎng)鹽效果不好，還會造成富營養(yǎng)化，促進藻類生長繁殖。為克服這些缺點，目前國際上已研制出多種含N、P的親油性肥料和包水性肥料，并已成功地應用于溢油事故的處理。

4 結語

環(huán)境中的多環(huán)芳烴分布廣泛，結構穩(wěn)定，單靠自然界的自凈能力是遠遠不夠的。生物降解是去除環(huán)境中的有機污染的重要途徑，所以現在分離篩選出新的高效降解菌是很重要的，特別是能降解四環(huán)和四環(huán)以上的多環(huán)芳烴的高效降解菌。單一的降解技術也是很有局限性的，所以在PAHs的治理過程中可結合其它物理和化學方法對環(huán)境中的多環(huán)芳烴進行降解。對于多環(huán)芳烴的降解過程中的中間步驟還不是很清楚，需研究其降解過程中積累的中間產物的結構性質，對抑制微生物的生長情況，看其是否有致癌活性等等。另外，對于降解多環(huán)芳烴的共代謝機理及途徑應深入研究，從而為環(huán)境保護作出貢獻。

參考文獻

［1］劉莉，陳玉成，于萍萍．多環(huán)芳烴微生物降解的研究進展［J］.安徽農業(yè)科學，2006.

［2］溫洪宇，廖銀章，李旭東．微生物降解多環(huán)芳烴的研究進展［J］.微生物學雜志，2005.

［3］周賢濤，吳娟，林鹿.白腐菌對芳香族化合物的降解途徑［J］.環(huán)境污染治理技術與設備，2002.