微生物對聚丙烯酰胺降解作用的研究進展

包木太，彭 杰，陳慶國

（中國海洋大學海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

進展與述評

微生物對聚丙烯酰胺降解作用的研究進展

包木太，彭 杰，陳慶國

（中國海洋大學海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

利用微生物降解殘留在環境中的聚合物是近年來研究的一個熱點。聚丙烯酰胺（PAM）是一種較難處理的高分子聚合物，本文從微生物產生的酶對聚合物的作用方面進行了綜述，概述了微生物對不同類型的聚丙烯酰胺的降解作用，總結了聚丙烯酰胺生物降解的評價手段。基于真菌降解復雜結構高分子方面的非特異性降解酶系統，提出了降解PAM的新途徑。

微生物；酶；聚丙烯酰胺；真菌；氧化物酶

高分子材料具有優良的性能，但使用之后能在環境中穩定的存在，環境中聚合物殘留量越來越大，給環境容量帶來壓力。微生物作為環境中存在的最大群體，利用其來進行環境修復是一種高效而成熟的處理手段。微生物通過自身代謝和代謝產物對聚合物產生作用，細胞產生的胞外酶和胞內酶作用于高分子結構鏈段使其產生降解。國內外環境工作者對高分子材料的生物降解進行了大量的研究，表明聚合物本身的性質、環境條件和微生物種類等都影響著降解效果。

聚丙烯酰胺是丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物的統稱。由于聚丙烯酰胺具有高分子化合物的水溶性以及其主鏈上活潑的酰基，因而在石油開采、水處理、造紙、農業等行業具有廣泛的應用，有“百業助劑”之稱[1]。聚丙烯酰胺的高分子量和碳鏈骨架結構對生物具有抗性，近年來關于微生物降解聚丙烯酰胺的研究表明不同結構的聚丙烯酰胺分子對微生物抗性也不同：陽離子型聚丙烯酰胺（CPAM）＞陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）＞非離子型聚丙烯酰胺（NPAM）。國外對非離子、交聯聚丙烯酰胺等的微生物降解有較多的研究，而在國內該類研究則側重于陰離子聚丙烯酰胺。表1是幾種PAM分子的結構。

表1 幾種PAM分子結構

1 高分子降解機理、酶的作用

1.1 聚合物微生物降解過程

王學軍等[2]將聚合物完全生物降解機理大致歸納為3種途徑。①生物物理作用：由于生物細胞增長而使聚合物組分水解、電離、質子化而發生機械性的毀壞，分裂成低聚物碎片。②生物化學作用：微生物對聚合物作用而產生新物質（CH4、CO2和H2O）。③酶直接作用：被微生物侵蝕部分導致材料分裂或氧化崩裂。酶和外部環境作用下，聚合物分子量下降到能被微生物消化的水平。

聚合物的生物降解的過程涉及到兩種酶：胞外酶和胞內酶。在微生物分泌的胞外酶使復雜大分子部分鏈結構斷裂，成為短鏈小分子、低聚物或單體等物質，從而能進入細胞被胞內酶作用分解[3-4]。Herzog等[5]認為水解酶等胞外酶使高分子長鏈變短成為可溶性中間體，而被微生物細胞代謝，這一步是聚合物降解過程中的限制步驟。通常情況下，微生物對于聚合物的降解過程如圖1所示。

自然界中微生物資源極其豐富。目前，已分離到多種降解聚合物的微生物，包括細菌、真菌、放線菌和藻類等，其中細菌和真菌應用最多。而細菌由于易誘發突變和適應能力強而占多數。細菌依賴于各種酶包括單加氧酶、雙加氧酶、硝基還原酶、酯酶和細胞色素氧化酶等去降解化學物質。這些酶類通常必須被需降解的污染物誘導而分泌，而且具有特異性。

圖1 微生物降解聚合物過程

相對于細菌對于高分子物質的降解模式，部分真菌降解大分子交聯物質的過程則顯得尤為特別，其中白腐真菌對于木質素具有特殊的作用效果。白腐真菌利用一種非特異性的自由基中間過程降解化學物質[6]。雖然在降解過程中也涉及到酶的作用，但是在此過程中同一組酶通常能催化很多類型的氧化還原反應，同時產生高能氧自由基，對抗性結構具有強大作用。

1.2 可生物降解聚合物官能團

聚合物的分子量、結晶度和物理狀態對其可生物降解性具有較大影響。一般分子量越高，聚合物越難被微生物利用，大分子難以穿越微生物細胞膜進入細胞內被消化吸收。各類高分子在分子量、形態結構相近的情況下，化學結構的差異決定了其生物降解性[7]。一些天然高分子易于被微生物利用并分解，而大多數合成高分子材料，特別是聚烯烴類不易被微生物分解。這可以從高分子材料生物降解的機理來推斷[8]。易于生物降解的高分子是在有水存在的環境下被微生物作用、吸收代謝，從而使高分子主鏈斷裂、分子量逐漸變小，以至最終成為單體或代謝成CO2和H2O。此類高分子如淀粉、纖維素、蛋白質、聚糖、甲殼素等天然高分子以及含有易被水解的酯鍵、醚鍵、氨酯鍵、酰胺鍵等的合成高分子。在合成高分子中，脂肪族聚酯類高分子易于被微生物分解從而實現能量轉換。類似結構的脂肪族聚酯類高分子有聚乙交酯、聚丙交酯、聚（β-羥丁酯）、聚已內酯及其它共聚物。幾種典型可生物降解聚合物結構見表2[9]。

表2 典型可生物降解聚合物結構

2 微生物對各類聚丙烯酰胺的降解作用

2.1 非離子型聚丙烯酰胺

非離子聚丙烯酰胺（NPAM）由丙烯酰胺單體聚合制得。非離子聚丙烯酰胺的分子鏈上不帶可電離的基團，在水中不電離，但其鏈上的酰胺基極易水解，而具有陰離子型的電性。

Grula等[10]比較了土壤中好氧細菌對陽離子、陰離子和非離子聚丙烯酰胺的降解情況，研究表明：非離子和陰離子的聚丙烯酰胺可作為唯一氮源促進假單胞屬的幾個種的細菌生長，聚丙烯酰胺中酰胺基的水解為細菌提供氮源。Kunichika等[11]分離得到了能以非離子聚丙烯酰胺為唯一碳源和氮源的Enterobacter agglomerans和Azomonasm acrocytogenes兩株好氧降解菌株。在其實驗中使用的非離子聚丙烯酰胺的分子量為 2×106。經過降解之后聚合物分子量降低到0.5×106，但微生物只能利用聚丙烯酰胺分子鏈的一部分，酰胺部分不能被利用。當聚丙烯酰胺濃度較低時，細菌對該非離子聚丙烯酰胺的降解能力也很有限。

由于聚合物分子量太大難以被微生物利用，Mamouni等[12]利用紫外光對一種非離子聚丙烯酰胺進行光解，破壞其大分子結構之后再進行生物降解。該聚丙烯酰胺分子量為（1×105）～（1×106），在進行光解前直接進行好氧和厭氧生物處理幾乎沒有降解效果，進行紫外光照射后再進行生物處理，聚合物分子量顯著降低，礦化率有所提高，但降解效果仍然不明顯。而Suzuki等[13]利用臭氧將非離子聚丙烯酰胺氧化使其分子量從 280000降低到 340，但氧化后也具有極強的生物抗性。他認為其抗性不僅來自高的分子量，也因為骨架上帶有酰胺基。

2.2 陰離子聚丙烯酰胺

陰離子聚丙烯酰胺（APAM）可由非離子型聚丙烯酰胺水解或丙烯酰胺與丙烯酸共聚制得。陰離子型聚丙烯酰胺習慣上也稱為部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）。而對于陰離子聚丙烯酰胺的生物降解研究也是相對較多的。

Kumar等[14]的實驗表明，一株假單胞菌通過酰胺酶作用能將丙烯酰胺降解為丙烯酸和氨。而Larson等[15]研究表明，丙烯酸單體和二聚體可以被完全降解為二氧化碳，丙烯酸的寡聚物（一直到七聚體）可以被部分降解。基于Kumar等對于脂肪族酰胺類的研究，Kay-Shoemake等[16]提出如圖2所示的問題。

Kay-Shoemake的實驗表明，陰離子聚丙烯酰胺分子上的氨基是比較容易被微生物利用的。他的研究也證實在聚丙烯酰胺存在下土壤中好氧微生物會產生酰胺水解酶，并可以將聚丙烯酰胺作為唯一氮源促進土壤中好氧微生物的生長。而他的后續實驗表明，當在培養基中添加聚丙烯酰胺為唯一氮源時，會促進酰胺酶的釋放，而當以NH4NO3為氮源時，則檢測不到酰胺酶[17]。陰離子聚丙烯酰胺上的氨基能在酰胺酶作用下被利用而釋放出氨，這一點也被眾多研究者認同。

研究者一度認為聚丙烯酰胺只能被微生物作為氮源利用，然而在近年來越來越多地篩選到能以陰離子聚丙烯酰胺為碳源的菌株。李宜強等[18]對采油用部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）進行了生物降解，認為HPAM的氨基和碳骨架可以在酶作用下降解。包木太等[19]在對HPAM進行好氧降解時，對微生物進攻聚合物分子C鏈骨架的機理進行了如圖3所示推斷。

圖2 酰胺酶對聚丙烯酰胺的作用

圖3 微生物酶對HPAM降解機理推斷

細菌體內的脫氨酶在還原性酶的輔助作用下，氨基轉化為羧基；同時，在 O2的參與下，微生物酶首先進攻的位點是碳鏈的末端甲基，在單加氧酶的作用下，碳鏈末端甲基首先被氧化成醇，進而被氧化成醛，最后被氧化成羧酸。

劉永建等[20-21]的研究得到較為相似的結論，而且他們認為胞內蛋白對聚丙烯酰胺側鏈沒有作用，胞外蛋白能使聚合物側鏈的酰胺水解成羧酸，并表明降解菌主要靠其釋放的胞外蛋白水解聚合物。

相對于水溶性聚丙烯酰胺，交聯非水溶性聚丙烯酰胺的生物降解則更為困難。Holliman等[22]在研究微生物對一種交聯陰離子聚丙烯酰胺的作用時，得出的結論認為微生物菌團不能有效地利用存在于聚丙烯酰胺鏈上的N，也找不到明確證據證明該土壤培養基中微生物生物量與酰胺酶活性之間存在線性相關性。

2.3 陽離子聚丙烯酰胺

陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）由丙烯酰胺（AM）與二烯丙基二甲基氯化銨（DADMAC）、丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（AETAC）等其它單體共聚制得，帶有正電荷的基團通常有叔胺鹽和季胺鹽。相較于非離子和陰離子聚丙烯酰胺，陽離子聚丙烯酰胺具有更強的生物抗性。

Mourato等[23]研究表明，丙烯酰胺/二烯丙基二甲基氯化銨的共聚物在混合好氧培養基中沒有被降解，但是丙烯酰胺/丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的共聚物有一定的氧氣消耗，這部分氧氣的量比聚丙烯酰胺全部降解的需求量少，所以是部分降解。隨后Soponkanaporn等[24]通過體積排阻色譜法檢測到微生物對丙烯酰胺/丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的好氧降解，研究結果表明，聚丙烯酰胺可作為碳源被降解為CO2。

Schumann等[25]用14C標記的陽離子聚丙烯酰胺和陰離子聚丙烯酰胺在活性污泥中好氧降解作用，研究表明，對于陽離子型聚丙烯酰胺，只有約 2%的14C被完全降解轉化為氣相，而絕大部分陽離子聚丙烯酰胺轉化為固相被沉降吸收進入污泥。

而Grula等[10]通過好氧和厭氧過程研究了微生物對陰離子、陽離子和非離子的聚丙烯酰胺的降解，而陽離子型聚丙烯酰胺在任何條件下也不能被微生物利用，對微生物具有極高的毒性。Chang等[26]考察了在好氧環境和厭氧環境下微生物對丙烯酰胺/丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨共聚物的降解情況，好氧環境采用耗氧量評價，厭氧環境采用氣體產生量評價。研究表明，聚合物在好氧和厭氧環境中都可以被微生物部分降解，但都只是陽離子的那部分被降解，主碳鏈沒有受影響。

3 微生物降解聚丙烯酰胺的新途徑

如前所述，微生物對聚丙烯酰胺具有一定的降解效果，但聚丙烯酰胺的碳鏈骨架結構和高分子量使其具有較強的生物抗性。從表2可以看出，典型可生物降解聚合物分子中均含有—C—O—C—結構，相比較于聚丙烯酰胺氨骨架—C—C—C—，微生物酶更易于進攻—C—O—C—的鏈段結構。—C—C—C—鍵能較大，微生物需要更強大的酶進行反應才能打斷聚丙烯酰胺碳鏈，進行下一步代謝。

而根據Barr等[6]白腐真菌降解木質素的機理的綜述：白腐真菌能夠降解復雜結構非水溶性的木質素，關鍵在于分泌的一種氧化物酶，該酶不是直接作用于分子鏈段，而是對自由基反應進行催化，后續的氧化還原反應對聚合物產生降解。真菌對木質素等難降解物質的作用效果為降解此類物質提供了新的途徑。

Sutherland等[27]將白腐真菌應用于降解非水溶性的交聯聚丙烯酰胺和交聯聚丙烯酸酯。雖然此前Grula等[28]和Jhnson[29]的實驗表明，聚丙烯酰胺凝膠在相當長的時間內都對微生物降解具有抗性，在整個實驗過程中幾乎沒有檢測到其降解。但在Sutherland的實驗中，真菌能較為明顯地使聚丙烯酰胺降解。利用14C原子示蹤的手段，表明幾乎90%的非水溶性聚合物被解聚轉化為水溶性分子，并被吸收進入菌絲墊內被后續代謝進行降解（圖4）。

圖4 真菌對交聯聚丙烯酰胺的降解過程

韓昌福等[30]研究發現，黃孢原毛平革菌（真菌）能明顯降解陰離子聚丙烯酰胺，并且降解能力同其產生的錳過氧化物酶活性大致成正比。錳過氧化物酶催化的自由基氧化還原反應能通過間接過程促使HPAM發生降解。

近年來，Fenton試劑在處理環境污染物中得到應用。而Barr等[6]認為真菌在降解木質素等物質過程中，正是利用自身非特異性的酶系來催化反應，起到了一種類似Fenton試劑的作用。研究發現，白腐真菌的降解作用發生在次級代謝階段，與降解過程有關的酶只有當一些主要營養物質，如氮、碳、硫限制時才形成。白腐真菌在對營養限制應答反應時形成了一套酶系統，包括以下幾種[31]：①產生H2O2的氧化酶；②需要 H2O2的過氧化物酶，白腐真菌主要合成兩類過氧化物酶——木質素過氧化物酶（Lip）和錳過氧化物酶（Mnp）；③漆酶、還原酶、甲基化酶、蛋白酶及其它酶。

通過木質素氧化物酶催化產生?OH，錳氧化物酶催化Mn2+變為Mn3+，然后通過氧化還原反應，才使得許多復雜結構的生物抗性分子被分解。可以把白腐真菌的作用看做是對污染物的一種預處理。相對于交聯非水溶性的木質素酚醛樹脂等分子，水溶性線型 PAM結構較為簡單，但是其碳鏈骨架還是具有較強生物抗性的，總的來說其側鏈氨基作為氮源較容易被微生物利用，而作為碳源則難以利用。近年發展起來的高級氧化法能有效提高難降解有機污水的生物降解性能，形成了高級氧化法與后續生化技術相結合的處理技術[32]，但對高含聚污水進行預處理，氧化劑的消耗是很大的。基于白腐真菌的獨特作用機制，可以在處理含聚丙烯酰胺污水方面作如下設想。

（1）首先利用常規能分泌酰胺酶的微生物消耗PAM分子鏈上的氨基。

（2）利用真菌在限氮或限其它營養物質的條件下，產生氧化物酶，催化自由基反應，將大部分聚丙烯酸酯分子轉化吸收進入真菌體內，破壞碳鏈。

（3）篩選高效降解菌系，使其具有利用真菌代謝產物的能力，對聚丙烯酰胺實行完全降解。

4 聚丙烯酰胺生物降解的評價方法

微生物降解因其高效而特有的無害化處理將成為解決聚丙烯酰胺引起環境污染和轉化的潛在毒性問題的有效手段。而通過多種方法單獨或共同使用來對聚丙烯酰胺的生物降解進行評價，進而探明微生物降解聚丙烯酰胺的過程和機理，是研究過程中不可或缺的部分。

4.1 幾種生物降解評價方法簡介

對聚合物的生物降解研究已經進行了很多，很多國家都提出了一些實驗評價方法，同時也制定了一系列標準。目前國內外對于聚丙烯酰胺的生物降解性的評價方法，主要有以下幾種。

（1）酶分析法 通常是在一定的溫度下，將試樣置于一定pH值的特定酶中，然后在一定時間內根據試樣的強度、形態、失重等方面變化來評價試樣的生物降解性。此法試驗時間短、重復性好、可定量，適于降解機理及生成物的研究。它對于新型生物降解性聚合物的開發、分子設計等具有重要的意義。

（2）殘量測定 以聚丙烯酰胺為底物，應用微生物處理一定時間后測定土壤或水體中聚合物的殘留量，來表征其降解性能。

（3）化學需氧量（COD）、生物耗氧量（BOD）測定 測定含聚丙烯酰胺污水進行生化處理前后COD值變化及BOD5/COD值來評價含聚污水的可生化性[33-34]。

（4）放射性元素示蹤 將聚丙烯酰胺碳骨架用14C標記。該法是通過閃爍計數器測出有14C標記的樣品在試驗環境作用下代謝產物的去向及含量，主要是釋放14CO2的量的測定，從而確定試樣的生物降解性。此方法的優點是數據結果可靠，不受試樣或試驗系統中生物降解雜質或添加劑的影響。適于對聚丙烯酰胺的降解過程和機理進行研究。缺點是難以得到有標記的聚合物試樣，同時，此法需要特殊設備及要求對系統進行嚴格控制。

（5）氣體釋放量研究 對聚丙烯酰胺代謝產物含量進行測定，來計算其降解率。聚丙烯酰胺的降解會釋放出氨，在水體中通常以銨鹽的形式存在，測定氨的含量也是表征酰胺酶活性的手段。而CO2的測定通常是和放射性原子示蹤法共同應用的。

4.2 微生物酶活性評價

在以上幾種評價方法中，進行特定的降解聚丙烯酰胺的酶的分離是研究其降解過程及機理的重要手段。以從分解、礦化聚丙烯酰胺高分子的微生物單獨分離出的酶為酶源，在容器中加入緩沖液和試驗樣品，讓酶作用一定時間，通過分析失重、物性降低、分子量降低、定量測定生成產物及可溶性全有機碳量（TOC）等手段，能檢驗高分子主鏈的切斷等分解特征，通過中間產物分析來推斷微生物對聚丙烯酰胺的作用機理。

細胞內產生的胞內酶和胞外酶具有不同的作用范圍。雖然微生物產酶的分離純化沒有一個通用的方法，但大致的原理都是類似的，一般包括菌體培養、菌體破碎、粗酶液制備、柱層析等步驟[35-38]。已有很多研究進行了該類實驗，提取各種胞內或胞外酶。

Frankenberger等[39-40]對土壤中酰胺水解酶進行了研究，表明酰胺水解酶能促進酰胺類底物分解產生羧酸和氨，后續研究對酰胺酶動力學參數進行了探究。Friedrich等[41]研究了一株產堿桿菌屬細菌，在實驗過程中，由酰胺水解釋放出氨的量來估計細胞釋放的酰胺酶活性和強度。Frankenberger和Friedrich等的研究為之后有關酰胺酶活性研究方法提供了參考。Shanker等[42]借鑒Frankenberger等的實驗方法，探索了一株假單胞菌對丙烯酰胺單體的生物降解性能并對該菌產生的酰胺酶進行了研究。菌液在搖床上培養一定時間后分離得到含有酰胺酶的溶液，在緩沖體系中將定量的酶液加入到定量的丙烯酰胺溶液中，檢測氨的釋放。參照前人對酰胺酶的研究，Kay-Shoemake等[17]對灌溉水中使用的聚丙烯酰胺的微生物降解使用了相似的研究方法，在適宜條件下以部分水解聚丙烯酰胺為氮源培養細菌得到菌液，得到培養基上清液和胞內提取物，作為酶源對甲酰胺、丙酰胺和聚丙烯酰胺進行處理，然后用離子色譜檢測氨氮的釋放以此反映酶活性。郝春雷[43]在對聚丙烯酰胺進行生物降解研究時對菌液降解活性成分進行了分析鑒定，將活菌液對照、離心液對照、胞內蛋白、胞外蛋白、胞外非蛋白等產物分離加入聚合物溶液，測定聚合物的相對分子量和水解度變化，以判斷菌種各產物對聚合物的作用及酰胺酶的來源。

5 結 語

基于此前的研究，聚丙烯酰胺不再是一種不可生物降解的聚合物，然而其高的分子量及碳鏈骨架的生物抗性，使降解處理效果都不是很理想。微生物酶對聚丙烯酰胺的降解機理研究仍然不夠完善，對聚丙烯酰胺的降解機理研究仍停留在推測階段，深入研究微生物酶對 PAM分子的具體作用過程及機理，將有助于指導發展微生物對含 PAM污染物的處理工藝。

另外從已有的研究來看，許多包括木質素、酚醛樹脂、DDT等一度被認為不可生物降解的物質都能被白腐真菌利用。Sutherland等的實驗已經表明了真菌在降解交聯聚丙烯酸酯和交聯的丙烯酰胺和丙烯酸共聚物方面的作用，而韓昌福等應用真菌降解 PAM也得到了良好效果，這些實驗表明真菌在降解聚丙烯酰胺聚合物上具有應用前景。因此，未來研究可以涉及擴大篩選真菌及研究真菌與細菌共同作用來處理這類難處理聚合物。

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Research progress of biodegradation of polyacrylamide by microorganisms

BAO Mutai，PENG Jie，CHEN Qingguo
（Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong，China）

In recent years，microbial degradation of residual polymers in the environment has been a hot topic. Polyacrylamide is hard to be degraded as a polymer with high molecular weight. The review starts with a brief introduction about the mechanism of microbial enzymes on polymers，and then summarizes the biodegradation of different kinds of polyacrylamide by microbes. Based on the biodegradation of complex structure polymers by fungi，a new means to degrade polyacrylamide is discussed.

microorganism；enzyme；polyacrylamide；fungi；peroxidase

X 703.5

A

1000-6613（2011）09-2080-07

2011-03-03；修改稿日期2011-04-30。

“十一五”國家科技支撐計劃（2006BAB04B02）及青島市應用基礎研究計劃（09-1-3-17-jch）項目。

及聯系人：包木太（1971—），男，教授，博士生導師。E-mail mtbao@ouc.edu.cn。