生物降解作用.doc

六、生物降解作用生物降解是引起有机污染物分解的最重要的环境过程之一。水环境中化合物的生物降解依赖于微生物通过酶催化反应分解有机物。当微生物代谢时，一些有机污染物作为食物源提供能量和提供细胞生长所需的碳；另一些有机物，不能作为微生物的唯一碳源和能源，必须由另外的化合物提供。因此，有机物生物降解存在两种代谢模式：生长代谢(Growth metabolism)和共代谢(Cometabolism)。这两种代谢特征和降解速率极不相同，下面分别进行讨论。1生长代谢许多有毒物质可以像天然有机化合物那样作为微生物的生长基质。只要用这些有毒物质作为微生物培养的唯一碳源便可鉴定是否属生长代谢。在生长代谢过程中微生物可对有毒物质进行较彻底的降解或矿化，因而是解毒生长基质去毒效应和相当快的生长基质代谢意味着与那些不能用这种方法降解的化合物相比，对环境威胁小。一个化合物在开始使用之前，必须使微生物群落适应这种化学物质，在野外和室内试验表明，一般需要250天的滞后期，一旦微生物群体适应了它，生长基质的降解是相当快的。由于生长基质和生长浓度均随时间而变化，因而其动力学表达式相当复杂。Monod方程是用来描述当化合物作为唯一碳源时，化合物的降解速率：式中：c污染物浓度； B细菌浓度； Y消耗一个单位碳所产生的生物量； max最大的比生长速率； Ks半饱和常数，即在最大比生长速率max一半时的基质浓度。Monod方程式在实验中已成功地应用于唯一碳源的基质转化速率，而不论细菌菌株是单一种还是天然的混合的种群。Paris等用不同来源的菌株，以马拉硫磷作唯一碳源进行生物降解(如图334所示)。分析菌株生长的情况和马拉硫磷的转化速率，可以得到Monod方程中的各种参数：max =0.37h1，Ks=2.17molL(0.716mgL)，Y=4.11010cellmol(1.2 1011cellmg)Monod方程是非线性的，但是在污染物浓度很低时，即Ksc，则式可简化为：dcdt=Kb2Bc式中：Kb2二级生物降解速率常数。Paris等在实验室内用不同浓度(0.02730.33molL)的马拉硫磷进行试验测得速率常数为(2.60.7) 10-12L(cellh)，而与按上述参数值计算出的max/(YKs)值4.1610-12L(cellh)相差一倍，说明可以在浓度很低的情况下建立简化的动力学表达式(3156)。但是，如果将此式用于广泛的生态系统，理论上是说不通的。在实际环境中并非被研究的化合物是微生物唯一碳源。一个天然微生物群落总是从大量各式各样的有机碎屑物质中获取能量并降解它们。即使当合成的化合物与天然基质的性质相近，连同合成化合物在内是作为一个整体被微生物降解。再者，当微生物量保持不变的情况下使化合物降解，那么Y的概念就失去意义。通常应用简单的一级动力学方程表示：式中：Kb一级生物降解速率常数。2共代谢某些有机污染物不能作为微生物的唯一碳源与能源，必须有另外的化合物存在提供微生物碳源或能源时，该有机物才能被降解，这种现象称为共代谢。它在那些难降解的化合物代谢过程中起着重要作用，展示了通过几种微生物的一系列共代谢作用，可使某些特殊有机污染物彻底降解的可能性。微生物共代谢的动力学明显不同于生长代谢的动力学，共代谢没有滞后期，降解速度一般比完全驯化的生长代谢慢。共代谢并不提供微生物体任何能量，不影响种群多少。然而，共代谢速率直接与微生物种群的多少成正比，Paris等描述了微生物催化水解反应的二级速率定律：由于微生物种群不依赖于共代谢速率，因而生物降解速率常数可以用Kb=Kb2B表示，从而使其简化为一级动力学方程。用上述的二级生物降解的速率常数文献值时，需要估计细菌种群的多少，不同技术的细菌计数可能使结果发生高达几个数量级的变化，因此根据用于计算Kb2的同一方法来估计B值是重要的。总之，影响生物降解的主要因素是有机化合物本身的化学结构和微生物的种类。此外，一些环境因素如温度、pH、反应体系的溶解氧等也能影响生物降解有机物的速率。