有机污染物的生物降解【文献综述】.docx

有机污染物的生物降解
——读书报告【091200028环院 江静怡】
【基本概况】

有机污染物，organic pollutant即进入环境并污染环境的有机化合物，导致生物体或生态系统产生不良效应。
生物降解，biodegradation即有机污染物在生物或其酶的作用下分解的过程。

具体的来说，生物降解分为三种基本类型。Primary biodegradation初级生物降解:指的是母体化合物的结构发生变化，并改变原化合物分子的完整性；Environmentally acceptable biodegradation环境兼容性降解:是指可除去有机污染物的毒性或者人们所不希望的特性；Ultimate biodegradation完全生物降解:指的是有机污染物经过矿化转化后转化为二氧化碳和水以及其他的可利用的无机盐。

不过在可降解的有机污染物中，由于化合物在环境中的滞留时间可达几个月或者几年之久，有机污染物又有难降解和易降解化合物之分。比如，POPs（Persistent Organic Pollutants）持久性有机污染物，是一类具有长期残留性、生物累积性、半挥发性和高毒性，并通过各种环境介质（大气、水、生物等）能够长距离迁移对人类健康和环境具有严重危害的天然的或人工合成的有机污染物，它的半衰期为半年。而通过一定的处理过程后，半衰期超过五天的化合物被定义为生物难降解有机化合物。

化合物难降解的原因有很多种。比如化合物本身的化学组成和结构的稳定性，使其具有抗降解性。像我们常常提到的农药“666”（六氯代环己烷）和常见的多环芳烃类就是依结构的稳定性等特性稳定地存在于环境之中。另外地，在自然环境中也存在阻止生物降解的环境因素，包括物理、化学条件以及多种生物之间的协同作用。比方说，活性污泥就是模拟多种条件下的协同作用从而达到生物降解处理污染物的效果。

生物降解的过程非为两种，好氧分解和厌氧分解。在好氧分解过程中，细菌是其中的主力军，微生物以有氧呼吸消耗分解大分子有机物。其中水质评价体系中的BOD（Bio-chemical Oxygen Demand）指的是水中有机物由于微生物的生化作用进行氧化分解，使之无机化或气体化时所消耗水中溶解氧的总量。而厌氧分解则是主要依靠厌氧细菌，这个过程俗称“发酵”。在农村生活中，我们常见的沼气池就是这样工作的。通常地，科学家们在厌氧微生物中能寻找到一些能特异性氧化分解某特定难降解有机物的酶。

目前生物降解研究的发展趋势为：1.研究自然环境中有机污染物和无机污染物的生物降解途径，寻找自然界中具有生物净化能力的特殊群体，探讨生物降解和污染物的相互作用关系，以便制定消除污染的措施。2.利用遗传学方法将多种有益的特异性基因重组成具有多功能、高降解能力的菌株。3.利用酶的固定化技术制备成专一的或多功能的生物催化剂，以降解多种污染物。
而在环境方面，我们更加关注的是评价各种有机（污染）物在环境中的行为。即分析评价有机（污染）物可生物降解性，预测化合物在环境中的滞留情况，从而为人民的生产生活提供依据；同时呢，我们也可以开发新技术，从而减少有机（污染）物在环境中的滞留时间。从而使得可降解有机（污染）物能通过生物处理消去其对环境的威胁。而对难降解有机（污染）物则可采取优化工艺和调整产品结构、控制排放等措施以减少环境威胁；或者寻找或驯化特异性高效菌株降解；如若不可控制，甚至采取停止生产，大大弱化污染物对环境的不良影响。

【有机污染物的生物降解】

可生物降解污染物主要有碳源有机（污染）物和氮源有机（污染）物。比如人们熟知的糖类（淀粉、纤维素、半纤维素、果胶质、木质素）、油脂、石油烃类（烷烃、环烷烃、芳烃类）以及氯苯、洗涤剂、农药等都属于碳源有机（污染）物。而氨基酸、尿素、胺类、硝基化合物均属于氮源有机（污染）物。

在这里，我主要讨论的是有机氯农药DDT的生物降解。

1．有机氯农药的脱氯反应
有机氯农药在微生物的作用下脱去分子上的氯，这是一步很重要的反应，有机物分子经过氯化反应后，性质会有许多的不同。所以，有机氯农药分子被脱氯后，就改变了农药分子的特性，是降解农药分子的一个很关键的步骤。脱氯反应有还原脱氯、氧化脱氯、脱氯化氢等不同的反应过程。
以DDT为例，以上三种过程产生了三种不同的中间产物。

a.脱氯

c.脱HCL
b.氧化

a. 还原脱氯是将非苯环上的氯原子脱去，并以氢原子取代，如上DDT转化为DDD的过程就是还原脱氯的过程。这一反应可有酵母菌、变形杆菌、粘质沙雷士菌、气单胞菌或放线菌等一些厌氧微生物的作用而完成。
b. 有机氯农药分子被氧化时，可以脱除分子中的氯原子。与还原脱氯一样是重要的脱氯反应过程，但相对而言，氧化脱氯反应的普遍程度略低些，可能是因为有机氯农药所存在的环境以还原性环境为主。
c. 脱氯化氢是在好氧条件下进行的脱氯反应，脱氯化氢通常是发生在两个含饱和键的碳原子之间，同时取代一个碳原子上的氯和相邻碳原子上的氢，并形成不饱和碳键。
*.有些有机氯农药分子很复杂，在微生物作用下，第一步并不能将氯原子脱除，而只能将氯原子在农药分子上的位置改变一下，形成一个异构农药分子。这一过程虽然没有直接脱除氯，但对于进一步脱除氯有很重要的意义，难于脱氯降解的分子被异构化以后，氯的脱除会变得相对容易。

2． DDT的生物降解
DDT全称即二氯二苯三氯乙烷，是较早的人工合成的有机农药，因其环境稳定性很好，所以在环境中出现极高的残留累积，因此而导致对DDT的禁用。环境中存在广泛的可降解DDT的微生物，它们既可以在好氧条件下脱氯降解，又可以在厌氧条件下脱氯降解。
DDT的微生物代谢主要是脱氯作用使DDT变为DDD（厌氧条件下进行）或经脱氢脱氯变成 DDE（好氧条件下下主要反应），而DDD和DDE又可进一步氧化为 DDA。反应式如下：

*.DDT在好氧条件下分解很慢。DDE和DDD毒性比DDT低得多，但DDE仍有慢性毒性，因此要注意此类农药分解产物在环境中的积累

DDT的主要代谢产物DDD进一步通过脱氯、脱氯化氢和脱羧产生DBP或DDM。其中DDM的苯环裂解形成PCPA（对-氯苯乙酸），PCPA进一步被降解成对-氯葡萄糖醛；另外，DDE较稳定，难降解。
参与DDT的代谢过程的微生物主要有：气单胞细菌（于厌氧条件）、大肠杆菌（于肉汤培养基）、氢单胞菌（于厌氧条件，不能完全氧化。须其它微生物配合）、某些真菌。相比而言，藻类和原生动物降解DDT的能力较弱，不过也发现了一些种类能够进行DDT的转化。

*.商品DDT中通常含有一定量的异构体，如邻对位DDT，而一般情况下，能转化DDT的微生物都不能转化异构体DDT。

【生物降解性能的测定试验】

试验考虑：1.针对处理有机物选择合适的微生物；
2.确定试验化合物在培养液的浓度范围；
3.创造适宜的环境条件。
种源：天然环境、活性污泥、底泥、人工驯化的菌株。
测定指标：有机物去除率、耗氧量、最终产物量、微生物的活性变化。

非特异性参数：BOD、COD、DOC、TOC……
特异性参数：被测化合物C含量的减少，整个体系的降解程度……
动力学参数：被测化合物的降解速率……
……

【影响降解的因素】

1． 降解微生物的存在性（是否具有特异性的载体蛋白吸收有机物、基因中是否存在特异性的酶的片段可在特定环境中表达）
2． 生物利用率Bioavailability（污染物的水溶性、污染物被底物吸附的程度&解吸扩散入水的程度都影响了其被特定环境下生物的利用程度。可以通过生产表面活性剂或者改变细胞的亲疏水性提高利用率）
3． 环境因素：环境中有机质含量、氧含量，N,S,P等生命元素的可利用性、温度、pH、盐度、Eh（氧化还原电位）、水的活度……
4． 有机化合物结构构型的影响（如：苯环属于极难降解的物质之一）
5． 好氧、厌氧的控制条件
6． 化合物的取代基类型（大体来说含有—OH取代基的化合物易降解，而含有—Cl取代基的化合物难降解）
7． ……