第九章 微生物污染生态与生物修复

1、武青 1032011224003 微生物生态效应 土壤污染物的微生物净化与修复 微生物共代谢的原理和过程 微生物的去毒作用 植物修复及其对土壤微生物生物修复 的促进作用 p土壤污染物的产生 人为影响 意外事故 自然灾害 p土壤污染的主要物质 无机元素及其化合物 有毒有机污染物 氮磷营养元素 寄生虫、病原菌、病毒以及基因工程 内分泌干扰素 p微生物功能对土壤生态的指示作用 微生物总数 有机质分解 呼吸作用 生物量 氮的固定与矿化作用 磷的积累和硫的氧化 土壤酶活性 铁还原作用 热能释放 生物修复（Bioremediation）指利用生物 将土壤、地表及地下水或海洋中的危险性 污染物现场去除或降解

2、的工程技术系统。 生物修复的基本指导思想生物修复的基本指导思想 净化速度缓慢 由于三方 面的原因 生物修复技术系统中 添加氮、磷等营养盐 接种、驯化高效菌 自然条件下 DO不足 营养盐缺乏 高效菌生长缓慢 供氧 快速去除污染物 生物修复的优点：生物修复的优点： 污染物原地被降解 修复时间较短 操作简便费用少 环境影响小 生物修复的局限生物修复的局限 需对目标地详细调查 微生物易受周围条件的影响 某些环境下污染物去除不完全 生物修复的类型生物修复的类型 原位生物修复 易位生物修复 微生物污染修复原理 微生物对污染的避性 形态学造性 具有荚膜（它是污染物进入细胞内的最重要的屏障） 生理学避性 1.

3、沉淀作用（产生某些物质，该物质能够和溶液中的污染物发生化学 反应，形成不溶性化合物的过程） 2.胞外络合作用（产生某些物质并且分泌到胞外时，有些物质具有络 合金属的能力。） 3.细胞壁结合作用（与细胞壁的化学成分和结构有关） 微生物对污染的结合、钝化作用 在酿酒酵母中除发现可结合固定重金属的金属硫蛋白、重金属螯 合肽外，还发现细胞膜上存在对铜有高度亲合性的Ctrlp蛋白 微生物对污染的降解与转化 1、微生物对金属离子的转化作用 自然界中有一些特殊微生物，它们对有毒金属离子具有抗性，可 以使金属离子发生转化。通过甲基化作用、还原作用、氧化作用 2、微生物对有机污染物的分解转化作用 微生物能够分解

4、转化许多有机污染物，降低它们的生物毒性或使 毒性完全消失。 农药许多微生物能够降解农药 共代谢基质与共代谢微生物共代谢基质与共代谢微生物 混合菌株的协同矿化作用混合菌株的协同矿化作用 共代谢的原因共代谢的原因 与共代谢相关的酶与共代谢相关的酶 共代谢的环境意义共代谢的环境意义 发现发现 早在早在2020世纪世纪6060年代的研究中，发现一株能在一年代的研究中，发现一株能在一 氯乙酸上生长的假单胞菌能够使三氯乙酸脱卤。然氯乙酸上生长的假单胞菌能够使三氯乙酸脱卤。然 而，该菌株不能利用三氯乙酸作为碳源生长。而，该菌株不能利用三氯乙酸作为碳源生长。 共代谢作用（共代谢作用（CometabolismC

5、ometabolism） 某些有机物不能作为微生物培养的某些有机物不能作为微生物培养的唯一碳源唯一碳源，必，必 须有另外的化合物提供微生物碳源或能源，该有机须有另外的化合物提供微生物碳源或能源，该有机 物才降解，这类降解称共代谢作用。物才降解，这类降解称共代谢作用。 一、共代谢基质与共代谢微生物一、共代谢基质与共代谢微生物 1.1.共代谢基质共代谢基质 有许多化学品在培养物中可进行共代谢有许多化学品在培养物中可进行共代谢 例如例如 环己烷、环己烷、PCBsPCBs、3-3-三氟甲基苯甲酸、氯三氟甲基苯甲酸、氯 酚、酚、3,4-3,4-二氯苯胺、二氯苯胺、1,3,5-1,3,5-三硝基苯、三硝基

6、苯、 毒草胺、甲草胺、禾草敌、毒草胺、甲草胺、禾草敌、2,4-D2,4-D、 麦草畏等。麦草畏等。 基基 质质 产产 物物 氟甲烷氟甲烷 二甲醚二甲醚 二甲基硫醚二甲基硫醚 四氯乙烯四氯乙烯 苯并噻吩苯并噻吩 3-羟基苯甲酸羟基苯甲酸 环己烷环己烷 3-氯酚氯酚 氯苯氯苯 3-硝基酚硝基酚 三硝基甘油三硝基甘油 对硫磷对硫磷 4-氯苯胺氯苯胺 甲醛甲醛 甲醇甲醇 二甲基亚砜二甲基亚砜 三氯乙烯三氯乙烯 苯并噻吩苯并噻吩-2,3-双酮双酮 2,3-羟基苯甲酸羟基苯甲酸 环己醇环己醇 4-氯儿茶酚氯儿茶酚 3-氯儿茶酚氯儿茶酚 硝基氢醌硝基氢醌 1-和和2-硝基甘油硝基甘油 4-硝基酚硝基酚 4-

7、氯乙酰替苯胺氯乙酰替苯胺 表表4-5 4-5 纯培养中的一些共代谢基质及其产物纯培养中的一些共代谢基质及其产物(1)(1) 表表4-5 4-5 纯培养中的一些共代谢基质及其产物纯培养中的一些共代谢基质及其产物(2)(2) 基基 质质产产 物物 丙烷丙烷 2-丁醇丁醇 苯酚苯酚 DDT 邻二甲苯邻二甲苯 2,4,5-T 4-氟苯甲酸氟苯甲酸 4,4-二氯二苯基甲烷二氯二苯基甲烷 2,3,6-三氯苯甲酸三氯苯甲酸 3-氯苯甲酸氯苯甲酸 三硝基甘油三硝基甘油 开蓬开蓬(kepone：十氯酮）：十氯酮） 4-三氟甲基苯甲酸三氟甲基苯甲酸 丙酸、丙酮丙酸、丙酮 2-丁酮丁酮 顺，顺顺，顺-粘康酸（已二烯

8、二酸）粘康酸（已二烯二酸） DDD、DDE、DBP 邻邻-甲苯甲酸甲苯甲酸 2,4,5-三氯酚三氯酚 4-氟儿苯酚氟儿苯酚 4-氯苯乙酸氯苯乙酸 3,5-二氯儿茶酚二氯儿茶酚 4-氯儿茶酚氯儿茶酚 苄基醇苄基醇 一氢开蓬一氢开蓬 4-三氟甲基三氟甲基-2,3-二羟基甲酸二羟基甲酸 2.2.实验室培养基中进行共代谢反应的细菌实验室培养基中进行共代谢反应的细菌 假单胞菌属、不动杆菌属、诺卡氏菌属、假单胞菌属、不动杆菌属、诺卡氏菌属、 芽孢杆菌属、分枝杆菌属、节杆菌属、芽孢杆菌属、分枝杆菌属、节杆菌属、 无色杆菌属无色杆菌属(Achromobacter)(Achromobacter)、产碱菌属、产碱

9、菌属、 甲基弯曲菌属甲基弯曲菌属(Methylosinus)(Methylosinus)、红球菌属、红球菌属、 黄色杆菌属黄色杆菌属(Xanthobacter)(Xanthobacter)和亚硝化单胞菌届等。和亚硝化单胞菌届等。 3.3.进行共代谢反应的真菌进行共代谢反应的真菌 有青霉属有青霉属(Penicillium)(Penicillium) 丝核菌属丝核菌属(Rhizoctoia)(Rhizoctoia)等。等。 4.4.共代谢中需要酶参与共代谢中需要酶参与 一系列酶系在进行共代谢转化时进行着羟基化、一系列酶系在进行共代谢转化时进行着羟基化、 氧化、去硝基、去氨基、水解、酰化或醚键裂等氧

10、化、去硝基、去氨基、水解、酰化或醚键裂等 作用。作用。 异养细菌和真菌进行的共代谢反应是多种多样的。异养细菌和真菌进行的共代谢反应是多种多样的。 甲基营养菌的甲烷单加氧酶能够氧化烷烃、烯烃、甲基营养菌的甲烷单加氧酶能够氧化烷烃、烯烃、 仲醇、二仲醇、二( (或三或三) )氯甲烷、二烷基醚、环烷烃和芳氯甲烷、二烷基醚、环烷烃和芳 香族等多种化合物。香族等多种化合物。 珊瑚状诺卡氏菌珊瑚状诺卡氏菌(N(Ncorallina)corallina)可以共代谢三可以共代谢三 ( (或四或四) )甲基苯、二乙基苯、联苯、四氢化萘和二甲基苯、二乙基苯、联苯、四氢化萘和二 甲基萘并产生多种产物。甲基萘并产生多

11、种产物。 协同矿化作用协同矿化作用 共代谢产物在培养液中积累，在自然界未必会共代谢产物在培养液中积累，在自然界未必会 积累。产物可在第二个菌株的作用下继续共代谢积累。产物可在第二个菌株的作用下继续共代谢 或完全矿化。或完全矿化。 互补分解代谢互补分解代谢 混合菌株能使基质完全矿化，使得基质完全降混合菌株能使基质完全矿化，使得基质完全降 解。菌株互补分解代谢途径的出现启发人们通过解。菌株互补分解代谢途径的出现启发人们通过 遗传工程技术构建能够矿化母体化合物的新菌株。遗传工程技术构建能够矿化母体化合物的新菌株。 基基 质质过过 程程对应的菌株对应的菌株 对硫磷对硫磷 对硫磷对硫磷4-4-硝基酚和二

12、乙硝基酚和二乙 基磷酸基磷酸 4-4-硝基酚为碳源和能源硝基酚为碳源和能源 施氏假单胞菌施氏假单胞菌 铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌 环己烷环己烷环己烷环己烷环己醇环己醇 环己醇矿化环己醇矿化 两种假单胞菌之两种假单胞菌之 间间 4,44,4- -二氯联苯二氯联苯 4,44,4- -二氯联苯二氯联苯4-4-氯苯甲氯苯甲 酸酸 4-4-氯苯甲酸为碳源和能源氯苯甲酸为碳源和能源 不详不详 不动杆菌不动杆菌 表表4-6 4-6 一些双菌株的协同矿化作用一些双菌株的协同矿化作用(1)(1) 基基 质质过过 程程对应的菌株对应的菌株 DDTDDTDDT 4-DDT 4-氯苯乙酸氯苯乙酸 4-4-氯苯乙酸用于生

13、长氯苯乙酸用于生长 假单胞菌假单胞菌 节杆菌节杆菌 2,4,5-T2,4,5-T2,4,5-T 2,4,5-2,4,5-T 2,4,5-三氯酚三氯酚 2,4,5-2,4,5-三氯酚代谢三氯酚代谢 荧光假单胞菌荧光假单胞菌 另一种微生物另一种微生物 4-4-氯氯-3,5-3,5-二硝二硝 基苯甲酸基苯甲酸 4-4-氯氯-3,5-3,5-二硝基苯甲酸二硝基苯甲酸 2-2-羟基粘康酸半醛羟基粘康酸半醛 2-2-羟基粘康酸半醛矿化羟基粘康酸半醛矿化 不详不详 链霉菌链霉菌 表表4-6 4-6 一些双菌株的协同矿化作用一些双菌株的协同矿化作用(2)(2) 细胞中微生物酶对有机物矿化作用的过程如下细胞中微

14、生物酶对有机物矿化作用的过程如下: : a b c a b c ABCDCO2 + ABCDCO2 +能量能量+ +细胞细胞-C-C 在正常代谢过程中，在正常代谢过程中，a a酶参与酶参与ABAB的转化，的转化，b b酶参与酶参与 BCBC的转化。的转化。 如果第一个酶如果第一个酶a a底物专一性较低，它可以作用许多结底物专一性较低，它可以作用许多结 构相似的底物，如构相似的底物，如AA或或AA，产物分别为，产物分别为BB或或 BB。酶。酶b b却不能作用于却不能作用于BB或或BB使其转化为使其转化为CC 或或C,C,结果造成结果造成BB或或BB积累，积累， 即即: : a a A B A B

15、 X X 这种现象是由于最初的酶系作用的底物较宽，这种现象是由于最初的酶系作用的底物较宽， 后面酶系作用的底物较窄而不能识别前面酶系形后面酶系作用的底物较窄而不能识别前面酶系形 成的产物造成的。成的产物造成的。 这种解释的最初的证据来自对除草剂这种解释的最初的证据来自对除草剂 2,4-D 2,4-D 代谢的研究。代谢的研究。 2,4-D2,4-D首先转化为首先转化为2,4-2,4-二氯酚，但是只有部分酶或很少二氯酚，但是只有部分酶或很少 的酶能进一步代谢的酶能进一步代谢2,4-2,4-二氯酚。当发生这种情况时，共二氯酚。当发生这种情况时，共 代谢产物几乎全部积累。代谢产物几乎全部积累。 (2)

16、(2)中间产物的抑制作用中间产物的抑制作用 有机物在代谢过程中，最初基质的转化产物有机物在代谢过程中，最初基质的转化产物 抑制了在以后起矿化作用酶系的活性或抑制抑制了在以后起矿化作用酶系的活性或抑制 该微生物的生长。该微生物的生长。 例如：例如： 恶臭假单胞菌恶臭假单胞菌(Ps. putida)(Ps. putida)能共代谢氯苯形能共代谢氯苯形 成成3-3-氯儿茶酚，但不能将后者降解，因为它氯儿茶酚，但不能将后者降解，因为它 抑制了进一步降解的酶系。抑制了进一步降解的酶系。 恶臭假单胞菌可以将恶臭假单胞菌可以将4-4-乙基苯甲酸转化为乙基苯甲酸转化为4-4- 乙基儿茶酚，而后者可以使以后代谢

17、步骤必乙基儿茶酚，而后者可以使以后代谢步骤必 要的酶系失活。由于抑制酶的作用造成了恶要的酶系失活。由于抑制酶的作用造成了恶 臭假单胞细菌不能在氯苯或臭假单胞细菌不能在氯苯或4-4-乙基苯甲酸上乙基苯甲酸上 生长。生长。 (3)(3)需要另外的基质需要另外的基质 有些微生物需要第二种基质进行特定的反应。有些微生物需要第二种基质进行特定的反应。 第二种基质可以提供当前细胞反应中不能充分第二种基质可以提供当前细胞反应中不能充分 供应的物质，例如转化需要电子供体。供应的物质，例如转化需要电子供体。 有些第二种基质是诱导物，例如一株铜绿假单有些第二种基质是诱导物，例如一株铜绿假单 胞菌要经过正庚烷诱导才

18、能产生羟化酶系，使胞菌要经过正庚烷诱导才能产生羟化酶系，使 链烷烃羟基化转化为相应的醇链烷烃羟基化转化为相应的醇( (王家玲，王家玲，1988)1988)。 有些酶的专一性较差，可以作用于多种底物，有些酶的专一性较差，可以作用于多种底物， 这样导致了共代谢。这样导致了共代谢。 一些作用于一系列底物的单一酶系一些作用于一系列底物的单一酶系 （1 1）甲烷营养细菌的甲烷单加氧酶）甲烷营养细菌的甲烷单加氧酶 甲烷营养细菌生长在甲烷、甲醇和甲酸中时，甲烷营养细菌生长在甲烷、甲醇和甲酸中时， 能够共代谢多种有机分子，其中包括一些主要污染能够共代谢多种有机分子，其中包括一些主要污染 物分子（如下反应所示）

19、。物分子（如下反应所示）。 在这些反应中，甲烷单加氧酶起催化作用。在这些反应中，甲烷单加氧酶起催化作用。 发孢甲基弯曲菌可以转化氯代脂肪烃为反式发孢甲基弯曲菌可以转化氯代脂肪烃为反式 或顺式或顺式1,2-1,2-二氯乙烯二氯乙烯,1,1-,1,1-二氯乙烯二氯乙烯, 1,2-, 1,2- 二氯丙烷二氯丙烷,1,3-,1,3-二氯丙烯二氯丙烯 生长在甲烷中的其他一些细菌的酶可以催化生长在甲烷中的其他一些细菌的酶可以催化 正烷烃正烷烃(C2-C8),(C2-C8),正烯烃正烯烃(C2-C6)(C2-C6)和单或双氯和单或双氯 脂肪烃脂肪烃(C5-C6)(C5-C6) (2)(2)甲苯双加氧酶甲苯双

20、加氧酶 (dioxygenase)(dioxygenase) 许多好氧细菌中存在甲苯双加氧酶许多好氧细菌中存在甲苯双加氧酶 甲苯双加氧酶可使甲苯与甲苯双加氧酶可使甲苯与O2O2结合结合 酶专一性较低酶专一性较低 可以降解三氯乙烯可以降解三氯乙烯(TCE)(TCE) (Nelsonelal (Nelsonelal，19881988；Li & WackettLi & Wackett，1992)1992) 转化转化2-2-硝基甲苯、硝基甲苯、3-3-硝基甲苯为对应的醇硝基甲苯为对应的醇 使使4-4-硝基甲苯羟化硝基甲苯羟化 (Robertson(Robertson，1992)1992) 图图4-3

21、4-3 甲苯双氧化酶催化的反应甲苯双氧化酶催化的反应 (3)(3)甲苯单加氧酶甲苯单加氧酶 在一些好氧细菌存在有甲苯单加氧酶在一些好氧细菌存在有甲苯单加氧酶 只能使只能使O O2 2中一个原子和甲苯结合形成邻甲酚中一个原子和甲苯结合形成邻甲酚 酶的共代谢作用酶的共代谢作用 可共代谢三氯乙烯可共代谢三氯乙烯 将将3-3-硝基甲苯转化为苯甲基醇（醛）硝基甲苯转化为苯甲基醇（醛） 将将4-4-硝基甲苯转化为苯甲基醛（醇）硝基甲苯转化为苯甲基醛（醇） 使其他芳香化合物加羟基使其他芳香化合物加羟基 (Delgadoetal 1992(Delgadoetal 1992；Shields 1991)Shiel

22、ds 1991)。 (4)(4)丙烷利用菌加氧酶丙烷利用菌加氧酶 利用丙烷作为碳源和能源的好氧菌加氧酶对利用丙烷作为碳源和能源的好氧菌加氧酶对 作用的底物较宽作用的底物较宽 酶的作用酶的作用(Wackett et al(Wackett et al，1989)1989) 可共代谢三氯乙烯（可共代谢三氯乙烯（TCETCE） 氯乙烯氯乙烯 1,1-1,1-二氯乙烯二氯乙烯 顺顺-1,2-1,2-二氯乙烯二氯乙烯 反反-1,2-1,2-二氯乙烯二氯乙烯 (5)(5)欧洲亚硝化单胞菌的氨单欧洲亚硝化单胞菌的氨单加氧酶加氧酶 欧洲亚硝化单胞菌欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonas eurolmea)(

23、Nitrosomonas eurolmea)是是 化能自养菌化能自养菌 在自然界以在自然界以NH3NH3为能源，以为能源，以CO2CO2为能源。为能源。 氨单加氧酶的共代谢作用底物氨单加氧酶的共代谢作用底物 TCETCE、1,1-1,1-二氯乙烯、二氯乙烷、四氯乙烷、二氯乙烯、二氯乙烷、四氯乙烷、 氯仿、一氯乙烷、氟乙烷、溴乙烷和碘乙烷氯仿、一氯乙烷、氟乙烷、溴乙烷和碘乙烷 (Rmsche et al(Rmsche et al，19901990，1991)1991)、各种单环芳烃、各种单环芳烃 (Keener 1994)(Keener 1994)、硫醚、硫醚(Juliette et al(Ju

24、liette et al，1993)1993) 以及氟甲烷和乙醚以及氟甲烷和乙醚(Hyman et al(Hyman et al，1994)1994)。 (6)(6)卤素水解酶卤素水解酶(halidohydrolase)(halidohydrolase) 卤素酶可作用于简单卤代脂肪酸卤素酶可作用于简单卤代脂肪酸 酶可以裂解氟乙酸、氯乙酸、碘乙酸；酶可以裂解氟乙酸、氯乙酸、碘乙酸； 裂解二氯乙酸、裂解二氯乙酸、2-2-氯丙酸、氯丙酸、2-2-氯丁酸；氯丁酸； 去除去除1-1-碘甲烷、碘甲烷、1-1-碘乙烷、碘乙烷、11氯丁烷、氯丁烷、1-1-溴溴 丁烷、丁烷、l-l-氯己烷中的卤素转化为对应的正

25、构氯己烷中的卤素转化为对应的正构 醇；醇； 依不同的菌其作用有区别依不同的菌其作用有区别 (7)(7)脱卤酶脱卤酶(dehalogenase)(dehalogenase) 脱卤酶去除脱卤酶去除CH2Cl2CH2Cl2、CH2BrClCH2BrCl、CH2Br2CH2Br2和和CH2I2CH2I2 中的卤素中的卤素(Kohler-Staub & Leisinger(Kohler-Staub & Leisinger，1985)1985)， 作用于作用于4-4-氯苯甲酸、氯苯甲酸、4-4-溴苯甲酸、溴苯甲酸、4-4-碘苯甲酸碘苯甲酸 (Thieleetal(Thieleetal，1987)1987)

26、。 (8)(8)儿茶酚双加氧酶儿茶酚双加氧酶 该酶氧化儿茶酚、该酶氧化儿茶酚、3-3-和和4-4-甲基儿茶酚、甲基儿茶酚、3-3-氟儿茶氟儿茶 酚。酚。 (9)(9)苯甲酸羟化酶苯甲酸羟化酶(hydmxylase)(hydmxylase) 该酶代谢苯甲酸、该酶代谢苯甲酸、4-4-氨基苯甲酸、氨基苯甲酸、4-64-6硝基苯甲酸、硝基苯甲酸、 4-4-氯苯甲酸、氯苯甲酸、4-4-甲基苯甲酸。甲基苯甲酸。 (10)(10)腈裂解酶腈裂解酶(lyase)(lyase) 该酶裂解多种芳香腈类化合物的腈为氨。该酶裂解多种芳香腈类化合物的腈为氨。 (11)(11)磷酸酯酶磷酸酯酶(phosphatase)(

27、phosphatase) 该酶水解对硫磷、对氧磷、二嗪磷、毒死蜱该酶水解对硫磷、对氧磷、二嗪磷、毒死蜱 和杀螟硫磷。和杀螟硫磷。 (12)(12)醇脱氢酶醇脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase) 该酶氧化正脂肪醇该酶氧化正脂肪醇(C1(C1C11)C11)。 (13)(13)脱氨酶脱氨酶(deaminase)(deaminase) 该酶脱去多种嘌呤中的氨基。该酶脱去多种嘌呤中的氨基。 (14)(14)烷基羟化酶烷基羟化酶 该酶可以羟化多种烷基苯以及直链、分支和环式该酶可以羟化多种烷基苯以及直链、分支和环式 烷烃烷烃(Van Beilen et al(Van Beil

28、en et al，1994)1994)。 (15)(15)烷基单加氧酶烷基单加氧酶 该酶降解该酶降解TCETCE、氯乙烯、二氯乙烯和丙烯、氯乙烯、二氯乙烯和丙烯 (Ensigne et al(Ensigne et al，1992)1992)。 (16)(16)萘双加氧酶萘双加氧酶 该酶作用于二甲苯、硝基甲苯和乙苯的异构该酶作用于二甲苯、硝基甲苯和乙苯的异构 物物(Lee & Gibson(Lee & Gibson，1996)1996)。 (17)(17)联苯双加氧酶联苯双加氧酶 该酶可以使几种该酶可以使几种PCBPCB转化转化(Heraandez(Heraandez，1995)1995) 共代

29、谢是微生物转化的一种特殊的类型共代谢是微生物转化的一种特殊的类型 环境污染物造成不良的环境影响的原因环境污染物造成不良的环境影响的原因 进行共代谢的微生物数量在环境中不会增加，物进行共代谢的微生物数量在环境中不会增加，物 质转化速率很低。不像进行基质代谢的微生物随质转化速率很低。不像进行基质代谢的微生物随 微生物繁殖而增加代谢率。微生物繁殖而增加代谢率。 共代谢使有机产物积累，产物是持久性的。由于共代谢使有机产物积累，产物是持久性的。由于 在结构上经常和母体化合物差别不大，如果母体在结构上经常和母体化合物差别不大，如果母体 化合物是有毒的，共代谢产物也是有害的。化合物是有毒的，共代谢产物也是有

30、害的。 对自然界能共代谢各个基质微生物的数量研究不对自然界能共代谢各个基质微生物的数量研究不 多多 土壤中能共代谢土壤中能共代谢 2 2，4-D4-D的细胞数为的细胞数为(0.3-0.8)x (0.3-0.8)x 106106个个g (Fournierg (Fournier，1981)1981) 从污水中分离到的细菌中有从污水中分离到的细菌中有2020-75-75细菌能共细菌能共 代谢代谢DDTDDT 污水中有污水中有9x1079x107个个ml ml 的细胞可共代谢农药的细胞可共代谢农药 (Pfaender & Alexander(Pfaender & Alexander，1973)1973

31、)。 以除草剂毒莠定的降解为例： 毒莠定在土壤中能被微生物群体所降解，但迄今仍未分离 出能利用毒莠定为惟一能源的微生物。当把毒莠定当作补 充能源和其它化合物一起加入营养基后，它就能被各种微 生物所降解，Jackson Fester称其为“共代谢作用”或“共 氧化作用”。 共代谢作用的发生可能是借助某些微生物的酶对基质（如 毒莠定）并不具有高度专一性，而对基质有类似结构的化 合物能被分解，即无需再供给微生物以更多的能量。 u微生物通过共代谢作用降解 微生物降解有机污染物的主要反应类型 （1 1 ）氧化作用）氧化作用: 醇的氧化，如醋化醋杆菌(Acetobacter aceti)将乙醇氧化为乙酸，

32、氧化 节杆菌(Arthrobacter oxydans)可将丙二醇氧化为乳酸；醛的氧化，如铜 绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)将乙醛氧化为乙酸；甲基的氧化， 如铜绿假单胞菌将甲苯氧化为安息香酸，表面活性剂的甲基氧化主要是 亲油基末端的甲基氧化为梭基的过程；氧化去烷基化：如有机磷杀虫 剂可进行此反应；硫醚氧化：如三硫磷、扑草净等的氧化降解；过 氧化：艾氏剂和七氯可被微生物过氧化降解；苯环轻基化：2，4-D和 苯甲酸等化合物可通过微生物的氧化作用使苯环轻基化；芳环裂解： 苯酚系列的化合物可在微生物作用下使环裂解；杂环裂解：五元环(杂 环农药)和六元环（吡啶类)化合物的裂解

33、；环氧化：环氧化作用是生物 降解的主要机制，如环戊二烯类杀虫剂的脱卤、水解、还原及羟基化作 用，等等。 (2) (2) 还原作用还原作用: 乙烯基的还原，如大肠杆菌（Escherichia coliform)可将延胡索 酸还原为琥珀酸；醇的还原，如丙酸梭菌(Clostridium propionicum)可将乳酸还原为丙酸；芳环羟基化，甲苯酸盐在厌 氧条件下可以羟基化；也有醌类还原、双键、三键还原作用等。 (3) (3) 基团转移作用基团转移作用: 脱羧作用，如戊糖丙酸杆菌（Prorionibacterium pentosaceum)可 使琥珀酸等羧酸脱羧为丙酸；脱卤作用，是氯代芳烃、农药、五

34、 氯酚等的生物降解途径；脱烃作用，常见于某些有烃基连接在氮、 氧或硫原子上的农药降解反应；还存在脱氢卤以及脱水反应等 (4) (4) 水解作用水解作用: 主要包括有酯类、胺类、磷酸酯化以及卤代烃等的水解 类型 (5 )(5 )其他反应类型其他反应类型: 包括酯化、缩合、氨化、乙酰化、双键断裂及卤原子移 动等 土壤中有机污染物-重金属复合污染 有机污染物-重金属复合污染是一种普遍存在的环境污染 形式。有机污染物-重金属在土壤中的交互作用主要包括 三种形式： 第一，有机污染物-重金属在土壤中吸附行为的交互作 用； 第二，有机污染物-重金属在土壤中化学作用过程的交 互作用； 第三，有机污染物-重金属

35、在土壤中微生物过程的交互 作用。 有机污染物-重金属复合污染对土壤生物学过程的作用， 主要是通过影响酶的活性从而间接影响有机污染物的降解； 另一方面，它们也通过改变土壤的氧化还原能力从而影响 对有机污染物-重金属的交互作用。 通常，重金属污染容易导致土壤中酶活性的降低， 呼吸作用减小，氮的矿化速率变慢，有机污染物降解 半衰期延长等（KHAN 1999）。 重金属对土壤中微生物活性的影响，也与重金属种 类以及土壤类型、有机污染物的结构等有关。 例如，镉的存在对污泥的分解有非常明显的减缓作用，可是它对葡萄 糖、纤维素的作用就非常小，原因是镉的加入导致它在有机质上的吸附， 从而使有机质的分解速度变慢

36、（HIROYUKI ，1994）。 去毒作用的概念去毒作用的概念 去毒作用的一般过程去毒作用的一般过程 使污染物的分子结构发生改变，从而降低或去除其使污染物的分子结构发生改变，从而降低或去除其 对敏感物种的有害性。对敏感物种的有害性。 敏感物种包括敏感物种包括: :人、动物、植物和微生物人、动物、植物和微生物 去毒作用导致去毒作用导致钝化钝化作用作用 即将在毒理学上具有活性物质转化为无即将在毒理学上具有活性物质转化为无 活性的产物。活性的产物。 由于毒理学活性与化学品的本体、取代基团和作用由于毒理学活性与化学品的本体、取代基团和作用 方式有关，所以去毒作用也包括有方式有关，所以去毒作用也包括有

37、不同类型的反应不同类型的反应。 促使活性分子转化为无毒产物的酶反应通常在细胞促使活性分子转化为无毒产物的酶反应通常在细胞 内进行，形成的产物通常有三种转归：内进行，形成的产物通常有三种转归： 图图4-4 4-4 被去毒的化学品的转归被去毒的化学品的转归 1:1:去毒反应去毒反应( (产物的结构通常与母体化合物相似产物的结构通常与母体化合物相似) ) 2: 2: 矿化作用矿化作用 细胞内进行的去毒作用的产物通常有细胞内进行的去毒作用的产物通常有3 3种转归：种转归： 1.1.直接分泌到细胞外直接分泌到细胞外 2.2.经过一步或几步特殊的酶反应，进入正常代谢途经过一步或几步特殊的酶反应，进入正常代

38、谢途 径，然后以有机废物的形式分泌到细胞外径，然后以有机废物的形式分泌到细胞外 3.3.经过一步或几步特殊的酶反应，进入正常代谢途经过一步或几步特殊的酶反应，进入正常代谢途 径，但最后以径，但最后以CO2CO2的形式释放出来。的形式释放出来。 (1)(1)水解作用水解作用 (hydrolysis)(hydrolysis) 在微生物的作用下，酯键或酰胺键水解，使在微生物的作用下，酯键或酰胺键水解，使 得毒物脱毒。经过羧酯酶水解的通式为：得毒物脱毒。经过羧酯酶水解的通式为： 有机磷农药马拉硫磷在羧酯酶作用下，水解成一有机磷农药马拉硫磷在羧酯酶作用下，水解成一 酸或二酸。经过氨酯酶水解的通式为：酸或

39、二酸。经过氨酯酶水解的通式为： 酰胺类除草剂敌稗的水解，产物为酰胺类除草剂敌稗的水解，产物为3,4-3,4-二氯苯胺二氯苯胺 和丙酸。和丙酸。( (箭头代表水解部位箭头代表水解部位) ) (2)(2)羟基化作用羟基化作用(hydroxylation)(hydroxylation) 在苯环上或脂肪链上发生羟基化，即由在苯环上或脂肪链上发生羟基化，即由OHOH代代 替替H H使毒物失去毒性，其通式为：使毒物失去毒性，其通式为： RHROHRHROH 例如：例如： 苯并咪唑类内吸杀菌剂多苗灵苯并咪唑类内吸杀菌剂多苗灵(MBC)(MBC)和苯氧羧和苯氧羧 酸类除草剂酸类除草剂2,4-D2,4-D的羟化

40、。的羟化。2,4-D2,4-D羟化后变为羟化后变为 2,5-2,5-二氯二氯-4-4-羟基苯氧乙酸。羟基苯氧乙酸。 (3) (3) 脱卤作用脱卤作用(dehalogenation)(dehalogenation) 脱卤酶可使许多含有氯或其他卤素的杀虫剂和有毒脱卤酶可使许多含有氯或其他卤素的杀虫剂和有毒 工业废物去除卤元素工业废物去除卤元素, ,使有毒化合物转化为无毒产使有毒化合物转化为无毒产 物。物。 脱卤作用有三种形式脱卤作用有三种形式 由氢取代由氢取代( (还原脱卤还原脱卤) ) 由羟基取代由羟基取代 ( (水解脱卤水解脱卤) ) 卤原子及其相邻的氢一齐被脱去卤原子及其相邻的氢一齐被脱去(

41、 (脱氢脱卤脱氢脱卤) )。其反。其反 应通式分别是：应通式分别是： 在脱氢脱卤酶的作用下，在脱氢脱卤酶的作用下，DDTDDT可以转化为可以转化为DDEDDE，林丹，林丹 转化为转化为2,3,4,5,6-2,3,4,5,6-五氯五氯-1- -1- 环己烯，氯代脂肪酸除环己烯，氯代脂肪酸除 草剂茅草枯双脱卤转化为丙酮酸。但是，草剂茅草枯双脱卤转化为丙酮酸。但是，DDEDDE再进再进 一步降解很难进行。一步降解很难进行。 几种有代表性的脱卤几种有代表性的脱卤 去毒作用去毒作用 (4)(4)去甲基去甲基(demethylation)(demethylation) 或去烷基作用或去烷基作用(dealk

42、ylation)(dealkylation) 许多杀虫剂含有甲基或其他烷基，这些烷基与氮、许多杀虫剂含有甲基或其他烷基，这些烷基与氮、 氧和硫相连，在微生物作用下会脱去这些基团氧和硫相连，在微生物作用下会脱去这些基团 变为无毒性的。变为无毒性的。 苯脲类除草剂敌草隆，在微生物作用下依次脱去苯脲类除草剂敌草隆，在微生物作用下依次脱去 两个两个N-N-甲基，变为无毒的化合物。甲基，变为无毒的化合物。 地茂散由于微生物的去地茂散由于微生物的去O-O-甲基作用，被转化为无甲基作用，被转化为无 毒的产物。毒的产物。 两种杀虫剂的去烷基作用两种杀虫剂的去烷基作用 (5)(5)甲基化甲基化(methylation)(methylation) 对有毒的酚类加入甲基可以使酚类钝化。其通对有毒的酚类加入甲基可以使酚类钝化。其通 式为：式为： ROH ROCHROH ROCH3 3 例如例如 广泛使用的杀菌剂五氯酚以及四氯酚，它们的广泛使用的杀菌剂五氯酚以及四氯酚，它们的 O-O-