7.有害有機物微生物降解中的生物化學

1環(huán)境生物化學

環(huán)境生物化學

7.1.1微生物降解的基本概念微生物降解（Microbialdegradation）：指通過微生物作用將有機物降解成小分子化合物的過程。

有—部分有機化合物是能夠被水或土壤中的微生物很快地進行生物降解的，有很多化合物表現(xiàn)出生物難降解性。

因其中有些化合物毒性很大，對環(huán)境和人類健康造成威脅。難降解化合物的降解研究始終是很重要的一個方面。7有害有機物微生物降解中的生物化學

7.1微生物降解概述2環(huán)境生物化學

在有機污染物生物降解研究中，很重要的一點是有機污染物的生物降解究竟能進行到怎樣的程度，Mausnet等曾根據(jù)有機污染物生物降解的進行程度將生物降解分為三種(或者說是三個階段)，即：7有害有機物微生物降解中的生物化學

初級生物降解(Primarybiodegradation)：是指有機污染物在微生物的作用下，母體化合物的化學結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并改變了原污染物分子的完整性，即有機污染物本來的結(jié)構(gòu)發(fā)生部分變化。環(huán)境容許的生物降解（Environmentallyacceptablebiodegradation）：是指可除去有機污染物的毒性或者人們所不希望的特性，例如在表面活性劑的降解過程中那種使表面活性劑失去起泡性能的降解作用，或者是在有毒有機污染物講解過程中使其降低或完全去除對水生生物毒性的降解作用。最終生物降解(Ultimatebiodegradation)：指有機污染物通過生物降解，從有機物向無機物轉(zhuǎn)化，完全被降解成CO2、水和其他無機物，并被同化為微生物的一部分。例如在聚乙烯醇(PVA)的生物降解中就明顯地存在著這三個降解階段(見圖7-1和圖7-2)。3環(huán)境生物化學

圖7-1聚乙烯醇的生物降解中的三個階段7有害有機物微生物降解中的生物化學

4環(huán)境生物化學

圖7-22小時中PVA生物降解進程和礦化度的變化1.PVA濃度；2.CODcr；3.CO2；4.PVA的礦化度；5.CODcr的礦化度7有害有機物微生物降解中的生物化學

5

比較圖7-2中PVA濃度和CODcr值兩條隨時間變化的曲線可以發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)開始階段，PVA濃度迅速下降，PVA曲線下降的斜率明顯大于CODcr曲線。這是由于PVA的初級生物降解所造成的，PVA的大分子被生物降解，失去原有的物理、化學性質(zhì)，但其產(chǎn)生的降解產(chǎn)物仍保留著CODcr值，大約10小時后，PVA濃度的下降趨于緩慢而CODcr在繼續(xù)下降，PVA濃度與CODcr的比值有回升趨勢，這是初級生物降解產(chǎn)物繼續(xù)生物降解乃至徹底礦化的結(jié)果。在整個PVA生物降解的過程中，關(guān)鍵是大分子斷裂成小分子的速度，在此過程中胞外酶起著重要作用。

初級生物降解反應(yīng)(半衰期為0.23天左右)較最終生物降解反應(yīng)(半衰期為0.5-18天)要快得多。兩者的生物降解速率的差別隨有機化合物的不同而不同，一般為幾倍到十幾倍。這是有機化合物生物降解的一般規(guī)律。

從環(huán)境保護的觀點來看，總是希望有機污染物能完全降解，盡管這種完全降解比較困難，而且也很難實際驗證。環(huán)境生物化學

7有害有機物微生物降解中的生物化學

6環(huán)境生物化學

7.1.2微生物降解有機污染物的作用

污染物在環(huán)境中的降解有多種途徑，由于生物的作用而引起的污染物的分解或降解，即為生物降解。在生物降解中，作用最大的生物類群是微生物。微生物在環(huán)境中與污染物發(fā)生相互作用，通過其代謝活動，會使污染物發(fā)生氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、水解反應(yīng)、脫羧基反應(yīng)、脫氨基反應(yīng)、羥基化反應(yīng)、酯化反應(yīng)等多種生理生化反應(yīng)。

微生物在環(huán)境中的幾種主要的生物化學降解轉(zhuǎn)化作用有以下幾種類型：7有害有機物微生物降解中的生物化學

7環(huán)境生物化學

（1）氧化作用包括Fe、S等單質(zhì)的氧化，NH3、NO2

等化合物的氧化，也包括一些有機物基團的氧化，如甲基、羥基、醛等。在環(huán)境中，這些氧化作用大都是由微生物引起的，如氧化亞鐵硫桿菌Thiobaciliusferrooxidans

對亞鐵的氧化，銅綠假單胞桿菌Pseudomonasaenurinosa對乙醛的氧化，以及亞硝化菌和硝化菌對氨的氧化作用等。

氧化作用普遍存在于各種好氧環(huán)境中，是最常見的也是最重要的生物代謝活動。7有害有機物微生物降解中的生物化學

8環(huán)境生物化學

1）醇的氧化醋化醋桿菌（Acetobacteraceti）將乙醇氧化為乙酸，氧化節(jié)桿菌（Arthrobacterozydans）將丙二醇氧化為乳酸。2）醛的氧化銅綠假單胞菌（Pseudompnasaeruginosa）將乙醛氧化為乙酸。3）甲基的氧化銅綠假單胞菌將甲苯氧化為安息香酸。表面活性劑的甲基氧化主要是親油基末端的甲基氧化為羧基的過程。4）氨的氧化亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）可進行此反應(yīng)。5）亞硝酸的氧化硝化桿菌屬（Nitrobacter）可進行此反應(yīng)。6）硫的氧化氧化硫硫桿菌（Thiobacillusthiooxidans）可進行此反應(yīng)。7）鐵的氧化氧化亞鐵硫桿菌(Thiobacillusferrooxidans)

可進行此反應(yīng)。8）β－氧化

脂肪酸，ω－苯氧基烷酸酯和除草劑的生物降解。

7有害有機物微生物降解中的生物化學

9環(huán)境生物化學

9）氧化去烷基化N－去烷基化：烷基氨基甲酸酯，苯基脲，有機磷殺蟲劑可進行此反應(yīng)。C－去烷基化：二甲苯，甲苯和甲氧氮化物可以進行此反應(yīng)。10）硫醚氧化三硫磷，撲草凈的氧化降解。11）過氧化艾氏劑和七氯可被微生物過氧化12）苯環(huán)羥基化尼古丁酸，2，4－D和苯甲酸等化合物可通過微生物的氧化作用使苯環(huán)羥基化。13）芳環(huán)裂解苯酚系列的化合物可在微生物的作用下使環(huán)裂解。14）雜環(huán)裂解五元環(huán)（雜環(huán)農(nóng)藥）和六元環(huán)化合物的裂解。15）環(huán)氧化對于環(huán)戊二烯類殺蟲劑來說，其生物降解作用機制包括脫鹵，水解，還原和羥基化作用，但是環(huán)氧化作用是生物降解的主要機制。7有害有機物微生物降解中的生物化學

10環(huán)境生物化學

（2）還原作用

包括高價鐵和硫酸鹽的還原、NO3-

的還原、羥基或醇的還原等，還原作用與氧化作用所存在的環(huán)境不同，還原作用需要缺氧或者厭氧（無氧）的環(huán)境。有些還原作用是氧化作用的逆過程，但有些則不是逆過程，如NH3被氧化為NO3-,而NO3-

被還原為N2。

1）乙烯基的還原如大腸桿菌(Escherichiacoliform)可將延胡索酸還原為琥珀酸。2）醇的還原如丙酸羧菌(Clostridiumpropionicum)可將乳酸還原為丙酸。3）醌類的還原醌類可以被還原成酚類。4）芳環(huán)羥基化苯甲酸鹽在厭氧條件下可以羥基化。5）雙鍵還原作用6）三鍵還原作用7有害有機物微生物降解中的生物化學

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（3）基團轉(zhuǎn)移作用1）脫羧作用有機酸是普遍存在于受有機污染的各種環(huán)境中，通過脫羧基直接使有機酸分子變?。擊然鶞p少一個碳原子，形成一個CO2分子）。連續(xù)的脫羧基反應(yīng)可以使有機酸得到徹底的降解。一些小分子（短鏈）的有機酸經(jīng)脫羧基作用很快得到降解。如戊糖丙酸桿菌(Propionibacteriumpentosaceum)可使琥珀酸等羧酸為丙酸。尼古丁酸和兒茶酸也可進行脫羧反應(yīng)。

2）脫氨基作用使帶有氨基（-NH2）的有機物質(zhì)脫除氨基，并能得到進一步的降解。主要是在蛋白質(zhì)降解方面作用很大。構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸的降解必須先經(jīng)脫氨基作用，然后才像普通有機酸一樣經(jīng)過脫羧基作用等得到進一步的降解。如丙氨酸可在腐敗芽孢桿菌（Bacillusputrificus）作用下脫氨基而成為丙酸。7有害有機物微生物降解中的生物化學

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3）脫鹵作用常見于農(nóng)藥的生物降解，是某些脂肪酸生物降解的起始反應(yīng)，若干氯代烴農(nóng)藥的生物降解也有此種反應(yīng)。4）脫烴反應(yīng)常見于某些有烴基鏈接在氨，氧或硫原子上的農(nóng)藥。5）脫氫鹵可發(fā)生此反應(yīng)的典型化合物為γ－BHC和p’,p’-DDT等。6）脫水反應(yīng)如芽孢桿菌屬(Bacillus)可使甘油脫水為丙烯醛。

7有害有機物微生物降解中的生物化學

13環(huán)境生物化學

（4）水解作用水解作用(Hydrolysis)是一種很基本的生物代謝作用，許多種微生物可以發(fā)生水解作用，水解作用在處理一些有機大分子時，經(jīng)常會用到水解作用這一特殊的生物化學反應(yīng)，使有機大分子轉(zhuǎn)化為根小的分子，甚至接近其他生物或者其他反應(yīng)所要求的污染物質(zhì)特征。

1）酯類的水解多種微生物可發(fā)生此反應(yīng)2）氨類也可被許多微生物水解3）磷酸酯水解4）腈水解5）鹵代烴水解去鹵鹵代苯甲酸鹽、苯氧基乙酸鹽、芳草枯等可通過水解進行降解7有害有機物微生物降解中的生物化學

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（5）酯化作用羧酸與醇發(fā)生酯化反應(yīng)。如Hansenulaanomola可將乳酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗狨ァ?/p>

（6）縮合作用如乙醛可在某些酵母的作用下縮合成3—羥基丁酮（7）氨化作用如丙酮酸可在某些酵母作用下發(fā)生氨化反應(yīng)，生成丙氨酸

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（8）乙?；饔萌缈耸纤缶–lostridiumkluyueri）等可進行乙?；饔?/p>

（9）雙鍵斷裂反應(yīng)偶氮染料在厭氧菌的作用下，先發(fā)生脫氯反應(yīng)生成兩個中間產(chǎn)物，再經(jīng)好氧過程才進一步生物降解

(10)鹵原子移動鹵代苯，2，4－D等污染物降解時可進行此反應(yīng)。

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由于微生物種類極其多，因此，具有豐富多樣的代謝類型，迄今已知的數(shù)十萬種污染物（主要為有機污染物）中不能被微生物降解的很少，甚至可以說，目前不能被微生物降解的有機物的存在并不能說明肯定沒有這種微生物，只是我們還沒有發(fā)現(xiàn)或者還沒有認識。

另一方面，由于微生物結(jié)構(gòu)簡單，個體或者群體有很強的變異性，在微生物與污染物發(fā)生相互作用的同時，微生物會對污染物的存在作出反應(yīng)和生理調(diào)節(jié)而發(fā)生變異，或者在污染物的誘導(dǎo)作用下發(fā)生變異。這樣就有了更多的機會通過變異而降解那些難降解或者不可降解的有機污染物。

目前有許多研究者在定向地進行富集培養(yǎng)和馴化環(huán)境微生物。微生物的共代謝作用使微生物在污染物質(zhì)降解方面有了更廣泛的作用。由此可知，環(huán)境污染物，特別是有機污染物的生物降解在機理、功能與資源等方面都具有巨大的潛力。環(huán)境生物化學

7有害有機物微生物降解中的生物化學

16環(huán)境生物化學

7.1.3污染物生物降解的動力學動力學是指標靶化合物的微生物降解速率。生物系統(tǒng)包含多微生物,每種微生物有不同的酶系，因此經(jīng)常用總的速率常數(shù)來描述降解速度。這個常數(shù)一般在試驗室模擬測定。通過研究基質(zhì)濃度與降解速率之間的關(guān)系，提出兩類常用的經(jīng)驗?zāi)Ｊ?冪指數(shù)定律(Powerratelaw)-不考慮微生物生長的基質(zhì)降解模式。雙曲線定律(Hyperbolicratelaw)-考慮微生物生長的基質(zhì)降解模式。7有害有機物微生物降解中的生物化學

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1.冪指數(shù)定律在基質(zhì)降解過程中，如果不考慮微生物生長這一因素．可以用冪指數(shù)定律來描述基質(zhì)降解速率(反應(yīng)速率)與基質(zhì)濃度的關(guān)系。降解速率與基質(zhì)濃度n次冪成正比：7有害有機物微生物降解中的生物化學

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現(xiàn)在已經(jīng)測定出不同基質(zhì)條件下一些有機化合物的半衰期，這些數(shù)據(jù)對于評價它們的生物處理性是十分重要的。表7-1根據(jù)有機物在環(huán)境中的半衰期對它們的生物降解性進行分類。當然，它們的生物降解性與環(huán)境因素有很大的關(guān)系。7有害有機物微生物降解中的生物化學

21環(huán)境生物化學

在多種基質(zhì)的混合廢水中，每種基質(zhì)的去除雖以恒速進行(零級反應(yīng))，不受其他基質(zhì)的影響，但基質(zhì)的總?cè)コ縿t為每個單一基質(zhì)去除量之和，所以一般可以認為整個系統(tǒng)的動力學循環(huán)為一級反應(yīng)關(guān)系。

反應(yīng)還可以是二級反應(yīng)，即反應(yīng)速率與基質(zhì)濃度的二次方成正比。式(7-1)可以下式表達：7有害有機物微生物降解中的生物化學

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2.雙曲線定律

在基質(zhì)降解過程中．經(jīng)常要考慮微生物的生長，基質(zhì)濃度與微生物生長速率之間關(guān)系可以用雙曲線定律來描述。

雙曲線定律是出Monod于1949年提出的，又稱Monod方程，它的形式與Michaelis-Menten方程類似。

7有害有機物微生物降解中的生物化學

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7有害有機物微生物降解中的生物化學

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7有害有機物微生物降解中的生物化學

Ｋs也代表微生物與支持其生長的有機營養(yǎng)物質(zhì)的親和力，數(shù)值越小，細菌對該分子的親和力越大。

Ｋs值的跨度相當大。對一種細菌來說，不同的基質(zhì)有不同的Ks；對同一種基質(zhì)來說，Ｋs值與細菌菌株有關(guān)，

甚至同一個菌株在低濃度有一個Ｋs值，在高濃度有另—個Ｋs值。一些Ｋs值見表7-2。

由表7-2的數(shù)據(jù)可以看出Ｋs的差別很大，似乎無規(guī)律可循。但是可以看到營養(yǎng)富集環(huán)境中的細菌比低有機成分的生境中的細菌有較高的Ｋs值。從表7-2還可以看到在天然水中代謝的微生物可以迅速代謝加入的分子。應(yīng)當指出，在培養(yǎng)基加入的碳源的濃度遠遠高于表7-2所列的Ｋs值。25環(huán)境生物化學

7.2.1鹵代烴類微生物降解的生物化學

鹵代有機化合物是一類非常重要的化合物，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、農(nóng)藥、有機合成。由于應(yīng)用廣泛，因此，鹵代有機化合物進入環(huán)境的機會也就很大，途徑也很多。概括起來，環(huán)境中的鹵代有機物主要來自人工應(yīng)用、自然生成和人工條件下的有機物鹵化。鹵代有機化合物中鹵代脂肪烴和鹵代芳香族化合物是最重要的兩類。而鹵元素中最重要的是氯，其次是溴和氟。環(huán)境最重要的鹵代有機化合物是氯化脂肪烴和氯化芳香烴，如三氯甲烷、多氯聯(lián)苯等。7有害有機物微生物降解中的生物化學

7.2典型有害有機污染物微生物降解的生物化學

26環(huán)境生物化學

1.鹵代脂肪烴的降解鹵代脂肪烴廣泛用于工業(yè)溶劑、清洗劑、氣霧推進劑和化工合成的中間體。主要是C1和C2脂肪烴，其上氫原子被一個或多個鹵原子取代。鹵代脂肪烴在環(huán)境中可以進行非生物轉(zhuǎn)化，例如在水中的取代反應(yīng)、脫氫脫鹵反應(yīng)和還原反應(yīng)。過渡金屬如Ni、Fe、Cr和Co可以還原鹵代脂肪烴，產(chǎn)物為氧化態(tài)金屬和脫鹵的烷烴。好氧和厭氧微生物都已經(jīng)用于鹵代脂肪烴的降解和環(huán)境修復(fù)。7有害有機物微生物降解中的生物化學

27環(huán)境生物化學

（1）好氧降解

好氧降解研究最多的是TCE。甲基營養(yǎng)菌在有甲烷和天然氣存在的情況下可以降解TCE。對鹵代脂肪烴好氧降解的了解還不完全，最初的氧化作用由單加氧酶或雙加氧酶催化。由于單加氧酶和雙加氧酶的特異性較低，所以它們的降解可以與脂肪烷烴和芳烴降解使用相同的加氧酶系。降解需要有代謝基質(zhì)(甲烷、甲苯／酚或氨)存在，是一種共代謝作用。7有害有機物微生物降解中的生物化學

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（2）厭氧降解-還原性脫鹵

厭氧條件下的降解過程稱為還原性脫鹵作用，鹵原子從分子中逐個脫去并被氫原子取代。在厭氧條件下有機化合物脫鹵在熱力學上是有利的。脫鹵作用取決于分子的氧化還原電位，而這又是由鹵-碳鍵強度決定的。鍵強度越高，鹵原子越難脫去。鍵強度與鹵原子的類型和數(shù)目有關(guān)，也與鹵代分子的飽和程度有關(guān)。飽和化合物(烷烴類)比不飽和化合物(烯、炔烴類)的還原性脫鹵敏感。在鹵代烯烴厭氧代謝中，其脫鹵速率由快到慢依次是：四氯乙烯、三氯乙烯、1，2-二氯乙烯和氯乙烯。前面的氧化狀態(tài)高于后者。

7有害有機物微生物降解中的生物化學

29環(huán)境生物化學

一些鹵代脂肪烴的厭氧生物降解見表7-3。7有害有機物微生物降解中的生物化學

30環(huán)境生物化學

2.脫鹵反應(yīng)機制

氯代脂肪烴化合物的微生物代謝關(guān)鍵步驟是脫鹵反應(yīng)。催化這一反應(yīng)的酶可以直接作用于C-Cl鍵，或不直接作用于C-Cl鍵，而和氧結(jié)合形成不穩(wěn)定的中間物。目前在好氧細菌中發(fā)現(xiàn)5種脫鹵機制(圖7—5)。

7有害有機物微生物降解中的生物化學

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（1）親核置換

有谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)參與，形成谷胱甘肽和鹵代脂肪烴共價結(jié)合的中間物，最后脫鹵。例如生絲微菌在二氯甲烷基質(zhì)中脫氯就是這種方式，脫氯的產(chǎn)物是甲醛。（2）水解

水解脫鹵酶參與氯代脂肪烷烴的脫鹵反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物是對應(yīng)的醇。這類氯代脂肪烷烴有2-氯代羧酸、1-氯代正烷烴、α，ω-二氯正烷烴、α，ω-氯代醇以及其他相關(guān)化合物。例如，自養(yǎng)黃色桿菌GJ10以1，2-二氯乙烷為惟一碳源，在兩種不同的水解脫鹵酶作用下經(jīng)過兩次水解脫氯作用，生成產(chǎn)物乙醇酸，然后進人中央代謝途徑，見圖7-6。7有害有機物微生物降解中的生物化學

32環(huán)境生物化學

（3）氧化

由單加氧酶催化，需要還原性輔助因子或細胞色素，分子氧中的一個氧原子與基質(zhì)結(jié)合，另一個氧原子形成水。單加氧酶反應(yīng)在性質(zhì)上是親電反應(yīng)而不是親核反應(yīng)，因此這種氧化反應(yīng)為結(jié)構(gòu)上對親核取代反應(yīng)不敏感的化合物的降解提供了另一種途徑。氯仿在這種方式下氧化產(chǎn)生不穩(wěn)定的中間物。（4）分子內(nèi)部親核取代

由單加氧酶或雙加氧酶催化，形成環(huán)氧化物，然后再脫去氯。如反-1，2-二氯乙烯在甲基營養(yǎng)細菌作用下的降解(圖7—7)。7有害有機物微生物降解中的生物化學

（5）水合

具有不飽和鍵的鹵代烴水合后脫鹵。例如3-氯代丙烯酸水合脫氯形成丙醛酸。33環(huán)境生物化學

3.典型鹵代脂肪烴的降解（1）氯代烷烴的降解

二氯甲烷在好氧條件下可以作為生長基質(zhì)被利用。二氯甲烷的脫氯可以由依靠谷胱甘肽的脫氫酶催化，該酶的DNA已被克隆并進行了序列分析。三氯甲烷或四氯甲烷是由嚴格厭氧菌降解，有兩種方式：一種是取代脫鹵，轉(zhuǎn)化為CO2，是一種由金屬卟啉催化的非酶過程；一種是還原性脫鹵，三氯甲烷依次轉(zhuǎn)化為二氯甲烷、氯甲烷，最后是甲烷。同一種菌可以有兩種代謝方式。

許多假單胞菌和Hyphomicrobium能將氯代烷烴作為初始底物代謝。研究表明，氯代烷烴的完全代謝有3種不同途徑，見圖7—8。7有害有機物微生物降解中的生物化學

34環(huán)境生物化學

7有害有機物微生物降解中的生物化學

35環(huán)境生物化學

（2）氯代烯烴的降解甲烷營養(yǎng)菌可以氧化三氯乙烯(TCE)，因為甲烷單加氧酶是一個特異性很低的氧化酶，可以催化多種有機物的氧化。用甲烷營養(yǎng)菌降解TCE的研究試驗，遇到以下問題：

1）甲烷單加氧酶對甲烷有比對TCE較高的親和性，甲烷是TCE代謝的競爭性抑制劑。2）在TCE氧化過程中，該酶活性有不可逆的損失。3）TCE氧化時需要外部補充能量。除甲烷單加氧酶可以氧化TCE以外，還有氨單加氧酶、異戊二烯氧化酶、丙烷單加氧酶、甲苯-鄰-單加氧酶和甲苯雙加氧酶等。上述酶系都需要有適當?shù)恼T導(dǎo)物存在時才合成，但它們可能是有毒有機物。7有害有機物微生物降解中的生物化學

36環(huán)境生物化學

TCE的氧化作用產(chǎn)物取決于最初氧化作用的機制。單加氧酶作用產(chǎn)生TCE環(huán)氧化物，然后自發(fā)地水解為二氯乙酸、乙醛酸、甲酸和CO(圖7-9)；而雙加氧酶作用最初產(chǎn)TCE-二氧雜環(huán)化物和1，2-二羥基-TCE，然后重排形成甲酸和乙醛酸。前者由甲烷營養(yǎng)菌氧化，最后產(chǎn)物為其他菌所利用。在這個過程中，有少量副產(chǎn)物三氯乙醛，后者是由假單胞菌作用，兩者均不能使四氯乙烯共代謝。

四氯乙烯在產(chǎn)甲烷條件下還原性脫鹵，經(jīng)過四個步驟產(chǎn)生乙烯，降解的中間物為三氯乙烯、順/反-二氯乙烯和氯乙烯(圖7-10)。7有害有機物微生物降解中的生物化學

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7有害有機物微生物降解中的生物化學

38環(huán)境生物化學

7有害有機物微生物降解中的生物化學

研究證明，不在產(chǎn)甲烷的條件下，只要有足夠的甲醇存在該過程就可以進行。研究還表明從四氯乙烯到氯乙烯，這類溶劑具有生物修復(fù)上的潛力，但在現(xiàn)場這個過程很少能完成，會有一些中間物(如氯乙烯)的積累。氯乙烯在好氧條件下可以作為生長基質(zhì)供微生物利用，但容易揮發(fā)，在生物反應(yīng)器中處理較困難。39環(huán)境生物化學

4.鹵代芳烴的降解鹵代芳烴的降解性取決于鹵原子的性質(zhì)、數(shù)目和位置。鹵代物為溴和碘時比氯容易降解，為氟時比氯難降解。好氧降解性隨鹵原子的數(shù)目增加而下降，但厭氧脫鹵則相反。（1）鹵代苯的細菌氧化

鹵代苯對細菌的氧化作用不足很敏感的。然而某些鹵代苯可以被細菌氣化，可用圖7-11說明。7有害有機物微生物降解中的生物化學

40環(huán)境生物化學

（2）氯代苯甲酸的降解

雖然氯化苯甲酸不會引起環(huán)境問題，但是它們常常被作為研究對象。這是由于它們?nèi)苡谒?、沒有毒性，而且是研究鹵代芳香族化合物脫鹵機制的理想模型。1）2-氯苯甲酸的降解在雙加氧酶催化下，2-氯苯甲酸降解的第一步反應(yīng)是去除氯生成兒茶酚，如圖7-12。

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2）3-氯苯甲酸的降解

與2-氯苯甲酸的降解完全不同，在雙加氧酶的作用下第一步不是脫氯而是形成3-氯代兒茶酚或4-氯代兒茶酚。氯代兒茶酚正位裂解，而后環(huán)化形成內(nèi)酯脫氯(圖7-13)。

7有害有機物微生物降解中的生物化學

42環(huán)境生物化學

3）4-氯苯甲酸的降解

在降解反應(yīng)的第一步就脫去氯，被水中的羥基取代。該脫鹵反應(yīng)是經(jīng)水解反應(yīng)除去苯環(huán)中的氯的僅有的例子。酶是雙成分酶系統(tǒng)，反應(yīng)在ATP的作用下形成4-氮苯甲酰CoA酯作為中間物(如圖7-14)。7有害有機物微生物降解中的生物化學

43環(huán)境生物化學

（3）多氯聯(lián)苯的微生物降解

多氯聯(lián)苯(PCBs)是聯(lián)苯氯化的產(chǎn)物，商品多為不同氯取代的混合物。多氯聯(lián)苯的微生物降解首先是從聯(lián)苯的芳環(huán)上開始的，多氯聯(lián)苯微生物降解的程度與其結(jié)構(gòu)和微生物有關(guān)，多氯聯(lián)苯的微生物降解途徑可用圖7-15表示。7有害有機物微生物降解中的生物化學

44環(huán)境生物化學

7.2.2農(nóng)藥微生物降解的生物化學農(nóng)藥(Pesticide)的微生物降解，就是通過各種微生物的作用將大分子有機物分解成小分子化合物的過程?；瘜W合成的農(nóng)藥一般都比較穩(wěn)定，能在土壤中停留較長時間，甚至高達十年以上，在環(huán)境中的大量積累，造成了嚴重的環(huán)境污染。

1.苯氧乙酸的微生物降解苯氧乙酸是一大類除草劑，2、4-D是其中常用的一種。經(jīng)研究，降解苯氧乙酸的細菌有假單胞菌屬(Pseudomonus)、棒狀桿菌屬（Corynebacterium)、諾卡氏菌屬(Nocardia)、枝動菌屬(Mycoplana)、真菌類有黑曲霉(A.niger)。其降解途徑如圖7-16。

7有害有機物微生物降解中的生物化學

45環(huán)境生物化學

7有害有機物微生物降解中的生物化學

46環(huán)境生物化學

2.DDT的生物降解

DDT又叫滴滴涕，化學名為雙對氯苯基三氯乙烷（Dichlorodiphenyltrichloroethane）在土壤中的平均半排出期為三年，其中5%-10％在使用后十年仍留在土壤內(nèi)，近年的研究取得了一些新進展。A．W．A.Brown把DDT在土壤中和微生物培養(yǎng)物中的降解途徑作了以下歸納(圖7-17）。

7有害有機物微生物降解中的生物化學

47環(huán)境生物化學

參與降解的細菌類有10屬，23種，如假單胞菌屬(Pseudomonas)6個種、黃單胞菌屬(Xanthomonas)4個種，歐文氏菌屬(Erwinia)4個種、芽胞桿菌(Bacillus)3個種等。真菌類有：啤酒酵母(Sa.cerevisiae)能在50小時內(nèi)使DDT脫氯超過一半；綠色木霉(Tri.viride)18個菌株能對DDT有不同的降解作用。7有害有機物微生物降解中的生物化學

48環(huán)境生物化學

7.2.3洗劑劑微生物降解的生物化學洗滌劑(Dtergent)是人工合成的高分子聚合物，由于難于被微生物降解，導(dǎo)致洗滌劑在自然界中蓄積數(shù)量急劇上升，不僅污染了環(huán)境，而且也能破壞自然界的生態(tài)平衡。因此，洗滌劑是目前最引人注目的環(huán)境污染的公害之一。

合成洗滌劑的主要成分是表面活性劑。

根據(jù)表面活性劑在水中的電離性狀分為：陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性電解質(zhì)型四大類。其中以陰離子型合成洗滌劑應(yīng)用得最為普遍。

陰離子型的表面活性劑包括有合成脂肪酸衍生物、烷基磺酸鹽、烷基硫酸酯、烷基苯磺酸鹽、烷基磷酸酯、烷基苯磷酸鹽等；

7有害有機物微生物降解中的生物化學

49環(huán)境生物化學

陽離子型主要是帶有氨基或季銨鹽的脂肪鏈縮合物，也有烷基苯與堿性氯原子的結(jié)合物；

非離子型是一類多羥化合物與烴鏈的結(jié)合產(chǎn)物，或是脂肪烴和聚氧乙烯酚的縮合物；

兩性電解質(zhì)型則為帶氮原子的脂肪鏈與羥酰、硫或磺酸的縮合物。

合成洗滌劑基本成分除了表面活性劑外還含多種輔助劑，一般為三聚磷酸鹽、硫酸鈉、碳酸鈉、羥基甲基纖維素鈉、熒光增白劑、香料等，有時還有蛋白質(zhì)分解酶。家庭用的洗滌劑通稱洗衣粉，有粉劑、液劑、膏劑等形式。我國現(xiàn)在主要產(chǎn)品屬陰離子型烷基苯磺酸鈉型洗滌劑，一般稱中性洗滌劑，對環(huán)境的污染最為嚴重。7有害有機物微生物降解中的生物化學

50環(huán)境生物化學

洗滌劑的種類很多，一般都很難被微生物降解，最難被微生物降解的是帶有碳氫側(cè)鏈的分子結(jié)構(gòu)-ABS型，這種洗滌劑不能被微生物降解的原因是碳氫側(cè)鏈中有一個4級碳原子（即直接和4個碳原子相連的碳原子），結(jié)構(gòu)如下：4級碳原子的鏈十分穩(wěn)定，對化學反應(yīng)和生物反應(yīng)都有很強的抵抗性，因此ABS很難被生物降解。

為使合成洗滌劑易為生物所降解，人們改變了合成洗滌劑的結(jié)構(gòu)，制成易被微生物分解的(軟型)洗滌劑，其代表為直鏈烷基苯磺酸鹽(LAS)。7有害有機物微生物降解中的生物化學

51環(huán)境生物化學

由于去掉了4級碳原子，并利用了側(cè)鏈的碳氫化合物，其直鏈部分易于分解的特點，使LAS較易為生物降解，而且在一定的范圍內(nèi)，碳原子數(shù)愈多，其分解速度也愈快。LAS的降解過程中，首先烷基末端的甲基被氧化成羧酸，再經(jīng)β-氧化，每次減少兩個碳，最終生成苯丙酸，苯乙酸或安息香酸的磺酸鹽，然后進行脫磺化作用。途徑如下，苯環(huán)經(jīng)過一羥基或二羥基化后開裂而被降解。7有害有機物微生物降解中的生物化學

52環(huán)境生物化學

7.2.4石油污染物微生物降解的生物化學1.石油污染物概述

石油是重要的能源物質(zhì)，在石油開采、運輸、加工、使用等過程中均可能產(chǎn)生對環(huán)境的污染。據(jù)統(tǒng)計，由于戰(zhàn)爭、海難及其他事故，每年都有數(shù)干甚至上萬噸石油泄漏到海中。此外，也不乏石油泄漏問題引起水體、土壤等污染的例子。這類問題在世界范圍引起了科學界廣泛關(guān)注。

石油是一類物質(zhì)的總稱，主要是碳鏈長度不等的烴類物質(zhì)，最少時僅含一個碳原子。例如石油天然氣中的甲烷，最多時，碳鏈長度可超過24個碳原子，這類物質(zhì)常常是固態(tài)的，例如瀝青。從氣體、液體到固體，各種物質(zhì)組分的物理化學性質(zhì)相差很遠。同時，不同物質(zhì)的生物可降解性也相差很大，有的物質(zhì)具有很好的可生物降解性，但有的則很難降解，進人環(huán)境中可殘留很長時間，造成一種長期的污染。7有害有機物微生物降解中的生物化學

53環(huán)境生物化學

石油中的主要成分是烷烴類物質(zhì)，但石油污染物則十分復(fù)雜。石油的主要成分并不是石油污染的主要物質(zhì)，當然，溢油污染時主要是以烷烴類為主要成分，但是造成長期污染的是那些成分復(fù)雜的物質(zhì)。許多因石油污染而檢測出的環(huán)境污染物質(zhì)大多是經(jīng)過環(huán)境的轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物。例如鹵化產(chǎn)物，鹵化過程使得污染物的穩(wěn)定性、生物毒性等都發(fā)生變化。

石油中的元素以碳和氫為主，其中碳占83％-87％，氫占11％-14％，含有少量硫(0.06％-8.0％)、氮(0.02％-1.70％)和磷(0.08％-1.82％)。石油中還含有極少量的金屬元素，如釩、鐵、銅等。石油組分中，不同組分的分子量相差很大，從幾十到幾千?？偟膩碚f石油是不溶于水的，但能與水形成穩(wěn)定的乳狀液，特別是在低濃度范圍，許多物質(zhì)都能溶人水中。7有害有機物微生物降解中的生物化學

54環(huán)境生物化學

進入環(huán)境中的石油，由于生物學的和某些非生物學的機制(主要是光-化學氧化)而逐步降解。大量研究表明，在自然界凈化石油污染的綜合因素中，微生物降解起著重要作用。我國沈(陽)撫(順)灌區(qū)20余萬畝水稻田，主要以煉油廠含油廢水灌溉，歷時40余年，未發(fā)現(xiàn)石油顯著積累和經(jīng)常性的損害，主要是由于在石油污灌區(qū)形成的微生物生態(tài)系的降解作用。

7有害有機物微生物降解中的生物化學

55環(huán)境生物化學

2.脂肪烴的微生物降解機理（1）能降解脂肪烴的微生物

許多微生物能氧化脂肪烴，見表7-47有害有機物微生物降解中的生物化學

56環(huán)境生物化學

（2）鏈烷烴的微生物降解1）微生物攻擊鏈烷烴的末端甲基，由混合功能氧化酶催化，生成伯醇，再進一步氧化為醛和脂肪酸，脂肪酸接著通過β-氧化進一步代謝。反應(yīng)式為：7有害有機物微生物降解中的生物化學

57環(huán)境生物化學

2）有些微生物攻擊鏈烷烴的次末端，在鏈內(nèi)的碳原子上插入氧。這樣，首先生成仲醇，再進一步氧化，生成酮，酮再代謝為酯，酯鍵裂解生成伯醇和脂肪酸。醇接著繼續(xù)氧化成醛、羧酸，羧酸則通過β-氧化進一步代謝。反應(yīng)式如下：

7有害有機物微生物降解中的生物化學

58環(huán)境生物化學

（3）脂環(huán)烴的微生物降解

能夠利用脂環(huán)烴的微生物極少，而且活性弱，氧化能力差。其主要特征是脂環(huán)烴一般不能作為微生物所利用的碳源。在環(huán)境污染物中，用于脂環(huán)烴的有機物也比較少。一般降解過程是，脂環(huán)通過輔氧化作用，生成環(huán)醇、環(huán)酮，再氧化成ε-羥基-已酸，如果是脂環(huán)酸則氧化為庚二酸使環(huán)開裂，然后再通過β-氧化進一步降解。

如環(huán)已烷由混合功能氧化酶的羥化作用生成環(huán)已醇，后者脫氫生成酮，再進一步氧化，一個氧插入環(huán)而生內(nèi)酯，內(nèi)酯開環(huán)，一端的羥基被氧化成醛基，再氧化成羧基。反應(yīng)式為：7有害有機物微生物降解中的生物化學

59環(huán)境生物化學

7有害有機物微生物降解中的生物化學

脂環(huán)化合物通常不能用作微生物生長的唯一碳源，除非它們有足夠長的脂族側(cè)鏈。雖然已發(fā)現(xiàn)能夠在環(huán)已烷上生長的微生物，但更常見的是能轉(zhuǎn)化環(huán)已烷為環(huán)已酮的微生物不能內(nèi)酯化和開環(huán)，而能將環(huán)已酮內(nèi)酯化和開環(huán)的微生物卻不能轉(zhuǎn)化環(huán)已烷為環(huán)已酮?？梢娢⑸镏g的互生關(guān)系和共代謝在環(huán)烷烴的生物降解中起著重要作用。60環(huán)境生物化學

（4）烯烴的微生物降解途徑

烯烴生物氧化途徑研究得較多并已確認是末端烯烴。末端烯烴的氧化產(chǎn)物隨初始進攻的位置(甲基或雙鍵)而變化?？缮桑害?不飽和醇或脂肪酸；伯或仲醇或甲基酮；1，2-環(huán)氧化物；1，2—二醇(圖7-18)。7有害有機物微生物降解中的生物化學

61環(huán)境生物化學

3.芳香烴的微生物降解機理

芳香烴的種類極多，用途非常廣泛，是一類很重要的有機化合物。微生物對芳香烴的作用也極復(fù)雜，一般也比較難降解。（1）單環(huán)芳烴的微生物降解機理

苯是芳香烴中基礎(chǔ)物質(zhì)和基本骨架，也難被微生物降解，但研究較早。芳香烴被微生物降解的共同特點是首先生成鄰苯二酚。然后有二條途徑繼續(xù)降解，其一是經(jīng)β-己二烯二酸、盡酮己二酸生成琥珀酸和乙酰輔酶A；其二是經(jīng)過α-羥基粘康酸半醛，最后生成乙酸和丙酮酸。微生物接受苯系化合物典型的方式就是利用氧分子作輔基，在雙氧酶作用下，使苯環(huán)斷裂。這些代謝物可以進入三羧酸循環(huán)再進一步代謝降解，如圖7-19所示。7有害有機物微生物降解中的生物化學

62環(huán)境生物化學

7有害有機物微生物降解中的生物化學

63環(huán)境生