《土壤微生物生态工程》—微生物在污染土壤修复的作用原理（71）

（一）降解有机污染物的微生物

1.土著微生物

由于微生物的种类多、代谢类型多样，“食谱”广，凡自然界存在的有机物都能被微生物利用、分解。例如，假单孢菌属的某些种，甚至能分解90种以上的有机物，可利用其中的任何一种作为唯一的碳源和能源进行代谢，并将其分解。对目前大量出现，且数量日益上升的众多人工合成有机物，虽说它对微生物是“陌生”的，但由于微生物有巨大的变异能力，这些难降解甚至是有毒的有机化合物，如杀虫剂、除草剂、增塑剂、塑料、洗涤剂等，都已陆续地找到能分解它们的微生物种类。

2．基因工程菌

自然界中的土著菌，对环境中的污染物具有一定的净化功能，有的甚至达到效率极高的水平，但是对于日益增多的大量人工合成化合物，就显得有些不足。随着分子生物学和分子遗传学的发展，已有人尝试通过基因工程的手段去选育能降解某些合成化合物的高效菌种，以加速这些物质的转化。采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些能在受污染土壤中生存的菌体内，定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌在有机污染土壤的生态修复中具有重要的实际意义。

20世纪70年代以来，发现了许多具有特殊降解能力的细菌，这些细菌的降解能力由质粒控制。到目前为止，已发现自然界所含的降解性质粒多达30余种，主要有以下类型：假单孢菌属中的石油降解质粒，能编码降解石油组分及其衍生物，如樟脑、辛烷、萘、水杨酸盐、甲苯和二甲苯等的酶类；农药降解质粒，如2，4-D、六六六等；工业污染物降解质粒，如对氯联苯、尼龙寡聚物降解质粒等；抗重金属离子的降解质粒。利用这些降解质粒已研究出多种降解难降解化合物的工程菌，Chapracarty等为了消除海上溢油污染，将假单孢菌中不同菌株的CAM，OCT，SAL，NAH四种降解性质粒接合转移至一个菌株中，构建成一株能同时降解芳香烃、多环芳烃、萜烃和脂肪烃的“超级细菌”。该菌能将天然菌要花一年以七才能消除的浮油缩短为几个小时，从而取得了美国的专利权，是污染治理工程菌的构建上的里程碑。总体来讲，使用基因工程技术改造现有微生物可以解决以下问题：①构建新的微生物，使现在只能共代谢转化特定污染物的微生物变为能够以这种污染物为唯一碳源或能源生长的微生物；②创造新的分解代谢途径，进行现在不能进行的高效和高速的转化，例如改变某些微生物的底物范围；③增加微生物中特效酶的数量和活性，酶活性和数量的增加可以加速污染点的生物降解，可以制备成固定化细胞和固定化酶；④构建的微生物不仅能够分解靶标污染物，而且可以抗污染点的抑制剂，许多工业污染点不仅含高浓度舍成污染物，而且含有重金属或其他抑制微生物生长发育的物质；⑤创造作用于更多污染物的菌株；⑥开发低吸着的菌株，使菌株可以迁移较远的距离。

要将这些基因工程菌应用于实际的污染治理系统中，最重要的是要解决工程菌的安全性问题，用基因工程菌来治理污染势必要使这些工程菌进入到自然环境中，如果对这些基因工程菌的安全性没有绝对的把握，就不能将它应用到实际中去，否则将会对环境造成可怕的不利影响。目前在研制工程菌时，都采用给细胞增加某些遗传缺陷的方法或是使其携带一段“自杀基因”，使该工程菌在非指定底物或非指定环境中不易生存或发生降解作用。美、日、英、德等经济发达国家在这方面作了大量的研究，希望能为基因工程菌安全有效地净化环境提供有力的科学依据。科学家们对某些基因工程菌的考察初步总结出以下几个观点：基因工程菌对自然界的微生物和高等生物不构成有害的威胁，基因工程菌有一定的寿命；基因工程菌进入净化系统之后，需要一段适应期，但比土著种的驯化期要短得多；基因工程菌降解污染物功能下降时，可以重新有关接种；目标污染物可能大量杀死土著菌，而基因工程菌却容易适应生存，发挥功能。当然，基因工程菌安全有效性的研究还有待深入。但是它不会影响应用基因工程菌治理环境污染目标的实现，相反会促使该项技术的发展。

（二）有机污染物进入微生物细胞的过程

土壤中大部分有机污染物可以被微生物降解、转化，并降低其毒性或使其完全无害化。微生物降解有机污染物主要依靠两种作用方式：①通过微生物分泌的胞外酶降解；②污染物被徼生物吸收至其细胞内后，由胞内酶降解。微生物从胞外环境中吸收摄取物质的方式主要有主动运输、被动扩散、促进扩散、基团转位及胞饮作用等。

（三）微生物降解有机污染物的一般途径

1．矿化作用

矿化作用(mineralization)指有机污染物在一种或多种微生物的作用下彻底分解为H20，C02和简单无机化合物如含氮化合物、含磷化合物、含硫化合物和含氯化合物等的过程。矿化作用是彻底的生物降解，即终极降解，可以从根本上清除有机污染物的环境污染。一些环境异生物质( xenobiotics)如氯苯、硝基苯、多氯联苯等可以被专门的降解菌所矿化。微生物在通过矿化作用降解污染物的同时可以从污染物中获取所需的能源、碳源、氮源、磷源和硫源等。矿化作用过程包括氧化、还原、水解、脱水、脱氨基、脱羧基、脱卤和裂解等生化反应，都是在各种微生物代谢过程中表现出来的，其实质都是酶促反应。

2．共代谢作用

一些难降解的有机化合物不能直接作为碳源或能源物质被微生物利用，当环境中存在其他可利用的碳源或能源时，难降解有机化合物才能被利用，这样的代谢过程称为共代谢( cometabolism)作用。微生物的共代谢作用可能存在以下几种情况：靠降解其他有机物提供能源或碳源；通过与其他微生物协同作用，发生共代谢，降解污染物；由其他物质的诱导产生相应的酶系，发生共代谢作用。共代谢作用的存在，大大增加了一些难降解物质在环境中被生物降解的可能性。有些不易被降解的农药，它们并不能支持微生物的生长，但它们有可能通过几种微生物的共代谢作用而得到部分的或全部的降解。例如，通过产气气杆菌（Aerobacter aerogenes）和氢单孢菌（Hydrogenomonas sp.）的共代谢作用，可将DDT转变成对氯苯乙酸，后者可由其他微生物进一步分解。可见微生物的共代谢作用在自然界难降解物质的分解中具有极其重要的意义。

（四）微生物降解有机污染物的主要反应类型

微生物降解和转化土壤中有机污染物，通常依靠以下基本反应模式来实现。

(1)氧化作用

①醇的氧化  如醋化醋杆菌(Acetobacter aceti)将乙醇氧化为乙酸，氧化节杆菌(Arthrobacter oxydans)可将丙二醇氧化为乳酸；

②醛的氧化  如铜绿假单孢菌（Pseudomonas aeruginosa）将乙醛氧化为乙酸；

③甲基的氧化  如铜绿假单孢菌将甲苯氧化为安息香酸，表面活性剂的甲基氡化主要是亲油基末端的甲基氧化为羧基的过程；

④氧化去烷基化  如有机磷杀虫剂可进行此反应；

⑤硫醚氧化 如三硫磷、扑草净等的氧化降解；

⑥过氧化  艾氏剂和七氯可被微生物过氧化降解；

⑦苯环羟基化  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羟基化；

⑧芳环裂解  苯酚系列的化合物可在微生物作用下使环裂解；

⑨杂环裂解  五元环（杂环农药）和六元环（吡啶类）化合物的裂解；

⑩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)还原作用

①乙烯基的还原  如大肠杆菌（Escherichia coli）可将延胡索酸还原为琥珀酸；

②醇的还原  如丙酸梭菌（Clostridium propionicum）可将乳酸还原为丙酸；

③芳环羟基化  甲苯酸盐在厌氧条件下可以羟基化；

④也有醌类还原、双键、三键还原作用等等。

(3)基团转移作用

①脱羧作用  如戊糖丙酸杆菌（Propionibacterium pentosaceum）可使琥珀酸等羧酸脱羧为丙酸；

②脱卤作用    是氯代芳烃、农药、五氯酚等的生物降解途径；

③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；

④还存在氢卤以及脱水反应等。

(4)水解作用  主要包括有酯类、胺类、磷酸酯以及卤代烃等的水解类型。

(5)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。