隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一些合成有機(jī)物不斷產(chǎn)生，有的是可以生物降解的，有的則較難，給人類生存環(huán)境提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。為此，不少學(xué)者展開了大量的研究。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)一些難降解的有機(jī)污染物（如苯環(huán)鹵代化合物）人們尚不能分離到它們作為唯一碳源和能源的高效生物降解微生物。一些研究表明，如三氯乙烯之類污染物只能通過共代謝來(lái)生物降解。McCarty發(fā)現(xiàn)了兩組細(xì)菌，一組可以在產(chǎn)甲烷的厭氧條件下生長(zhǎng)并降解三氯乙烯和四氯乙烯，另一組細(xì)菌能利用酚和二甲苯等共代謝生長(zhǎng)基質(zhì)（簡(jiǎn)稱共代物），在有空氣存在的條件下降解三氯乙烯。對(duì)于這類有機(jī)物，利用微生物的共代謝作用進(jìn)行降解是一條有效的途徑，因而這方面的研究越來(lái)越受到重視。
微生物共代謝概念
1959年，Leadbetter等最早描述了共代謝現(xiàn)象，并命名共氧化(Co-oxidation)，描述了微生物能氧化底物但不能利用氧化過程中的能量來(lái)維持生長(zhǎng)的過程。1963年，Jensen在共氧化的基礎(chǔ)上對(duì)這個(gè)概念進(jìn)行了擴(kuò)展，并提出共代謝(Cometabolism)概念。定義為一些難降解的有機(jī)物通過微生物改變化學(xué)結(jié)構(gòu)，但不提供碳源和能源，微生物要從生長(zhǎng)基質(zhì)中獲取全部或大部分的碳源和能源，這樣的代謝過程稱為共代謝。這種共代謝方式使微生物在難降解有機(jī)污染物不能滿足微生物生長(zhǎng)需求時(shí)依舊可以生存。同時(shí)，生長(zhǎng)基質(zhì)能更好地維持微生物生長(zhǎng)活性，利于污染物的長(zhǎng)效降解。微生物的共代謝作用可能存在三種情況：①由生長(zhǎng)基質(zhì)提供能源或碳源；②由生長(zhǎng)基質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)的代謝酶系；③微生物間的協(xié)同作用進(jìn)行共代謝。前兩種情況稱為基質(zhì)共代謝，第三種情況稱為微生物共代謝。在生長(zhǎng)基質(zhì)存在的條件下，微生物酶活性增強(qiáng)，從而提高難降解有機(jī)污染物的降解效率。由于共代謝作用的廣泛應(yīng)用，其概念進(jìn)行了擴(kuò)展，更多地賦予了生物學(xué)概念。共代謝作用被定義為是多種底物(基質(zhì))存在時(shí)的協(xié)同代謝作用或多種微生物存在時(shí)的協(xié)同代謝作用。
微生物共代謝作用機(jī)理
微生物共代謝是一個(gè)復(fù)雜的過程，是菌群及底物間互作的高級(jí)代謝現(xiàn)象，是多種因素間相互作用的結(jié)果。在共代謝過程中，為微生物的細(xì)胞生長(zhǎng)和活動(dòng)提供碳源和能源的物質(zhì)稱為生長(zhǎng)基質(zhì)；被共代謝的物質(zhì)稱為非生長(zhǎng)基質(zhì)，即目標(biāo)污染物，它不能用于微生物細(xì)胞的增長(zhǎng)，也不能為微生物細(xì)胞活動(dòng)提供能量。微生物共代謝降解環(huán)境中的難降解有機(jī)污染物，實(shí)際上是關(guān)鍵酶產(chǎn)生的效應(yīng)，這些酶具有較為廣譜的非專一性，可同時(shí)催化生長(zhǎng)基質(zhì)和部分非生長(zhǎng)基質(zhì)(有機(jī)污染物)的代謝。
微生物共代謝作用過程：微生物利用生長(zhǎng)基質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖；此時(shí)非專一性關(guān)鍵酶被誘導(dǎo)，微生物就可以降解非生長(zhǎng)基質(zhì)，但并不將其作為碳源和能源；關(guān)鍵酶具有低特異性,這是共代謝作用發(fā)生的關(guān)鍵，也使得生長(zhǎng)基質(zhì)和非生長(zhǎng)基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)鍵酶；非生長(zhǎng)基質(zhì)的代謝產(chǎn)物不能被微生物利用，它的積累使毒性作用危害微生物，抑制關(guān)鍵酶的活力；當(dāng)生長(zhǎng)基質(zhì)消耗完全，微生物利用內(nèi)源代謝維持生命，非生長(zhǎng)基質(zhì)的降解速率因此下降。
關(guān)鍵酶是共代謝作用發(fā)生的關(guān)鍵，關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)和活性直接影響了難降解有機(jī)污染物的去除效果。對(duì)于關(guān)鍵酶誘導(dǎo)產(chǎn)生的方式，學(xué)者們持有兩種觀點(diǎn)，一種是由生長(zhǎng)基質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生，另一種是由非生長(zhǎng)基質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生，而生長(zhǎng)基質(zhì)則負(fù)責(zé)提供能量。由于共代謝過程具有復(fù)雜性和未知性，關(guān)于關(guān)鍵酶的產(chǎn)生機(jī)制尚無(wú)定論。但不同種微生物共代謝過程中的關(guān)鍵酶大致相同，好氧微生物的關(guān)鍵酶主要是雙加氧酶和單加氧酶，厭氧微生物的關(guān)鍵酶主要是還原酶。Habe等在研究中分離出了PAHs共代謝的關(guān)鍵酶，主要包括脫氫酶、雙加氧酶、異構(gòu)酶、鐵氧還蛋白亞硝酸還原酶等。
應(yīng)用實(shí)例
上海某特種化工有限公司的污水處理工程。是一項(xiàng)采用共代謝機(jī)理完成難生物降解化工污水處理的工程實(shí)例。
1.1工程概況
1.1.1產(chǎn)品
專業(yè)生產(chǎn)氯化膽堿水劑和聚酯樹脂固體粉末涂料。
1.1.2廢水中的主要有機(jī)污染物
氯化膽堿工藝廢水中的有機(jī)物組分為：乙二醇（1700mg/L），2－氯乙醇（1070mg/L），環(huán)氧乙烷（3000～5000mg/L）。原廢水CODCr6000mg/L。聚酯工藝廢水中的主要有機(jī)物組合分為：新戊二醇（2500mg/L），甲醛（560～1000mg/L），乙二醇（<500mg/L），甲醇（309mg/L），異丁醛（1180mg/L），丁醇（120mg/L）。原廢水CODCr30000mg/L。氯化膽堿和聚酯工藝廢水混合后CODCr9042mg/L。
1.1.3排放標(biāo)準(zhǔn)
執(zhí)行《上海市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》DB31／199－97的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。主要指標(biāo)：CODCr≤100 mg/L；BOD5≤30 mg/L；氨氮≤15mg/L；色度≤50倍；pH6～9。
1.2有機(jī)污染物的可生化性評(píng)估
從上述廢水中的主要有機(jī)物組分可以看出，除2－氯乙醇和環(huán)氧乙烷兩種化合物外，其他有機(jī)物均屬可生化性物質(zhì)，但由于這兩種化合物屬難以生物降解的物質(zhì)，且占有機(jī)物污染物總量的40％～45％，而且在它們的濃度達(dá)到一定程度時(shí)還有毒性反應(yīng)，因此對(duì)治理效果的整體影響較大。為此，在工程實(shí)施前，先通過小試論證了污水處理工藝路線的可行性。
1.3小試
主要結(jié)論
1.3.1三次小試
第一次為一段H／O（水解－好氧）工藝與SBR工藝對(duì)照試驗(yàn)；第二次為三段H／O工藝試驗(yàn)；第三次為SBR工藝試驗(yàn)。
1.3.2三次小試的基本結(jié)論
（1）生產(chǎn)廢水中存在某些對(duì)微生物產(chǎn)生抑制作用的有機(jī)污染物，故進(jìn)水必須稀釋到一定程度后才能進(jìn)入處理裝置，而且不能采用已處理過的廢水回用稀釋，以免有毒物質(zhì)的積累。
（2）一段H／O工藝小試結(jié)果證明，進(jìn)水濃度控制在CODCr≤2273 mg/L，在投加生活污水和葡萄糖共代謝物質(zhì)條件下，處理后出水達(dá)標(biāo)（CODCr≤100 mg/L）。
（3）進(jìn)水濃度CODCr提升至≤3000 mg/L，必須采用三段H／O工藝，在投加生活污水和葡萄糖共代謝物質(zhì)條件下，處理后出水也可達(dá)標(biāo)（CODCr≤100 mg/L）。
（4）進(jìn)水濃度CODCr≥3000 mg/L后出現(xiàn)明顯的抑制現(xiàn)象，出水不能達(dá)標(biāo)。
（5）采用SBR工藝，當(dāng)進(jìn)水濃度CODCr稀釋到1700 mg/L左右，出水CODCr≥200 mg/L，不能達(dá)標(biāo)。這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果與比利時(shí)同步對(duì)照試驗(yàn)的報(bào)告結(jié)論相吻合。該報(bào)告提供的試驗(yàn)結(jié)果為：進(jìn)水CODCr2000 mg/L，出水CODCr>250 mg/L；進(jìn)水CODCr1139mg/L，出水CODCr200 mg/L。雙方試驗(yàn)證實(shí)，對(duì)這種含有有毒物質(zhì)的廢水不能采用SBR工藝。目前比利時(shí)國(guó)仍采用SBR工藝的原因是執(zhí)行的城市納管標(biāo)準(zhǔn)，控制CODCr在≤300 mg/L，這與上海執(zhí)行的CODCr≤100 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)不同，因而比利時(shí)方面放棄堅(jiān)持采用SBR工藝的初衷。
（6）經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，為節(jié)省基本建設(shè)投資，最后根據(jù)建設(shè)方意見采用了一段H／O工藝。
1.4污水處理工藝流程圖
進(jìn)水→調(diào)節(jié)池（加堿調(diào)PH）→配水池（加生活污水，稀釋水）→H／O生化塔→接觸氧化池（加葡萄糖）→沉淀池→過濾器→至清水池
1.5生物共代謝的效果
對(duì)本化工有限公司的污水治理，首要解決的問題是控制有毒物質(zhì)的濃度，消除其對(duì)微生物的抑制影響。由于有毒物質(zhì)環(huán)氧乙烷的濃度，低值3000mg/L，高值達(dá)到5000 mg/L，濃度波動(dòng)范圍很大，因此在工程實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為留有余地，將配水后的CODCr值控制在≤2000 mg/L。用3.5倍的水來(lái)稀釋原水，其中1倍水為生活污水，2.5倍水為河水。工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為：配水后的進(jìn)水CODCr濃度為1440～1910 mg/L（均值1640 mg/L），如果按上述配水原則投加生活污水，H／O生化塔出水為112～299 mg/L（均值234 mg/L），若全用河水稀釋配水則H／O生化塔出水為172～399 mg/L（均值298 mg/L）；在用生活污水配水的條件下，在接觸氧化池進(jìn)水處投加工業(yè)葡萄糖（投加量100 mg/L左右），出水103～110 mg/L，然后經(jīng)沉淀和過濾，最終出水為84～93 mg/L；如果在接觸氧化池中不投加葡萄糖，其出水CODCr明顯升高，均值達(dá)179 mg/L，最終過濾器出水均值為137 mg/L，不能達(dá)標(biāo)。從上述運(yùn)行數(shù)據(jù)可見，生活污水的共代謝效率可使COD去除率提升21.5％，而葡萄糖的共代謝效率可使COD去除率提升38.5％，具有明顯的效果。
存在問題
共代謝降解有機(jī)污染物還存在一些問題：微生物對(duì)環(huán)境條件要求比較高，不利于將該方式應(yīng)用到原位修復(fù)上；此外，在微生物降解有機(jī)污染物過程中微生物數(shù)量會(huì)發(fā)生波動(dòng)，影響了微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解效率；同時(shí)，在實(shí)際的污染修復(fù)過程中，利用微生物共代謝方式進(jìn)行場(chǎng)地修復(fù)的應(yīng)用研究還稍顯不足。因此，深入研究微生物共代謝方式(如微生物菌劑的固定化)以及對(duì)代謝過程的調(diào)控，強(qiáng)化具有共代謝作用的微生物的抗逆性，加強(qiáng)微生物共代謝作用場(chǎng)地修復(fù)的研究是非常重要的。另外，在利用微生物的同時(shí)對(duì)微生物的檢測(cè)系統(tǒng)和安全評(píng)估體系的建立也是十分必要的，這對(duì)今后將微生物共代謝應(yīng)用于有機(jī)污染物污染的土壤或水體的原位修復(fù)具有重大意義。
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