早期研究發(fā)現(xiàn)甲烷假單胞菌能夠在生長(zhǎng)基質(zhì)存在時(shí)對(duì)非生長(zhǎng)基質(zhì)進(jìn)行氧化，這一現(xiàn)象最早由LEADBETTER和FOSTER于1959年研究時(shí)提出。他們通過研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)甲烷菌能夠?qū)⒁彝檠趸梢掖己鸵胰?，但在氧化的過程中不能利用乙烷作為生長(zhǎng)基質(zhì)，將這一現(xiàn)象稱作共氧化。隨后，JENSEN對(duì)其內(nèi)涵進(jìn)行了擴(kuò)展，稱之為共代謝。共代謝是指微生物利用一種容易降解的物質(zhì)作為支持生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，而同時(shí)降解另一種物質(zhì)，通常后一種物質(zhì)的降解不支持微生物的生長(zhǎng)。微生物共代謝作用廣泛地應(yīng)用于印染廢水處理過程中，而影響其作用的因素主要包括生長(zhǎng)基質(zhì)的類型、生長(zhǎng)基質(zhì)的投加劑量、污染物代謝中間產(chǎn)物的投加、污染物結(jié)構(gòu)類似物的投加、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的投加以及環(huán)境因素等，分析這些影響因素可以在一定程度上提高共代謝脫色降解染料、助劑、漿料等典型難降解污染物的效率。
1、生長(zhǎng)基質(zhì)的類型
在難降解有機(jī)污染物的共代謝過程中，合適的生長(zhǎng)基質(zhì)對(duì)于微生物共代謝具有極為重要的意義。生長(zhǎng)基質(zhì)為微生物提供生命活動(dòng)和代謝過程的碳源和能源，關(guān)系著微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解效率。Tobajas等在研究對(duì)氯苯酚與苯酚和葡萄糖的共代謝過程中發(fā)現(xiàn)，苯酚對(duì)氯苯酚的降解具有顯著的促進(jìn)作用，而易利用的生長(zhǎng)基質(zhì)葡萄糖對(duì)氯苯酚降解的刺激作用卻并不明顯。然而，在多食鞘氨醇桿菌降解五氯酚的研究中發(fā)現(xiàn)，外源投加的苯酚抑制了降解菌的生長(zhǎng)，使五氯酚的降解效率變低，然而五氯酚與葡萄糖的共代謝降解效率則顯著提高。此外，Xie等在優(yōu)化馬拉松(一種有機(jī)磷農(nóng)藥)降解基質(zhì)的研究中，向基質(zhì)內(nèi)分別施加琥珀酸鈉、乙酸鈉、葡萄糖、果糖4種物質(zhì)，其中琥珀酸鈉和乙酸鈉都可加快馬拉松的降解，而葡萄糖和果糖的影響并不顯著。可見，不同的外源生長(zhǎng)基質(zhì)在不同共代謝體系中的作用效果不同。
生長(zhǎng)基質(zhì)的選擇至關(guān)重要，衡量標(biāo)準(zhǔn)包括其有效性、經(jīng)濟(jì)性及添加到污染環(huán)境后是否會(huì)產(chǎn)生新的污染。共代謝的生長(zhǎng)基質(zhì)大致可分為三類：①與難降解有機(jī)污染物結(jié)構(gòu)不同、易被生物利用的物質(zhì)如糖類、有機(jī)酸類等；②與難降解有機(jī)污染物結(jié)構(gòu)相似的有機(jī)物；③天然物質(zhì)如植物根際分泌物或提取物、鋸末等。共代謝生長(zhǎng)基質(zhì)的類型對(duì)共代謝效果有顯著影響，某些外源的碳源加入可能會(huì)對(duì)微生物降解目標(biāo)污染物產(chǎn)生抑制作用。例如，分別添加乳酸鈉、甲酸鈉、醋酸鈉、檸檬酸鈉、葡萄糖和蔗糖作為共基質(zhì)時(shí)，芐嘧磺隆的降解率在29.7%～79.5%之間變化，這表明盡管都是易于被生物利用的基質(zhì)，但難降解有機(jī)物的共代謝降解效果不同。
2、生長(zhǎng)基質(zhì)的投加劑量
作為碳源或能源的生長(zhǎng)基質(zhì)的投加量對(duì)微生物代謝能力產(chǎn)生影響。由于微生物胞內(nèi)代謝酶類的活性多數(shù)為污染脅迫環(huán)境下發(fā)揮活性的誘導(dǎo)酶，當(dāng)外界環(huán)境過于舒適尤其是碳源過分充足且極易被代謝利用時(shí)，有機(jī)污染物代謝酶系活性往往發(fā)生退化，從而喪失有機(jī)底物降解能力。陳芳艷等在研究對(duì)尖鐮孢菌在外加碳源條件下蒽降解的影響中發(fā)現(xiàn)，葡萄糖濃度不同對(duì)蒽降解的影響也不同。試驗(yàn)表明，當(dāng)葡萄糖投加濃度為5 mg/L時(shí)，蒽的去除率達(dá)到了95%；而當(dāng)葡萄糖投加濃度為20 mg/L時(shí)，蒽的降解率僅為84.8%；而當(dāng)葡萄糖投加的質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí)，蒽的含量變化很小。由此可見，外源投加物投加劑量的限度是調(diào)控底物共代謝性能的主要考察指標(biāo)，在極限范圍內(nèi)，投加物的用量越大，微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解率越大；超過極限劑量，外源投加物則抑制微生物的代謝活性乃至改變其生長(zhǎng)狀態(tài)。袁芳在研究2,4-二硝基甲苯的共代謝時(shí)發(fā)現(xiàn)，相同培養(yǎng)條件下葡萄糖的投加量不同，則微生物對(duì)2,4-二硝基甲苯的代謝程度不同。當(dāng)葡萄糖與2,4-二硝基甲苯的濃度比達(dá)到4∶1時(shí)，2,4-二硝基甲苯的降解效果最好，加大葡萄糖用量雖然促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)，但卻抑制了微生物對(duì)2,4-二硝基甲苯的降解作用。全向春等在研究喹啉與葡萄糖共基質(zhì)條件下喹啉的生物降解動(dòng)力學(xué)模型時(shí)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖的存在促進(jìn)了喹啉的降解，而且促進(jìn)作用隨著葡萄糖含量的增加而增大，但當(dāng)葡萄糖含量加大到110、320和690 mg/L時(shí)，這種促進(jìn)作用愈發(fā)變小。這同樣反映了葡萄糖作為易利用碳源對(duì)微生物同化生長(zhǎng)作用的支持，維持生長(zhǎng)代謝的供能，有助于作為難降解碳源的有機(jī)污染底物的代謝；同時(shí)，鑒于微生物對(duì)于易利用碳源的優(yōu)先代謝選擇性，過量的小分子碳源使加氧酶等大分子有機(jī)物代謝酶系活性退化，無(wú)法起到功能降解菌的作用。綜上所述，在微生物共代謝降解有機(jī)污染物體系中，選擇合適的外源投加碳源以及其與有機(jī)污染物濃度的比例是微生物降解有機(jī)污染物的重要因素，是修復(fù)試驗(yàn)的重要調(diào)控指標(biāo)。
3、有機(jī)污染物的結(jié)構(gòu)類似物的投加
由于生物酶的活性中心是具有立體構(gòu)象特征的空間結(jié)構(gòu)，其與底物間的結(jié)合往往受限于二者構(gòu)型間的匹配度，如多環(huán)芳烴的微生物酶代謝部分決定于底物分子的構(gòu)型。因此，底物構(gòu)型的相似程度可成為多重底物共代謝作用的主要影響因素之一。共代謝結(jié)構(gòu)類似物一方面作為有效碳源供能而促進(jìn)微生物生物量的增加，另一方面提高非生長(zhǎng)基質(zhì)代謝酶的活性，達(dá)到雙重促進(jìn)作用。瞿福平等在研究氯苯類有機(jī)物生物降解特性及其共代謝作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在氯苯、鄰二氯苯、間二氯苯、對(duì)二氯苯、1,2,4-三氯苯等5種底物分別馴化的污泥中，經(jīng)氯苯、間二氯苯和鄰二氯苯單獨(dú)馴化的污泥各自都可以降解這3種底物，但不能降解1,2,4-三氯苯和對(duì)二氯苯。這是緣于催化代謝間二氯苯、鄰二氯苯和氯苯的酶要求苯環(huán)上至少具有一個(gè)“連續(xù)三空結(jié)構(gòu)”的底物來(lái)誘導(dǎo)才能激發(fā)其活性。鞏宗強(qiáng)等在芘污染土壤中對(duì)芘的共代謝降解研究表明，向模擬反應(yīng)體系中添加芘的結(jié)構(gòu)類似物菲顯著促進(jìn)了芘的降解效率，二者的共代謝作用非常明顯。然而，由于共代謝底物間的結(jié)構(gòu)相仿，其對(duì)應(yīng)的代謝酶系亦相近，因此可能存在相互間對(duì)相同降解酶系的競(jìng)爭(zhēng)作用，其中酶系各成員的活性中心位點(diǎn)是二者主要的競(jìng)爭(zhēng)資源，這種競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合抑制有機(jī)污染底物的快速降解。
4、有機(jī)污染物代謝中間產(chǎn)物的投加
有機(jī)污染物的代謝過程中，多種中間代謝產(chǎn)物會(huì)隨著代謝進(jìn)程的深入而豐富起來(lái)并逐漸氧化完全，而這些中間代謝產(chǎn)物的種類和數(shù)量也會(huì)反饋影響原始底物共代謝作用的進(jìn)程。由于有機(jī)物的完全降解過程是由多種生物酶類參與的代謝酶系催化完成的，隨著中間產(chǎn)物的出現(xiàn)和積累，有機(jī)底物代謝途徑中的下游降解酶被誘導(dǎo)激活，促進(jìn)降解過程完成。對(duì)此，人工添加原始底物代謝的中間產(chǎn)物，有利于代謝下游酶活性的早期誘導(dǎo)，減小中間產(chǎn)物積累所帶來(lái)的毒害作用，進(jìn)而促進(jìn)原始有機(jī)污染物的代謝。在已有的研究報(bào)道中，Chen等在水楊酸刺激高分子多環(huán)芳烴降解的研究中發(fā)現(xiàn)，水楊酸可以參與菲的共代謝降解作用并刺激菲的加速代謝。這源于水楊酸作為菲代謝的中間產(chǎn)物有效刺激了降解酶系成員的表達(dá)和分泌，加速整個(gè)代謝通路的進(jìn)程。劉世亮等向苯并[a]芘污染的泥漿中分別投加了苯并[a]芘的代謝中間產(chǎn)物鄰苯二甲酸、琥珀酸鈉及水楊酸，其中琥珀酸鈉的共代謝效果最好，使苯并[a]芘的去除率達(dá)到41.5%，其余中間產(chǎn)物添加后的去除率皆小于41.5%，而無(wú)共代謝底物的處理中苯并[a]芘難以被降解。由此反映了不同中間產(chǎn)物誘導(dǎo)降解酶活性能力的敏感性存在差異，這與蛋白酶受誘導(dǎo)而表達(dá)的周期有關(guān)。同時(shí)，Ren'e van等在多環(huán)芳烴降解過程中補(bǔ)充碳源的研究中也發(fā)現(xiàn)，在研究過程中加入水楊酸和十九烷，體系中菲的降解速率加快。此外，獲得較好共代謝效果的關(guān)鍵是選擇合適的中間代謝產(chǎn)物作為外源添加物。
5、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的投加
微生物的共代謝不僅要有合適的生長(zhǎng)基質(zhì)作為碳源，而且還要有足夠的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)。對(duì)微生物的生長(zhǎng)來(lái)說，氮元素是除碳元素外最重要的營(yíng)養(yǎng)元素。因此，在微生物共代謝降解有機(jī)污染物時(shí)，選擇合適的氮源對(duì)整個(gè)共代謝體系有著重要的促進(jìn)作用。羅宇煊等利用嗜堿細(xì)菌共代謝方式降解木質(zhì)素的研究中發(fā)現(xiàn)，氮源的不同對(duì)微生物功能酶活性的影響較大，分別將硫酸銨、硝酸銨、乙酸銨、氯化銨、磷酸銨、酒石酸銨、草酸銨作為氮源，硝酸銨的添加體系效果最好，酶活最高；此外，菌株產(chǎn)酶的能力與碳氮比有關(guān)，在不同碳氮比條件下，菌株產(chǎn)酶能力不同。當(dāng)碳氮比為1∶1.2時(shí)，麥草木質(zhì)素的降解率可達(dá)到31.55%，為最大降解程度，由此表明碳氮比也是微生物代謝的敏感調(diào)控因素。Steffensen等發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)過程中加入谷氨酸、無(wú)機(jī)氮和磷可以減少微生物的生長(zhǎng)適應(yīng)期，加速微生物進(jìn)入對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，促進(jìn)生物量增大，利于微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解作用。金屬元素對(duì)微生物共代謝也是有影響的，王璟等研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3+的添加能促進(jìn)生物共代謝降解焦化廢水中難降解物質(zhì)的降解。
6、環(huán)境因素
環(huán)境因素也是微生物共代謝過程中必不可少的考察因素之一。極端惡劣的生長(zhǎng)環(huán)境促使微生物細(xì)胞啟動(dòng)自我保護(hù)機(jī)制，進(jìn)入不代謝不生長(zhǎng)的休眠狀態(tài)，這種狀態(tài)對(duì)降解有機(jī)污染物是極為不利的。因此，把握微生物共代謝降解過程的最優(yōu)生長(zhǎng)環(huán)境是有效利用共代謝作用的重要參數(shù)。代謝環(huán)境的溫度和酸堿度對(duì)有機(jī)污染物的共代謝降解作用會(huì)產(chǎn)生一定的影響。齊云等在研究不同溫度紅球菌共代謝降解氯代苯甲酸時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度條件不同時(shí)，紅球菌的降解率是不同的。當(dāng)溫度為10℃時(shí)，需要5 d才能將底物完全降解；而當(dāng)溫度達(dá)到30℃時(shí)，底物完全降解只需60 h。唐順等發(fā)現(xiàn)pH=7，溫度為25℃時(shí)苯的降解效果最好，隨著溫度的降低，菌株的活性逐漸降低。環(huán)境中的金屬離子也會(huì)影響微生物的共代謝作用，何騰騰利用海洋微生物降解苯并芘時(shí)，研究了金屬離子Zn2+、Cu2+、Fe3+和Mn2+對(duì)共代謝方式的影響，發(fā)現(xiàn)這些金屬離子在一定程度上抑制了苯并芘的降解。
微生物共代謝作用廣泛地應(yīng)用在難降解有機(jī)污染物降解過程中，而影響難降解有機(jī)污染物共代謝作用的因素也是多種多樣的，分析這些因素可以提高共代謝方式降解有機(jī)污染物的效率，并更高效地應(yīng)用到難降解有機(jī)污染環(huán)境修復(fù)的過程。
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