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【摘要】共代谢降解是在废水中加入新基质或者多菌群，通过微生物种群的协同作用，提高其对废水中难降解物质的降解率和降解性能的机制。共代谢作用处理难降解废水是一种新兴水处理技术，处理效果显著，在国内外研究案例较多，并将被越来越多地应用于实践。
【关键词】共代谢 难降解废水 协同作用 有机物
一 研究背景及目的意义
1.1研究背景
近年来，随着化学工业的发展， 生活污水和某些生产废水中出现了一类污染面广、毒性大、难降解的化合物，这些化合物被广泛应用于人们生产和生活，它们在生产、运输和使用过程中经过各种途径进入自然环境，并长期存留和富集，对生态环境和人体健康构成严重威胁。一般认为，难降解性有机物具有4个基本特性，即： （1）长期残留性。一旦排放到环境中，它们难于被分解，因此可以在水体、土壤和底泥等环境介质中存留数年或更长的时间； （2） 生物蓄积性。难降解性有机物一般具有低水溶性、高脂溶性的特征，能够在多数生物脂肪中发生生物蓄积； （3） 半挥发性； （4） 高毒性。有的难降解性有机物具有半挥发性，可以在大气环境中远距离迁移，它们对人和动物一般具有毒性作用，有的可以导致生物体内分泌紊乱、生殖及免疫机能失调，有的甚至引起癌症等严重疾病。进入水环境的难降解性的有机物通常与其他多种基质混在一起，含难降解性有机物的污水处理方法很多， 通过人工强化的微生物作用将其转化为无毒物质或彻底降解已成为近年来研究的热点，其中通过共代谢作用来转化或降解卤代烯烃、卤代炔烃、卤代脂肪烃等难降解物质是一种有效的新兴水处理方式，目前得到了广泛的研究，应用前景广阔。
1.2 课题研究目的意义
共代谢现象最早由Forster报道， 一般定义为：只有在初级能源物质存在时， 才能进行的有机化合物的生物降解过程。所谓共代谢，一般是指原本不能被代谢的物质在外界提供碳源和能源的情况下被代谢的现象。其中外界提供的碳源称为一级基质，用于微生物细胞增长并为微生物细胞活动提供能量。被共代谢的物质称为二级基质，不用于微生物细胞增长，也不能为微生物细胞活动提供能量。一级基质有两种来源，一是外界环境直接提供的易降解物质，如甲醇、葡萄糖、苯酚等；二是休眠细胞体本身的组成物质。难降解废水常因成份与结构复杂、含盐量高、毒性大等特点， 导致其可生物降解性较差。工业废水中含有大量人工合成污染物，其中有许多污染物按传统的仅以供试化合物作为唯一碳源和能源的分析方法被认为是难生物降解的；同样有许多污染物质是以单一菌种或经过筛选的菌种作为活性微生物，而没有将种群的协同作用考虑在内，最终也被认为是不能生物降解的。但现在发现如果加入甲醇、乙酸盐这样一些一级基质就会产生足够能量供难生物降解有机物生物降解，而且有许多在单一菌种作用下不能降解的物质，通过多菌种的参与其降解率大大提高。
二 国内外研究现状
国内学者最近几年来开始研究和探讨共代谢的相关问题，巩宗强、李培军等研究比较了多环芳烃代表芘作为唯一碳源和能源的降解过程和有共代谢底物存在下芘的降解， 并研究了模拟生物泥浆法修复多环芳烃污染土壤，选择了几种从石油污染土壤中分离出来的真菌，研究它们对土壤内苯并 [a]芘的降解，并研究了土壤内共存底物：菲、芘、邻苯二甲酸对苯并 [a]芘降解的影响，及其之间的共代谢过程；罗宇煊、张甲耀等研究了不同碳源组合方式对嗜碱木质素降解菌产酶及降解麦草木质素的降解率的影响；张锡辉、R.Bajpai等推导建立了一个以关键酶为中心的综合性数学模型；孙先锋、张志杰等初步研究了共代谢降解焦化废水中难降解有机污染物的生理生化特性。付莉燕等考察了厌氧条件下活性染料活性翠蓝的生物降解，发现以活性翠蓝为单一碳源时，厌氧菌不能降解活性翠蓝，而当进水中同时含有葡萄糖时，厌氧菌对葡萄糖和活性翠蓝产生共代谢作用，活性翠蓝被降解。
相对而言，国外学者的研究要早得多，深得多，广得多。他们对共代谢的机理、分子学细胞学基础、动力学模型、过程及影响因素及相关的水处理反应器等进行了深入广泛的研究。Pereboom等观察到加入丁酸或葡萄糖作为一级基质可诱发对苯二酸和甲苯甲酸降解。Parker 等在研究高负荷厌氧处理氯酚化合物时发现，当加有共基质时以毒性等价因子确定的毒性减少93 % ，而无共基质加入时减少65 %。Parker 研究高负荷厌氧处理从牛皮纸厂、漂白厂分离出的出水中氯化酚、邻甲氧基苯酚、邻苯二酚和香草醛的变化。当进水中补充了共基质后12 个所检出的以上物质中有11 个去除了80 %以上。将含有甲醇和乙醇的合成蒸发冷凝液补充到反应器进水中， 使许多化合物的去除率提高到80 %以上。Parker 还报道在常规检出的20 个氯化有机物中有9个在补充共基质时有很大的去除程度。Grave 和Joyce 发现漂白厂废水对产甲烷菌有抑制性，但当用甲醇或乙醇作共基质时可以提高可同化有机卤化物的去除率。Berchtold等证实在厌氧条件下加入乙醇作共基质可以将2 ，4 - 二硝基甲苯生物转化为2 ，4- 二氨基甲苯，但不能进一步厌氧降解，可在好氧反应器中却能降解到检出限以下。Hendriksen等证实常规的颗粒污泥可以使五氯酚脱氯，进水中含酚时补充葡萄糖时五氯酚的去除率为99 % ，不补充葡萄糖时五氯酚的去除率仅30 %～75 %。另他们还报道加入葡萄糖加快了氯化苯胺的脱氯速率。Carliell 等发现偶氮活性染料可以用未驯化的厌氧微生物还原脱色，但需要一级基质。
三 共代谢研究前景和未来发展趋势方向
难降解物质的共代谢广泛存在于自然界中，但这种过程不会持久。因为自然界中广泛存在能代谢一级基质但不能代谢二级基质的微生物，它们中存在这样一类微生物，其对一级基质代谢速率大于具有共代谢能力的微生物对一级基质代谢速率，因而很快在群落中取得优势，所以仅仅依靠自然界的微生物的共代谢作用往往达不到降解难降解物质的目的，但通过人工强化的水处理构筑物进行处理则能充分发挥共代谢处理有机物的优势。目前，共代谢方式处理难降解物质已经试探性地应用到了实际工程中。
许多传统意义上的难降解物质的生物降解均是以共代谢过程开始而完成降解全过程的， 共代谢过程不仅要选择合适的一级基质， 而且要求一级基质与难降解物质保持合适的浓度比，此外，营养物质的加入对提高共代谢率也是很重要的， 不仅要注意常用营养氮、磷等的加入及其配比，还要注意微量营养元素的加入。共代谢是一综合性过程， 需考虑各方面因素并加以有效控制才能达到较高的难降解物质共代谢率。由于共基质代谢生物过程的引入，可通过选择添加合适的一级基质得以降解，并通过维持适当一级基质浓度使难降解物质利用速率达到最优化。
从环境因素来看，难降解并不是化合物所固有的，而是环境状况表现的结果，改变环境状况，本来难降解的化合物就变得易降解了，所以，选择合适的生物降解环境、开发新的生物降解技术、培养和驯化适宜的生物种群和生物酶、分析化合物的降解途径和生物降解规律，是研究有机物生物降解的必然选择。共代谢作为一种代谢机制广泛存在于共基质的生物降解过程中，深入研究共代谢不仅有助于我们更加准确地认识环境中存在共代谢情况下物质的生物降解，而且为我们寻求难降解有机物生物降解技术提供了新的思路。随着人们对共代谢的认识进一步提高，它作为一种处理难降解有机物的有效方式将得到广泛深入的应用。 |
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发表于 2022-2-27 19:54:52