難降解有機物是指微生物在自然條件下不能將其部分或完全降解，或者不能以較快的速度降解的一類物質(zhì)〔1〕。難降解有機物容易在環(huán)境中大量積累，對環(huán)境造成破壞。
隨著工業(yè)化水平的提高，產(chǎn)生了大量工業(yè)廢水，廢水中包含種類繁多的難降解有機物，例如鹵代有機溶劑、鹵代苯環(huán)類化合物、稠環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物以及農(nóng)藥等，這些物質(zhì)一旦排入水體會對環(huán)境造成極大的危害。因此，開展經(jīng)濟有效的難降解有機物處理技術(shù)的研究十分必要。
目前利用傳統(tǒng)的化學(xué)方法和物理方法去除污染物已經(jīng)難以滿足處理后廢水的達(dá)標(biāo)排放要求，人們越來越多地開始利用生物法來處理難降解有機物，其中微生物的共代謝作用最為引人關(guān)注〔2〕。微生物的共代謝作用不以從降解物質(zhì)中獲取能量和營養(yǎng)供微生物生長為目標(biāo)，并且能夠降解多種難降解物質(zhì)，目前對這類降解方式的研究越來越多〔3〕。筆者對國內(nèi)外學(xué)者在研究微生物共代謝作用方面所取得的一系列成果進行了總結(jié)，進而揭示了微生物共代謝的微觀機制，為優(yōu)化共代謝的反應(yīng)條件提供參考。
1 微生物的代謝機制及共代謝的定義
微生物主要通過以下兩種方式來降解物質(zhì)，一種是在降解過程中，直接將有機物作為生長基質(zhì)，將部分有機物作為碳源，另一部分有機物則用于合成新的細(xì)胞物質(zhì)； 在好氧環(huán)境中以分子態(tài)氧作為電子受體，在厭氧環(huán)境中，則以硝酸鹽、硫酸鹽、二氧化碳或其他有機物作為電子受體，這種降解方式即為好氧降解和厭氧降解。在此種降解方式下，主要是通過向污染物中添加高濃度純品菌種并進行間歇式培養(yǎng)來對污染物質(zhì)的降解性能進行研究。
另一種即微生物的共代謝。共代謝是通過提供外加碳源和能源物質(zhì)，將原本不能或不易被降解的物質(zhì)代謝降解的現(xiàn)象。1959 年E. R. Leadbetter 等在研究時發(fā)現(xiàn)，甲烷產(chǎn)生菌（P. Methanica） 不能把乙烷直接作為生長基質(zhì)，但可以將乙烷氧化成乙醇、乙醛，他們將這一現(xiàn)象稱為共氧化現(xiàn)象，并將其定義為在生長基質(zhì)存在的條件下，微生物對非生長基質(zhì)的氧化〔4, 5〕。H. L. Jensen 對這種現(xiàn)象進行擴展定義，正式提出了共代謝的概念，認(rèn)為存在生長基質(zhì)時，微生物的活性會增強，從而對非生長基質(zhì)的降解性能也會提高，此時微生物無論是通過氧化作用還是還原作用對非生長基質(zhì)的降解都是共代謝的作用。共代謝包括存在生長基質(zhì)時，繁殖細(xì)胞對非生長基質(zhì)的降解作用，以及生長基質(zhì)被完全消耗時，處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)的細(xì)胞對非生長基質(zhì)的轉(zhuǎn)化〔6〕。
2 研究共代謝的意義
共代謝的核心問題主要有微生物的馴化、誘導(dǎo)產(chǎn)生關(guān)鍵酶、生長基質(zhì)與非生長基質(zhì)之間的競爭性抑制、非生長基質(zhì)及降解中間產(chǎn)物對微生物的毒害作用等。其中微生物的選擇、關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)以及其作用機理、共代謝動力學(xué)研究等已引起研究者的廣泛關(guān)注〔7, 8〕，因此基于國內(nèi)外的研究情況，對影響共代謝的因素及動力學(xué)研究進行了總結(jié)和探討。
3 共代謝的影響因素
3.1 微生物的選擇和馴化
難降解物質(zhì)可生化降解性差，即使自然界中有種類繁多的微生物，但能通過共代謝作用對其進行降解的微生物在常規(guī)環(huán)境條件下的存在數(shù)量少且活性低，因此尋找并篩選出具有高效降解性能的微生物十分重要〔9, 10〕。
菌種馴化主要是利用微生物可定向馴化的特性來實現(xiàn)，在自然條件下，當(dāng)某塊土壤受到有機物污染后，在污染物的誘導(dǎo)下，土壤中的微生物會產(chǎn)生分解目標(biāo)污染物的酶，進而將污染物降解。根據(jù)這一性質(zhì)，符合條件的細(xì)菌會被篩選出來，然后通過在特定條件下的富集和馴化，最終得到1 種或幾種符合條件的菌種。利用這一特性，B. Boldrin 等〔11, 12, 13, 14, 15〕在被多環(huán)芳烴污染的土壤中，通過人工馴化的方式分離出相關(guān)的降解菌。由于被馴化出來的菌種可能不止一種，此時選擇單一菌種還是混合菌種，以及如何選擇混合菌種會產(chǎn)生不同的處理效果。孫永利〔16〕在對馴化得到的4 種能夠降解五氯苯酚的微生物進行混合研究中發(fā)現(xiàn)，將微生物混合后處理五氯苯酚，微生物之間會產(chǎn)生一種協(xié)同作用，比僅存在單一微生物可以取得更好的處理效果。韋朝海等〔17〕通過篩選和馴化得到了4 種可以高效降解硝基苯的微生物，在對降解過程中所產(chǎn)生的生物協(xié)同作用和基質(zhì)效應(yīng)進行研究時發(fā)現(xiàn)，同時存在枯草芽孢桿菌和人蒼白桿菌時，它們之間會出現(xiàn)協(xié)同降解現(xiàn)象，相對于單一存在枯草芽孢桿菌，加入人蒼白桿菌后，完全降解232.0 mg/L 硝基苯所需要的時間從145 h 減少為85 h；但研究同時發(fā)現(xiàn)，若枯草芽孢桿菌和門多薩假單孢菌同時存在于降解體系，它們之間會出現(xiàn)一定程度的抑制作用，相比于單一菌種，會降低降解的效果。
對于某些微生物存在的生長周期長、細(xì)胞產(chǎn)率低、降解物質(zhì)速率慢等問題，通過馴化出包含該微生物的好氧顆粒污泥可以得到很好的解決。好氧顆粒污泥是指微生物在一定的外界環(huán)境影響下，相互之間通過聚合而形成的相對于普通污泥具有更高活性的粒狀聚合體。由于顆粒污泥的沉降性能好，經(jīng)過沉降作用容易停留在反應(yīng)器內(nèi)，可以將其作為一種特殊形式的生物膜。微生物的數(shù)量和活性也由于污泥顆�；淖饔玫玫搅烁玫姆e累和發(fā)揮，另外顆粒污泥中有豐富的微生物群，構(gòu)成了高效的代謝網(wǎng)，在很好地保護微生物的同時，也為生物反應(yīng)器的高效運行提供了重要基礎(chǔ)條件，這個作用是任何微生物個體都不能單獨產(chǎn)生的〔18, 19, 20〕。方芳等〔21〕成功地在 SBR 反應(yīng)器中對好氧污泥實現(xiàn)了顆�；幚�，并使用所制得的好氧顆粒污泥共代謝降解含甲基叔丁基醚的廢水，取得了良好的降解效果。Hanmin Zhang 等〔22〕的研究表明，通過97 d 馴化得到的好養(yǎng)顆粒污泥對石化廢水具有良好的降解性能，結(jié)合共代謝作用，發(fā)現(xiàn)好氧顆粒污泥相對其他形態(tài)的微生物在處理石化廢水上具有更好的效果。
3.2 生長基質(zhì)的選擇
酶誘導(dǎo)理論中指出，關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)合成是生長基質(zhì)與操作子以及抑制子之間的相互作用，并通過開啟mRNA 來實現(xiàn)的〔23, 24〕。張錫輝等〔25〕推導(dǎo)建立了綜合性數(shù)學(xué)模型，該模型以關(guān)鍵酶為中心，利用非專一性關(guān)鍵酶的產(chǎn)生以及在反應(yīng)中的作用表示共代謝的整個過程，其過程用反應(yīng)式表達(dá)如下：
關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)合成：→E
生長基質(zhì)的利用：E+S→E+PS
非生長基質(zhì)的共代謝：E+C→E+PC
關(guān)鍵酶的毒性抑制：E+PC→E’
關(guān)鍵酶的修復(fù)：E’→E
關(guān)鍵酶的自然老化降解：E→
其中，E 代表關(guān)鍵酶，S 代表生長基質(zhì)，C 代表非生長基質(zhì)，PS 代表生長基質(zhì)與關(guān)鍵酶反應(yīng)的產(chǎn)物，PC 代表非生長基質(zhì)與關(guān)鍵酶反應(yīng)的產(chǎn)物，E’代表受毒性抑制而失活的關(guān)鍵酶。
微生物在生長基質(zhì)的誘導(dǎo)下所產(chǎn)生的關(guān)鍵酶，在整個共代謝反應(yīng)過程中會起到十分重要的作用，因此選擇合適的生長基質(zhì)直接決定關(guān)鍵酶的產(chǎn)生，最終決定整個反應(yīng)是否能進行，即目標(biāo)污染物能否得到降解或能否發(fā)生結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)變。
選擇生長基質(zhì)的方法主要有兩種，一是選擇易降解的物質(zhì)作為生長基質(zhì)。這主要是由于目標(biāo)污染物（非生長基質(zhì)）大多數(shù)是難降解物質(zhì)，當(dāng)只存在目標(biāo)污染物時，整個反應(yīng)系統(tǒng)容易出現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)不足，微生物的生長受到抑制的情況。通過添加一些易降解的物質(zhì)，為微生物生長提供營養(yǎng)來提高反應(yīng)體系中微生物的活性，進而提高共代謝的處理效果。但不同易降解物質(zhì)對共代謝的促進作用也不盡相同。李惠娣等〔26〕在研究四氯乙烯的厭氧生物降解過程中，分別用葡萄糖、乳酸鹽和醋酸鹽作為共代謝基質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加共代謝基質(zhì)后，四氯乙烯的降解速率均會加快，其中添加乳酸鹽后體系的降解速率增加最多，乳酸鹽被認(rèn)為是該反應(yīng)中最合適的共代謝基質(zhì)。
二是根據(jù)非生長基質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點來選擇。當(dāng)某種物質(zhì)與目標(biāo)污染物的分子骨架結(jié)構(gòu)類似時，將這種物質(zhì)作為生長基質(zhì)，可能會誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生非專一性關(guān)鍵酶。因此在某些情況下可選擇非生長基質(zhì)的類似物或非生長基質(zhì)的中間代謝產(chǎn)物作為生長基質(zhì)來達(dá)到誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生關(guān)鍵酶，對目標(biāo)污染物進行降解。任大軍等〔27〕研究發(fā)現(xiàn)，由于苯酚、喹啉與吲哚在結(jié)構(gòu)上部分相似，都有—OH 或—NH2 基團，在降解吲哚時以苯酚和喹啉作為生長基質(zhì)，可以增加白腐菌的漆酶產(chǎn)量，進而提高吲哚的降解率。
3.3 生長基質(zhì)與非生長基質(zhì)的投加比
微生物在生長基質(zhì)誘導(dǎo)下產(chǎn)生的關(guān)鍵酶是整個共代謝反應(yīng)所必需的，微生物只有在消耗生長基質(zhì)的同時才能對非生長基質(zhì)進行降解，因此，生長基質(zhì)和非生長基質(zhì)之間必然存在一定的競爭作用。因此，除了要選擇合適的生長基質(zhì)，控制好生長基質(zhì)和非生長基質(zhì)的投加比同樣重要。
R. E. Speece 〔28〕通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生長基質(zhì)和非生長基質(zhì)之間有抑制作用時，如許多由雙氧酶和單氧酶催化的反應(yīng)就很可能存在競爭性抑制作用。此時可以用具有競爭作用的酶動力學(xué)來描述共代謝作用的動力學(xué)〔29〕。當(dāng)共代謝基質(zhì)作為抑制物時，可以這樣表示生長基質(zhì)的利用情況：
式中： ds/dt ———單位容積反應(yīng)器的基質(zhì)利用速率， mg/（L·d）；
S———基質(zhì)質(zhì)量濃度，mg/L；
X———細(xì)胞質(zhì)量濃度，mg/L；
I———抑制劑質(zhì)量濃度，mg/L；
Ki———抑制系數(shù)，mg/L；
KS———半飽和系數(shù)，mg/L；
Kmax———比基質(zhì)利用速率，g/（g·d）。
從模型中可以看出，隨著生長基質(zhì)濃度和非生長基質(zhì)濃度發(fā)生變化，生長基質(zhì)的實際利用速率與最大反應(yīng)速率也相應(yīng)發(fā)生變化。因此，共代謝化合物的利用速率必須通過維持適當(dāng)?shù)纳L基質(zhì)濃度來達(dá)到最優(yōu)化〔30, 31, 32, 33〕。I. M. Rivas 等〔34〕在用苯作為降解噻吩的生長基質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)體系中存在較高濃度的苯時，會誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生較高濃度的關(guān)鍵酶，從而使噻吩的降解速率提高。M. H. Kim 等〔35〕報道了一株不動桿菌在以苯為碳源的情況下降解3-氯苯酚和4-氯苯酚，發(fā)現(xiàn)底物中苯和3-氯苯酚、4-氯苯酚的比例是決定污染物是否完全降解的關(guān)鍵性因素。
3.4 額外物質(zhì)的添加及反應(yīng)條件的控制
共代謝反應(yīng)過程中，除了需要加入足夠的生長基質(zhì)來提供碳源，適當(dāng)?shù)牡⒘�、鐵、維生素、微量元素也是保證微生物正常生長所必需的。另外添加能量物質(zhì)也有利于共代謝反應(yīng)的進行。能量物質(zhì)是指僅提供還原物質(zhì)和能量，而本身不支持微生物細(xì)胞生長的電子供體。在反應(yīng)過程中，生長基質(zhì)被降解所產(chǎn)生的能量是提供微生物生長的主要能量來源，因此，通過添加適當(dāng)?shù)耐饧幽芰课镔|(zhì)可以進一步提高共代謝反應(yīng)的速率。M. J. McFarland 等〔36〕通過研究發(fā)現(xiàn)，甲酸是甲烷細(xì)菌的能量基質(zhì)，共代謝過程中通過輔酶Ⅱ為整個反應(yīng)提供能量，在反應(yīng)過程中額外添加一定量的甲酸作為能量物質(zhì)，可以促進反應(yīng)的進行。C. S. Criddle〔37〕則通過理論研究證實了上述觀點，他在研究共代謝動力學(xué)時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)孜镏胁淮嬖谀芰课镔|(zhì)時，非生長基質(zhì)的降解比速為：
當(dāng)?shù)孜镏写嬖谀芰课镔|(zhì)時，非生長基質(zhì)的降解比速為：
式中：qc———非生長基質(zhì)的比消耗速率，s-1；
kc———不存在生長基質(zhì)時非生長基質(zhì)最大比消耗速率常數(shù)，s-1；
KSC———非生長基質(zhì)的半飽和系數(shù)，mg/L；
Sc———非生長基質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/L；
Tce———能量物質(zhì)的轉(zhuǎn)化容量。
對比式（1）、式（2）能夠看出，當(dāng)存在能量物質(zhì)時，非生長基質(zhì)的降解速率得到提高。
反應(yīng)條件主要有溫度、溶解氧、pH。溫度對微生物有著廣泛的影響，雖然某些微生物可以在高溫環(huán)境和低溫環(huán)境中生存，但絕大部分微生物生長的溫度范圍是20~30 ℃。微生物在其最佳生長溫度中才會表現(xiàn)出旺盛的生理活動，其活性也相應(yīng)增強，處理物質(zhì)的效果也越好。在最佳生長溫度之外，微生物的活性受到抑制，影響其所參與的生物反應(yīng)過程。隋紅等〔38〕在研究不同溫度下三氯乙烯、甲苯的共代謝降解規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，溫度由20 ℃增加到30 ℃時，三氯乙烯的降解滯后期由22 h 減為7.5 h。溶解氧則決定了共代謝過程中關(guān)鍵酶的性質(zhì)，在不同的溶解氧環(huán)境下，共代謝所產(chǎn)生的關(guān)鍵酶的類型也會不一樣，缺氧條件下的關(guān)鍵酶一般為缺氧代謝酶，好氧條件下的關(guān)鍵酶則主要為單氧化酶和雙氧化酶。pH 是影響微生物和酶的活性的一個重要因素，過高或過低的pH 都會對微生物表面的電荷產(chǎn)生影響，微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收過程會受到抑制，使酶的活性降低，影響酶在細(xì)胞內(nèi)參與的生化反應(yīng)過程，極端pH 的環(huán)境甚至直接破壞微生物細(xì)胞，使微生物死亡。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 討論和展望
共代謝作為一種獨特的生物代謝方式，在處理難降解有機物的過程中有著獨特的作用。隨著對共代謝研究的日益深入，對共代謝的研究也從單純的實驗室研究進入到工程應(yīng)用中，并被證實是處理難降解有機污染物有效且實用的方法。上海金山聯(lián)合環(huán)境工程公司與吉林大學(xué)地探學(xué)院合作完成的上海優(yōu)西比特種化工有限公司的污水處理工程是一個具有代表性的工程實例〔39〕，它的成功應(yīng)用進一步證實共代謝是一種實用且有效的處理難降解有機污染物的方法。
在某些特定的反應(yīng)過程中，可能會存在一些特殊的影響因素，例如在對受多環(huán)芳烴污染的土壤中的多環(huán)芳烴進行降解研究時發(fā)現(xiàn)，相對于實驗室研究得到的結(jié)果，實際降解過程中的降解率會低很多，很多人認(rèn)為主要是由于多環(huán)芳烴生物可利用性低，導(dǎo)致其從固相向液相轉(zhuǎn)移速率慢，從而影響最終的降解率。針對這一情況，通過添加適量的表面活性劑可以提高多環(huán)芳烴的生物可利用性，從而提高最終的處理效率〔40〕。
微生物的共代謝是一個多方面綜合的過程，各種因素的改變都會影響到共代謝的效果，單一考慮其中的某個因素條件都是片面的，要考慮各種因素并加以有效控制才能達(dá)到好的處理效果。在實際的處理過程中，由于廢水的組分復(fù)雜，往往會出現(xiàn)多種污染物質(zhì)共存的情況，過分地強調(diào)某一控制因素對反應(yīng)過程的影響未必有利，必須根據(jù)具體的水質(zhì)情況以及反應(yīng)系統(tǒng)的實際情況，通過反復(fù)的調(diào)試控制好各種影響因素才能使共代謝的處理效果達(dá)到最好。
