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2.2.1 微生物修复研究的发展趋势
目前,微生物处理土壤污染的研究主要集中在以下几方面:
(1)高效降解菌株的筛选和基因工程菌的研发。土著微生物虽然在土壤中广泛存在,但由于其生长较慢,代谢活性不高,或者由于污染物的存在造成土著微生物的数量下降,致使降解污染物的能力降低,因此往往需要在污染土壤中接种降解污染物的高效菌,以缩短修复时间。研究表明在实验室条件下,30 ℃时每g 土壤接种106 个五氯酚(PCP)降解菌,使PCP 的半衰期从2 周降低到1 d。为了增加对某些特定有机污染物的降解,利用分子生物学、基因工程等新理论与技术分离和选育高效降解菌及酶系,并提高它们对污染物的降解能力,是目前强化土壤微生物修复效果的研究热点。近年来,利用基因工程手段研究和构建高效基因工程菌,可将多种降解基因转入同一微生物中,使其获得广谱的降解能力。具体技术包括降解性质粒DNA 的体外重组、组建带有多个质粒的新菌株和原生质体融合等。例如,将甲苯降解基因转移给其他微生物,使受体微生物也能降解甲苯,这比简单地接种特定的微生物要有效得多。
(2)降解菌定殖的强化技术。土壤中的氮、磷都是微生物生长的重要营养元素,适当添加营养物是促进降解菌尽快定殖,并将污染物完全降解的主要措施。但要达到良好的降解效果,在添加营养盐之前,要确定营养盐的添加形式、合适的浓度及比例。目前常用的营养盐的种类很多,如正磷酸盐或聚磷酸盐、铵盐、尿素及酿造酵母废液等。虽然在理论上可以估算N、P的需要量,但有些污染物的降解速度太慢,而且不同地点N、P 的可利用性变动很大,实际值与计算值会有较大的偏差。目前,有些外国公司针对特定的环境已经开发出一些强化生物修复的肥料,如用石蜡包埋正磷酸盐或尿素,该配方的营养物易溶于油相,可以缓慢释放,处理土壤石油类污染物效果显著。
2.2.2 微生物降解土壤有机污染物的主要反应类型
土壤有机污染物可在微生物的直接作用下或在共代谢作用下分解为低毒或无毒产物,也可利用微生物分泌的酶(胞内酶和胞外酶)的作用对有机污染物进行分解等。大部分有机污染物可被土壤微生物降解、转化,降低其毒性或完全无害化。有机污染物被微生物降解主要依靠两种方式:(1)利用微生物分泌的胞外酶降解;(2)污染物被微生物吸收到细胞内,由胞内酶降解。吸收污染物的方式主要有被动扩散、促进扩散、主动运输、基团转位及胞饮作用等。污染物的微生物降解可以归结为如下主要反应类型。
(1)氧化作用:①醇氧化,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 醛氧化, 如铜绿假单胞菌( Pseudomonasaeruginosa)将乙醛氧化为乙酸;③甲基氧化,如铜绿假单胞菌将甲苯氧化为安息香酸;④氧化去烷基化:如微生物对有机磷杀虫剂的氧化;⑤硫醚氧化:如微生物对三硫磷、扑草净等的氧化;⑥过氧化:如艾氏剂和七氯可通过过氧化被微生物降解;⑦苯环羟基化:2,4-D 和苯甲酸等化合物可通过苯环羟基化被微生物分解;⑧芳环裂解:在微生物作用下将苯酚系列化合物进行环裂解;⑨杂环裂解:五元环(杂环农药)和六元环(吡啶类)化合物可在微生物作用下裂解;⑩环氧化:如环戊二烯类杀虫剂的脱卤、水解、还原及羟基化作用,是微生物降解的主要机制,等等。(2)还原作用:①乙烯基还原,如大肠杆菌(Escherichia coliform)将延胡索酸还原为琥珀酸;②醇还原,如丙酸梭菌(Clostridium propionicum)将乳酸还原为丙酸;③芳环羟基化,在厌氧条件下微生物可将甲苯酸盐羟基化;还有醌类还原,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,如氯代芳烃、农药、五氯酚等有机污染物可通过该途径被微生物降解;③脱烃作用,某些有烃基连接在氮、氧或硫原子上的农药通过该反应被微生物降解;还有脱氢卤及脱水反应等。
(4)水解作用:主要是酯类、胺类、磷酸酯以及卤代烃等通过微生物作用的水解类型。
(5)其他反应类型:如氨化、乙酰化、酯化、缩合、双键断裂及卤原子移动等。
2.2.3 典型有机污染物的微生物转化与降解机理
(1)氯代芳香族污染物的微生物转化及降解机理。研究认为,土壤中存在大量能降解氯代芳香族污染物的微生物,它们对氯代芳香族污染物的降解途径主要有两种:即好氧降解和厌氧降解。其中脱氯作用是氯代芳香族有机污染物生物降解的关键过程,好氧微生物可通过双加氧酶或单加氧酶作用使苯环羟基化,形成氯代儿茶酚,然后进行邻位、间位开环,脱氯;也可先在水解酶作用下脱氯后开环,最终矿化。氯代芳香族污染物的厌氧生物降解主要是依靠微生物的还原脱氯作用,逐步形成低氯代中间产物或被矿化生成CO2+CH4 的过程。一般情况下,高氯代芳香族有机物还原脱氯较容易,而低氯代芳香族有机物厌氧降解较难。研究表明,氯代芳香族污染物的厌氧微生物降解具有很大的应用潜力,已成为有机污染土壤环境修复的研究热点,美国EPA 也已提出将有机污染物厌氧生物降解作为生物修复行动计划的优先领域
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