微生物分解有机污染物的巨大潜力

(一)微生物分解有机污染物的巨大潜力

1．极其多样的代谢类型

由于微生物的代谢类型极其多样，作为一个整体，微生物分解有机物的能力是惊人的，使自然界存在的有机物几乎都能被微生物所分解。自然界存在的各种有机化合物，几乎都可找到能使之降解或转化的微生物。如洋葱伯克氏细菌甚至能降解90种以上的有机物，它能利用其中任何一种作为唯一的碳源和能源进行代谢。再如，对生物毒性很大的甲基汞，能被抗汞微生物如Pseudomonas K62菌株分解、转化为元素汞。有毒的氰(腈)化物、酚类化合物等也能被不少微生物作为营养物质利用、分解。

【知识窗】

一株从太平洋深海沉积物中分离的细藏能够有效地清除重金属污染华中农业大学王革娇教授研究证实，一株独特的Brachybacterium菌株Mn132能够高效地清除溶液中的重金属锰，并将其转化为不溶态的锰氧化物。这株细茵不仅能直接氧化重金属锰，而且生成的锰氧化物自身也能够吸附溶液中的其他金属。该特性使Braclhyhaclterium茵珠Mn32能够作为潜在的有益候选细茵用于生物修复和污染治理。

除了可以去徐锰，这株细菌也能够吸附大量的锌和镍，在受到炼钢等重工业污染的水体和土壤中，这些重金属是主要的污染物质。化学合成的锰氧化物也能够吸附锌和镍，而Mn32产生的锰氧化物吸附的重金属量比前者多2～3倍。

2．产生诱导酶

微生物能合成各种降解酶，酶具有专一性，又有诱导性。在正常代谢的情况下，许多酶以恒量存在于细胞内，但是在有特殊底物(诱导物)存在时，会诱导酶的大量合成，酶的数量至少会增加10倍。脂酶是微生物体内脂类物质转化过程中不可缺少的催化剂，其催化活性和存在量受到底物的诱导。石油开采过程中产生的油泄漏、食品加工过程中产生的含脂废水及饮食业产生的废物．都可以用亲脂微生物进行处理。

另一种情况是底物的存在会诱导适应性的酶产生。这一过程最好的例证是乳糖酶的产生过程。将乳糖加入到大肠杆菌的培养基中可以诱导大肠杆菌产生出β-半乳糖苷透性酶、β-半乳糖苷酶和半乳糖苷转乙酰酶。

3．很强的变异性

微生物因个体小、繁殖迅速、比表面积大等特点，较其他生物更易受环境影响，并可通过遗传物质变化，从而自然变异产生新菌种，产生新的酶系统．具有新的代谢功能。使很多微生物获得了降解人工合成大分子有机物的能力，从而可参与对人工新合成化台物如杀虫剂、除草剂、洗涤剂、增塑剂等的降解与转化。

通过近年来的研究，已发现许多微生物能降解人工合成的有机物，甚至原以为不可生物降解的合成有机物．也找到了能降解它们的微生物。研究表明，可从污染环境中筛选、分离出一些污染物的高效降解菌株，这些菌株经过驯化、富集、筛选和培养后，可以使不可降解的或难降解的污染物转变为能降解的物质，甚至能迅速、高效地去除该污染物。如已发现酚类降解细菌有30个属，66种；卤素有机物降解细菌有27个属，40种；合成表面活性剂降解细菌有18个属，43种；石油烃类降解细菌有100多个属，200多种。

4．利用降解性质粒

质粒是存在于细菌等原核生物体内能独立进行自主复制的一类小型闭合环状DNA分子。携带有数个到数十个甚至上百个基因的质粒，可以在细胞质中独立于染色体之外呈游离态存在，也可以通过交换掺人染色体上，以附加体的形式存在。质粒可以通过转化、转导或接合作用而由一个细菌细胞转移到另一个细菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒转移时。它可以单独转移，也可以携带着染色体片段一起进行转移-所以它可成为基因工程的载体。质粒上携带着某些染色体上所没有的基因，使细菌等原核生物拥有了不少特殊的功能。如产生毒索、抗药性、固氮、产生酶类、降解功能等。

代表性质粒有：F因子(致育因子)、R因子(抗药性质粒)、Col因子(产大肠杆菌素因子)、Ti质粒(诱癌质粒)、巨大质粒、降解性质粒等。

污染物的生物降解反应和其他生物反应本质上都是酶促反应，降解过程中大部分降解酶是由染色体编码的，但其中有些酶，特别是降解难降解化合物的酶类是由质粒控制的，这类质粒被称为降解性质粒。降解性质粒使得某些微生物可利用一般细菌所难以分解的物质做碳源。这些质粒以其所分解的底物命名，如有樟脑质粒、二甲苯质粒、水杨酸质粒、萘质粒和甲苯质粒等。细菌中的降解性质粒与细菌所处环境的污染程度密切相关，从污染地分离到的细菌50％以上含有降解性质粒，相比从清洁区分离的细菌质粒，不但数量多，其分子也大(信息量大)。

降解性质粒被应用于基因工程中，其重组菌株在环境治理方面有广阔的发展前景。如将降解2，4一二氧苯氧乙酸的基因片段组建到质粒上．将质粒转移到快速生长的受菌体体内，构建具有快速高效降解能力的工程菌，减少土壤中2，4二氯苯氧乙酸的累积量。尼龙寡聚物在化工厂污水中难以被一般微生物分解，黄杆菌属、棒状杆菌属和产碱杆菌属具有分解尼龙寡聚物的质粒．但上述三个属的细菌不易在污水中繁殖。而污水中普遍存在的大肠杆菌又无分解尼龙寡聚物的质粒。将分解尼龙寡聚物的质粒基因移植到大肠杆菌内，使其获得了该基因指令的遗传性状。转化后的大肠杆菌生长繁殖迅速，对尼龙寡聚物具有较好的降解能力。

许多有毒的化合物，尤其是复杂芳香烃类化合物的生物降解，往往需要多种质粒参与，将各种供体的不同降解性质粒转移到同一受体中，可构建多质粒超级菌株。如将降解芳香烃、降解萜烃和降解多环芳烃的质粒，分别移植到一降解脂烃的假单胞菌体内，构成的新菌株只需几个小时就能将原油中2/3的烃降解，而天然菌株则需1年以上的时间。

【知识窗】

超级微生物

利用基因工程技术，把具有降解多种难降解物质的质粒剪韧后，转到受体细胞中，使之用以处理污水中难降解的物质。这种人工方法选出的多质粒、多功能的新菌种称“超级微生物”。例如，20世纪70年代美国生物学家查克拉巴蒂(chakrabarty)针对海洋输油造成浮油污染，影响海洋生态等问题进行研究，开发出能降解多种石油烃的超级微生物。石油成分复杂，是由饱和、不饱和、直链、支链、芳香烃类等组分组成，不溶于水。当时已发现有90多种微生物有不同程度降解烃类的能力．但通常一种菌仅具有氧化少数几种烃的能力。如将它们混合培养在一起进行原油降解，则由于原油组分复杂，各组分降解难易程度各异，不同菌种对石油纽分的利用性又差别很大，降解过程十分缓慢。而且海水含盐量高，这些微生物不一定能在海水中大量繁殖生存。鉴于以上情况，经过研究比较，查克拉巴蒂选择一株可降解16烷以上的烷烃，又可生活在污水环境中的铜绿假单胞茵PA01作为各种质粒的受体细胞(舍质粒A)，分别将能降解芳烃(质粒B)、萜烃(质粒C)和多环芳烃(质粒D)的质粒-用接合的方法人工转入受体细胞，此时该铜绿假单胞菌便成为带有多种质粒的“超级微生物”。它具有降解直链脂肪烃、芳烃、萜烃及多环芳烃的能力，可除去原油中2／3的烃。浮油在一般条件下降解需1年以上时问，用“超级微生物”只需几小时即可把浮油去除，速度快、效率高。

5．共代谢

共代谢机制的存在大大拓展了微生物对难降解有机污染物的作用范围。有些污染物难以被微生物降解，但若有另一种可供作碳源和能源的污染物(作为辅助基质)或其他微生物存在，则这些污染物可被降解。微生物在其他因子的协同作用下降解某些污染物的方式称为“共代谢”或“联合氧化”。

共代谢的这种协同作用具体表现为：

(1)依靠环境提供营养物质

例如，只有在蛋白质类物质存在时，直肠梭菌才能降解“六六六”(六氯环己烷)；有些杀虫剂。杀菌剂和除草剂需添加一些有机物作为初级能源后，才能被各种细菌或真菌降解。

(2)依靠其他微生物协同作用

例如，链霉菌和节杆菌可协作降解农药二嗪农．而两菌单独存在则均不能降解。

(3)先经相似物诱导产生诱导酶，使污染物得以降解

例如，只有经正庚烷诱导后，铜绿假单胞菌才能产生羟基化酶，使链烷羟基转化为相应的醇。

研究表明，微生物这种共代谢降解方式对有机污染物，特别是一些难降解的污染物的彻底分解起着重要的作用。如图6．26所示，3-氯苯甲酸酯的降解依赖于功能互补的三种微生物的作用，三种微生物中任何一种缺少或失活，3-氯苯甲酸酯的降解就不能进行。

在实践中，已有某些难降解的有机物经合适的微生物菌种的一系列共代谢作用而彻底降解。共代谢在难生物降解的化合物降解中起重要作用。

来源：中国微生物菌种网www.bnbio.com