基于微生物共代謝作用去除廢水中難降解物質的研究進展

孫倩

【摘 要】共代謝是微生物特殊的代謝類型，可對廢水中難降解有機物進行高效去除，并具有技術經(jīng)濟優(yōu)勢。本文探討了共代謝的生化機制和特點、共代謝作用的影響因素，同時綜述了共代謝作用在國內處理難降解性污染物工藝技術的應用及研究狀況，其中，序批式生物膜反應器在處理難降解性污染物方面具有光明的應用前景。

【關鍵詞】共代謝；難降解污染物；關鍵酶；SBMR

共代謝作用是環(huán)境污染物降解的一種重要方式。據(jù)報道，環(huán)境中能夠完全礦化污染物的降解菌占總降解菌的數(shù)量還不到 10%，大多數(shù)微生物是通過共代謝作用來降解污染物的。隨著工農業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的有機物被合成，其中難降解有機物占了很大比例，因此難降解有機物的治理研究已引起國內外有關專家的高度重視，是目前水污染防治研究的熱點與難點。

1.共代謝作用的機理和特點

共代謝現(xiàn)象最早由 Leadbetter 和 Foster 等[2]于1959 年報道，他們研究發(fā)現(xiàn)Pseudomonas methanica（甲烷假單胞菌）能夠在外加甲烷情況下氧化乙烷、丙烷、丁烷，而乙烷、丙烷及丁烷三者均不能作為Pseudomonas methanica的唯一碳源支持其生長。對此現(xiàn)象 Leadbetter 和 Foster以共氧化（Co-oxidation）來描述，將其定義為在生長基質存在的情況下，微生物對非生長基質的氧化，其中甲烷為生長基質，乙烷、丙烷等為非生長基質。后來，Jensen擴展了其內涵，提出共代謝（Co-metabolism）的概念。他認為在生長基質存在的情況下，微生物對非生長基質的轉化無論是氧化作用還是還原作用都是共代謝作用；當生長基質被完全消耗時，處于內源呼吸狀態(tài)的休眠細胞對非生長基質的轉化也是共代謝作用。現(xiàn)在，一般將其定義為只有在初級能源物質存在時才能進行的有機化合物的生物降解過程。初級能源物質或是由外界提供，或是微生物細胞內儲存的。微生物對有機化合物的轉化并不能為細胞提供碳源及能量，所需碳源及能量來源于對初級基質的代謝。

共代謝過程的主要特點可以概括為：（1）微生物首先利用易于攝取的生長基質作為一級基質，維持自身細胞的生長；（2）難降解性污染物作為二級基質被微生物降解；（3）一級基質和二級基質之間對發(fā)揮降解作用的關鍵酶存在競爭現(xiàn)象；（4）污染物共代謝的中間產(chǎn)物不能作為營養(yǎng)被同化成細胞質，有些會抑制關鍵酶的活性，甚至對微生物有毒害作用；（5）共代謝是需能反應，能量主要來自生長基質的產(chǎn)能代謝，當生長基質被完全消耗時，能量來源于細胞自身儲存能量物質，如PHB。從共代謝過程的機理和特點可以看出，關鍵酶的誘導及其活性的維持、生長基質與目標污染物之間的競爭抑制、目標污染物及其中間降解產(chǎn)物對微生物的毒性作用將是影響共代謝過程的關鍵性因素。

2.微生物共代謝作用的應用與工藝研究

2.1共代謝作用的應用

通過共代謝作用來轉化或降解烯烴、鹵代炔烴、鹵代脂肪烴等難降解物質已經(jīng)得到了廣泛的研究。李瑩等人將共代謝應用于循環(huán)移動載體生物反應器（MBBR）處理格列奇特制藥廢水，結果投加葡萄糖所誘導產(chǎn)生的共代謝作用可顯著改善格列奇特制藥廢水的好氧處理效果。上海金山聯(lián)合環(huán)境工程公司與吉林大學地探學院合作完成的上海優(yōu)西比特種化工有限公司是一項采用共代謝機理完成難生物降解化工污水處理的工程，至今已穩(wěn)定運行了5年多。該實踐工程生活污水的共代謝效率可使難生物降解工業(yè)污水的CODCr去除率提升21.5%。而葡萄糖的共代謝效率可使CODCr去除率提升38.5%，具有明顯的降解效果。從該工程實踐經(jīng)驗可見，共代謝機理不僅僅是停留在實驗室研究，而是已進入工程的應用，是處理難降解有機污染物的有效且實用的方法。

2.2共代謝作用的工藝研究

很多研究發(fā)現(xiàn)，厭氧生物工藝可把氯代有機物脫氯生成無毒性化合物，如乙烯、CO2，但發(fā)現(xiàn)四氯乙烯（FCE）、三氯乙烯（TCE）在厭氧條件下僅僅是部分脫氯，很不徹底，導致二氯乙烯（DCE）、氯乙烯 （VC）的濃度增加。

好氧條件下，具有共代謝氯代化合物功能的微生物有很多種，研究中主要選用苯酚氧化菌群、甲烷營養(yǎng)菌群、丙烯氧化菌以及硝化細菌等，它們都具有很強的代謝能力以及對污染物的逆抗性。在誘導此類微生物生成關鍵酶進行催化分解污染物時，一般需要投加特異性的底物，例如苯酚、甲烷、丙烯、丙烷等。由于它們是氣體，具有很低的水溶性，同時就苯酚而言，雖具有可降解性，但它是一種危險性物質，所以在污水處理項目中，選擇誘導性的生長基質，一定要綜合考慮。通常葡萄糖、乙醇、乙酸鹽以及銨鹽等易代謝的小分子化合物是考慮選擇的誘導物質。

生物膜具有活性污泥系統(tǒng)所沒有的獨特生長環(huán)境。研究表明：當生物膜達到一定厚度時，生長基質的利用速率將明顯低于活性污泥系統(tǒng)微生物對生長基質的利用速率，這樣有利于延長生長基質對關鍵酶活性維持作用，同時還可以降低生長基質與目標污染物之間的競爭作用，提高膜反應器內關鍵酶降解目標污染物的效率；同時膜內低氧環(huán)境有利于微生物具有較高的內源呼吸率，這有助于促進細胞能源物質的形成；生物膜環(huán)境還有利于菌株之間發(fā)生遺傳信息的交流，交配生成新代謝能力的變種，提高降解目標污染物的效率。

由于目標污染物利用活性污泥法或填充床式生物膜處理時，生長基質與污染物質同時存在會引起對關鍵酶的競爭作用，在運行管理上會出現(xiàn)很多問題。在實際運行時，通?？刂扑νＡ魰r間。所以，一種新型復合式生物膜反應器，即在序批式活性污泥反應器中引入生物膜。國內的應用主要集中在工業(yè)廢水的處理上，國外的研究主要集中在有毒、難降解有機物的處理上。序批式生物膜反應器（SBMR）可以完全把生物膜的營養(yǎng)代謝與共代謝分離，解決了生長基質與污染物之間的競爭作用，同時增加了運行反應器的靈活性，該工藝具有投資少和操作簡單等特點。隨著SBMR工藝優(yōu)越性的日益綻現(xiàn)以及它在難降解有機物處理方面的推廣，將產(chǎn)生良好的環(huán)境效益和社會效益，其應用前景也十分廣闊。

3.共代謝的研究前景

現(xiàn)代社會的發(fā)展使各種合成有機污染物逐漸增多，環(huán)境污染日益加重，利用微生物的代謝凈化環(huán)境已經(jīng)成為一種趨勢。難降解是相對的，改變環(huán)境狀況，本來難降解的化合物就變得易降解了。所以，選擇合適的生物降解環(huán)境、開發(fā)新的生物降解技術、培養(yǎng)和馴化適宜的生物種群和生物酶、分析化合物的降解途徑和生物降解規(guī)律，是研究有機物生物降解的必然選擇。

共代謝作為一種代謝機制廣泛存在于共基質的生物降解過程中，深入研究共代謝不僅有助于我們更加準確地認識環(huán)境中存在共代謝情況下物質的生物降解，而且為我們尋求難降解有機物生物降解技術提供了新的思路。相關研究證明微生物共代謝在不同的工藝中已取得了良好的效果，隨著現(xiàn)代生物技術的發(fā)展和基因工程菌的應用，將會給微生物的共代謝帶來更大的突破。 [科]

【參考文獻】

[1]孫雪景，王靜，焦巖，等.微生物共代謝作用的研究與應用[J].農業(yè)與技術，2010，8（4）：57-60.

[2]羅瑋.難降解污染物微生物共代謝作用研究進展[J].土壤通報，2012，12（6）：1515-1520.