1、1Environmental Biotechnology第三章危险性化合物的微生物降解/Biological Degradation of Hazardous Wastes2主要内容l引言引言l烃类化合物的微生物降解烃类化合物的微生物降解l卤代有机化合物的微生物降解卤代有机化合物的微生物降解l其他有毒化合物的微生物降解其他有毒化合物的微生物降解l危险性化合物处理的降解生态系统危险性化合物处理的降解生态系统3l美国美国“化学文摘化学文摘”中登记的化学物质已达中登记的化学物质已达600万种万种之多，之多，并正以并正以每周每周6000种种的速度递增，大部分是在自然界中从未的速度递增，大部分是在自然界
2、中从未发现过的新化合物。发现过的新化合物。l溶剂、冷却剂、增塑剂、汽油和其它石化产品以及农药、溶剂、冷却剂、增塑剂、汽油和其它石化产品以及农药、杀虫剂、木材防腐剂等。杀虫剂、木材防腐剂等。l在过去的在过去的100年中，人工合成的化学物质在全球的浓度年中，人工合成的化学物质在全球的浓度从稍大于零增加到约从稍大于零增加到约1ppb，如果以工业产量每年递增如果以工业产量每年递增2-3%预计，则该类化学物质在预计，则该类化学物质在100年后将增加到年后将增加到ppm级。级。第一节 微生物降解理论基础一、概述4优先污染物优先污染物(Priority Pollutant)l由于有毒物质品种繁多，不可能对每
3、一种污染物都制定控制由于有毒物质品种繁多，不可能对每一种污染物都制定控制标准，因而提出在众多污染物中筛选出潜在危险大的作为优标准，因而提出在众多污染物中筛选出潜在危险大的作为优先研究和控制对象，称之为优先污染物先研究和控制对象，称之为优先污染物(Priority Priority Pollutant)Pollutant)或称为优先控制污染物。或称为优先控制污染物。l我国也开展了水中优先污染物筛选工作，提出初筛名单我国也开展了水中优先污染物筛选工作，提出初筛名单249249种，通过多次专家研讨会，初步提出我国的水中优先控制污种，通过多次专家研讨会，初步提出我国的水中优先控制污染物黑名单染物黑名单
4、6868种种(见表见表1-2)1-2)。56异型生物质/xenobioticsl在自然界中具有新颖结构的合成化合物在自然界中具有新颖结构的合成化合物(异型生物质，又称异型生物质，又称非生物性物质非生物性物质,xenobiotics)，往往往往抗微生物攻击或被不完全抗微生物攻击或被不完全代谢。因为微生物已有的降解酶不认识这些物质的分子结构代谢。因为微生物已有的降解酶不认识这些物质的分子结构和化学键序列，和化学键序列，还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。制。l因为大量使用合成的异型生物质，长此以往将会造成整个生因为大量使用合成的异型生物质，长此以往将会造
5、成整个生态系统的失衡。态系统的失衡。7异型生物质/xenobioticsl异型生物质（合成化合物）异型生物质（合成化合物）危险性化合物危险性化合物(Hazardous Chemicals)l三致作用：致畸、致突变和致癌三致作用：致畸、致突变和致癌l来源：杀虫剂、除草剂和防腐剂、溶剂的主要成分来源：杀虫剂、除草剂和防腐剂、溶剂的主要成分或石油化工产品的中间产物或石油化工产品的中间产物u卤代芳烃和卤代烷烃占很大比例。卤代芳烃和卤代烷烃占很大比例。8采用传统的环境治理技术和方法不足以解决问题。采用传统的环境治理技术和方法不足以解决问题。l驯化得到具有一定降解能力的微生物群体驯化得到具有一定降解能力的
6、微生物群体l从特定的环境中分离纯化具有特定降解能力的微生物从特定的环境中分离纯化具有特定降解能力的微生物l基因工程微生物基因工程微生物l反应器规模反应器规模/微生物制剂现场投放微生物制剂现场投放l混合培养的重要性。混合培养的重要性。u彻底矿化通常要求一个或一个以上营养菌群（如发酵彻底矿化通常要求一个或一个以上营养菌群（如发酵水解菌群、产水解菌群、产硫菌群、产乙酸菌群以及产甲烷菌群等）通过多步反应将有毒化合物硫菌群、产乙酸菌群以及产甲烷菌群等）通过多步反应将有毒化合物转化为矿化终产物。转化为矿化终产物。l微生物脱毒：微生物将有毒异型生物质转化为无毒稳定中间微生物脱毒：微生物将有毒异型生物质转化为
7、无毒稳定中间产物或彻底降解为矿化终产物的生物降解过程。产物或彻底降解为矿化终产物的生物降解过程。危险性化合物的处理9二、微生物菌群的生态学地位l依据不同的代谢作用至少可以将微生物群落分为七种：依据不同的代谢作用至少可以将微生物群落分为七种：u提供特殊营养物；提供特殊营养物；u去除生长抑制产物；去除生长抑制产物；u改善单个微生物的基本生长参数改善单个微生物的基本生长参数(条件条件)；u对底物协调攻击；对底物协调攻击；u共代谢共代谢；u氢（电子）转移；氢（电子）转移；u提供一种以上初级底物利用者。提供一种以上初级底物利用者。包含微生物之间联系包含微生物之间联系的四种群落与较为复的四种群落与较为复杂
8、的有机化合物及异杂的有机化合物及异型生物质的代谢有关。型生物质的代谢有关。以相互代谢作用为基以相互代谢作用为基础的三种微生物群落础的三种微生物群落对于简单有机化合物对于简单有机化合物的降解很重要。的降解很重要。10(1)(1)提供特殊营养物微生物群落提供特殊营养物微生物群落lStirling等人等人(1976)在环己烷上富在环己烷上富集分离得到的一个含有诺卡式菌属集分离得到的一个含有诺卡式菌属/N o c a r d i a以 及 假 单 胞 菌 属以 及 假 单 胞 菌 属/pseudomonas微生物的群落。微生物的群落。l在 该 含 两 个 菌 属 的 群 落 中，在 该 含 两 个 菌
9、 属 的 群 落 中，Nocardia能够单独氧化环己烷，但能够单独氧化环己烷，但它只有在假单胞菌也存在的情况下它只有在假单胞菌也存在的情况下才能生长，才能生长，pseudomonas提供生长提供生长因子特别是生物素。因子特别是生物素。PseudomonasNocardia11(2)(2)去除生长抑制产物微生物群落去除生长抑制产物微生物群落lWilkinson等人从以甲烷生产单细胞蛋白的微生物中分离等人从以甲烷生产单细胞蛋白的微生物中分离得到的四种微生物组成的群落。得到的四种微生物组成的群落。l甲醇只有在被群落中存在的生丝微菌甲醇只有在被群落中存在的生丝微菌Hyphomicrobium sp.
10、消耗时，才不会对氧化甲烷的假单胞菌起抑制作用。消耗时，才不会对氧化甲烷的假单胞菌起抑制作用。该群落中的其余两个成员是黄细菌该群落中的其余两个成员是黄细菌Flavobacterium sp.与不动杆菌与不动杆菌Acinetobacter sp.。12(3)(3)改善单个微生物的基本生长参数改善单个微生物的基本生长参数(条件条件)微微生物群落生物群落l一个三种微生物组成群落被从苔黑酚一个三种微生物组成群落被从苔黑酚(3，5-二羟基甲苯二羟基甲苯)中富集得到。中富集得到。u降解苔黑酚的一株假单胞菌降解苔黑酚的一株假单胞菌u扩展短杆菌扩展短杆菌Brevibacterium linensu不动杆菌不动杆
11、菌Curtobacterium sp.l只有在假单胞菌作为初级降解者存在时只有在假单胞菌作为初级降解者存在时才能在苔黑酚上生长。该群落建立在改才能在苔黑酚上生长。该群落建立在改善单个微生物的基本生长参数的基础上。善单个微生物的基本生长参数的基础上。PseudomonasBrevibacterium linens13(4)(4)对底物协调攻击微生物群落对底物协调攻击微生物群落l建立在联合或协同代谢降解基础上的微生物群落在危险建立在联合或协同代谢降解基础上的微生物群落在危险性化合物的降解中极为重要，其群落微生物成员不具备性化合物的降解中极为重要，其群落微生物成员不具备单独的能力以转化或脱除有毒化合
12、物，而它们结合成的单独的能力以转化或脱除有毒化合物，而它们结合成的群落却能将化合物彻底矿化。群落却能将化合物彻底矿化。l从降解表面活性剂从降解表面活性剂LAS(线性烷基苯磺酸盐线性烷基苯磺酸盐)的活性污泥中的活性污泥中富集得到的微生物群落由富集得到的微生物群落由Pseudomonas putida,Pseudomonas alcaligenes,节杆菌节杆菌Arthrobacter globiformis和沙雷氏菌属和沙雷氏菌属Serratia marcescens四种微四种微生物组成，当两个成员或所有成员存在时，生物组成，当两个成员或所有成员存在时，LAS(线性烷线性烷基苯磺酸盐基苯磺酸盐)
13、的降解和开环速率远远高于单个菌种单独存的降解和开环速率远远高于单个菌种单独存在时。在时。Arthrobacter globiformisSerratia marcescensPseudomonas putida14(5)共代谢共代谢(Co-metabolism)，共氧化共氧化lDefinition:指生长基质存在时生长细胞对非生长基质的利用。指生长基质存在时生长细胞对非生长基质的利用。l共代谢被认为是酶缺乏专一性的一种表现共代谢被认为是酶缺乏专一性的一种表现。一个共代谢反应不能产生用一个共代谢反应不能产生用于生长的能量，其之所以发生是因为基质于生长的能量，其之所以发生是因为基质(如氯代化合物如
14、氯代化合物)能被已经产生的能被已经产生的酶利用，共代谢脱氯细菌要求有另外的生长基质作为生长的碳源和能源。酶利用，共代谢脱氯细菌要求有另外的生长基质作为生长的碳源和能源。l使非生长基质发生结构改变，不能彻底降解，改变结构后的化合物可能使非生长基质发生结构改变，不能彻底降解，改变结构后的化合物可能更容易被其它厌氧微生物降解。更容易被其它厌氧微生物降解。15(6)(6)氢（电子）转移氢（电子）转移l微生物种属间电子微生物种属间电子(H2或甲酸盐或甲酸盐)或其它营养盐的转移，这些作用的原理或其它营养盐的转移，这些作用的原理是微生物在厌氧条件下需要一个积累过剩还原价的受体。是微生物在厌氧条件下需要一个积
15、累过剩还原价的受体。l两种紧密结合微生物组成的甲烷生成群落中，一种微生物是将乙醇氧化两种紧密结合微生物组成的甲烷生成群落中，一种微生物是将乙醇氧化成乙酸和氢的成乙酸和氢的“S微生物微生物”，另一中是利用氢将，另一中是利用氢将CO2还原为甲烷的产甲烷还原为甲烷的产甲烷菌菌Methanobacterium MOH。它们的相互关系使得乙醇代谢可以连续它们的相互关系使得乙醇代谢可以连续进行，而甲烷的生成可以避免抑制性高浓度氢的累积。进行，而甲烷的生成可以避免抑制性高浓度氢的累积。-100-50050100-7-5-3-1Hydrogen partial pressure/10E atmFree ene
16、rgy change/(KJ/reaction)16COMPLEX ORGANIC MATTERSProteinsCarbohydratesLipidsAmino Acids,SugarsFatty Acids,AlcoholsINTERMEDIARY PRODUCTS(Propionate,Butyrate etc)AcetateHydrogen,Carbon dioxideMethaneCarbon dioxidehydrolysisacidogenesisacetogenesisOrganics Conversion in Anaerobic Systemmethanogenesis72
17、2817(7)提供一种以上初级底物利用者提供一种以上初级底物利用者l许多连续富集已经得到含一种以上菌种的稳定菌群，许多连续富集已经得到含一种以上菌种的稳定菌群，该菌群能够在所提供的唯一碳源和能源上生长。这该菌群能够在所提供的唯一碳源和能源上生长。这些群落与协同代谢群落不同，因为其每个初级利用些群落与协同代谢群落不同，因为其每个初级利用者都能完全代谢底物。者都能完全代谢底物。l在除草剂对硫磷和苯甲酸中分离得到了这一类菌群，在除草剂对硫磷和苯甲酸中分离得到了这一类菌群，发现对硫磷被该菌群降解的速度远高于其初级微生发现对硫磷被该菌群降解的速度远高于其初级微生物的纯培养，而这些初级微生物对整个菌群的降
18、解物的纯培养，而这些初级微生物对整个菌群的降解成功可能非常重要。成功可能非常重要。18第二节 烃类化合物的微生物降解l烃类化合物在好氧混合培养条件下的微生物降解烃类化合物在好氧混合培养条件下的微生物降解l烃类化合物在厌氧混合培养条件下的微生物降解烃类化合物在厌氧混合培养条件下的微生物降解19一、烃类化合物在好氧混合培养条件下的微生物降解（一）（一）芳香化合物芳香化合物l虽然大多数芳香化合物在自然界并无生物合成的来虽然大多数芳香化合物在自然界并无生物合成的来源，但是由于这类化合物已经在自然界存在了相当源，但是由于这类化合物已经在自然界存在了相当长时间，并且与有生命的有机生物长时间接触使之长时间，
19、并且与有生命的有机生物长时间接触使之演化，因而确实已经发现了一些芳香化合物可以被演化，因而确实已经发现了一些芳香化合物可以被微生物降解。微生物降解。201、苯及烷基苯类l分子氧在单氧化酶或双氧化酶的作用下使苯分子氧在单氧化酶或双氧化酶的作用下使苯环羟基化，并进一步使环开裂。环羟基化，并进一步使环开裂。l真核细胞利用单氧化酶将真核细胞利用单氧化酶将O O2 2的一个氧原子引入的一个氧原子引入芳香烃，可生成反式芳香烃，可生成反式-二羟基化合物。二羟基化合物。l细菌催化氧化芳香烃是将氧分子的两个氧原细菌催化氧化芳香烃是将氧分子的两个氧原子化合，自发形成初级代谢物顺式子化合，自发形成初级代谢物顺式-二
20、羟基二二羟基二醇，而后失去两个氢原子形成邻苯二酚。醇，而后失去两个氢原子形成邻苯二酚。苯苯21O2(I).Under aerobic condition22 (I).Ortho（邻位）邻位）fission(II).Meta（间位）间位）fissionO2O2芳香烃氧化形成的邻苯二酚或取代邻苯二酚的开环芳香烃氧化形成的邻苯二酚或取代邻苯二酚的开环23真菌真菌细菌细菌24l如甲苯、二甲苯及其它烷基苯在细菌氧化下也生如甲苯、二甲苯及其它烷基苯在细菌氧化下也生成顺式成顺式-二羟基二醇。二羟基二醇。l好氧条件下的生物降解可能有两种途径好氧条件下的生物降解可能有两种途径 u苯环氧化形成烷基苯环氧化形成烷基
21、-邻苯二酚然后再环开裂；邻苯二酚然后再环开裂；u氧化发生在取代的烷基上形成芳香醇类，再进一步氧氧化发生在取代的烷基上形成芳香醇类，再进一步氧化至开裂前的先导物化至开裂前的先导物二羟基芳香醇类化合物二羟基芳香醇类化合物u氧化是由甲基基团还是芳环开始取决于细菌种类。氧化是由甲基基团还是芳环开始取决于细菌种类。取代苯取代苯25苯环氧化形成烷苯环氧化形成烷基基-邻苯二酚然邻苯二酚然后再环开裂；后再环开裂；氧化发生在取代的烷基上氧化发生在取代的烷基上形成芳香醇类，再进一步形成芳香醇类，再进一步氧化至开裂前的先导物氧化至开裂前的先导物二羟基芳香醇类化合物二羟基芳香醇类化合物26Polycyclic Aro
22、matic Hydrocarbon/PAH DegradationlFigure 8.Proposed pathways for the metabolism of benz(a)anthracene/苯蒽by Beijerinckia strain B1.Benz(a)anthracene/苯蒽27Phenanthrene/菲 Degradation28二、烃类化合物在厌氧混合培养条件下的微生物降解（一）芳香化合物（一）芳香化合物l苯甲酸降解机理中所涉及的初始缺氧苯甲酸降解机理中所涉及的初始缺氧(anoxic)转化转化是通过是通过环的还原环的还原达到的，还原的芳环提高了脂环达到的，还原的芳环
23、提高了脂环(alicyclic)的饱和度，随后可水解开环生成的饱和度，随后可水解开环生成C1C5的羧酸，然后通过乙酸矿化为的羧酸，然后通过乙酸矿化为CH4和和CO2(图图3-8)。2930l在缺氧在缺氧(anoxic)条件下氧能被从水分子中结合到甲苯和苯分条件下氧能被从水分子中结合到甲苯和苯分子中。子中。l非氧加成芳香化合物如苯、甲苯等首先转化为苯酚、甲苯酚非氧加成芳香化合物如苯、甲苯等首先转化为苯酚、甲苯酚或邻苯甲酚。甲苯经历甲基氧化生成苯基醇、苯甲酸。或邻苯甲酚。甲苯经历甲基氧化生成苯基醇、苯甲酸。l多环芳烃多环芳烃(PAHs)如萘、苊等可以被厌氧降解，但是途径不明。如萘、苊等可以被厌氧降
24、解，但是途径不明。起始转化的步骤涉及从水分子的羟基引入氧。起始转化的步骤涉及从水分子的羟基引入氧。31Under anaerobic conditionH2O32第三节 卤代有机化合物的微生物降解l卤代有机化合物在好氧混合培养条件下的微生物降卤代有机化合物在好氧混合培养条件下的微生物降解解l卤代有机化合物在厌氧混合培养条件下的微生物降卤代有机化合物在厌氧混合培养条件下的微生物降解解33一、卤代有机化合物在好氧混合培养条件下的微生物降解l与碳氢化合物相比，卤原子的引入使卤代有机化合与碳氢化合物相比，卤原子的引入使卤代有机化合物的生物降解性大大降低。例如，短链烃是易于生物的生物降解性大大降低。例如
25、，短链烃是易于生物降解的，而氯代烷烃是耐生物降解的。物降解的，而氯代烷烃是耐生物降解的。l在特定条件下，微生物可以通过其具有较宽专一性在特定条件下，微生物可以通过其具有较宽专一性的酶将这些化合物生物转化。的酶将这些化合物生物转化。34l分子氧。分子氧。u有机底物氧化释放出电子和能量产生时用作最终电子受体有机底物氧化释放出电子和能量产生时用作最终电子受体u氧作为生化反应的底物并在进一步的代谢中被化合到有机氧作为生化反应的底物并在进一步的代谢中被化合到有机产物中。产物中。l已知有约已知有约100种氧化酶可以催化种氧化酶可以催化O2化合到有机物中化合到有机物中u双氧化酶双氧化酶催化氧分子的两个原子的
26、插入催化氧分子的两个原子的插入u单氧化酶单氧化酶催化氧分子的一个原子的插入，而其余的氧被还催化氧分子的一个原子的插入，而其余的氧被还原成水。原成水。35MonooxygenasesDioxygenasesOxidative Reactions36（一）卤代芳烃l卤代芳香化合物的生物降解的概念是其环被开裂为中卤代芳香化合物的生物降解的概念是其环被开裂为中间代谢物并且其有机卤素被矿化。间代谢物并且其有机卤素被矿化。l生物降解的唯一重要限速步骤是卤素取代基从有机化生物降解的唯一重要限速步骤是卤素取代基从有机化合物中的脱除，它主要通过以下两种途径发生合物中的脱除，它主要通过以下两种途径发生 u在降解初
27、期通过还原、水解或氧化分解在降解初期通过还原、水解或氧化分解(oxygenolytic)去去除机理消除卤素；除机理消除卤素；u生成非芳香结构产物后通过自发水解脱卤或生成非芳香结构产物后通过自发水解脱卤或-消去卤化氢。消去卤化氢。371、脱卤优先于开环lJohnston等等(1972)报道了一株假单胞菌将报道了一株假单胞菌将3-氯苯甲酸氯苯甲酸催化脱卤为催化脱卤为3-羟基苯甲酸和羟基苯甲酸和2,5-二羟基苯甲酸，二羟基苯甲酸，1975年年Chapman又发现几株微球菌可以将又发现几株微球菌可以将4-氯苯甲酸转化为氯苯甲酸转化为4-羟基苯甲酸，尔后又有几例相似的发现。羟基苯甲酸，尔后又有几例相似的
28、发现。l1984年年Mark等与等与Muller等用等用18O2和和H218O进行脱氯反进行脱氯反应发现应发现碳卤素键的开裂与水有关而与碳卤素键的开裂与水有关而与O2无关无关。l偶尔由双加氧酶催化的脱氯过程偶尔由双加氧酶催化的脱氯过程是卤代芳香化合物脱卤的是卤代芳香化合物脱卤的另一个分支途径，氧被空间选择性地引入芳香环中并自发另一个分支途径，氧被空间选择性地引入芳香环中并自发脱卤。脱卤。38392、开环后脱卤l由于卤代芳香化合物不进行亲核反应，则可能在卤由于卤代芳香化合物不进行亲核反应，则可能在卤代芳烃初步转化为非芳香中间产物形成较弱卤素碳代芳烃初步转化为非芳香中间产物形成较弱卤素碳键以后发生
29、脱卤反应，键以后发生脱卤反应，该途径的共同特点是卤素去该途径的共同特点是卤素去除都在卤代芳香化合物被转化为除都在卤代芳香化合物被转化为3-氯邻苯二酚以后氯邻苯二酚以后l所有利用卤代芳香化合物的细菌体系都利用在邻位所有利用卤代芳香化合物的细菌体系都利用在邻位断裂途径的酶。而间位途径的关键酶，断裂途径的酶。而间位途径的关键酶，2，3-双加氧双加氧酶被酶被3-氯邻苯二酚生成的酰基氯不可逆地抑制了活氯邻苯二酚生成的酰基氯不可逆地抑制了活性性(图图3-10)。4041(二)卤代脂肪烃l有机挥发化合物：四氯乙烯有机挥发化合物：四氯乙烯(PCE)、三氯乙烯三氯乙烯(TCE)、1,1,1-三氯乙烷三氯乙烷(T
30、CA)、顺顺-1,2二氯乙烯二氯乙烯(cis-1,2-DCE)、1,2-二氯二氯乙烷乙烷(1,2-DCA)以及以及1,1-二氯乙烯二氯乙烯(1,1-DCE)。这些化合物能这些化合物能在环境中持久存在并稳定迁移到地表下层水体中。在环境中持久存在并稳定迁移到地表下层水体中。l目前主要处理方法为：将水抽至地表曝气塔处理或用炭吸附目前主要处理方法为：将水抽至地表曝气塔处理或用炭吸附去除，但这些方法成本较高且只是简单地将污染物从一个相去除，但这些方法成本较高且只是简单地将污染物从一个相(水水)转移到另一相转移到另一相(空气空气)中。中。42l卤代有机化合物通常不易于被微生物降解，例如，卤代有机化合物通常
31、不易于被微生物降解，例如，三氯乙烯的半衰期为三氯乙烯的半衰期为300d。l但卤代化合物在特定条件下能被微生物降解。但卤代化合物在特定条件下能被微生物降解。卤卤代脂肪烃的氧化模式主要有以下两种。代脂肪烃的氧化模式主要有以下两种。u利用烷烃的细菌由加氧酶将分子利用烷烃的细菌由加氧酶将分子O2引入到有机分子中。引入到有机分子中。u假单孢菌和生丝微菌属假单孢菌和生丝微菌属(Hyphomicrobium)等能将氯代等能将氯代烷烃作为初始底物代谢，作为惟一碳源和能源。烷烃作为初始底物代谢，作为惟一碳源和能源。43l碳一碳双键的环氧化作用碳一碳双键的环氧化作用(epoxidation)或氧化作用或氧化作用被
32、认为是卤代乙烯氧化的第一步，环氧化的中间产被认为是卤代乙烯氧化的第一步，环氧化的中间产物可以自发通过一系列反应生成二卤乙酸、乙醛酸物可以自发通过一系列反应生成二卤乙酸、乙醛酸(glyoxylic acid)或其他一碳化合物。或其他一碳化合物。由加氧酶将分子由加氧酶将分子O2引入到有机分子中引入到有机分子中epoxidation44l甲烷营养菌群甲烷营养菌群 和其他好氧菌能够通过单加氧酶或双和其他好氧菌能够通过单加氧酶或双加氧酶共代谢降解一些氯代甲烷、氯代乙烷、氯代加氧酶共代谢降解一些氯代甲烷、氯代乙烷、氯代乙烯。乙烯。其氧化速率与化合物的氯取代程度成反比，其氧化速率与化合物的氯取代程度成反比，
33、高氯代化合物如四氯乙烯不被氧化，而氯乙烯高氯代化合物如四氯乙烯不被氧化，而氯乙烯(CH2CHCl)比二氯乙烯比二氯乙烯(DCEs)代谢快得多。代谢快得多。45将氯代烷烃作为初始底物代谢氯代烷烃的完全代谢有三种不同途径，见图氯代烷烃的完全代谢有三种不同途径，见图3-11。以二氯甲烷。以二氯甲烷为例，为例，l谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione)-依赖型脱卤：依赖型脱卤：脱氯由谷胱甘肽脱氯由谷胱甘肽(glutathione)-依赖型脱卤酶完成，基于谷胱甘肽依赖型脱卤酶完成，基于谷胱甘肽(glutathione-mediated)的脱卤作用通常由对与卤素相连的碳原子的亲核攻的脱卤作用通常由对与卤
34、素相连的碳原子的亲核攻击引起的。击引起的。l氧化脱卤：氧化脱卤：1，2-二氯乙烷的降解有两种途径，土壤细菌二氯乙烷的降解有两种途径，土壤细菌DE2通过氧化脱卤将通过氧化脱卤将1，2二氯乙烷转化为二氯乙烷转化为1，2-二氯乙醇，并二氯乙醇，并进一步转化为进一步转化为2氯乙醛和氯乙醛和2氯乙酸氯乙酸(图图3-11)。l水解脱卤：水解脱卤：自养黄色杆菌自养黄色杆菌(Xanthobacter autotrophicus)通过通过水解脱卤将水解脱卤将1，2二氯乙烷降解为二氯乙烷降解为2-氯乙醇氯乙醇(图图3-11)。4647二、卤代有机化合物在厌氧混合培养条件下的微生物降解l厌氧微生物能降解许多毒害化合
35、物，进行一些好氧厌氧微生物能降解许多毒害化合物，进行一些好氧条件下未发现的特殊脱毒反应条件下未发现的特殊脱毒反应(如高氯代脂肪烃、芳如高氯代脂肪烃、芳烃的还原脱氯、芳环到脂环烃的还原脱氯、芳环到脂环(alicyclic)结构的转化以结构的转化以及开环的还原作用。及开环的还原作用。Food(OrganicCompound)Electron DonorElectron AcceptorChlorinatedSolvents48卤代芳烃氯代苯甲酸l氯代苯甲酸长期被作为降解研究的典型化合物，因氯代苯甲酸长期被作为降解研究的典型化合物，因为它们是危险化合物之一，也是一些污染物的降解为它们是危险化合物之一
36、，也是一些污染物的降解中间产物中间产物如多氯联苯如多氯联苯(PCBs)、氯酚氯酚，或是一些除，或是一些除草剂的组成成分。草剂的组成成分。l研究结果表明在厌氧污泥混合培养中研究结果表明在厌氧污泥混合培养中85%的的3-氯苯氯苯甲酸被矿化为甲酸被矿化为CH4和和CO2，其中间产物为苯甲酸。其中间产物为苯甲酸。l另一些研究表明底泥或污泥混合培养菌落可将单、另一些研究表明底泥或污泥混合培养菌落可将单、二和三卤代苯甲酸脱卤。二和三卤代苯甲酸脱卤。49+HClClOO HOO HCl H+2HReductive dehalogenation50l五氯酚五氯酚(PCP)是氯酚中研究最广泛的，作为一种重要的化
37、是氯酚中研究最广泛的，作为一种重要的化工原料，常用于防腐剂、杀虫剂、除草剂和杀菌消毒剂中，工原料，常用于防腐剂、杀虫剂、除草剂和杀菌消毒剂中，其性质稳定，有剧毒。其性质稳定，有剧毒。l在造纸和纸浆废水中，氯代芳烃，包括氯酚、氯代邻苯二在造纸和纸浆废水中，氯代芳烃，包括氯酚、氯代邻苯二酚和氯代邻甲氧基苯酚酚和氯代邻甲氧基苯酚(chlorognaiacols)，在厌氧流化床在厌氧流化床反应器中发现被转化和降解，在新鲜污泥和富集微生物培反应器中发现被转化和降解，在新鲜污泥和富集微生物培养 中 都 发 现 氯 代 邻 苯 二 酚 和养 中 都 发 现 氯 代 邻 苯 二 酚 和 4-氯 间 苯 二 酚
38、氯 间 苯 二 酚(4-chlororesorcinol)的的还原脱氯还原脱氯作用，氯酚在厌氧反应器中作用，氯酚在厌氧反应器中比在曝气池或活性污泥法中去除要快得多。比在曝气池或活性污泥法中去除要快得多。氯酚类51l最初的脱氯发生在邻位最初的脱氯发生在邻位(ortho-)、或间位或间位(meta-)或对或对位位(para-)。uHendriksen等等(1992)在在UASB反应器中发现了两种脱氯途反应器中发现了两种脱氯途径径(图图1.4)。大部分进水。大部分进水PCP通过途径通过途径B脱氯，少数通过途脱氯，少数通过途径径A脱氯。脱氯。n在在B途径，最初的对位脱氯产生途径，最初的对位脱氯产生2,
39、3,5,6-四氯酚四氯酚(TeCP)，该产物进一该产物进一步在邻位脱氯产生步在邻位脱氯产生2,3,5-三氯酚三氯酚(TCP)和和3,5-二氯酚二氯酚(DCP)。n在途径在途径A，通过最初的邻位脱氯，通过最初的邻位脱氯，PCP逐步脱氯产生逐步脱氯产生2,3,4,5-TeCP和和3,4,5-TCP，随后产生随后产生3,5-DCP和和3，4-DCP。uBhatnager et al(1991)发现最初的脱氯发生在间位发现最初的脱氯发生在间位(途径途径C，1.4)。氯酚类氯酚类不同的脱氯途径不同的脱氯途径52PCP常见厌氧脱氯途径53(二）卤代脂肪烃l氯代甲烷、乙烷和乙烯的归宿具有特殊意义，因为它们在
40、许氯代甲烷、乙烷和乙烯的归宿具有特殊意义，因为它们在许多表层及下表层环境中代表一类重要的污染物。多表层及下表层环境中代表一类重要的污染物。l卤代脂肪族化合物降解的起始步骤是还原脱卤，在卤代脂肪卤代脂肪族化合物降解的起始步骤是还原脱卤，在卤代脂肪族化合物降解中一个卤原子与氢的还原脱除占重要地位。族化合物降解中一个卤原子与氢的还原脱除占重要地位。l1981年，卤代甲烷在产甲烷条件下的生物转化被证实，随年，卤代甲烷在产甲烷条件下的生物转化被证实，随后的研究又发现氯乙烯和氯乙烷的脱卤作用。后的研究又发现氯乙烯和氯乙烷的脱卤作用。54l四氯乙烯四氯乙烯(PCE)与其它氯代乙烯是地下水、工业废水及填埋与其
41、它氯代乙烯是地下水、工业废水及填埋渗漏液中的主要污染物之一。现在还未确定好氧微生物能将渗漏液中的主要污染物之一。现在还未确定好氧微生物能将四氯乙烯四氯乙烯(PCE)降解或脱氯，但四氯乙烯降解或脱氯，但四氯乙烯(PCE)厌氧纯培养厌氧纯培养的脱氯作用已经证实。的脱氯作用已经证实。l氯仿和四氯甲烷在沉积物样品中的厌氧降解可能经历一步初氯仿和四氯甲烷在沉积物样品中的厌氧降解可能经历一步初始还原脱卤反应然后生成始还原脱卤反应然后生成CO2。l四氯化碳、氯仿、三氯乙烷和四氯乙烷、四氯乙烯在从下水四氯化碳、氯仿、三氯乙烷和四氯乙烷、四氯乙烯在从下水道污泥和厌氧地下水中的产甲烷菌混合培养中可以被还原脱道污泥
42、和厌氧地下水中的产甲烷菌混合培养中可以被还原脱氯氯(图图6.6)。55(c)56第五节 危险性化合物处理的降解生态系统一、好氧生态系统一、好氧生态系统二、厌氧生态系统二、厌氧生态系统三、新型混合培养系统三、新型混合培养系统57三、新型混合培养系统l 氯代化合物，特别是多氯代烃，在氧加成氯代化合物，特别是多氯代烃，在氧加成(oxygenated)环环境中具有毒性并长期停留，但是，这些化合物在厌氧混合培境中具有毒性并长期停留，但是，这些化合物在厌氧混合培养过程中能被稳定地脱氯为低毒性的氯代产物，其厌氧脱氯养过程中能被稳定地脱氯为低毒性的氯代产物，其厌氧脱氯速率随着氯取代度的下降而下降；而好氧脱氯速
43、率则随着氯速率随着氯取代度的下降而下降；而好氧脱氯速率则随着氯取代度的下降而上升，因而建立了一个两阶段厌氧取代度的下降而上升，因而建立了一个两阶段厌氧-好氧生好氧生物反应器系统以彻底降解有毒难降解化合物。物反应器系统以彻底降解有毒难降解化合物。厌氧厌氧好氧好氧58厌氧+好氧处理模式l应用厌氧好氧联合反应器可以彻底去除发现六氯苯应用厌氧好氧联合反应器可以彻底去除发现六氯苯(HCB)、四氯乙烯四氯乙烯(PCE)和氯仿和氯仿(CF)等多氯代化合物。等多氯代化合物。u化合物在添加乙酸为初始碳源的厌氧生物膜反应器中被化合物在添加乙酸为初始碳源的厌氧生物膜反应器中被还原转化为脱氯产物；还原转化为脱氯产物；u含六氯苯含六氯苯(HCB)、四氯乙烯四氯乙烯(PCE)和氯仿和氯仿(CF)脱氯产物的脱氯产物的厌氧生物膜反应器的流出液再进到好氧生物膜反应器中，厌氧生物膜反应器的流出液再进到好氧生物膜反应器中，好氧生物膜反应器出水分析表明，经厌氧流出的脱氯产好氧生物膜反应器出水分析表明，经厌氧流出的脱氯产物已被有效去除。物已被有效去除。
