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(jī)物進(jìn)行高效去除，并具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。本文探討了共代謝的生化機(jī)制和特點(diǎn)、共代謝作用的影響因素，同時綜述了共代謝作用在國內(nèi)處理難降解性污染物工藝技術(shù)的應(yīng)用及研究狀況，其中，序批式生物膜反應(yīng)器在處理難降解性污染物方面具有光明的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】共代謝；難降解污染物；關(guān)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(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的有機(jī)物被合成，其中難降解有機(jī)物占了很大比例，因此難降解有機(jī)物的治理研究已引起國內(nèi)外有關(guān)專家的高度重視，是目前水污染防治研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

1.共代謝作用的機(jī)理和特點(diǎn)

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(zhì)存在的情況下，微生物對非生長基質(zhì)的氧化，其中甲烷為生長基質(zhì)，乙烷、丙烷等為非生長基質(zhì)。后來，Jensen擴(kuò)展了其內(nèi)涵，提出共代謝（Co-metabolism）的概念。他認(rèn)為在生長基質(zhì)存在的情況下，微生物對非生長基質(zhì)的轉(zhuǎn)化無論是氧化作用還是還原作用都是共代謝作用；當(dāng)生長基質(zhì)被完全消耗時，處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)的休眠細(xì)胞對非生長基質(zhì)的轉(zhuǎn)化也是共代謝作用?，F(xiàn)在，一般將其定義為只有在初級能源物質(zhì)存在時才能進(jìn)行的有機(jī)化合物的生物降解過程。初級能源物質(zhì)或是由外界提供，或是微生物細(xì)胞內(nèi)儲存的。微生物對有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化并不能為細(xì)胞提供碳源及能量，所需碳源及能量來源于對初級基質(zhì)的代謝。

共代謝過程的主要特點(diǎn)可以概括為：（1）微生物首先利用易于攝取的生長基質(zhì)作為一級基質(zhì)，維持自身細(xì)胞的生長；（2）難降解性污染物作為二級基質(zhì)被微生物降解；（3）一級基質(zhì)和二級基質(zhì)之間對發(fā)揮降解作用的關(guān)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(xì)胞質(zhì)，有些會抑制關(guān)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(yīng)，能量主要來自生長基質(zhì)的產(chǎn)能代謝，當(dāng)生長基質(zhì)被完全消耗時，能量來源于細(xì)胞自身儲存能量物質(zhì)，如PHB。從共代謝過程的機(jī)理和特點(diǎn)可以看出，關(guān)鍵酶的誘導(dǎo)及其活性的維持、生長基質(zhì)與目標(biāo)污染物之間的競爭抑制、目標(biāo)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(guān)鍵性因素。

2.微生物共代謝作用的應(yīng)用與工藝研究

2.1共代謝作用的應(yīng)用

通過共代謝作用來轉(zhuǎn)化或降解烯烴、鹵代炔烴、鹵代脂肪烴等難降解物質(zhì)已經(jīng)得到了廣泛的研究。李瑩等人將共代謝應(yīng)用于循環(huán)移動載體生物反應(yīng)器（MBBR）處理格列奇特制藥廢水，結(jié)果投加葡萄糖所誘導(dǎo)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(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是一項采用共代謝機(jī)理完成難生物降解化工污水處理的工程，至今已穩(wěn)定運(yùn)行了5年多。該實(shí)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可見，共代謝機(jī)理不僅僅是停留在實(shí)驗(yàn)室研究，而是已進(jìn)入工程的應(yīng)用，是處理難降解有機(jī)污染物的有效且實(shí)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(jī)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(dǎo)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(xì)菌等，它們都具有很強(qiáng)的代謝能力以及對污染物的逆抗性。在誘導(dǎo)此類微生物生成關(guān)鍵酶進(jìn)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(zhì)，所以在污水處理項目中，選擇誘導(dǎo)性的生長基質(zhì)，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(dǎo)物質(zhì)。

生物膜具有活性污泥系統(tǒng)所沒有的獨(dú)特生長環(huán)境。研究表明：當(dāng)生物膜達(dá)到一定厚度時，生長基質(zhì)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(zhì)的利用速率，這樣有利于延長生長基質(zhì)對關(guān)鍵酶活性維持作用，同時還可以降低生長基質(zhì)與目標(biāo)污染物之間的競爭作用，提高膜反應(yīng)器內(nèi)關(guān)鍵酶降解目標(biāo)污染物的效率；同時膜內(nèi)低氧環(huán)境有利于微生物具有較高的內(nèi)源呼吸率，這有助于促進(jìn)細(xì)胞能源物質(zhì)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(biāo)污染物的效率。

由于目標(biāo)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(zhì)與污染物質(zhì)同時存在會引起對關(guān)鍵酶的競爭作用，在運(yùn)行管理上會出現(xiàn)很多問題。在實(shí)際運(yùn)行時，通?？刂扑νＡ魰r間。所以，一種新型復(fù)合式生物膜反應(yīng)器，即在序批式活性污泥反應(yīng)器中引入生物膜。國內(nèi)的應(yīng)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(jī)物的處理上。序批式生物膜反應(yīng)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(zhì)與污染物之間的競爭作用，同時增加了運(yùn)行反應(yīng)器的靈活性，該工藝具有投資少和操作簡單等特點(diǎn)。隨著SBMR工藝優(yōu)越性的日益綻現(xiàn)以及它在難降解有機(jī)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(yīng)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(jī)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(shù)、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(jī)物生物降解的必然選擇。

共代謝作為一種代謝機(jī)制廣泛存在于共基質(zhì)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(zhǔn)確地認(rèn)識環(huán)境中存在共代謝情況下物質(zhì)的生物降解，而且為我們尋求難降解有機(jī)物生物降解技術(shù)提供了新的思路。相關(guān)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(shù)的發(fā)展和基因工程菌的應(yīng)用，將會給微生物的共代謝帶來更大的突破。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫雪景，王靜，焦巖，等.微生物共代謝作用的研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，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(jìn)展[J].土壤通報，2012，12（6）：1515-1520.