苑欣然，白 月，齊小輝

(大連民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連116600)

1 引言

多環(huán)芳烴(PAHs)是一類具有持久性、生物累積性的有機(jī)污染物，其分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，廣泛存在于土壤、海洋等自然環(huán)境中，對(duì)人類健康及生態(tài)系統(tǒng)具有潛在危害。隨著石油污染的日益嚴(yán)重，對(duì)石油組分中更難于降解的多環(huán)芳烴的污染修復(fù)成為很多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。目前對(duì)多環(huán)芳烴生物修復(fù)效果的研究絕大部分在實(shí)驗(yàn)室開展。然而，實(shí)際的污染治理效果則取決于污染環(huán)境是否適合石油降解微生物的生長(zhǎng)以及是否允許相關(guān)酶有效表達(dá)以實(shí)現(xiàn)將污染物特別是多環(huán)芳烴分解轉(zhuǎn)化為小分子的無毒無害物質(zhì)。眾多的生物和非生物因素如微生物的降解特性、p H值、養(yǎng)分有效性和污染物的生物利用度等在不同污染區(qū)域相差甚遠(yuǎn)，這些因素或抑制或促進(jìn)石油降解微生物的生長(zhǎng)，將顯著影響多環(huán)芳烴的原位修復(fù)[1]。以下主要總結(jié)了微生物屬性、表面活性劑、營(yíng)養(yǎng)成分、共代謝基質(zhì)添加、p H值等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)境因素對(duì)多環(huán)芳烴降解的影響特征，為多環(huán)芳烴污染的原位修復(fù)提供理論指導(dǎo)。

2 微生物屬性

微生物在多環(huán)芳烴污染位點(diǎn)的修復(fù)過程中起著決定性的作用。由于多環(huán)芳烴是一系列的含苯環(huán)結(jié)構(gòu)的烴類物質(zhì)的混合體，因此很難有一種微生物是能夠同時(shí)有效的降解這一類污染物質(zhì)的。因此，針對(duì)不同的污染環(huán)境可以分別或混合使用能夠?qū)Χ喹h(huán)芳烴中的特定底物具有高效降解效率的微生物種屬進(jìn)行污染修復(fù)。表1中列出了厭氧環(huán)境下已分離得到的常見的多環(huán)芳烴降解菌株，供研究者選擇使用。

表1 降解多環(huán)芳烴的厭氧微生物

3 表面活性劑

表面活性劑在增強(qiáng)生物修復(fù)過程中占有重要地位，主要利用自身的分子結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用。表面活性劑具有兩親性，一端是親水基團(tuán)即極性基團(tuán)；另一端為疏水基團(tuán)即非極性烴。在研究中，直接向培養(yǎng)體系中加入表面活性劑，使其與多環(huán)芳烴混合。表面活性劑溶解后，降低了水表面張力，提高了有機(jī)污染物的溶解度，從而加強(qiáng)了微生物的降解效率[9]。已知的五種常見的表面活性劑有：非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、混合型表面活性劑及生物表面活性劑。然而，研究者在使用單一表面活性劑對(duì)多環(huán)芳烴進(jìn)行講解時(shí)遇到諸多困惑，同時(shí)為了減少環(huán)境因素(如：溫度、硬度、鹽度及p H值)對(duì)單一表面活性劑使用的影響，人們提出使用混合型表面活性劑以提高修復(fù)效率、并減少成本。Zhao等[10]研究了陰離子(十二烷基硫酸鈉)—非離子表面活性劑(TW80，TX100和Brij35)混合使用對(duì)菲的增溶、解析、生物降解作用的影響，結(jié)果表明混合表面活性劑相比于單一表面活性劑而言，臨界膠束濃度降低，使用量減少，菲的溶解度和降解率大幅增加。此外，生物表面活性劑則因選擇性廣、綠色環(huán)保、表面活性高、乳化能力及專一性更強(qiáng)、廉價(jià)易得等特點(diǎn)成為最新的環(huán)境友好型表面活性劑。劉魏魏等[11]研究了鼠李糖對(duì)多環(huán)芳烴降解效率的影響，發(fā)現(xiàn)該生物表面活性劑的添加能夠明顯促進(jìn)多種類型多環(huán)芳烴的降解率，其中三環(huán)類物質(zhì)的降解率提高了50.63%，四環(huán)、五環(huán)、六環(huán)類物質(zhì)的降解率分別提高了41.69%、26.02%和25.92%。

4 營(yíng)養(yǎng)成分

微生物降解多環(huán)芳烴的活性與營(yíng)養(yǎng)成分特別是污染場(chǎng)地中匱乏的氮元素和磷元素息息相關(guān)。微生物自身需要礦物質(zhì)元素氮磷鉀促進(jìn)新陳代謝和生長(zhǎng)繁殖。在污染位點(diǎn)，因污染物的存在，有機(jī)碳含量迅速增加，微生物代謝過程中，有效營(yíng)養(yǎng)成分(氮、磷)迅速枯竭。應(yīng)對(duì)此現(xiàn)象的方法是向污染場(chǎng)地添加氮磷鹽以刺激原位微生物群落，加強(qiáng)生物修復(fù)。多環(huán)芳烴降解所需的營(yíng)養(yǎng)水平與其它有機(jī)污染物降解相類似。迄今為止，主要研究了營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)土壤或沉積物中多環(huán)芳烴降解的影響。結(jié)果表明：氮磷的添加大大提高了多環(huán)芳烴的降解率。例如Betancur－Galvis等人[12]的研究報(bào)道，培養(yǎng)環(huán)境在經(jīng)過氮磷源修正后，菲的降解率提高了25倍之多。其添加比例應(yīng)遵循微生物自身生長(zhǎng)的需求并根據(jù)待修復(fù)環(huán)境的 特性而相應(yīng)調(diào)整。

5 共代謝基質(zhì)添加

高分子量多環(huán)芳烴因自身的結(jié)構(gòu)特性在環(huán)境中較穩(wěn)定，被列入難降解物行列。在自然界中能礦化四環(huán)以上的多環(huán)芳烴并以其為唯一碳源和能源的微生物較少。共代謝方式的引入不僅可加強(qiáng)低分子量多環(huán)芳烴的降解效果，對(duì)高分子量的多環(huán)芳烴的礦化也有一定的促進(jìn)作用。已有相當(dāng)數(shù)量的物質(zhì)可作為共基質(zhì)降解多環(huán)芳烴。例如：醋酸、乳酸、腐植酸、纖維素、葡萄糖、蛋白胨、甲醇、乙醇、酵母提取物等。Ortiz[13]在降解菲的體系中添加了另一種底物甲苯，甲苯的溶解度較高可誘導(dǎo)活化酶參與目標(biāo)基質(zhì)菲的退化。易降解基質(zhì)可以直接增加修復(fù)位點(diǎn)的生物量，從而提高生物的修復(fù)作用。此外，低分子量多環(huán)芳烴通常被用作基質(zhì)去降解高分子量多環(huán)芳烴。例如，Kim[14]的報(bào)道：洋蔥伯克霍爾德菌2A－12不可降解芘，但在補(bǔ)充輔助底物萘?xí)r，卻能降解。其它基質(zhì)的補(bǔ)給也間接的更改了碳氮比，并趨向于參與中間多環(huán)芳烴降解酶的活動(dòng)。微生物共基質(zhì)作用的發(fā)生的原因有①靠降解其它有機(jī)物提供能源；②靠其它微生物協(xié)同作用，而當(dāng)這些菌各自單獨(dú)存在時(shí)卻不起作用；③先經(jīng)別的物質(zhì)誘導(dǎo)才產(chǎn)生相關(guān)酶系，進(jìn)而降解相應(yīng)化合物。

6 p H值

影響多環(huán)芳烴生物降解活性的另一重要因素是土壤和沉積物等污染環(huán)境的p H值。p H值可能會(huì)影響?zhàn)B分、污染物的溶解性以及生物利用度。絕大多數(shù)細(xì)菌表現(xiàn)出的最佳生長(zhǎng)條件近中性，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室研究的生物降解的p H值范圍也為5.0－9.0。Wong[15]的報(bào)道中提出：氨醇單細(xì)胞對(duì)生長(zhǎng)基質(zhì)中的p H非常敏感，在5.2和7兩個(gè)值處降解菲的能力差別很大。Kim[14]的報(bào)道也指出了相同的現(xiàn)象，p H的微小變化可大大影響多環(huán)芳烴的降解，一個(gè)單位的p H值可使菲的降解率改變4倍之多。

7 其它因素

除上述因素外，眾多學(xué)者也對(duì)鹽度、溫度、沉積物粒度等影響因子進(jìn)行了研究。一些文章關(guān)注了鹽對(duì)烴降解的影響。有人提出高濃度鹽會(huì)抑制非嗜鹽微生物的生長(zhǎng)，表現(xiàn)的抑制效應(yīng)主要包括：滯后時(shí)間加長(zhǎng)、利用速率減慢、礦化程度降低。由此可見，鹽在微生物的培養(yǎng)過程中提供了意想不到的平衡。溫度則在很大程度上影響著原位微生物降解多環(huán)芳烴的能力。多環(huán)芳烴的溶解度隨溫度的上升而增加，生物利用度也伴隨上升。因此，即使多環(huán)芳烴的降解可能發(fā)生在很寬的溫度范圍之間，卻存在最佳溫度值。

8 結(jié)語

影響多環(huán)芳烴講解的因素有很多，特別是在實(shí)際污染修復(fù)過程中，多環(huán)芳烴降解菌和環(huán)境因素都起到?jīng)Q定性的作用。微生物自身活性的高低是決定降解效率的關(guān)鍵因素，而是否能夠?qū)崿F(xiàn)理想的修復(fù)效果與降解菌在污染環(huán)境中存在的數(shù)量、生長(zhǎng)特性和多環(huán)芳烴降解能力息息相關(guān)。同時(shí)，降解菌的活性更受環(huán)境因子的影響，如電子受體、營(yíng)養(yǎng)鹽、溫度、p H值等都是影響降解菌生長(zhǎng)代謝的重要因素。因此，在研究多環(huán)芳烴污染修復(fù)的過程中，應(yīng)充分考慮各因素之間的協(xié)同作用，為更清晰地了解和提高多環(huán)芳烴的污染修復(fù)提供有力證據(jù)。