芳香烃的应用 和生物科学专业有关的
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发布时间：2022-04-21 09:55
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时间：2023-05-27 23:31
一、生物降解是指由生物催化的复杂化合物的分解过程。而在石油降解中微生物首先通过自身的代谢产生分解酶，裂解重质的烃类和原油，降低石油的粘度，另外在其生长繁殖过程中,能产生诸如溶剂、酸类、气体、表面活性剂和生物聚合物等有效化合物利于驱油，然后由其他的微生物进一步的氧化分解成为小分子而达到降解的目的。
二、海洋中最主要的降解细菌属于:无色杆菌属、不动杆菌属、产碱杆菌属、节杆菌属、芽孢杆菌属、黄杆菌属、棒杆菌属、微杆菌属、微球菌属、假单胞菌属以及放线菌属、诺卡氏菌属。在大多海洋环境中,上述这些细菌是主要降解菌,在真菌中,金色担子菌属、假丝酵母属、红酵母属和掷孢酵母属是最普遍的海洋石油烃降解菌。一些丝状真菌如曲霉属、毛霉属、镰刀霉属和青霉属也应被归入海洋降解菌中。土壤中主要的降解菌除了上面提到的细菌种类外,还包括分枝杆菌属以及大量丝状真菌。曲霉属和青霉属某些种在海洋和土壤两种环境中都有分布。木霉属和被孢霉属某些种是土壤降解菌。
三、治理石油污染关键是降解烃类化合物，根据烃类的化学结构特点,烃类的降解途径主要可分两部分:链烃的降解途径和芳香烃的降解途径。直链烷烃的降解方式主要有三种:末端氧化、亚末端氧化和ω氧化。此外,烷烃有时还可在脱氢酶作用下形成烯烃,再在双键处形成醇进一步代谢。关于芳香烃的降解途径,在好氧条件下先被转化为儿茶酚或其衍生物,然后再进一步被降解。因此细菌和真菌降解的关键步骤是底物被氧化酶氧化的过程,此过程需要分子氧的参与。
具体机制如下：
1、正烷烃在正烷烃氧化酶作用下, 先转化成羧酸而后靠β-氧化进行深入降解,形成二碳单位的短链脂肪酸和乙酰辅酶A,放出CO2。该正烷烃氧化酶是双加氧酶,能催化正烷烃为正烷烃的氢过氧化物,该反应需O2 ,但不需NAD(P) H。烷烃也可先转化为酮,但不是其主要代谢方式。多分枝的烯烃主要转化成二羧酸再进行降解,甲基会影响解的进行。化学式如下：
2、环烷烃的降解需要两种氧化酶的协同氧化,一种氧化酶先将其氧化为环醇,接着脱氢形成环酮,另一种氧化酶再氧化环酮,环断开,之后深入降解。化学式如下：
3、芳香烃一般通过烃基化形成二醇, ,环断开,邻苯二酚继而降解为三羧环的中间产物。真菌和微生物都能氧化从苯到苯并蒽范围内的芳烃底物。起初细菌借助加双氧酶的催化作用把分子氧的两个氧原子结合到底物中, 使芳烃氧化成具有顺式构型的二氢二酚类。顺式-2-二氢二酚类进一步氧化成儿茶酚类, 儿茶酚类在另一种催化芳环裂解的加双氧酶的作用下进一步氧化裂解。与细菌相反,真菌则借助于加单氧酶和环水解酶的催化作用, 把芳烃氧化成反式-2-二氢二酚类化合物。（下面以萘的降解为例子）真菌将石油烃类化合物降解成反式二醇,而细菌几乎总是将之降解成顺式二醇(许多反式二醇是潜在的致癌物,顺式二醇则无毒性) 。化学式如下：
简单总结成下表：
各类烃 具体的降解过程和产物
正烷烃 正烷烃→羧酸→二碳单位的短链脂肪酸+乙酰辅酶A+CO2。
烯烃 烯烃→二羧酸
环烷烃 环烷烃→环醇→环酮
芳香烃 芳香烃→二醇→邻苯二酚→三羧环的中间产物
由上面可知道，微生物对一些难降解化学物的降解, 是通过一系列氧化酶的催化作用完成的。在自然界中这一过程通常是由多种微生物的协同作用来完成, 速度比较缓慢。为了扩大微生物降解底物的范围, 提高降解效率, 以使这些难降解化学物彻底矿化, 应该可以利用天然降解性质粒的转移构建新功能菌株。降解性质粒，是指一类编码有降解某些化学代谢途径的质粒。例如：美国Chak rabany 等为消除海上溢油污染, 曾将假单胞杆菌中不同菌株的CAM、OCT、XAL 和NAH 4 种降解性质粒接合转移至一个菌株中,构建成一株能同时降解芳香烃、多环芳烃、萜烃和脂肪烃的“多质粒超级菌”。该菌能将天然菌要花一年以上才能消除的浮油,缩短为几个小时。
四、在自然环境中,微生物对石油烃类降解与否以及快慢都是与其所处的环境密切相关。
1、液态的石油烃类在水中会形成水油界面,微生物正是在这一水油界面上降解烃类的,降解速率与水油界面的面积密切相关,能产生生物乳化剂的微生物正是乳化剂增大水油界面的面积而促进微生物对烃类的降解。
2、石油烃类的微生物降解可在很大的温度范围内发生,在0 ℃～70 ℃的环境中均发现有降解石油烃类的微生物。大多数微生物在常温下较易降解石油烃类,且由于某些对微生物有毒害的低分子量石油烃类在低温下难挥发,会对石油烃类的降解有一定的抑制作用,所以低温下石油烃类较难降解。
3、大多数的石油烃类是在好氧条件下被降解的,这是因为许多烃类的降解需要加氧酶和分子氧。但也有一些烃类能在厌氧条件下被降解。
4、氮源和磷源经常成为微生物降解烃类的*因子。在天然水体中,为了促进石油烃类的降解而添加水溶性的氮源和磷源也受到*,因为有限添加的氮源和磷源在水体中被高倍稀释而难以支持微生物的生长。
5、石油烃类的微生物降解一般处于中性pH值,极端的pH 值环境不利于微生物的生长。
它的效率和质量还取决于石油烃类化合物存在的数量、种类及状态。例如Chaineau 等用微生物处理被石油烃污染的土壤, 270 d 后发现, 75%的原油被降解； 饱和烃中, 正构烷烃和支链烷烃在16 d 内几乎全部降解; 22% 的环烷烃未被降解； 芳香烃有71% 被同化;占原油总重量10% 的沥青质完全保留了下来。一般而言, 各类石油烃被微生物降解的相对能力如下: 饱和烃> 芳香烃> 胶质和沥青。在饱和烃部分中, 直链烷烃最容易被降解; 在芳香烃部分中,二环和三环化合物较容易被降解,而含有5 个或更多环的那芳香烃难于被微生物所降解; 胶质和沥青则极难被微生物所降解。
结语：尽管微生物可以降解石油，可是目前为止还没有一种能在短时间内彻底降解石油的有效方法，所以在微生物降解石油方面的研究仍然任重而道远。但是随着现代微生物学和基因组计划的更进一步发展，更多微生物物种的发现和生物技术的应用，石油污染问题将会得到更有效的解决！
参考文献：《土壤和环境微生物学》 陈文新主编
《微生物降解有机污染物研究进展》 田雷 等.
《污染物生物降解》 金志刚 张彤 朱怀兰
从石油污染的土壤和水体中富集、分离到12株高效石油降解菌,各单菌株的降油率为40.3%～57.6%,其中O-8-3、O-28-2和O-46菌可耐受40℃的温度和1.5%的盐度.经初步鉴定,这3株菌分别为假单胞菌(Pseudomonas sp.)、芽孢杆菌(Bacillus sp.)和不动杆菌(Acinetobacter sp.).与单一O-8-3菌株相比,O-8-3/O-28-2/O-46混合菌株对石油的降解率可提高20.1%,可耐受石油类初始质量浓度从2000 mg/L提高到5000 mg/L.通过在实验室接种O-8-3/O-28-2/O-46混合菌株于生物反应器中处理胜利油田采油废水的试验结果表明,72 h内石油污染物的降解率达96.9%,比接种自然细菌群落的降解率提高了60.7%.
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