多氯联苯污染及其生物降解途径

“环境生物学”课程专题总结环境科学专业092100091陈军12一、多氯联苯的概述2PCB分为三氯联苯(PCB3)、四氯联苯(PCB4)、五氯联苯(PCB5)、六氯联苯(PCB6)。分子式：C12H10-xClx。分子量：PCB3：266.5；PCB4：299.5；PCB5：328.4；PCB6：375.7多氯联苯(PolychlorinatedBiphenyls，PCBs)1234566'5'4'3'2'1'31、PCBs的用途PCBs是一种无色或淡黄色的黏稠液体；1881年首次在实验室合成，具有化学性质稳定，隔热和润湿性能好，阻燃和绝缘性能优良；广泛应用于电力变压器、电容器等设备中；在润滑油、油漆、墨水、泡沫乳胶、玻璃纤维和防水化合物等工业产品中有一定含量。1929年大规模生产；1970-1980年间虽被多国禁用，但据估计现在仍有120万吨的PCBs在环境中存在。3442、PCBs的全球分布53、PCBs的不良性能PCBs属半挥发或不挥发物质，具有一定的腐蚀性；具有难降解性、生物蓄积性和远距离迁移性；具有免疫学毒性、神经毒性、致畸、致突变和致癌性，对人类健康危害极大。5PCBs其毒性主要表现为：影响皮肤、神经、肝脏，破坏钙的代谢，并有慢性致癌和致遗传变异等的可能性。eg:1968年，日本“米糠油中毒事件”造成1000多人中毒，l6人死亡，几十万只鸡病死；PCBs对脂肪具有很强的亲和性，易在脂肪层和脏器累积而几乎不被排出或降解。含氯原子愈多，愈易在人和动物体中蓄积，愈不易排泄，毒性就愈大。进而通过食物链浓缩产生积累性中毒。eg:在鱼类体内浓度累积到几万甚至几十万倍。62001年5月23日签署的瑞典斯德哥尔摩“控制持久性有机污染物”国际公约中，PCBs成为首批被控制的12种持久性有机污染物(PersistentOrganicPollutants，POPs)之一，因此,PCBs近10年来一直是环境科学研究的热点之一。64、全球对PCBs的关注艾氏剂、氯丹、DDT、狄氏剂、异狄氏剂、七氯、灭蚁灵、毒杀芬、六氯代苯、多氯联二苯、二恶英和呋喃。7二、多氯联苯的处理方法1、封存法将已生产和使用的含PCBs的废变压器油封存在专门的仓库里，深埋在水泥池子里或储藏在偏僻的山洞中，以待集中处理。缺点：不能从根本上解决PCBs的污染问题，而且由于外壳腐蚀出现的渗漏现象，环保隐患依然存在。782、高温处理法分为简单焚烧法、熔融介质法、等离子体法等。（1）简单焚烧法通过加入大量的燃料和溶剂几秒钟内升温至1200～1600℃进行焚烧转化为其他化台物。缺点：焚烧条件极为苛刻，设备造价高，要消耗大量的燃料和电能，尾气要求净化或进行二次焚烧；只适用于处理大量、高浓度的PCBs，易造成二次污染（270～400℃极易生成二恶英）。（2）熔融介质法用金属、无机盐等介质代替普通焚烧中的空气作为传热及反应介质来焚烧废物的方法，由于反应在还原条件下进行，不产生二恶英等物质，排出气体比简单焚烧好。缺点：大量尾气或废渣需处理，费用较高，难推广使用。89（3）等离子体降解利用等离子体作为热源在高达5000～15000℃的高温下使有机物彻底分解为原子态，冷却后，最终产物为水、二氧化碳以及一些水溶性的无机盐，降解率可达99.99％以上。缺点：复杂的设备及高达每吨4000～8000美元的昂贵费用限制了它的推广应用。9103、化学脱除法一定条件下，将试剂与PCBs反应、使之脱氯生成联苯化合物或其他无毒、低毒的物质。主要包括金属还原法、氢化法、硫化还原法以及氧化氯化法等。优势：可以彻底处理废物，而且设备简单。缺点：工艺复杂、处理效率低。114、生物处置法(1)植物根际修复法利用植物与根际微生物的相互作用来降解PCBs，具有成本低、无二次污染、可大面积推广应用等独特优点是目前最具潜力的土壤修复技术之一。两种策略：直接植物修复与体外植物修复。直接植物修复——通过植物对土壤中PCBs进行直接吸收；体外植物修复——植物可释放一些酶等物质到土壤中降解PCBs。（2）好氧微生物降解法1973年自Ahmed和Foeht于首先发现了可以降解单氯和双氯联苯的菌株以来，至今已筛选到上百种多氯联苯的降解菌。绝大部分的好氧细菌都以共代谢过程降解PCBs，而且只能将5个氯以下的低氯含量的PCBs氧化为氯代苯甲酸。11121213（3）厌氧微生物降解法通过催化还原反应把PCBs从高氯转化为低氯或无氯的物质，进而降解。厌氧降解速率与氯化程度成正比。厌氧脱氯共性特点：①脱氯过程需要诱导酶催化；②诱导酶具有底物专一性；③脱氯微生物在共生群落中执行脱氯功能并依赖于群落；④脱氯微生物在从还原脱氯过程中获得代谢能量。目前已经分离到的厌氧菌株：Desulfomoniletiedjei，Desulfitobacterium，Dehalobacterrestrictus，Dehalospirillummultivoram，Desulforomonaschloroethenica，Dehalococcodesetrtenogenes．EnterobacterMS一1和Enterobacteragglomerans。1314厌氧微生物脱氯反应15（4）基因工程菌及真菌从自然界中筛选的PCBs降解菌株有很多缺陷，可通过基因构建的方法改造已有的降解菌株以提高其修复效率。eg：利用假单胞菌LB400中2,3-联苯双氧酶，2,3-二氢双醇脱氢酶，2,3-二羟联苯-l,2-双加氧酶及2-羟基-6-苯基-2,4-二烯水解酶的基因构建重组菌株,可降解较宽范围的PCBs同系物。（5）厌氧-好氧的联合降解由于还原脱氯难度随氯原子取代数目的下降而增加，而氧化酶随氯原子数目的下降越来越容易从苯环上获得电子进行反应。因此，利用厌氧微生物还原脱氯生成低氯联苯，再由好氧微生物氧化分解。151616五、微生物降解联苯的代谢途径微生物降解联苯的特性与联苯分子结构有直接关系。开环过程两种酶非常关键，即芳环羟基化加氧酶和芳环断裂双加氧酶。联苯降解与其它芳香族化合物的降解过程类似，都要经过开环的过程。1717Ahmed等提出，联苯类化合物的生物降解是由双加氧酶攻击2,3位碳所引起的。从1973年，Gibson等研究拜叶林克氏菌属(Beijerincksasp.)发现，联苯能被氧化成二氢二羟基联苯。典型的联苯降解途径：①联苯双加氧酶(BphA)：催化联苯产生2,3-二氢二羟基联苯，一般在2,3位加氧，有时也在3,4位加氧；②2,3-二氢二羟基联苯脱氢酶(BphB)：催化为2,3-二羟基联苯；③2，3-二羟基联苯1,2-双加氧酶(BphC)：通过间位断裂生成黄色的开环化合物2-羟基-6-酮基-6-苯基-2,4-己二烯酸(HOPDA)；④水解酶(BphD)：降解成只有一个苯环的苯甲酸，再降解为中心代谢物。1、2，3-双加氧酶途径图示的途径对PseudomonasputidaLB400以及许多其他细菌都适用。微生物降解联苯有两条途径：2,3-位加氧和3,4-位加氧，以前者居多。1818联苯羟基化双加氧酶铁氧还原蛋白铁氧还原蛋白还原酶终点加氧酶含有一个[2Fe-2S]簇电子转移黄素蛋白或铁硫黄素蛋白。作为电子传递链由亚基α和β组成共同影响底物特异性。2,3-二羟基联苯双加氧酶不需辅助因子将羟基化的底物开环具有不同的底物特异性，相互之间没有同源性。两个重要的限速酶1919Bedard等发现真养产碱菌(Alcaligeneseutrophus)H850的联苯降解机理可能是3,4-双加氧酶途径；1,2-二氢-1,2-二羟基萘脱氯酶可以将3,4-二氢-3,4-二羟基联苯和3,4-二氢-3,4-二羟基-2,5,2,5-四氯联苯分别转化为3,4-二羟基联苯和3,4-二羟基-2,5,2,5-四氯联苯。Pseudomonos．spNCIB10643降解联苯的最终产物为苯甲酸；降解基因位于质粒上的联苯降解菌Pseudomonosputida的代谢产物中存在3-羟基苯甲酸和肉桂酸，以及某些放线菌将联苯转为单羟基联苯和2,2-二羟基联苯。说明开环位置是联苯结构的3，4位C-C键。2、3,4-双加氧酶途径及其它途径20六、降解PCBs存在的问题尽管生物降解PCBs方法有很多，但大多限于实验室阶段。原因：①降解PCBs的酶不仅可转化PCBs和它的代谢物，也能降解其它类似的物质，如多环芳香族化合物，在PCBs不是唯一碳源和能源的污染地降解菌就增加了选择；②对PCBs降解的了解多限于实验室纯培养的微生物和单一的PCBs同系物，但大多数的微生物是不能被培养出来的，因此不能确定现在已知的能降解PCBs的微生物就是典型的降解菌；③投放的工程菌往往会因不适应环境而数量减少或被固有菌产生的抗菌物质所抑制；④污染物在自然环境中的代谢是经由若干群落个体之间代谢物质的交换，碳素流调节的复杂代谢网络形成的。2021七、课题关联1、研究目标从在苯酚、三氯苯酚和三氯联苯等含芳烃物质环境驯化的污泥中分离出多株微生物菌株，测定各自的关键降解酶特性，依据降解机理、耐受浓度、挂膜性能及生态互补等原则建立高效协同的芳香类污染物质的生物降解体系，并进一步将该体系应用到生物反应器完成降解动力学特征测试，从而建立起一种新的芳香类污染物质的生物降解工艺。21222、实验思路（1）芳烃降解微生物的分离；（2）分离菌株降解酶系分析；（3）纯菌株降解性能定量测试；（4）菌株降解能力生态组合设计；（5）混合菌群降解性能优化；（6）共代谢对生物降解性能促进影响；（7）复合菌系的反应器运行；（8）芳烃降解动力学分析。23参考文献[1]刘明阳,刘建华,张馥.我国有机氯污染物污染现状及监控对策[J].环境科学与技术,2004,27(3):108-110．[2]高军,骆永明.多氯联苯(PCBs)污染土壤生物修复的研究进展[J].科学，2005，11-21，19-03．[3]艾尼瓦儿,王栋,周集体.降解多氯联苯的微生物特定研究进展[J].上海环境科学,2000,19:519-522．[4]贾凌云,付彦,杨凤林.生物降解多氯联苯的研究进展[J].现代化工，2002,22:24-37．[5]杜翠红,周集体,王竞等.难降解芳香烃生物降解及基因工程菌研究进展[J]．环境科学与技术,2005,28(1):24-26．[6]姚瑁,赵野,何苗．共代谢对难降解有机物生物降解性能的影响[J]．环境科学与技术,2006,29(3):11-12．……2324