化学结构对生物降解性的影响在应用微生物学中的应用

1)一般规律

化学结构的微小改变都会影响生物降解性，例如一个取代基的变化、一个取代基位置的改变都会影响微生物代谢的敏感性。 但是，要总结化学结构对生物降解性影响的作用是比较困难的，能提出的一般性规律并不多。

下面简述化学品分子结构的改变对其生物降解性发生影响的一般规律，这些规律主要是在农药、表面活性剂及石油烃类降解性的研究中得到的。

（1）增加一个取代基团就会使有机物难以矿化或完全不能矿化

这种取代基团被称为异源基团，这种基团的生理作用特殊，或者完全没有生理作用。 例如，—Cl、—SO3H、—Br、—CN 或—OCH3 等基团在单环芳烃、脂肪酸或其他容易利用的基质分子中会大大增加该分子的抗性，使得大多数微生物不能降解它们。 —CH3、—NH2 和—OH 有时也可以成为异源基团。

（2）异源基团数目增加将使有机分子更难生物降解

例如，异源基团增加到2 个（相同或不相同）将会降低降解速度，增加驯化期；异源基团增加到3 个（相同或不同）将会使分子更抗生物降解，好氧生物降解需要有更长的驯化期。 —Cl、—OH 等取代基团就属于此列。

（3）异源基团的位置对生物降解产生显著影响

一些位置对生物降解性的影响不大，但另外一些位置可以急剧地降低微生物降解率。 由于不同的环境有不同的微生物区系，取代基团位置对生物降解性的影响在不同的地点可以是不相同的。 研究表明在某个位置上的取代基团在这个环境中可以加速降解，但在另一个环境中可以抑制降解。 因此取代基团的位置效应取决于微生物群体的特异性和环境条件。

（4）甲基分支对生物降解产生显著影响

高支链的烷基苯磺酸盐是一种持久性有机物，其结构是在苯环上的不同位置接有一个磺酸盐以及一个带分支的烷基侧链，烷基侧链上的分支降低其生物降解性。 由于使用这种洗涤剂造成严重污染，现在使用的洗涤剂不含较多的分支，也没有季碳原子，所以容易生物降解。

（5）烷基或脂肪酸基与苯环的连接位置也会影响生物降解性

例如苯氧基除草剂，如果苯氧基与脂肪酸连接在最后一个碳原子上容易降解，而在第一个碳原子上不容易降解。 4-苯基丁酸易被污水微生物降解，而2-苯基丁酸则具有抗生物降解性。但也有例外，有时芳香环与烷基连接点的位置不会影响降解性。(www.xing528.com)

（6）多环芳烃中含有的稠环越多越难生物降解

一般来说，三环的蒽、菲以及芘在好氧条件下比较容易降解。 但是，Wilcox 等报道，在潮间沙带，菲经过256 天消失，蒽和芘仍然存在。 其他四环和五环的PAH（多环芳烃化合物）比较难降解。

当然还有其他的化学结构特性会降低矿化速率。 但是一般来说，只靠一类化学品的一些现象就提出一般性规律很不客观。 而且，许多研究是在纯培养下进行的，尚不清楚这些情况是代表微生物群落的一般性规律，还是只反映供试物种的特殊性。

结构对生物降解性影响的一般规律不适用于能够降解难降解的异构体或类似物的单个种群。 这类种群的活动反映了稀有微生物种群的代谢潜力，它们的作用基质谱与原有的微生物区系十分不同。 有这样的情况，经过五氯酚驯化的样品，在驯化期生长的群体中能够很容易地代谢三氯酚和四氯酚，如果没有这种驯化将会是高度持久性的。

2)化学品的生物降解性预测

由于各种各样的化学品会对生态系统和公众健康产生不利影响，因此需要提出结构影响生物降解性的系统理论，这种理论能够在测试化学品以前就知道其降解性。 这种预测很重要:一方面，企业在合成新化学品并寻找用途时就需要知道其在自然环境中的残留时间；另一方面，管理机构在新化学品上市以前就需要知道其是持久性化学品还是非持久性化学品。 预测生物降解性有以下几种途径。

（1）生物化学法

依赖同先例物在生物化学方面相似性的比较。 比较测试化学品与已知代谢途径的基质和中间代谢物的相似性。 如果这种化学品与已知的基质和中间代谢物没有显著的差异，或者仅是一个异源基团的差异，可以推测这种分解会相当迅速。 如果这种化学品与它们有显著的差异，将会抗生物降解，因为需要有一系列酶系才能将合成的化合物分子转化为天然产物。

（2）物理化学法

利用化合物的物理或化学特性、分子结构特性进行预测。 这些特性有水溶性、熔点、沸点、分子量、摩尔折射率、密度和其他憎水性标识。 根据实验测定的物理、化学特性或化学结构分析，这种方法至少可以定性地预测降解性。 例如，某些化合物的生物降解速率与其碱水解速率常数相关，但是N-甲基芳香基氨基甲酸酯的生物降解性却不与这种非生物水解敏感性相关，甚至氨基甲酸酯水解的最初几步代谢也是如此。 在沉积物中的厌氧生物降解卤代芳烷化合物的速率与发生断裂的C—卤素键强度相关，因为这个键的断裂是微生物转化作用的限速步骤。

（3）分子拓扑学法

分子拓扑学主要研究分子的结构特征，如形状、大小、分支的存在以及原子与原子连接的类型。 分子拓扑学特别注意分子的连接性。 分子的连接性可以从化学品的结构式来断定，能用于判断几类化合物的生物降解性。 分解速率也与范德瓦尔斯半径（化合物取代基的属性）有关，例如酚类在对位时的几种取代基、苯胺在间位的几种取代基符合这个规律。