抗生物降解物在应用微生物学中的作用

有些有机物，无论分子大小，能在环境中存留相当长的时间，因此认为这些物质的分子可以抗生物降解（recalcitrant），将其称为顽固性分子或难降解分子。 这类物质对环境生态系统和人类健康造成的影响有以下几方面。

①具有毒性，会影响人类、家畜、农作物、野生生物以及微生物的生长繁殖。 在自然界中存留的时间越长，对敏感个体、群体暴露越大，危害风险越大。

②在自然界中浓度较低时可能不具毒性，但经食物链生物放大可以达到危害水平。

③高分子聚合物有些虽没有毒性，但由于不能降解，到处飘飞，破坏景观，增加处置费用，占据填埋空间。

④既容易移动又难降解的化合物容易迁移到尚未受污染的地点，增加了危害的风险。 一般来讲，易迁移易降解的化合物危害风险较少。

1)抗生物降解分子的种类及其来源

抗生物降解分子有的分子量低，有的分子量较高，有的是高分子聚合物。 环境中的抗生物降解分子来源于农药的使用和生产、运输过程中的泄漏、未经处理工业废水的排放、固体性抗生物降解物质的弃置。 人工合成的化合物在废水的二级处理过程中、自来水厂的加氯处理过程中或化学品在自然界的生物作用下也会转变为抗生物降解分子。 除与人工合成有关外，抗生物降解分子还会自然产生，例如土壤中的有机质分解就十分缓慢。

为了叙述方便，现将它们分成小分子合成化学品、高分子聚合物、合成化学品的代谢产物和天然有机物4 类来讨论。

（1）小分子合成化学品

抗生物降解的合成化学品有多种。 PCB 是抗生物降解物质中最重要的一类物质，曾被广泛用作变压器和电容器的绝缘油以及溶剂和增塑剂。 含多个氯原子的PCB 具有很高的持留性，20 年前污染的沉积物至今仍然有较高的含量。

合成化学品在水中的持久性是十分重要的问题。 比较典型的例子是发现地下水中有来源于污水厂二级处理出水的各种各样的氯乙烯、烷基苯以及壬基苯异构体等污染物，其中有些污染物在含水层中持留了30 年以上。 壬基苯可能来源于某些洗涤剂中的聚乙氧基壬基苯表面活性剂。 对饮用水和河水样品的分析也表明合成有机物分子的存在。 在河流底泥中检测出四氯萘、五氯萘、六氯萘和七氯萘，这些工业化学品会长期存在。

（2）合成高分子聚合物

现代社会消费着大量的有机合成聚合物，如各种包装材料、纺织品（服装、装饰品）、工业绝热绝缘材料等。 国家的现代化程度越高，对合成聚合物的消耗越多。 垃圾中的这类高分子聚合物主要用于一些包装材料，如聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯，它们占很大的体积，由于不能生物降解，处理的垃圾体积也不会减少，给城市垃圾处理造成很大负担。 它们影响了自然和城市景观，公路两旁、铁路沿线、公园、树林废弃的包装材料到处可见，极为影响观瞻。 海洋生物因为吞食了从轮船和沿岸丢弃的塑料包装袋而堵塞肠胃，最后死亡。 在那些不能生物降解的高分子量聚合物中，往往含有一些低分子量的增塑剂（如邻苯二甲酸酯类、磷酸酯类）和稳定剂（如二苯基硫脲）等，这些物质很容易受到微生物的分解。

社会对生物降解塑料的需求促使一些公司生产据称是可生物降解的塑料。 但事实上这些所谓可生物降解产品大多依然是不可生物降解的。 往往是在这类产品中掺入淀粉或明胶，一旦淀粉或明胶分解，产品就断裂成碎片，但原有的高分子聚合物并没有根本的改变。 也就是说改变了产品的物理结构，但并没有触动合成聚合物的化学完整性。

（3）合成化学品的产物

有些合成化学品原来是可以迅速降解的，但是经过细菌和真菌的转化，其产物有些是抗生物降解的。 含氯杀虫剂艾氏剂和七氯在土壤中经微生物作用，转化为对应的环氧化物即狄氏剂和环氧化七氯（也是杀虫剂），母体化合物在土壤中消失，但产物仍在土壤中长期存留。

（4）天然有机物

抗生物降解分子不仅限于人工合成的有机物，也有不少是天然有机物，这些有机物质分解十分缓慢，可以是几年、几十年甚至几百年、几千年或更长。 除了在化石、沉积岩和煤中含有天然有机物，在湖泊和海洋的沉积物中也有大量的有机体残骸。 根据放射性碳断代技术，土壤中有些腐殖质成分可以持留几百年至几千年，在泥炭沉积物中有机质可以经历几万年而不被微生物分解。 长链正烷烃在好氧微生物作用下容易降解，但在土壤和海洋沉积物中可以持留几千年。 土壤中的这些有机质支持了土壤微生物群落的活动，它们对人类和生态系统是有利的。

2)抗生物降解机制(www.xing528.com)

尽管微生物有各种各样的分解作用，但并不是无所不能，自然的微生物区系并不能分解所有的有机物分子。 换言之，不是所有的有机物分子都能被代谢。 有机物的抗生物降解机制可以从3 方面进行考虑:一是分子的结构特点；二是活微生物的生理特点；三是化合物所处环境的特性。

（1）降解抗生物降解分子的微生物不存在

当今时代新的化合物不断涌现，但新的酶系的出现远远落后于新化合物的出现。 酶对其作用的基质分子有相当的特异性。 尽管生命进化了几十亿年，但是能够进行分解代谢的途径也只有有限的几条。 分解代谢重要的酶系是在微生物遭遇到基质以后漫长的过程中逐渐进化发生的，而不可能一遇到新合成的基质就发生。 如果不存在代谢某种化合物特定的酶，那么转化这种分子的微生物也是不存在的。

（2）对细胞的不可透过性

如果催化某类化合物降解的酶只有胞内酶，而需要降解的基质又不能穿过细胞膜进入细胞内，那么这个反应将不会发生。 一般大分子代谢的最初几步都是由胞外酶催化，如果不存在胞外酶，基质又不能进入细胞，这种基质就成为抗生物降解物质。 由于细胞表面存在透过性屏障，即使胞内酶特异性较低，也不可能和潜在基质结合。 细胞膜的透过性不仅由分子量决定，还与分子形状和其他特性有关。 细胞的不可透过性可以解释为什么高分子量聚乙烯是抗生物降解的，而低分子量聚乙烯是可代谢的，因为分解“—CH2—”链的酶全部都是胞内酶。

（3）酶的活性部位与基质特定部位的不可接近性

酶的特定部位，即活性部位必须和基质的特定部位结合才能发生反应。 如果这个位置不可接近，也不可能发生转化反应。 有些化合物，例如烷烃或长链脂肪酸，降解作用发生在分子末端，其分子末端必须是可以接近的。 不可接近性可能是由于较长的分子末端发生折叠卷曲的结果，这也许是某些高分子聚合物抗生物降解的原因。 另外一些化合物可能是受其所含取代基团的保护，通过位阻防止酶在特定位置作用。 大分子可能有广泛的交联作用，掩盖了酶需要结合的基质的特定位置。

（4）不能对必要的酶进行诱导

催化反应的酶系可以是组成酶，也可以是诱导酶。 很多生物降解的最初反应通常需要诱导酶，但有时条件不适于诱导作用的发生，反应不能进行。 生成诱导酶需要诱导物，通常的诱导物就是底物本身。 但是，有时在水相中基质或其他的诱导物浓度太低而不能使酶合成。

（5）共代谢

如果对基质作用的微生物生物量太小，而且这种基质只能被共代谢，这样微生物量不会增加，将保持缓慢的转化速率。 相反，如果是与生长相关的降解，在经过一段停滞期以后可以迅速转化。

（6）环境因素

有些化学品的抗生物降解特性不是因为其固有的特性决定的，而是由于某些环境因素阻碍了这种化学品的迅速分解。 如果能满足它们的环境条件，微生物便迅速生长，化学品就会很快分解。 微生物生长需要营养物质（无机盐、水、氧气或其他电子受体），共代谢微生物还需要其他有机碳源和能源，不含有毒物质和抑制剂（如重金属、有机毒物、高浓度盐、 pH 值过高或过低）。

（7）基质的生物有效性

基质的生物有效性是决定抗生物降解作用的重要因子。 由于环境中颗粒物的吸附作用以及微环境中的隔离作用，使得细菌或真菌不能同基质接近。 可以观察到这样的情况，即在有机化合物加入土壤的前几个月降解速率比较高，之后降解速率降低，后来的几年中有机化合物的浓度都没有什么改变。 这可能是隔离作用降低了微生物对基质的可利用程度，这就是分子“陈化”。 例如，对硫磷实际上可以很快降解，但将浓度为0.1%的这种农药施用到土壤中，16 ～20 年后仍然可以检测到。

（8）阈值

在环境中存在的化合物浓度低于生长阈值也会使这种化合物变为持久性的。 在某些水环境中有些污染物会低于阈值浓度，在这样低的浓度下会阻碍微生物代谢基质。