化学品的生物有效性与生物降解：应用微生物学原理与技术

有些物质在任何环境下都不能生物降解，例如许多高分子聚合物就是这样。 许多物质是可以生物降解的，但在一定条件下不能降解。 可以生物降解的物质变为不能生物降解的原因很多，其中一个很重要的原因就是生物有效性。 基质以不容易被微生物利用的形式存在，会限制对污染地点的生物修复。

化学品的生物有效性与化学品的一些固有物理、化学特性有关，如化学品的水溶性、辛醇-水分配系数、挥发性或以非水溶相液体存在等。 生物有效性也与周围的环境条件有关，如与周围环境发生吸着作用、螯合作用；被包埋于土壤、沉积物或含水层的基膜中与微生物隔离而不能被生物利用。

1)化学品的溶解度和辛醇-水分配系数

（1）溶解度

化学品在水中的溶解度是其环境转归的一个重要参数。 具有较高溶解度的物质迅速被水分散，水生生物对这些物质的生物积累也相对较小，土壤和沉积物对这些物质的吸附系数也较低，同时也比较容易被微生物所降解。 其他的降解途径（如光解、水解、氧化）和特殊的迁移途径（如挥发、吸附等）也受溶解度的影响。

化学物质的水溶性（饱和溶解度）指在一定温度下，该物质溶解在纯水中的最大质量。 在此浓度以上时，如果该物质是液体或者固体，则在此温度下，将存在两相，即一个饱和的水溶液相和一个固体或者液体有机相。

水溶液的浓度通常用质量比（g/kg）或质量/体积（mg/L）以及物质的量浓度（mol/L）表示。 一般有机物在室温下溶解度为1 ～100 000 mg/L。 有些有机物溶解度极低，但有些化合物溶解度较高。

影响溶解度的因素很多，主要有以下一些。

①温度。 在多数情况下，随温度升高溶解度增加，但有的相反。 如苯的溶解度随温度增加而增加（一般室温），但对二氧苯的溶解度则减少。 还有些物质，温度升高溶解度既可增加也可减小，例如2-丁酮在80 ℃以上，溶解度随温度升高而增大，在-6 ～80 ℃，溶解度随温度升高而减小。

②盐分。 水中的盐类和矿物质导致溶解度下降。 例如，几种多环芳烃（如萘、蒽、 联苯）在海水（含NaCl 35 g/L）中的溶解度低于淡水30%～60%。

③溶解的有机质。 许多研究表明，如果存在溶解的有机质（如河水和地表水中自然存在的腐殖酸和灰黄霉素），可导致许多有机质溶解度升高。 例如，将某河水除去溶解的有机质，会导致原溶解的正烷烃和异戊二烯烃的量减少55%～99%。 溶解度下降与去除溶解的有机质有直接关系，然而芳烃的溶解度不受其影响。 另一研究表明，在土壤中，含量为1 mg/L 的腐殖酸将使DDT 的溶解度增加20 ～40 倍。 表面活性剂也可增加有机物的溶解度。

④pH 值。 H +浓度可影响有机物的溶解度。 pH 值增大，有机酸的溶解度增高，有机碱则相反。 中性有机物（如烷烃或氯代烃）的溶解度也受pH 值的影响。 某些化合物在pH ＞8 时，溶解度明显升高。

（2）辛醇-水分配系数

有些有机物在水中的溶解度不高，但在有机溶剂中的溶解度却很高。 有机物从水相（极性）进入有机相（非极性）的分配取决于有机物及分配体系的特性。 这种分配特性用辛醇-水分配系数（Kow）表示。 辛醇-水分配系数定义为平衡条件下某一化学品在辛醇相与水相中的浓度之比。(www.xing528.com)

2)非水溶相液体的生物降解

在污染地点有许多污染物是以与水不混溶的液体形式存在，这类污染物的生物有效性降低。 这种与水不混溶的液体称为非水溶相液体（non-aqueous phase liquids，NAPL），以环境污染物的形式存在于含水层、土壤、沉积物以及海洋、河口和淡水的表层。

（1）非水溶相液体的微生物降解

低水溶性芳烃也可以被微生物分解。 例如，土壤中的蒽、菲能被微生物分解；在纯培养中，PAH 中的萘、菲可以作为细菌生长的碳源。

（2）影响非水溶相液体生物降解的因素

有许多因素影响NAPL 中各个组分的降解。 这些因素包括微生物区系的固有转化能力；NAPL 的黏度、毒性；NAPL 和水相之间的界面面积；比关注的特定化合物更容易降解的其他组分的存在；生长阈值等。

另外，如果关注的特定化合物只能共代谢转化，但是在NAPL 中有支持共代谢微生物生长的组分，这种化合物会很容易降解。

（3）微生物利用非水溶相液体的机制

有3 种机制解释微生物是怎样利用NAPL 中的化合物:

①仅利用在水相的化学品，化学品分子通过自发分配进入水相。 化学品的降解取决于自发分配进入水相的速率。

②微生物分泌的产物能将基质转变为直径小于1 μm 的液滴，然后再被微生物同化。 由于颗粒或液滴很小，有时这个过程称为“假增溶”。

③细胞直接和NAPL 接触，群体在NAPL 表面发展，靠近细胞的化学品穿过细胞表面进入细胞质。