生物降解-定义，微生物，因素，步骤

生物降解是一个自然过程，而生物修复是一个人为的生物技术过程。

这两个过程对于环境资源的清洁和循环利用都是非常重要的。

生物降解是指有机物的分解生物修复指有毒环境污染物分解成更简单的分子。这两种过程的共同因素是利用微生物进行分解复杂物质所需的化学反应。本文将深入了解这两个过程。

什么是生物降解?

生物降解是指在活微生物的存在下，通过生物催化还原将有机物或物质分解成更小、更简单的物质。

生物降解是生物介导的底物的任何变化或分解的总称。

生物可降解物质可以在有氧(有氧)或无氧(厌氧)条件下被微生物代谢降解。几乎任何生命体或非生命体都要经历生物降解。唯一的关键元素是问题分解的“持续时间”。欧盟制定了材料的生物降解标准，即在6个月内通过生物反应将90%的原物质降解为水、矿物质和二氧化碳。

这一过程是由细菌、酵母和真菌等微生物的代谢和酶作用引起的。根据物质和环境的类型，微生物遵循任何两种生物降解模式。它们是矿化和共代谢。矿化是有机污染物的完全降解，生物体利用物质作为碳的唯一来源来产生能量。而在共代谢中，可以观察到降解是通过添加生长底物作为碳和能量的主要来源来启动物质的分解。一些天然存在的微生物表现出良好的分解代谢活性，可以转化和降解各种化合物，如多氯联苯、碳氢化合物(例如。油)，放射性核素，金属等等。

生物降解被认为是去除任何复杂有机物的最有利和可持续的措施之一，通常被认为是在生态学、自然环境和废物管理方面。

可生物降解的污染物

自工业革命以来，随着生活水平的提高，许多剧毒有机化合物，如燃料、多环芳烃(PAHs)、染料、农药和一些合成化学物质，如放射性核素，被合成并释放到环境中，直接或间接地长期使用。这些有毒和复杂的化合物在释放到环境中后，本地植物很难轻易降解。下面提到一些有机污染物。

多环芳烃(PAHs)

碳氢化合物是由作为化合物主要功能单位的氢和碳组成的有机分子。它们在性质上要么是脂肪族(线性和分支化合物)，要么是芳香族(带有苯环的化合物)。脂肪族化合物包括烷烃、烯烃、炔烃，芳香族化合物包括苯环，如苯酚、甲苯等。

多环芳烃已被列为重要的有机污染物。疏水有机污染物这种物质很容易在沉积物、土壤和空气中找到。

它们自然地存在于汽油、原油和煤中。
它们可以通过燃烧煤和木材形成，也可以在高温下烹饪肉类时形成。
多环芳烃可以很容易地结合在一起，形成微小的颗粒，并在生物体中积累。
在美国，一种人造多环芳烃叫做萘被用来制造樟脑丸和其他化学物质。
吸烟也会向环境中释放许多多环芳烃。
它们可以积聚在鱼类和其他水生生物体内，并在食用海鲜时转移给人类。
在2003-2004年的NHANES(全国健康和营养检查调查)中，疾病控制与预防中心的科学家测量了2504名年龄在6岁以上的人的尿液样本，发现了10种不同的多环芳烃代谢物。
大量接触萘和空气中存在的其他多环芳烃会刺激眼睛和鼻腔，还会导致肝脏问题。

多氯联苯

多氯联苯被归类为人造化学品油状，无味无臭，颜色呈黄色。在世界各地的空气、水、沉积物和土壤中都有发现。

它们是化学性质非常稳定的混合物，高度耐高温，不易燃，并具有电绝缘性能。
由于这些特点，它们广泛用于液压和电气设备，橡胶制品中的增塑剂，以及染料中的颜料。
一旦在环境中释放出来，它们很容易通过空气和土壤长距离传播，使它们在大气中持续存在。
人类通常通过食用受污染的肉类、鱼类、乳制品、水果和蔬菜而接触到多氯联苯。
它们被吸收并储存在脂肪组织中，这可能导致癌症，并作为内分泌干扰物。
在美国，一家名为孟山都的公司以Aroclor的名义在商业上销售多氯联苯。自1977年禁用多氯联苯以来，食物链和环境中的多氯联苯含量一直在下降，因为它会对健康产生不良影响。

农药

农药的概念是针对病原体的有毒化合物的组合，对人类和动物等非病原体是安全的。它们属于一类化学品，包括除草剂、杀真菌剂、杀鼠剂、杀软体动物剂、植物生长调节剂、杀虫剂和杀线虫剂，用于调节杂草的生长、杀死害虫和预防疾病。

农药的使用提高了作物的产量，预防了病媒传播的疾病。
美国是世界上最大的贸易商、生产国和消费国之一。
农药对非目标生物造成严重的健康危害，因为它们易于脂溶性和生物蓄积性。
杀虫剂的使用导致浮游动物和浮游植物的数量下降
它们可能具有神经毒性和致癌性，并降低鱼类、无脊椎动物、昆虫、哺乳动物和两栖动物的生育能力。
经常使用它们可以增强对害虫的抵抗力，降低它们的毒性。
农药的生物降解主要是由土壤微生物将其作为食物来源进行的，而持久性异种生物被纳入环境，导致生物放大。

染料

它们应用于广泛的行业，如化妆品、纺织品、制药、橡胶制品等。

使用最多的染料是偶氮染料含有重氮化胺与苯酚或胺基团偶氮和单个或多个偶氮(- N=N -)基团。
微生物具有潜在的氧化还原酶和动态代谢能力，使它们能够使用含有复杂异种生物化合物的染料作为底物，帮助脱色受污染的场所。

放射性核素和重金属

原子具有高度不稳定的原子核，能够在辐射过程中传递过量的能量，在辐射过程中，它们经历放射性衰变以产生亚原子α或β粒子或发射伽马射线。放射性核素的微生物降解导致形成毒性更小和更稳定的化合物。

重金属，如砷、镉、铬等，不能像有机化合物一样被破坏，但可以转化为稳定的形式。微生物的作用机制包括:

Bioleaching-通过甲基化反应或有机酸排泄使重金属迁移
吸附重金属-细胞表面的金属吸收。
酶催化氧化还原反应。
以及细胞内重金属的积累。
提取可以通过从微生物样品中回收金属的沉淀物来实现。

微生物在生物降解中的作用及其影响

在自然界中，生物降解是一个自然过程，其目的是回收废物，将复杂和有毒的有机化合物分解成一种更简单的形式，可以被其他生物作为食物来源重复使用。微生物，如细菌、真菌和酵母，是在生物降解过程中最常见的物种。

菌株

细菌是生物降解过程中的关键生物，在任何地方都能很容易地分离出来。

属细菌菌株克雷伯氏菌,肠杆菌，芽孢杆菌，葡萄球菌，不动杆菌，而多属于烃降解类。短杆菌和假单胞菌物种，厌氧还原含硝酸盐化合物，已从石油污染的土壤中分离出来。
革兰氏阴性菌株属喜欢假单胞菌、气单胞菌属等，对芳烃进行生物降解。
细菌菌株的混合种群更适合降解污染物，因为它们可以很容易地共享与降解酶和途径有关的遗传信息。
PCB通过氧化还原和脱卤反应进行好氧和厌氧降解。PCB降解活性表现为革兰氏阳性(如。红球菌，芽孢杆菌，微细菌等)和革兰氏阴性菌株(属假单胞菌，鞘膜单胞菌，拉氏菌等)。
PCB降解包括这四种酶联苯脱氢酶，二氢二醇脱氢酶，2,3-二羟基联苯脱氢酶和水解酶。
杀虫剂如DDT(二氯二苯三氯乙烷)被菌株降解葡萄球菌和窄食单胞菌细菌，而“毒死蜱”农药降解细菌是Providencia stuartii．
谢瓦氏菌脱色被确定为一个单一的细菌物种，可以有效地去除偶氮染料。
重金属是通过一种异化金属还原过程转化的，细菌物种在呼吸反应中使用金属作为终端电子受体。Acidithiobacillus ferrooxidans这些细菌中含有高浓度的砷、镉、锌、钴和铜。

植物促生长菌(PDPB和PGBR)

这些细菌通常存在于植物体内、根部或根部附近。它们对植物无致病性，并有助于植物的生长和发育。植物和促进植物生长的细菌生活在互惠关系中，植物提供庇护和食物来源，而细菌反过来帮助代谢可被植物利用的有毒物质。

假单胞菌和Lysini杆菌显示出植物释放的多环芳烃降解活性。
属的菌株Luteibacter, Williamsia和Rhodobacter显示出污染土壤中PCB的降解活性。
Azospirillum lipoferum,从农作物根平面分离出来的一种农药，被观察到可以降解马拉硫磷。

真菌的物种

它们被认为是大气中重要的碳分解的主要微生物。它们很容易在低pH值和潮湿的地区生存。它们高度配备了特殊的细胞外多酶复合物，有助于降解天然高分子化合物。

在菌丝结构的帮助下，它们能够定植并容易穿透物质，帮助它们在菌丝体中重新分配营养物质。
真菌的降解机制涉及木质素等顽固性物质的循环利用。
甲苯降解真菌包括属于该属的氘菌属Exophiala, Leptodontium和Cladophialophora，和子囊菌菌株Pseudeurotium zonatum，利用甲苯作为碳和能源。
丝状真菌Cladosporium和Aspergillus表现出对脂肪烃的降解活性，而真菌属于Penicillinum,镰刀菌素,Cunninghamella降解芳烃。
黑曲霉显示出对多氯联苯的生物降解活性。
真菌通过主动摄取、转化和细胞外或细胞内沉淀等机制来解毒金属。例子包括Rhiloprzs arrhizus和黑曲霉。

酵母

酵母种类已被大量研究降解多芳烃并将它们用于能量依赖吸收系统。皮肤Trichosporum cutaneum，一种土壤酵母菌，被认为可以降解苯酚。

10到20个碳的烷烃被像脂质念珠菌，金黄色红酵母，耳诺念珠菌，和更多。
甲烷酸假丝酵母BP-6据报道，有些物种可能会分解苯胺等偶氮染料。
酿酒酵母，念珠菌，还有几种可以将增塑剂、杀虫剂、杀菌剂和多氯联苯(PCBs)转化为更简单的形式。
酵母菌菌株，如多形伞伞，长柄伞伞，毛红伞等，积累Cr、Co、Ni、Mg等重金属，并通过氧化还原反应还原金属。

转基因微生物(GMM)

转基因微生物是通过微生物的基因转移方法来改变遗传物质基因工程，比如DNA重组技术。转基因塑料显示出对各种化学污染物的生物降解能力增强的巨大潜力。

在生物降解应用中开发GMM需要记住的主要方面是:

酶的特异性和亲和性修饰。
代谢途径的调控与构建。
生物过程的开发、监测和控制。
生物报告器在毒性降低、化学传感和终点分析方面的应用。

为了在微生物中进行生物降解，升级的遗传模块和新的分解代谢途径的构建需要为每种有毒化合物单独的质粒。这些质粒被分为四类:

10月质粒-己烷、辛烷和癸烷的降解。
XYL质粒-降解甲苯和二甲苯。
凸轮质粒-樟脑化合物的分解。
不质粒-萘的降解。

基因工程微生物的例子包括:

GMM假单胞菌putida具有多质粒能力的超级细菌通常被称为超级细菌(吃油细菌)，它含有pKF 349(水杨酸甲苯)，pAC 25 (3-cne氯苯酸盐降解)，此外还有XYL, NAH, OCT和CAM质粒。
采用富营养化Alcaligenes eutrophus AE104 (pEBZ141)降解工业废水中的铬。
Rhodopseudomonas palustris它是一种重组光合细菌，用于废水中的汞去除。
利用GEM Achromobacter sp. LBS1C1和A. denitrificans JB1降解PCB(多氯联苯)。

在混合培养中，使用GMM菌株进行生物降解和生物修复会导致与野生型物种的竞争。必须通过适当的实地测试、生物安全性和减少对生态系统的潜在损害来克服围绕转基因mm释放到环境中的争议。

生物降解阶段

生物降解过程可细分为三个过程-生物变质，生物破碎和同化。生物变质是指复杂结构的机械弱化过程。在生物分解中，微生物分解有毒和复杂的化合物。在同化中，旧的结构被转化为新的化合物。

生物腐蚀

这一过程涉及到复合结构的机械、物理和化学弱化。非生物因素，如环境中的光、温度和化学物质，引发了这些变化。

Bio-fragmentation

结构弱化后，聚合物键的断裂导致低聚物和单体的转变。在好氧和厌氧条件下都能实现碎片化。化合物的有氧消化导致水、二氧化碳和简单分子的形成，这些分子被用作营养来源。厌氧消化减少了复杂物质的质量和体积，如天然气的生产。厌氧反应作为一种可再生能源被广泛应用于废物管理设施中。

同化

新形成的分子通过膜载体被微生物吸收。然后，分子被用作ATP(三磷酸腺苷)形式的能量来源或作为细胞结构元素。

影响生物降解的因素

材料的生物降解及其微生物降解速率受营养需求和土壤、水等环境因素的影响。降解的效率和速率取决于化合物的浓度、性质、生物利用度和物理化学性质。

环境因素

生物降解发生在地面，因此土壤类型和有机质可能会影响污染物在土壤表面的吸附和吸收。

土壤基质对污染物的吸收降低了微生物的生物有效性，从而降低了代谢分解的比例。
含水层基质饱和带和非饱和带孔隙度变化，影响地下水中流体运动和污染物迁移。
在含水饱和的细粒土壤中，二氧化碳、甲烷和氧气等气体的传输减少;因此生物降解过程变慢了。
微生物可以氧化具有氧化还原电位的土壤中的污染物，从而增加电子传递。这表明需氧条件下，因此低电子密度。
在厌氧条件下，土壤中可以观察到较高的电子密度，这表明微生物具有还原潜力。

生物因素

生物因素是代谢潜力，其中包括抑制生物降解任何污染物的酶因子。

酶活性的抑制可能是由于微生物之间对有限碳源的竞争或噬菌体和原生动物的捕食。
降解率还取决于环境中污染物的浓度，以及能够产生降解污染物所需酶的微生物数量。
污染物对特定酶的亲和性有助于有机物对污染物的快速代谢。
生物酶催化的生物降解反应的最佳pH值约为。6.5 - 8.5，温度和水分影响代谢率，可溶性物质的数量，和渗透压力在陆地和水生系统。

结论

这两个过程的最终目标是相同的，都是尽可能地清洁环境，实现可持续发展的目标。自从工业化和技术进步开始以来，人类一直在向环境中释放有毒化学物质。这些有毒化合物已成为污染物，已被证明对人类健康和整个生态系统有害，极大地影响了自然的平衡。为了遏制这种情况，大自然一直在通过生物降解利用微生物代谢这些有毒化学物质来清除废物。微生物表现出将合成化合物转化为稳定形态的超强能力和特殊的消化机制。微生物利用这些污染物作为碳源，从而获得能量，进而清洁生态系统。

读也:

参考文献

生物降解:涉及微生物和基因工程微生物- https://www.intechopen.com/chapters/45093
生物降解:更新受污染含水层微生物清理控制概念- https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5b00715
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农药生物降解:机制，遗传学和策略，以加强过程- https://www.intechopen.com/chapters/45111
杰米，Radia和Romana Siddique。微生物对纺织废水合成染料的生物降解:一种环境和经济上可持续的方法。欧洲微生物学与免疫学杂志9.4(2019):114-118。
从废物、土壤和材料中去除和回收放射性核素和有毒金属- https://www.osti.gov/biblio/10191371