什么是生物降解?

[拼音]：shengwu jiangjie

[外文]：bio-degradation

土壤、水体和废水处理系统中的需氧微生物对天然的和合成的有机物的破坏或矿化作用。

生物降解的研究内容包括生物自身所具有的降解能力，有机物降解难易的规律，水溶性和非水溶性有机物生物降解的机理，以及生物降解的途径等。

有机污染物按生物降解可分为两类：

生物降解有机化合物的难易程度首先决定于生物本身的特性，同时也与有机物结构特征有关。结构简单的有机物一般先降解，结构复杂的一般后降解。具体情况如下：

（1）脂肪族和环状化合物较芳香化合物容易被生物降解。

（2）不饱和脂肪族化合物(如丙烯基和羰基化合物)一般是可降解的，但有的不饱和脂肪族化合物（如苯代亚乙基化合物）有相对不溶性，会影响它的生物降解程度。有机化合物主要分子链上除碳元素外还有其他元素（如醚类、饱和对氧氮乷和叔胺等），就会增强对生物降解作用的抵抗力。

（3）有机化合物分子量的大小对生物降解能力有重要的影响。聚合物和复合物的分子能抵抗生物降解，主要因为微生物所必需的酶不能靠近并破坏化合物分子内部敏感的反应键。

（4）具有被取代基团的有机化合物，其异构体的多样性可能影响生物的降解能力。如伯醇、仲醇非常容易被生物降解，而叔醇则能抵抗生物降解。

（5）增加或去除某一功能团会影响有机化合物的生物降解程度。例如羟基或胺基团取代到苯环上，新形成的化合物比原来的化合物容易被生物降解，而卤代作用能抵抗生物降解。很多种有机化合物在低浓度时完全能被生物降解；而在高浓度时，生物的活动会受到毒性的抑制，酚便是一例。

在水中溶解的有机物能否扩散穿过细胞壁，是由分子的大小和溶解度决定的。目前认为低于12个碳原子的分子一般可以进入细胞。至于有机物分子的溶解度则由亲水基和疏水基决定的，当亲水基比疏水基占优势时，其溶解度就大。溶于水的有机醇代谢开始时，羟基被氧化，醇便氧化为酸。在生物代谢中，酸是活化的中间产物，一部分酸被代谢为二氧化碳和水，所产生的能量使剩余酸转变为原生质的各种组分。不溶于水的有机质，其疏水基比亲水基占优势，代谢反应只限于生物能接触的水和烃的界面处。尾端的疏水基溶进细胞的脂肪部分并进行β－氧化。有机物以这种形式从水和烃的界面处被逐步拉入细胞中并被代谢。微生物和不溶的有机物之间的有限接触面，妨碍了不溶解化合物的代谢速度。有机物分子中碳支链对代谢作用有一定影响。一般情况下，碳支链能够阻碍微生物代谢的速度，如正碳化合物比仲碳化合物容易被微生物代谢，叔碳化合物则不易被微生物代谢。这是因为微生物自身的酶须适应链的结构，在其分子支链处裂解，其中最简单的分子先被代谢。叔碳化合物有一对支链，这就要把分子作多次的裂解。代谢的步骤越复杂，生化的反应就越慢，代谢作用的速度是由微生物对有机物的适应能力和细胞中酶的浓度决定的。

除上述脂肪族的β-氧化途径外，对环状化合物和多环芳烃的代谢途径一般有5种：

（1）在单一氧化酶的催化下氧化有机质。

（2）二羟基化，即有机物降解开始时接受两个氧原子形成两个羟基。

（3）在酶的催化下水中的氧原子作为羟基进入基质。

（4）在苯环裂解时必需双氧化酶催化，使苯核带上两个羟基取代物。

（5）对于带内酯的苯环裂解的代谢顺序是先形成内酯，然后水解内酯而达到苯环裂解。研究有机物的降解途径和形式，可为阐明微生物降解能力，以及为合成生物可降解的农药和难降解的防腐剂提供依据。

酚是构成芳香物的基本单元，是一种常见的有机污染物。酚类化合物是通过苯型化合物直接羟基化，需要一个氧分子进行羟基化和环的裂解反应，所以用微生物处理酚的废弃物，可以采用强烈曝气法。如果不曝气，在处理生活污水时酚将转化为难闻的氯酚。

多环芳烃污染对生物有致突变作用和致癌作用。因此引起人们的重视。微生物代谢多环芳烃的途径为顺式羟基化，即需双加氧酶的作用才能完成，而哺乳动物氧化这类化合物只要一个加氧酶就能完成。以后的反应有一种是加水作用产生反式二氢二醇。因此，微生物能氧化苯并(a)芘为顺式9，10-二羟基-9，10-二氢苯并(a)芘，能氧化苯并(a)蒽为顺式1，2-二羟基-1，2-二氢苯并(a)蒽，还能氧化联苯为顺式2，3-二羟基-1-苯基环己-4，6-二烯。微生物对萘、菲和蒽的降解途径与上述类似。

（1）研究自然环境中有机污染物和无机污染物的生物降解途径，寻找自然界中具有生物净化能力的特殊群体，探讨生物降解和污染物的相互作用关系，以便制定消除污染的措施。

（2）利用遗传学方法将多种有益的特性基因重组成具有多功能、高降解能力的菌株。

（3）利用酶的固定化技术制备成专一的或多功能的生物催化剂，以降解多种污染物。如将胰蛋白酶和核糖核酸酶吸附在硅胶或玻璃纤维上，以去除尘埃，阻留和溶化水中带病毒的粒子。又如将酶吸附在氧化铁粉末上，酶和污染物作用后，借助磁铁回收利用。

参考书目

I.C.Gunsalus et al.， Degradation of Synthetic Organic Molecules in the Biosphere (Natural，Pesticidal and Various Other Man-made Compounds），Proceedings of a Conference， San Francisco，June 12～13，1971.J.M.Sharpley et al.，Proceedings of the Third International Biodegradation Symposium，Applied Science Publishers Ltd.，London，1976.

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