第七章1可降解塑料的生物合成

第七章农药及其它危险性化合物的微生物降解第一节微生物降解理论基础一、概述人工合成的化学物质越来越多目前已登记的化学物质已经达到600多万种每年以很快的速度增加；多数对生物具有毒害作用。由于这些化学物质对人有致畸、致突变和致癌作用，故称为危险性化合物（hazardouschemicals）。理论上，微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制，但是由于：新合成的化合物结构新颖；微生物对这些化合物无降解机制因此，新的化合物往往对微生物的降解表现出抗逆性。环境微生物学工作者的任务从特定环境中分离纯化得到某些具有特定降解能力的微生物纯培养；驯化出降解某些污染物的微生物菌株，使其降解能力更强大；通过基因工程手段来改造微生物以使其具有特定的降解能力。通常，任何有毒物质在混合培养条件下的速率均快于单个菌群的降解速率为什么要研究单个的、纯化了的微生物菌株，并研究其特点？1.微生物本身的特性必须清楚：生理生化、遗传、降解能力；2.降解机制、代谢过程。二、微生物群落的生物降解功能1、提供特殊营养物质主要是生长因子类物质：Stirling等人（1976）从环己烷上富集分离得到的微生物群落：假单孢菌属(Pseudomonas)诺卡氏菌属(Nocadiasp.)产生出生长素Nocadiasp.才具备降解环己烷的能力用甲烷生产单细胞蛋白CH3CH2OH2.去除生长抑制物质抑制CH4SCP假单孢菌生丝微菌CH3CH2OH该群落中的其他菌为：黄杆菌、不动小杆菌3.改善单个微生物的基本生长参数微生物之间构成了类似食物链的关系如降解黑苔酚的3种细菌之间的情况黑苔酚假单孢菌中间代谢产物扩展短杆菌、短小杆菌其他代谢物4.对底物的协调利用单个微生物对某种物质无降解能力，但混合后则能够降解该物质。除草剂茅草枯的降解混合菌株的降解率比单个菌株的降解率高20%。Arthrobactersp.节杆菌属杀虫剂二嗪哝的降解二嗪哝Streptomycessp.链霉菌属Arthrobactersp.Streptomycessp.被降解5.共代谢（co-metabolism)共代谢是指生长底物和非生长底物共酶的现象。生长底物是能被微生物用作为唯一碳源的物质。共酶现象是指一些污染物（非生长底物）不能作为微生物生长的唯一碳源，而只能在生长底物被利用时，通过微生物产生的酶，将该污染物转化为不完全的氧化物。6.电子转移两种紧密结合的产甲烷菌群落（methanobacillusomelianski）：CH3CH2OHCH3COOH+H2产氢产乙酸菌CO2+H2CH4产甲烷菌7.提供一种以上初级底物利用者有一种以上初始利用者存在，每个初始利用者都能完全代谢底物。一类降解除草剂Fermon(N,N-二甲基-N-苯基脲)的微生物群落，包括3种Corynforms菌、1种假单孢菌和一种产碱菌(Alicaligenessp.)，它们均能够单独降解Fermon。混合培养菌株的降解能力大大高于单个菌株的纯培养。第二节农药污染与微生物的作用第二次世界大战后，化学农药得到迅速发展，至1981年，全世界的农药制剂已达10000种以上，归属于600多种化合物。统计显示，我国农药的使用量已达50~60万t/a。作用巨大，风险犹存。一、农药的使用及对土壤的污染二、农药在土壤中的持留性持留时间长，控制病虫害和杂草的效果则愈好；但对土壤和环境的污染也越严重。选择防治效果佳、持留时间短的农药，既可以有效防治病虫害，又不致污染环境。化学农药在土壤中的持留性1.取决于农药的化学特性：容易分解的农药，在土壤中的持留时间短；性质稳定的则持留时间长。2.农药持留性通常用农药的半衰期表示，也可以用消失75%~100%的时间表示。表3-11部分有机氯杀虫剂持留的时间长，有机磷杀虫剂持留的时间短。氯代烃类杀虫剂多稳定地长期残留于土壤中，如DDT，六六六、七氯、毒杀芬等和某些除草剂，如西玛津。氯代烃类农药的半衰期一般为2~5年，是危害环境的主要类型之一，我国已经停止生产。有机磷杀虫剂虽有剧毒却很易降解，不会造成残毒的危害。农药的持留性与其化学结构密切相关一般来说，具有易失去电子的取代基(如-OH、-COOH，-NH2)的芳香族化合物要比具有易获得电子的取代基(如-NO2、-SO3H、卤代基)的芳香族化合物更易于氧化代谢。根据物质结构，各种有机化合物的降解性能可以排成如下顺序：脂肪酸有机磷酸盐长链苯氧基脂肪酸短链苯氧基脂肪酸单基取代苯氧基脂肪酸三基取代苯氧基脂肪酸硝基苯氯代烃类。三、农药对土壤微生物的影响与农药本身的特性有关；受土壤-气候条件，农作物种类，土壤耕作，施肥技术、采样的方法和时间，微生物分析和化学分析等因子的影响。表3-12部分Wainringht认为，各种除草剂，如苯氧羧酸类(2,4-D，2甲4氯)，氯代醋酸衍生物(三氯醋酸钠)，取代脲类(敌草隆，灭草隆、利谷隆、草不隆、莠谷隆)，三莠氯苯类(西玛津，阿特拉津、扑灭净、扑草净)等的常规用量对腐生真菌、细菌和放线菌的数量和种类组成都没有明显的影响，但取代脲类和三氮苯类能抑制藻类的发育。酚类除草剂(五氯酚钠、二硝基磷甲酚)对土壤真菌、硝化细菌和好氧纤维分解菌有抑制作用，对其它腐生细菌没有明显影响。稻田施用五氯酚钠后，常刺激作物产量的增加，这可能与它对硝化作用的抑制、减少氨态氮的转化，从而延长肥效有关。安全系数(SC)：能使某类微生物数量下降50％的化学农药的浓度(LC50)和实际使用浓度（mg/kg土）之比。系数愈大愈安全，系数愈小愈易造成药害。系数小于1时，对各类土壤微生物都有抑制作用。农药安全系数(SC)生物学过程或微生物草甘膦乐果地亚农莠去津灭草隆福美双威百亩土壤呼吸硝化作用氨化作用纤维素分解腐生细菌腐生真菌腐生放线菌微小藻类根瘤菌100100100100100100100100-1001--100100100100-10010010010022315100-1001001001001001001001100100121001001001001000.33.010010030191034-110.0l-0.10.20.010.10.10.01表3-13通过土壤微生物估计化学农药毒性的安全系数(SC)四、微生物转化农药的生化反应1、脱卤作用某些脂肪酸生物降解的起始反应，若干氯代烃类杀虫剂的降解也有此作用。2、脱烃作用发生在某些有烃基连接在氮、氧或硫原子上的农药(如三氯苯类和甲胺类)。烃基连接在碳原子上的农药则不易被微生物转化。3、酰胺及酯的水解许多农药是无机酸类的脂，如磷酸酯类杀虫剂(对硫磷，马拉硫磷)，或是酰胺类，如苯胺类除草剂。这些化合物中的酰胺和酯键可被某些微生物水解。4、氧化作用微生物通过氧化酶的作用，使分子氧进入有机分子或进入带有芳香环的有机分子。这样可以插入一个羟基形成一种环氧化物。5、还原作用-NO2-NH2对硫磷氨基对硫磷M还原醌类酚类M还原M还原生成硫醇6、环裂解芳香环在微生物产生的双加氧酶的作用下，使环裂开。微生物作用使苯环裂解邻苯二酚粘康酸酮己二酸琥珀酸、乙酸CO2、H2O7、缩合或共轭形成包括将有毒分子或其一部分与另一有机化合物相结合，从而使农药或其衍生物失去活性。1、去毒作用经微生物作用后变有毒为无毒。通常与矿化作用联系，但有的化合物即使没有矿化，只是部分降解，甚至仅经共代谢作用除去个别基团，也可变有毒为无毒。五、微生物转化农药的方式2．活化作用经微生物作用后变无毒为有毒或使有毒物质毒性加剧。有些化合物无毒，但在降解过程中形成的中间产物有毒，而且有的中间产物能持续一定时间，从而对生态环境带来影响。2,4-DB(2,4-二氯苯氧丁酸)(无毒)2,4-D（一种除草剂）微生物3、结合通过复合或加成作用，使微生物的代谢产物与农药结合，形成更复杂的物质，如氨基酸、有机酸、甲基或其它基团加在作用底物上。通常是去毒作用，但有例外。4、改变毒性谱一类具有生态意义的转化作用，它能将对某一类生物有毒的物质转化成影响另一类生物的产物。五氯苯醇真菌病害水稻无害，被吸附防治水稻残茬共代谢作用五氯苯醇被转化为三氯或四氯化苯酸抑制水稻后作植物翻耕无防治作用5、消效作用一种酶促去毒作用2,4一二氯苯氧乙酸2,4-二氯苯酚2,4-二氯苯氧丁酸MM(植物毒素)(对植物无毒)六、几种农药的微生物转化1、DDT[2,2-双(对氯苯基)-1,1,1-三氯乙烷]在土壤中，导致农药降解的主导因子是细菌、真菌和放线菌的代谢作用ClCHClCl3CCCl3CHR2CCl3CHR2CCl3CHR2CNCHR2CCl2CHR2CCl3CR2DicofolDDTDDNDDDDDECHCl2CR2CH2ClCHR2DDMUDDMSCH3CR2CH3CHR2DDNUDDNSCH2OHCHR2COOHCHR2DDADDOHCH2R2CHOHR2DBNDDMCH2RCOOHCRORCOOHPCPAPCBADBPClCHCOHOClCOHOClCHClCl3C降解DDT的微生物类群据Brown的资料，厌氧条件下，有10属23种细菌能对DDT发生不同程度的脱氯作用。14个脱氯作用最活跃的细菌：假单孢菌6个种，黄单孢菌、欧文氏菌各4个种；其它细菌：芽孢杆菌3个种，无色杆菌、产气气杆菌(Aerobacteraerogenes)、根癌土壤杆菌(Agrobacterinmtumefaciens)、巴斯德梭菌(Clostridiumpasterianum)和密西根棒杆菌(Corynebacteriummichiganense)各1个种。放线菌厌氧条件下，链霉菌(Streptomyces)和诺卡氏菌(Norcardia)两个属中都有能降解DDT为DDD的种存在。真菌绿色木霉DDTDDD+(DDE)尖孢镰刀菌DDTDDD或DDE2、林丹(Lindane)(高丙体六六六)ClClClClClClClClClClClClB.cereus+具有降解能力的微生物：腊样芽孢杆菌生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)和大肠杆菌(E.coli)恶臭假单孢(P.putida)菌的分解活性最强。3、对硫磷(Parathion)o,o-二乙基-o-(对硝基苯)硫代磷酸酯NO2OPSC2H5OC2H5ONH2OPSC2H5OC2H5OOHPSC2H5OC2H5ONH2HONO2HO对硫磷氨基对硫磷o,o-二乙基硫代磷酸P-硝基苯P-硝基酚易分解，持留期短，在土壤中的半衰期仅数日。起作用的微生物：黄杆菌(Flavobacteriumsp.)球拟酵母(Torulopsissp.)硫杆菌(Thiobacillussp.)木霉(Trichlodermasp.)4、2,4-D(2,4-二氯苯氧乙酸)参与降解苯氧乙酸类除草剂的已知微生物节杆菌属(Arthrobacter)生孢食纤维菌属(Spotooytophaga)诺卡菌属(Norcardia)链霉菌属(Streptomyces)曲霉菌属(Aspergillus)假单孢菌属(Pseudomomas)枝动菌属(Mycoplana)无色杆菌属(Achromobacter)黄杆菌属(Flavobacterium)棒杆菌属(Corynebaeterium)微生物对苯氧乙酸的代谢速率和程度各不相同，除黑曲霉(Aspergillusniger)只能把羟基引入芳香环外，其余的各个种都能完全地或近乎完全地降解苯乙酸，使其失去芳香环的结构，并使分子上的氯释放出来。5、五氯苯酚（PCP）防腐剂、除草剂、杀虫剂和杀菌消毒剂性质稳定，有剧毒优先控制污染物五氯苯酚（PCP）的微生物降解第三节有毒元素的污染与微生物作用被污染的土壤和水体的有毒元素主要来自工业废水，废渣和垃圾。冶炼和采矿工业是向环境中释放有毒元素的主要污染源。对人、畜毒害最大的污染元素有汞，镉，铅三种金属和砷，硒两种非金属，具中等