孙倩

【摘 要】共代谢是微生物特殊的代谢类型，可对废水中难降解有机物进行高效去除，并具有技术经济优势。本文探讨了共代谢的生化机制和特点、共代谢作用的影响因素，同时综述了共代谢作用在国内处理难降解性污染物工艺技术的应用及研究状况，其中，序批式生物膜反应器在处理难降解性污染物方面具有光明的应用前景。

【关键词】共代谢；难降解污染物；关键酶；SBMR

共代谢作用是环境污染物降解的一种重要方式。据报道，环境中能够完全矿化污染物的降解菌占总降解菌的数量还不到 10%，大多数微生物是通过共代谢作用来降解污染物的。随着工农业的迅速发展，越来越多的有机物被合成，其中难降解有机物占了很大比例，因此难降解有机物的治理研究已引起国内外有关专家的高度重视，是目前水污染防治研究的热点与难点。

1.共代谢作用的机理和特点

共代谢现象最早由 Leadbetter 和 Foster 等[2]于1959 年报道，他们研究发现Pseudomonas methanica（甲烷假单胞菌）能够在外加甲烷情况下氧化乙烷、丙烷、丁烷，而乙烷、丙烷及丁烷三者均不能作为Pseudomonas methanica的唯一碳源支持其生长。对此现象 Leadbetter 和 Foster以共氧化（Co-oxidation）来描述，将其定义为在生长基质存在的情况下，微生物对非生长基质的氧化，其中甲烷为生长基质，乙烷、丙烷等为非生长基质。后来，Jensen扩展了其内涵，提出共代谢（Co-metabolism）的概念。他认为在生长基质存在的情况下，微生物对非生长基质的转化无论是氧化作用还是还原作用都是共代谢作用；当生长基质被完全消耗时，处于内源呼吸状态的休眠细胞对非生长基质的转化也是共代谢作用。现在，一般将其定义为只有在初级能源物质存在时才能进行的有机化合物的生物降解过程。初级能源物质或是由外界提供，或是微生物细胞内储存的。微生物对有机化合物的转化并不能为细胞提供碳源及能量，所需碳源及能量来源于对初级基质的代谢。

共代谢过程的主要特点可以概括为：（1）微生物首先利用易于摄取的生长基质作为一级基质，维持自身细胞的生长；（2）难降解性污染物作为二级基质被微生物降解；（3）一级基质和二级基质之间对发挥降解作用的关键酶存在竞争现象；（4）污染物共代谢的中间产物不能作为营养被同化成细胞质，有些会抑制关键酶的活性，甚至对微生物有毒害作用；（5）共代谢是需能反应，能量主要来自生长基质的产能代谢，当生长基质被完全消耗时，能量来源于细胞自身储存能量物质，如PHB。从共代谢过程的机理和特点可以看出，关键酶的诱导及其活性的维持、生长基质与目标污染物之间的竞争抑制、目标污染物及其中间降解产物对微生物的毒性作用将是影响共代谢过程的关键性因素。

2.微生物共代谢作用的应用与工艺研究

2.1共代谢作用的应用

通过共代谢作用来转化或降解烯烃、卤代炔烃、卤代脂肪烃等难降解物质已经得到了广泛的研究。李莹等人将共代谢应用于循环移动载体生物反应器（MBBR）处理格列奇特制药废水，结果投加葡萄糖所诱导产生的共代谢作用可显著改善格列奇特制药废水的好氧处理效果。上海金山联合环境工程公司与吉林大学地探学院合作完成的上海优西比特种化工有限公司是一项采用共代谢机理完成难生物降解化工污水处理的工程，至今已稳定运行了5年多。该实践工程生活污水的共代谢效率可使难生物降解工业污水的CODCr去除率提升21.5%。而葡萄糖的共代谢效率可使CODCr去除率提升38.5%，具有明显的降解效果。从该工程实践经验可见，共代谢机理不仅仅是停留在实验室研究，而是已进入工程的应用，是处理难降解有机污染物的有效且实用的方法。

2.2共代谢作用的工艺研究

很多研究发现，厌氧生物工艺可把氯代有机物脱氯生成无毒性化合物，如乙烯、CO2，但发现四氯乙烯（FCE）、三氯乙烯（TCE）在厌氧条件下仅仅是部分脱氯，很不彻底，导致二氯乙烯（DCE）、氯乙烯 （VC）的浓度增加。

好氧条件下，具有共代谢氯代化合物功能的微生物有很多种，研究中主要选用苯酚氧化菌群、甲烷营养菌群、丙烯氧化菌以及硝化细菌等，它们都具有很强的代谢能力以及对污染物的逆抗性。在诱导此类微生物生成关键酶进行催化分解污染物时，一般需要投加特异性的底物，例如苯酚、甲烷、丙烯、丙烷等。由于它们是气体，具有很低的水溶性，同时就苯酚而言，虽具有可降解性，但它是一种危险性物质，所以在污水处理项目中，选择诱导性的生长基质，一定要综合考虑。通常葡萄糖、乙醇、乙酸盐以及铵盐等易代谢的小分子化合物是考虑选择的诱导物质。

生物膜具有活性污泥系统所没有的独特生长环境。研究表明：当生物膜达到一定厚度时，生长基质的利用速率将明显低于活性污泥系统微生物对生长基质的利用速率，这样有利于延长生长基质对关键酶活性维持作用，同时还可以降低生长基质与目标污染物之间的竞争作用，提高膜反应器内关键酶降解目标污染物的效率；同时膜内低氧环境有利于微生物具有较高的内源呼吸率，这有助于促进细胞能源物质的形成；生物膜环境还有利于菌株之间发生遗传信息的交流，交配生成新代谢能力的变种，提高降解目标污染物的效率。

由于目标污染物利用活性污泥法或填充床式生物膜处理时，生长基质与污染物质同时存在会引起对关键酶的竞争作用，在运行管理上会出现很多问题。在实际运行时，通常控制水力停留时间。所以，一种新型复合式生物膜反应器，即在序批式活性污泥反应器中引入生物膜。国内的应用主要集中在工业废水的处理上，国外的研究主要集中在有毒、难降解有机物的处理上。序批式生物膜反应器（SBMR）可以完全把生物膜的营养代谢与共代谢分离，解决了生长基质与污染物之间的竞争作用，同时增加了运行反应器的灵活性，该工艺具有投资少和操作简单等特点。随着SBMR工艺优越性的日益绽现以及它在难降解有机物处理方面的推广，将产生良好的环境效益和社会效益，其应用前景也十分广阔。

3.共代谢的研究前景

现代社会的发展使各种合成有机污染物逐渐增多，环境污染日益加重，利用微生物的代谢净化环境已经成为一种趋势。难降解是相对的，改变环境状况，本来难降解的化合物就变得易降解了。所以，选择合适的生物降解环境、开发新的生物降解技术、培养和驯化适宜的生物种群和生物酶、分析化合物的降解途径和生物降解规律，是研究有机物生物降解的必然选择。

共代谢作为一种代谢机制广泛存在于共基质的生物降解过程中，深入研究共代谢不仅有助于我们更加准确地认识环境中存在共代谢情况下物质的生物降解，而且为我们寻求难降解有机物生物降解技术提供了新的思路。相关研究证明微生物共代谢在不同的工艺中已取得了良好的效果，随着现代生物技术的发展和基因工程菌的应用，将会给微生物的共代谢带来更大的突破。 [科]

【参考文献】

[1]孙雪景，王静，焦岩，等.微生物共代谢作用的研究与应用[J].农业与技术，2010，8（4）：57-60.

[2]罗玮.难降解污染物微生物共代谢作用研究进展[J].土壤通报，2012，12（6）：1515-1520.