堆肥化过程中有机污染物生物降解的研究进展

摘要：简介了卤代烃、多环芳烃、农药类及石油烃类等几种有机污染物在堆肥过程中的生物降解及其机理研究进展，并指出今后应重点加强高效降解微生物的分离培养、基因工程菌的开发、表面活性剂对生物降解的强化作用以及适合有机污染物降解的堆肥条件和有机污染物在堆制过程中降解的中间产物及终产物等方面研究。
关键词：堆肥；有机污染物；降解；微生物
1堆肥中几种有机污染物的生物降解过程及机理
卤代有机物的降解。卤代有机物在地面水和土壤污染中普遍存在，是危险废品和垃圾提取物的重要组成部分。随着人造化学剂如制冷剂、灭火剂、油漆、溶剂、除草剂和农药的广泛使用，其对环境的污染日趋严重。该类污染物最初一般采用物理化学方法如气提、萃取、土埋、活性炭吸附、焚烧等治理，但这些方法只是污染物的转移，不能从根本上治理，且易造成二次污染，成本也较高，对食品、调味品中存在类似污染就更无能为力了。生物降解能通过微生物作用将有毒物质转化为无毒物质，投资少且无二次污染，近年来已成为各国研究的热点。对城市固体废物、城市固体废物/城市污泥的堆肥产物进行分析表明，氯化酚化合物(CPs)如三氯代酚(T3CP)、四氯代酚(TeCP)、五氯酚(PCP)等，其含氯原子数越多则含量越高，表明低氯原子数的氯化酚化合物较易降解，而高氯原子数的氯化酚化合物较难降解。但五氯酚(PCP)同分异构体分布发生了变化，并转化为PCDDs，在堆肥产物中五氯酚与PCDDs的浓度比降低了2 个数量级。Minna Laine 进行稻草、污泥和木屑的堆肥研究也得出类似结论。同时显示堆肥化过程中氯化酚化合物浓度随时间的变化情况较为复杂，与堆肥材料有关。仅木屑堆肥中氯化酚化合物浓度随发酵时间而降低，降解或转化较为明显；而污泥和稻草堆肥中到第72d 后氯化酚化合物的浓度反而显著提高，到第175d 后又显著降低，但与初始浓度相比有的降低明显，有的则不明显，甚至还会提高 。卤代有机化合物在环境中均非常稳定，表现出较难降解的特性。但在微生物作用下，许多卤代有机化合物均能不同程度被降解，但不同物质的生物降解性则不相同。一些卤代有机化合物可作为微生物的纯培养基质，微生物可将其彻底代谢氧化为CO2 和水，这些物质如3-氯苯甲酸、3-氯邻二酚、4-氯邻二酚、3 ，5-二氯邻二酚等，被微生物彻底氧化后释放出氯离子。但有些卤代化合物则不能作为纯培养基质而被微生物全部氧化，完全降解为CO2 和水则需环境中多种微生物的共同作用。有些则不能直接作为基质被微生物降解，而只能作为共基质才能被微生物利用，如多氯联苯。
微生物必须借其他生长基质的诱导，产生一种能适应多氯联苯的酶并改变多氯联苯的结构，最终达到降解多氯联苯的目的。像多氯联苯一样，许多氯代芳香化合物都是人工合成的，自然界并不存在，因此微生物并不能直接降解，但可诱导微生物或者对微生物进行驯化，使其适应化学物质的特征。如用2-氯酚驯化污泥时，该污泥条件下可降解性顺序为2-氯酚> 4-氯酚> 3-氯酚；当用3-氯酚驯化污泥时，其可降解顺序为3-氯酚> 4-氯酚> 2-氯酚；而用4-氯酚驯化污泥时，其可降解性顺序为4-氯酚> 3-氯酚> 2-氯酚。与一般芳香化合物相比，卤代芳香化合物可降解性大大降低，这是因为卤素原子引起了分子特性的改变。故卤代芳香化合物降解中最重要的一步是卤素取代基的脱除。
多环芳烃的降解。多环芳烃(PAHs) 是指含有2 个或2 个以上苯环的稠环化合物，是土壤、水体和空气环境中广泛存在的一类污染物。所含苯环个数低于4 的多环芳烃称为小分子多环芳烃，含有4 个或4 个以上苯环的多环芳烃称为大分子多环芳烃。据报道，多环芳烃主要来源于石化燃料的燃烧过程。石油泄漏、火山爆发、森林火灾以及细菌对动、植物的转化作用也能产生多环芳烃。石油、天然气、焦化和木材防腐工业区周围环境中多环芳烃浓度极高。多环芳烃水溶性差，化学性质稳定，且具有致癌症、致突变、致畸作用，是一类被很多国家列入黑名单的有机污染物。长期以来如何有效清除多环芳烃造成的环境污染是1 个世界性的热点与难题。
小分子多环芳烃是一类相对较易被微生物降解的有机污染物，其降解程度与环数有关，环数越多则越难降解，可降解的微生物有细菌和真菌2 类。环较少的多环芳烃接种降解菌比不接种的有较明显降解效果。与未加降解菌的堆肥比较，在堆肥中加入降解菌可迅速进入升温期，并对多环芳烃有较好的降解效果，说明降解菌对多环芳烃有明显的降解作用，其中又以白腐真菌降解效果为佳。多环芳烃的生物降解由1 个环发生二羟基化和开环开始，进一步降解为丙酮酸和CO2 ，之后第2 个环以同样方式分解。蔡全英等对污泥堆肥的研究表明，大多数化合物降解均较明显，降解率> 50 %。堆肥化过程中温度、供氧量、水分含量等也会影响污泥中多环芳烃的降解和转化。微生物降解多环芳烃的活性与O2 量及水分含量密切相关，当堆肥中O2 含量少( < 18 %) 、水分含量高( > 75 %) 时，堆肥就从好氧条件转化为厌氧条件。该研究也表明，翻堆方式堆肥水分含量较高且O2 不足(翻堆提供的O2 30min 即被耗竭) ，不利于多环芳烃的完全降解，而通气方式尤其是间歇通气的堆肥供氧充足且有效性高，因而多环芳烃降解效果更佳。此外C/ N 值也影响多环芳烃的降解效果，张文娟等研究表明C/ N值变化对4～6 环芳烃降解有一定影响，堆制适宜的C/ N 值范围为25∶1～40∶1 ，且C/ N 值为25∶1 的处理对多环芳烃的降解效果优于C/ N 值为40∶1 的处理效果。马瑛等研究原毛平革菌( Phanerochaete chrysosporium) 在堆肥化过程中对多环芳烃的降解作用，经过42d 的处理，蒽含量由5800mg/ kg 降为1967.36mg/ kg ，去除率为66.08 %，表明原毛平革菌可有效用于多环芳烃类有害废弃物的堆肥化处理。聂麦茜等筛选分离的短杆菌( Brevibacterium) 能降解实验中涉及的蒽、菲、芘、萘等多环芳烃，但降解程度各不相同，一般分子中环个数越少则越易被降解，能有效去除反应体系中蒽、菲、芘所产生的总有机碳；Fe3 + 对该短杆菌降解多环芳烃反应过程有促进作用。目前人们已分离出以多环芳烃为唯一C 源和能源的微生物有气单胞菌、产碱菌、芽孢杆菌、拜叶林克氏菌、氰基细菌、棒状杆菌、黄杆菌、微球菌、分枝杆菌、诺卡氏菌、假单胞菌、球形红假单胞菌和弧菌等；将多环芳烃与其他有机物一起进行共代谢的微生物主要有白腐菌、烟管菌和小克银汉雷菌等。若能在适当条件下将这些微生物接种到堆肥反应堆中，对多环芳烃降解效果会更佳。农药类的降解。农药是人们主动投放于环境中数量最大、毒性最广的化学物质。据统计20 世纪60 年代农药已成为世界范围内土壤主要污染源之一。很多种农药如有机氯、有机磷等具有很强的毒性，分别对高等动物的神经系统、大脑、心脏、脂肪组织造成损伤，有的农药有诱变性，有的甚至是三致物质，威胁人畜的健康安全。堆肥处理是农药污染土壤的一种常用生物修复方法。与城市垃圾的堆肥相似，土壤堆肥也是利用堆肥过程中培养料中微生物的活动达到降解污染物的目的。微生物对农药的降解作用主要是通过一系列水解方式进行，如荧光假单孢菌对于对硫磷的降解。由于大多数农药带有卤素、氨基、硝基及其他各种取代物等，这些取代基的种类和数量往往会影响农药的微生物可降解性，且农药的微生物降解很多属于共代谢类型。农药降解基因大部分定位于质粒上，目前已分离到一些能够降解农药的质粒，如2 ，42D 质粒和六六六质粒等。而假单孢菌192 和195 ，S55 菌株降解AT 的酶可能定位于细菌染色体上。目前对农药降解微生物的研究正方兴未艾。但大部分工作尚不能完全使农药降解菌从实验室走向实际应用，其原因是受农药污染的环境不能集中统一处理，尤其是受农药污染的食品不能进行有效处理；农药污染环境的化合物组成很不稳定，经常波动，不利于农药降解菌的生长，温度、pH 及湿度波动也较大，有可能抑制降解菌生长；直接从环境中筛选获得的农药降解菌降解速度慢，不能满足实际需要或经常发生变异导致降解能力丧失，不能继续降解农药；投放到环境中去的降解菌还会受到该环境原有菌群的影响，甚至受到拮抗而不能在该环境中长期生存，农药降解菌在受污染环境中不能成为优势菌等。李国学等研究高温堆肥对六六六和滴滴涕及其衍生物的降解结果表明，适宜堆制条件下，高温堆肥对六六六及其异构体、滴滴涕及其衍生物均有不同程度降解效果，且高温堆肥处理更有利于滴滴涕及其衍生物的生物降解。六六六的4 种异构体的去除率大小顺序均为δ-六六六>γ-六六六>α-六六六>β-六六六。4 种异构体的降解性能随污染物在原料中含量的增加而降低，添加化肥的堆肥处理对六六六的去除率大于未添加化肥处理，前者对γ-六六六的去除率为96.4 % ，后者仅为40.7 %。高温堆肥对滴滴涕及其衍生物的生物降解能力相对较强，其中o ，p′- DDT、p ，p′-DDD和p ，p′- DDT 经堆肥化后去除率可达100 %。