随着人类社会经济的发展，一些合成有机物不断产生，有的是可以生物降解的，有的则较难，给人类生存环境提出了严重的挑战。为此，不少学者展开了大量的研究。长期以来，对一些难降解的有机污染物（如苯环卤代化合物）人们尚不能分离到它们作为唯一碳源和能源的高效生物降解微生物。一些研究表明，如三氯乙烯之类污染物只能通过共代谢来生物降解。McCarty发现了两组细菌，一组可以在产甲烷的厌氧条件下生长并降解三氯乙烯和四氯乙烯，另一组细菌能利用酚和二甲苯等共代谢生长基质（简称共代物），在有空气存在的条件下降解三氯乙烯。对于这类有机物，利用微生物的共代谢作用进行降解是一条有效的途径，因而这方面的研究越来越受到重视。
微生物共代谢概念
1959年，Leadbetter等最早描述了共代谢现象，并命名共氧化(Co-oxidation)，描述了微生物能氧化底物但不能利用氧化过程中的能量来维持生长的过程。1963年，Jensen在共氧化的基础上对这个概念进行了扩展，并提出共代谢(Cometabolism)概念。定义为一些难降解的有机物通过微生物改变化学结构，但不提供碳源和能源，微生物要从生长基质中获取全部或大部分的碳源和能源，这样的代谢过程称为共代谢。这种共代谢方式使微生物在难降解有机污染物不能满足微生物生长需求时依旧可以生存。同时，生长基质能更好地维持微生物生长活性，利于污染物的长效降解。微生物的共代谢作用可能存在三种情况：①由生长基质提供能源或碳源；②由生长基质诱导产生相应的代谢酶系；③微生物间的协同作用进行共代谢。前两种情况称为基质共代谢，第三种情况称为微生物共代谢。在生长基质存在的条件下，微生物酶活性增强，从而提高难降解有机污染物的降解效率。由于共代谢作用的广泛应用，其概念进行了扩展，更多地赋予了生物学概念。共代谢作用被定义为是多种底物(基质)存在时的协同代谢作用或多种微生物存在时的协同代谢作用。
微生物共代谢作用机理
微生物共代谢是一个复杂的过程，是菌群及底物间互作的高级代谢现象，是多种因素间相互作用的结果。在共代谢过程中，为微生物的细胞生长和活动提供碳源和能源的物质称为生长基质；被共代谢的物质称为非生长基质，即目标污染物，它不能用于微生物细胞的增长，也不能为微生物细胞活动提供能量。微生物共代谢降解环境中的难降解有机污染物，实际上是关键酶产生的效应，这些酶具有较为广谱的非专一性，可同时催化生长基质和部分非生长基质(有机污染物)的代谢。
微生物共代谢作用过程：微生物利用生长基质进行生长和繁殖；此时非专一性关键酶被诱导，微生物就可以降解非生长基质，但并不将其作为碳源和能源；关键酶具有低特异性,这是共代谢作用发生的关键，也使得生长基质和非生长基质竞争关键酶；非生长基质的代谢产物不能被微生物利用，它的积累使毒性作用危害微生物，抑制关键酶的活力；当生长基质消耗完全，微生物利用内源代谢维持生命，非生长基质的降解速率因此下降。
关键酶是共代谢作用发生的关键，关键酶的诱导和活性直接影响了难降解有机污染物的去除效果。对于关键酶诱导产生的方式，学者们持有两种观点，一种是由生长基质诱导产生，另一种是由非生长基质诱导产生，而生长基质则负责提供能量。由于共代谢过程具有复杂性和未知性，关于关键酶的产生机制尚无定论。但不同种微生物共代谢过程中的关键酶大致相同，好氧微生物的关键酶主要是双加氧酶和单加氧酶，厌氧微生物的关键酶主要是还原酶。Habe等在研究中分离出了PAHs共代谢的关键酶，主要包括脱氢酶、双加氧酶、异构酶、铁氧还蛋白亚硝酸还原酶等。
应用实例
上海某特种化工有限公司的污水处理工程。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实例。
1.1工程概况
1.1.1产品
专业生产氯化胆碱水剂和聚酯树脂固体粉末涂料。
1.1.2废水中的主要有机污染物
氯化胆碱工艺废水中的有机物组分为：乙二醇（1700mg/L），2－氯乙醇（1070mg/L），环氧乙烷（3000～5000mg/L）。原废水CODCr6000mg/L。聚酯工艺废水中的主要有机物组合分为：新戊二醇（2500mg/L），甲醛（560～1000mg/L），乙二醇（<500mg/L），甲醇（309mg/L），异丁醛（1180mg/L），丁醇（120mg/L）。原废水CODCr30000mg/L。氯化胆碱和聚酯工艺废水混合后CODCr9042mg/L。
1.1.3排放标准
执行《上海市污水综合排放标准》DB31／199－97的二级标准。主要指标：CODCr≤100 mg/L；BOD5≤30 mg/L；氨氮≤15mg/L；色度≤50倍；pH6～9。
1.2有机污染物的可生化性评估
从上述废水中的主要有机物组分可以看出，除2－氯乙醇和环氧乙烷两种化合物外，其他有机物均属可生化性物质，但由于这两种化合物属难以生物降解的物质，且占有机物污染物总量的40％～45％，而且在它们的浓度达到一定程度时还有毒性反应，因此对治理效果的整体影响较大。为此，在工程实施前，先通过小试论证了污水处理工艺路线的可行性。
1.3小试
主要结论
1.3.1三次小试
第一次为一段H／O（水解－好氧）工艺与SBR工艺对照试验；第二次为三段H／O工艺试验；第三次为SBR工艺试验。
1.3.2三次小试的基本结论
（1）生产废水中存在某些对微生物产生抑制作用的有机污染物，故进水必须稀释到一定程度后才能进入处理装置，而且不能采用已处理过的废水回用稀释，以免有毒物质的积累。
（2）一段H／O工艺小试结果证明，进水浓度控制在CODCr≤2273 mg/L，在投加生活污水和葡萄糖共代谢物质条件下，处理后出水达标（CODCr≤100 mg/L）。
（3）进水浓度CODCr提升至≤3000 mg/L，必须采用三段H／O工艺，在投加生活污水和葡萄糖共代谢物质条件下，处理后出水也可达标（CODCr≤100 mg/L）。
（4）进水浓度CODCr≥3000 mg/L后出现明显的抑制现象，出水不能达标。
（5）采用SBR工艺，当进水浓度CODCr稀释到1700 mg/L左右，出水CODCr≥200 mg/L，不能达标。这个试验结果与比利时同步对照试验的报告结论相吻合。该报告提供的试验结果为：进水CODCr2000 mg/L，出水CODCr>250 mg/L；进水CODCr1139mg/L，出水CODCr200 mg/L。双方试验证实，对这种含有有毒物质的废水不能采用SBR工艺。目前比利时国仍采用SBR工艺的原因是执行的城市纳管标准，控制CODCr在≤300 mg/L，这与上海执行的CODCr≤100 mg/L的标准不同，因而比利时方面放弃坚持采用SBR工艺的初衷。
（6）经技术经济比较，为节省基本建设投资，最后根据建设方意见采用了一段H／O工艺。
1.4污水处理工艺流程图
进水→调节池（加碱调PH）→配水池（加生活污水，稀释水）→H／O生化塔→接触氧化池（加葡萄糖）→沉淀池→过滤器→至清水池
1.5生物共代谢的效果
对本化工有限公司的污水治理，首要解决的问题是控制有毒物质的浓度，消除其对微生物的抑制影响。由于有毒物质环氧乙烷的浓度，低值3000mg/L，高值达到5000 mg/L，浓度波动范围很大，因此在工程实际运行时，为留有余地，将配水后的CODCr值控制在≤2000 mg/L。用3.5倍的水来稀释原水，其中1倍水为生活污水，2.5倍水为河水。工程实际运行数据为：配水后的进水CODCr浓度为1440～1910 mg/L（均值1640 mg/L），如果按上述配水原则投加生活污水，H／O生化塔出水为112～299 mg/L（均值234 mg/L），若全用河水稀释配水则H／O生化塔出水为172～399 mg/L（均值298 mg/L）；在用生活污水配水的条件下，在接触氧化池进水处投加工业葡萄糖（投加量100 mg/L左右），出水103～110 mg/L，然后经沉淀和过滤，最终出水为84～93 mg/L；如果在接触氧化池中不投加葡萄糖，其出水CODCr明显升高，均值达179 mg/L，最终过滤器出水均值为137 mg/L，不能达标。从上述运行数据可见，生活污水的共代谢效率可使COD去除率提升21.5％，而葡萄糖的共代谢效率可使COD去除率提升38.5％，具有明显的效果。
存在问题
共代谢降解有机污染物还存在一些问题：微生物对环境条件要求比较高，不利于将该方式应用到原位修复上；此外，在微生物降解有机污染物过程中微生物数量会发生波动，影响了微生物对有机污染物的降解效率；同时，在实际的污染修复过程中，利用微生物共代谢方式进行场地修复的应用研究还稍显不足。因此，深入研究微生物共代谢方式(如微生物菌剂的固定化)以及对代谢过程的调控，强化具有共代谢作用的微生物的抗逆性，加强微生物共代谢作用场地修复的研究是非常重要的。另外，在利用微生物的同时对微生物的检测系统和安全评估体系的建立也是十分必要的，这对今后将微生物共代谢应用于有机污染物污染的土壤或水体的原位修复具有重大意义。
相关新闻推荐
1、生物炭与细菌微生物互作对小白菜生长的影响及益生菌的分离表征