生物法降解氰化物的研究進(jìn)展

，，

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266042)

氰化物是指含有CN基團(tuán)的化合物，存在于很多有機(jī)和無機(jī)化合物中，多種氰基衍生物是急性劇毒物。電鍍、金屬加工、煉鋼、采礦、攝影、制藥、煉焦及塑料工業(yè)等生產(chǎn)過程中廣泛使用氰化物[1～3]，所產(chǎn)生的大量含氰廢水嚴(yán)重污染環(huán)境，對人類及動植物形成威脅，因此，研究含氰廢水的處理方法及工藝具有重要的意義。

工業(yè)上處理含氰廢水大多采用化學(xué)方法。國內(nèi)主要采用堿氯法(液氯法、次氯酸鈉法、漂白粉法、二氧化氯法等)、酸氯法、因科法、酸化吸收—中和法、臭氧法、電解法、離子交換法、活性炭催化氧化法、加壓水解法等。20世紀(jì)90年代開始，又出現(xiàn)了溶劑萃取法、過氧化氫-銅催化氧化法、酸化沉淀—中和法(二步沉淀法)等。國外早期主要采用堿氯法、因科法，20世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)生物氧化法、濕式氧化法、超臨界水氧化法等[4]。

目前，最常用的含氰廢水處理方法是堿氯法[5]，但此技術(shù)僅適用于游離氰化物(CN-、HCN)以及與金屬結(jié)合較弱的氰化物，且試劑費(fèi)用高、易產(chǎn)生余氯，對與鎳、銀等金屬絡(luò)合的氰化物效果不明顯，反應(yīng)速度很慢。此外，處理過程中加入過量的氯使水中總殘?jiān)吭黾樱厥赵倮美щy，不僅高含氯量的殘?jiān)鼘λ镉泻6,7]，大量氯的消耗也使得費(fèi)用增高。

盡管化學(xué)法有效可行，但費(fèi)用高，還會帶來許多環(huán)境問題，因此有必要發(fā)展環(huán)保、高效的新型含氰廢水處理技術(shù)。生物法處理含氰廢水比化學(xué)法廉價，能同時滿足環(huán)境控制的要求，在許多國家已應(yīng)用于工程，在我國也已用于處理來自尾礦溶液和其它工業(yè)廢水中氰化物，如硫氰酸鹽和金屬-氰絡(luò)合物[6,7]。作者在此綜述了生物法降解氰化物的機(jī)理和研究進(jìn)展。

1 生物法降解氰化物的機(jī)制

1.1 影響氰化物降解的因素

微生物具有降解環(huán)境中污染物的生理代謝能力，然而土壤或水中的氰化物濃度對生物降解的影響很大。例如，高濃度的乙腈能損害腈降解酶和腈水解酶，使產(chǎn)酸克雷伯氏菌中毒，從而抑制微生物有機(jī)體對這些化合物進(jìn)行生物降解[6]。營養(yǎng)素的使用也會影響氰化物的生物降解。碳是微生物降解金屬氰化絡(luò)合物的限制因素，可阻礙土壤中含氰廢物的生物降解。氰化物降解的幾個途徑都消耗氧，因此氧對氰化物微生物代謝影響顯著[8]。

溫度是決定微生物降解速率的重要參數(shù)。氰化物降解酶一般由土壤中分離得到的中溫微生物產(chǎn)生，進(jìn)行降解的最適溫度約在20～40℃之間[7～9]。此外，pH值也是影響微生物降解土壤中氰化物的重要因素，細(xì)菌和真菌生長的最適pH值分別為6～8和4～5，而氰化物降解酶的最適pH值一般在6～9，極端pH值會嚴(yán)重影響生物降解效率，而茄病鐮刀菌和真菌(包括錘形真菌、木霉菌屬、柱霉屬和青霉菌)的混合培養(yǎng)物可在pH值為4的條件下降解氰化鐵[10]。

1.2 氰化物和腈類的降解途徑

常見的氰化物降解途徑主要有水解、氧化、還原和置換/轉(zhuǎn)移[11]。

1.2.1 水解反應(yīng)

水解反應(yīng)由多種酶催化，如氰化物水合酶、腈水合酶、氰化物水解酶和腈水解酶[8，11]。氰化物水合酶和氰化物水解酶作用于HCN，腈水合酶和腈水解酶作用于腈類。這些酶通過不同的反應(yīng)來降解氰化物。反應(yīng)如下[11,12]：

低濃度的氰化物可誘導(dǎo)氰化物水合酶的活性來降解氰化物，這些氰化物存在于許多致病性的真菌或生氰植物中，如匍柄霉蓮屬[12]。此途徑將氰化物不可逆地轉(zhuǎn)化成甲酰胺，并最終轉(zhuǎn)化成CO2和NH3。氰化物水合酶與氰化物水解酶是細(xì)菌酶，與腈水解酶和腈水合酶在氨基酸和結(jié)構(gòu)水平上有相似性[11]。腈水解酶和腈水合酶可將脂肪族和芳香族的腈類分別轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的酸或酰胺，但底物特異性比氰化物水解酶和氰化物水合酶的要低[11]。產(chǎn)酸克雷伯氏菌利用腈水合酶可降解多種腈化合物[6]，在玫瑰色紅球菌Jl、紅球菌屬N-774、綠針假單胞菌B23及其它細(xì)菌中都發(fā)現(xiàn)有腈水合酶和酰胺酶存在[12]。已有報(bào)道以腈水解酶或腈水合酶與酰胺酶聯(lián)合使用來降解有機(jī)氰化物(亞硝酸鹽類)[12]。

1.2.2 氧化反應(yīng)

利用氧化途徑可轉(zhuǎn)化氰化物形成氨和二氧化碳。首先氰化物-氧化物酶將氰化物轉(zhuǎn)化成氰酸鹽，然后氰酸酶將氰酸鹽催化轉(zhuǎn)化成氨和二氧化碳?，F(xiàn)已確定在很多細(xì)菌、真菌、植物和動物中都有氰酸酶。二次氧化途徑利用氰化物雙加氧酶可直接形成氨和二氧化碳[11]。

氰化物-氧化物酶：

HOCN+NAD(P)++H2O

氰化物雙加氧酶：

CO2+NH3+NAD(P)+

1.2.3 還原反應(yīng)

通過還原途徑可轉(zhuǎn)化氰化物形成甲烷和氨，但可以利用的酶種類極少。

1.2.4 置換/轉(zhuǎn)移反應(yīng)

以β-氰丙氨酸合酶為催化劑，可將氰化物轉(zhuǎn)化成β-氰丙氨酸或α-氨基腈，隨后水解為NH3和酸。在此過程中，對O2和NAD(P)H沒有直接的要求，也無CO2放出。以硫基轉(zhuǎn)移酶為催化劑可產(chǎn)生比氰化物毒性更低的硫氰酸鹽，然后通過羰基途徑(硫氰酸鹽水解酶為催化劑)或氰酸鹽途徑(氰酸酶為催化劑)降解，可分別形成羰基硫化物(COS)和硫酸鹽及CO2，兩過程都可產(chǎn)生氨[6]。氰化物的降解途徑如下：

β-氰丙氨酸合酶:

硫基轉(zhuǎn)移酶：

2 生物法降解氰化物的研究進(jìn)展

Akcil等[9]利用從銅礦中分離出的兩株假單胞菌降解100～400 mg·L-1的氰化物，與化學(xué)法相比，生物法成本低，環(huán)境友好，而處理效果與化學(xué)方法相近。產(chǎn)酸克雷伯氏菌降解腈類具有酶的機(jī)制，另外諾卡爾菌屬、節(jié)桿菌屬、惡臭假單胞菌、邊緣假單胞菌、銅綠假單胞菌、紅平紅球菌、紫紅色紅球菌都可降解腈類[7]。Babu等[13]用惡臭假單胞菌對氰化物、氰酸鹽類和硫氰酸鹽類進(jìn)行生物降解，發(fā)現(xiàn)惡臭假單胞菌可將氰化物作為唯一的碳源和氮源，降解的終產(chǎn)物是NH3和CO2。

固定化細(xì)胞可防止細(xì)胞洗濯，且增加了細(xì)胞密度，進(jìn)而提高了降解速率[14,15]。Babu等[13]最先研究了固定化技術(shù)，固定化惡臭假單胞菌可降解氰化鈉，并將其作為唯一的碳源和氮源。Chapatwala等[16]采用固定化技術(shù)，利用由聚丙烯腈制成的超濾膜，以放射形土壤桿菌、葡萄球菌屬、缺陷假單胞菌同時降解氰化物和苯酚，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，苯酚和氰化物的降解效率依賴于跨膜壓。一些固定化吸附劑如顆粒狀的活性炭(GAC)、藻酸鹽顆粒、沸石，不僅廉價易得，還表現(xiàn)出很高的效率[13,16,17]。2008年，Dash等將熒光假單胞菌固定在顆粒狀的活性炭上，處理效果理想。Ezzi等[18]研究發(fā)現(xiàn)，木霉菌真菌菌株可將氰化物作為唯一的碳源和氮源，加入葡萄糖后降解速率提高3倍。

除生物降解，微生物還可利用生物吸附作用吸附有毒的化合物。一些真菌物種如煙曲霉菌、黑曲霉菌、出芽短梗霉菌、支孢樣支孢霉菌、串珠鐮刀菌、尖鐮孢菌、凍土毛霉菌等，都可作為氰化物的生物吸附劑。Patil等[19]發(fā)現(xiàn)除去氰化物時將生物降解和生物吸附聯(lián)合使用，效率很高。絲狀真菌須根霉菌能吸附氰化鐵(Ⅲ)絡(luò)合物[3]，可在pH值高達(dá)13的堿性條件下吸附絡(luò)合物，并具有很高的負(fù)載能力(612.2 mg·g-1)。

除了細(xì)菌和真菌，藻類也可用于降解氰化物[20]。在pH值10.3時培養(yǎng)極大節(jié)旋藻、小球藻、斜生柵藻的懸浮液，對氰化物進(jìn)行脫毒處理，脫毒效率為99%。在極端條件下使用藻類，脫毒效率也很高。

新的研究證實(shí)可利用植物對含氰廢物進(jìn)行生物修復(fù)。實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，一種二色高粱[8]可降解灌溉水中的氰化物，即使氰化物濃度高達(dá)125 mg·L-1，也可輕易地將其降解。

3 結(jié)論

全球采礦、裝飾、制藥等行業(yè)快速增長，隨之產(chǎn)生大量的含氰廢水需要有效且經(jīng)濟(jì)的方法來處理。生物法降解氰化物優(yōu)勢明顯。然而，工業(yè)上降解氰化物使用的菌種是通過自然選擇或富集培養(yǎng)得到的，不適于在極端環(huán)境(pH值高或低，有毒或其它污染物)下去除廢水中的氰化物。因此，篩選微生物時不能僅僅根據(jù)其降解氰化物的能力，還要考察其對外加壓力以及來自環(huán)境中固有的微生物種群競爭的耐受能力[8]。未來的氰化物生物降解技術(shù)將致力于增強(qiáng)與現(xiàn)存技術(shù)的競爭能力，發(fā)展可在極端條件下降解各種氰化物的方法——重組菌株，這需要在遺傳修飾領(lǐng)域做進(jìn)一步的研究，以滿足工業(yè)廢水處理的特殊要求[11]。

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