全 文 ：芘在土壤中的共代谢降解研究 3
巩宗强 3 3 　李培军　王　新　张海荣　宋玉芳　(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
李　彬　(沈阳大学建筑与环境系 ,沈阳 110044)
【摘要】　高分子量多环芳烃 ( PAHs)的降解通常以共代谢方式进行. 研究比较了高分子量多环芳烃代表种类芘
作为唯一 C 源和能源的降解过程和有共代谢底物存在下芘的降解过程 ,结果表明 ,25d 后前者中芘的降解率
57 % ,而后者中芘的降解率为 80 %. 且有共代谢底物存在下 ,芘在降解过程中半衰期缩短 ;水杨酸 ,邻苯二甲酸 ,
琥珀酸钠能作为共代谢底物提高芘的降解率 ,琥珀酸钠效果最好. 芘和低分子量多环芳烃之间也有共代谢关
系 ,菲促进了芘的降解 ,但萘未出现同样的结果. 此外 ,这阐明了共代谢原理和适宜作高分子量多环芳烃共代谢
底物的物质.
关键词 　多环芳烃 　共代谢 　芘 　土壤
文章编号 　100129332 (2001) 0320447204 　中图分类号 　X172 　文献标识码 　A
Co2metabolic degradation of pyrene in soil. GON G Zongqiang ,L I Peijun ,WAN G Xin ,ZHAN G Hairong ,SON G Yu2
fang ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016) and L I Bin ( Depart ment of A r2
chitecture and Envi ronment , S henyang U niversity , S henyang 110044) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2001 ,12 (3) :447～
450.
High molecular weight Polycyclic Aromatic Hydrocarbons ( PAHs) are always degraded by means of co2metabolism.
This study compared the degradation process of pyrene as sole source of carbon and energy and co2metabolic degrada2
tion process of pyrene. The degradation rate of pyrene after 25 days in the first process was 57 % ,while the degradation
rate of pyrene in the co2metabolic processes were about 80 %. The half2life of pyrene in the co2metabolic process was
shorter than those in the processes without co2metabolism. Salicylic acid ,phthalic acid ,sodium succinate could serve as
co2metabolic substrate to enhance the degradation rate of pyrene ,and sodium succinate has the best effect . There was
co2metabolic relationship between pyrene and phenanthrene which was a kind of low molecular weight PAHs ,phenan2
threne accelerated the degradation of pyrene ,while naphthalene didn’t . The principle of the co2metabolism and the op2
timal material used as co2metabolic substrate were demonstrated in this paper.
Key words 　Polycyclic Aromatic Hydrocarbons ( PAHs) , Co2metabolism , Pyrene , Soil.
　　3 国家自然科学基金 (29977921) 和中国科学院知识创新资助项目
( KZCX22401) .
　　3 3 通讯联系人.
　　2001 - 06 - 01 收稿 ,2000 - 09 - 29 接受.
1 　引 　　言
多环芳烃是一类普遍存在于环境中的优先具毒有
机污染物 ,具有致突变、致癌特征 ,美国 EPA 已将 16
中多环芳烃列入优先控制有机污染物黑名单中[8 ] . 芘
是其中一种 ,也是高分子量多环芳烃的代表种类之一.
多环芳烃因疏水性、辛醇水分配系数高 ,而易于从水生
态系统向沉积层迁移 ,最终造成沉积层土壤的污染. 目
前普遍认为多环芳烃在土壤中是一类难降解有机物 ,
具有较高的稳定性 ,生物可降解性随着苯环数和苯环
密集程度增加而降低 ,尤其是四环以上的高分子量多
环芳烃 ,降解通常以共代谢方式进行[4 ,5 ] . 某些有机物
不能作为微生物的唯一 C 源与能源 ,必须有另外的化
合物存在提供 C 源与能源时该有机物才能被降解 ,这
种现象称为共代谢 (cometabolism) [7 ,10 ] ,在那些难生物
降解的化合物代谢过程中起着重要作用. 通过几种微
生物的一系列共代谢作用 ,可能使某些特殊有机污染
物彻底降解[13 ] . 提供 C 源与能源的物质称为共代谢底
物(cometabolic substrate) . 目前国内外对多环芳烃的
共代谢降解的研究较少 ,因此开展经济高效的多环芳
烃难降解有机污染物控制技术研究显得尤为迫切. 本
文以芘为代表研究多环芳烃在土壤中的共代谢过程 ,
为控制土壤中的难降解有机物提供依据.
2 　材料与方法
211 　供试材料
21111 供试化学品 　芘 ( Fluka 公司产品) ,纯度大于 97 % ;菲
(Fluka 公司产品) ,纯度大于 90 % ;萘 (北京化工厂) ,分析纯. 琥
珀酸钠、水杨酸、邻苯二甲酸、联苯、二氯甲烷、甲醇 ,萘、菲和芘
的结构特征和毒理学特征见表 1.
21112 仪器设备 　独轴旋转式摇床、KQ2250B 型超声水浴箱、
离心机、HP21090 液相色谱仪.
应 用 生 态 学 报 　2001 年 6 月 　第 12 卷 　第 3 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J un. 2001 ,12 (3)∶447～450
表 1 　供试多环芳烃的结构特征和毒理学特性
Table 1 Chemical structure and toxicological characters of test PAHs
多环芳烃
PAHs
分子量
Meleculor
weight
结构式
Chemical
structure
遗传毒性
Geno2
toxicity
致癌性
Carcino2
genicity
萘 Naphthalene 128 2 2
菲 Phenanthrene 178 2 2
芘 Pyrene 202 + Ames + UDS ; + SCE3 SCE :姐妹染色体交换 ;UDS :无序的 DNA 合成.
21113 供试土壤 　采自中国科学院沈阳生态站 0～20cm 表层
清洁土壤 ,土壤为草甸棕壤. 其理化性质见表 2.
表 2 　供试土壤理化性质
Table 2 Physical and chemical characters of tested soil( %)
p H 全磷
T2P 全氮T2N 凯氏氮K2N 有机碳O2C
6. 22 0. 04 0. 593 0. 11 1. 78
21114 色谱条件 　惠普 10902Ⅱ高效液相色谱仪 ,配有二极管阵
列检测器 (Diode Array Detector ,DAD) ,色谱柱为烷基硅胶柱 ,柱
温 38 ℃,流动相 :甲醇/ 水 = 90/ 10 ,流速 1ml·min21 ,进样量 20μl ,
检测波长 :芘 240nm ,菲 251nm ,萘 270nm.
212 　研究方法
21211 污染土壤的模拟 　取 500ml 三角瓶 ,向内投入 75g 过
1mm 筛的供试土壤 ,然后再加入 150ml 马铃薯液体培养基 [2 ] ,
先用预选共代谢底物对土壤内微生物进行驯化 ,水杨酸、联苯、
琥珀酸钠、邻苯二甲酸按与芘质量比 2∶1 加入 ,萘、菲按与芘质
量比 1∶1 加入 ,同时设无共代谢对照. 8h 后加入溶于甲醇的芘
溶液. 将三角瓶放在 140r·min - 1的摇床上摇匀. 以此时刻记为
零时 ,将三角瓶继续放在摇床上进行实验 ,按设定采样时间用
移液管取出泥浆样品分析测定.
21212 分析方法 　取 10ml 混合泥浆放入玻璃离心管 ,离心 5～
15min ,转速 3000～3500r·min - 1 ,离心后土样风干、研磨后保
存. 取 2g 待测土样置于 100ml 玻璃离心管中 ,加入 20ml 二氯
甲烷 ,将离心管盖好 ,放入超声水浴箱提取 2h ,水浴过程中温度
控制在 40 ℃以下. 取上清液放入 K. D. 浓缩器中 ,用 N2 吹干 ,
甲醇定容后移入色谱进样瓶 ,用高效液相色谱测定 [11 ] .
3 　结果与讨论
311 　芘在土壤中的共代谢降解
在没有共代谢底物提供 C 源和能源的情况下 ,芘
在土壤中很难被降解. 从芘在土壤中的降解曲线 (图
1)可以看出 ,芘进入土壤后 ,土壤微生物并不能直接利
用芘作为 C 源和能源 ,尤其是实验的前 12d ,芘的浓度
未出现明显变化. 高分子量多环芳烃是不易挥发的有
机物 ,其消失速率主要受微生物降解影响. 经过 12d 的
驯化以后 ,土壤微生物才能对芘显出活性 ,芘开始出现
降解. Monod 方程用来描述化合物降解过程 ,表达式
为 dc/ dt = kbc ,其中 dc/ dt 为化合物的降解速率 , b
为生物数量或活性 , c 为化合物的浓度. 从图 1 对照中
可以看出降解速率逐渐增大 ,这应是微生物酶活性提
高的结果 ,酶活性在这一过程中是重要因素. 因此 ,这
一过程应是由微生物活性及芘浓度两个因素控制的二
级反应. 20d 以后降解趋势变慢 ,微生物对残留芘的降
解趋于停止 ,降解率为 56. 7 %. 在有共代谢底物存在
的条件下 ,芘的降解速率明显高于对照 ,并且没有滞后
现象 (图 1) . 这是由于芘进入土壤环境以前预先投加
的水杨酸、邻苯二甲酸等作为共代谢底物 ,提高了某些
可诱导酶活性 ,因此对于芘有亲和力 ,使芘能够被迅速
降解. 尤其是降解反应的初始阶段 ,反应速率相对较
快 ,随着反应的进行反应速率逐渐降低 ,反应符合一级
动力学模式. 这是因为在 Monod 方程 dc/ dt = kbc 中
微生物种群 b 不依赖于共代谢速率 ,而共代谢的动力
学明显不同于来自生长基质的动力学 ,共代谢没有滞
后期 ,因此降解方程可简化为一级反应动力学方
程[13 ] . 芘以水杨酸、邻苯二甲酸作为共代谢底物的降
解过程很相似 ,这可能是因为水杨酸、邻苯二甲酸都是
多环芳烃的中间代谢产物 ,而且经历的代谢途径大致
相同[1 ] . 预先向土壤加入水杨酸、邻苯二甲酸 ,土壤中
微生物降解多环芳烃的能力显著提高 ,25d 后芘的降
解率提高到 80 %. William 等指出微生物对联苯进行
降解后 ,其降解多环芳烃的能力增强[14 ] . 从图 1 来看 ,
联苯的加入虽然在实验初期促进了芘的降解 ,但在实
验后期却没能明显提高芘的降解率. 从表 2 可看出琥
珀酸钠作为共代谢底物提高芘的降解率最明显. 从图
1 可看出实验进行到 9d 以后 ,芘的降解又有一个平缓
阶段 ,这是由于共代谢底物被微生物消耗而使酶缺乏
能源支持.
图 1 　以一类简单有机物为共代谢性物质下芘的降解
Fig. 1 Degradation of pyrene under a series of simple organic meterials as co2
metabolic materials.
A.对照 Control ,B. 以水杨酸为共代谢底物 With salicylic acid as co2
metabolic substrate ,C. 以邻苯二甲为共代谢底物 With phthalic acid as co2
metabolic substrate ,D. 以琥珀酸钠为共代谢底物 With sodium succinate
as co2metabolic substrate ,E. 以联苯为共代谢底物 With biphenyl as co2
metabolic substrate.
312 　芘和低分子量多环芳烃的降解过程
土壤微生物对多环芳烃缺乏特性酶 ,结果由于有
些酶具有非特性活性 ,因此和生长底物结构类似的非
生长性物质也可以和这些酶结合 . 氧化酶 (例如加氧
844 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷
表 3 　不同共代谢底物条件下芘的降解动力学方程
Table 3 Degradation dynamics equations of pyrene under different ce2
metabolic substrate
共代谢底物
Co2metabolic
substrates
降解动力学方程
Degradation
dynamics equations
回归系数
R
半衰期
Half2life
水杨酸 Salicylic acid y = e - 0. 0607 x 0. 933 11. 41
邻苯二甲酸 Phthalic acid y = e - 0. 0627 x 0. 954 11. 05
琥珀酸钠 Sodium succinate y = e - 0. 0807 x 0. 943 8. 59
联苯 Biphenyl y = e - 0. 0279 0. 967 25. 11
酶)对某些非生长物质就能显出非特性活性 ,结果这些
微生物的休止细胞可以用来降解有毒污染物. 但休止
细胞的转化能力受到了细胞内能量和电子供体的限
制 ,因此对非生长物质的共代谢降解就需要通过氧化
生长物质来提供额外的能量支持[9 ] . 多环芳烃降解都
是从加氧酶的作用开始 ,加氧酶的专性不强 ,可以被生
长物质诱导 ,这是多环芳烃共代谢降解的基本原
理[12 ] . 研究表明 ,加氧酶在微生物内普遍存在 ,但加氧
酶对多环芳烃降解能力有限 ,能被某些多环芳烃诱导
而提高活性[3 ,6 ] .
　　萘、菲在结构上和芘有相似性 ,因此本研究考查了
二者对微生物降解芘的影响. 从图 2 可以看出 ,萘在土
壤环境中的存在未能明显提高微生物降解芘的能力 ,
这可能是由于萘的投加量较少 ,而萘自身又有较强的
挥发性 ,且残留在土壤中的萘对芘的降解影响不明显
的缘故.
图 2 萘对芘在土壤环境中降解的影响
Fig. 2 Effects of naphthalene on the degradation of pyrene in soil.
A.对照 Control ,F. 有萘存在下芘的降解 Degradation of pyrene in pres2
ence of naphthalene.
从图 3 可看出 ,芘和菲之间有着明显的共代谢关
系 ,土壤中预先加入的菲促进了芘的降解 ,25d 以后芘
的降解率达到 80 %以上. 这是因为菲和芘分子结构相
似 (表 1) ,而菲又可以被快速降解 ,对芘具有潜在降解
性能的酶从菲的氧化降解中获得了 C 源和能源而增
强了活性 ,所以芘的降解率高于对照. 芘的降解动力学
方程为 y = e - 0. 0636 x ,半衰期为 10. 9d. 从图 3 可以看
出 ,6d以后大部分菲被降解 ,芘的降解因此也出现了
　　　　　　
图 3 　菲对芘在土壤环境中降解的影响
Fig. 3 Effect of phenathrene on the degredation of pyrene in soil.
A.对照 Control , G. 有菲存在下芘的降解 Degradation of pyrene in pres2
ence of phenantherne ,H. 菲的降解 Degradation of phenanthrene.
平缓期.
4 　结 　　论
411 　芘进入土壤环境后 ,不能立即作为微生物的 C
源和能源 ,微生物对芘的降解需要一段时间的滞后期.
芘在土壤中残留期较长 ,半衰期在 20d 以上.
412 　水杨酸、邻苯二甲酸、琥珀酸钠等有机物是多环
芳烃的代谢中间产物 ,预先向土壤中加入这几种物质
能提高微生物酶活性 ,促进芘的共代谢降解过程 ,25d
芘的降解率可达 80 % ,其中琥珀酸钠作为共代谢底物
作用最好. 可使芘降解的半衰期缩短 ,使芘在更短的时
间内被降解.
413 　本研究中对多环芳烃进行降解的微生物为未经
人为改变的原有土著微生物 ,因此降解周期较长. 芘和
低分子量多环芳烃菲之间有共代谢关系 ,筛选能充分
利用高分子量和低分子量多环芳烃共代谢关系的微生
物来治理多环芳烃污染土壤是一种可行的方法.
参考文献
1 　Cerniglia CE ,Heitkamp MA. 1989. Microbial degradation of polycyclic
aromatic hydrocarbons in aquatic environment . In : Baranasi R ed.
Metabolism of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in the Aquatic Envi2
ronment . FL : CRC Press Inc. 41～68
2 　Fan X2R (范秀容) ,Li G2W (李广武) ,Shen P (沈 　萍) . 1989. Mi2
crobiological Experiments (Second edition) . Beijing : Higher Education
Press. 26 (in Chinese)
3 　Gong Z2Q (巩宗强) ,Li P2J (李培军) , Wang X(王 　新) . 2000. The
process of cometabolic degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons
in the contaminated soils. Chin J Ecol (生态学杂志) ,19 (6) :40～45
(in Chinese)
4 　Heikamp MA , Cerniglia CE. 1989. Polycyclic aromatic hydrocarbons
degradation by a Mycobacterium sp . in microcosms containing sedi2
ment and water from pristine ecosystem. A ppl Envi ron Microbiol ,55 :
1968～1973
5 　Ingeborg DB ,Richard B. 1986. Structure biodegradability relationship
of polycyclic aromatic hydrocarbons in soil. B ull Envi ron Contam
Toxicol ,37 :490～495
6 　James EB ,Douglas GC. 1988. Effects of co2occurring aromatic hydro2
carbons on degradation of individual polycyclic aromatic hydrocarbons
in marine sediment slurries. A ppl Envi ron Microbiol ,54 (7) :1649～
9443 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　巩宗强等 :芘在土壤中的共代谢降解研究 　　　　　　　　　
1655
7 　Jerome J P. 1979. Microbial cooxidation involving hydrocarbons. Mi2
crobiol Rev ,43 (1) :59～72
8 Keith L H , Telliard WA. 1979. Priority pollutants I. A perspective
view. Envi ron Sci Technol ,13 :416～423
9 　Michael HK ,Oliver J H. 1999. Cometabolic degradation of chlorophe2
nols by Acinetobacter species. W at Res ,33 :562～574
10 　Raymond SH. 1972. Microbial cometabolism and degradation of organic
compounds in nature. Bacteria Rev ,36 (2) :146～155
11 　Song Y2F (宋玉芳) ,Ou Z2Q (区自清) , Sun T2H (孙铁珩) . 1995.
Analytical method of polycyclic aromttic hydrocarbons ( PAHs) in soil
and plant samples. Chin J A ppl Ecol (应用生态学报) ,6 (1) :92～96
(in Chinese)
12 　Susan CW , Kevin CJ . 1993. Bioremediation of soil contaminated with
polynuclear aromatic hydrocarbons ( PAHs) . Envi ron Pollut ,81 : 229
～249
13 　Wang X2R (王晓蓉) . 1997. Environmental Chemistry. Nanjing : Nan2
jing University Presss. 117 (in Chinese)
14 　William TS ,Chen SH ,Michael DA. 1995. Induction of PAH degrada2
tion in a phenanthrene2degrading pseudomonad. In : Hinchee RE ed.
Microbial Processes for Bioremediation. FL :Lewis Publishers. 83～89
作者简介 　巩宗强 ,男 ,1975 年生 ,硕士研究生 ,主要从事生态
环境工程、污染生态学研究 ,发表论文 8 篇. E2mail : gong-zq @
yahoo. com
关于召开“应用生态学科前沿报告会 (纪念《应用生态学报》创刊 12 周年)”的通知
　　为了更好地把握 21 世纪生态科学发展的前沿学科 ,正确地选择新世纪我国应用生态科学发展方向和优先领域 ,造就和培养新
世纪学术带头人 ,以及充分发挥学术期刊的导向作用和创建应用生态学科信息中心 ,根据本刊编委的信息反馈 ,经主 (协) 办单位领
导的批准 ,定于 2001 年 10 月 12 - 17 日在安徽芜湖市召开“应用生态学科前沿报告会 (纪念《应用生态学报》创刊 12 周年)”.
　　本次会议由本刊主 (协)办单位联合主办 ,安徽师范大学承办 ,现将会议有关事项通知如下 :
一. 会议主要论题
　1. 学科前沿论坛
　　1) 　21 世纪森林生态学科前沿与发展趋势
　　2) 　21 世纪农业生态学科前沿与发展趋势
　　3) 　21 世纪草地 (牧业)生态学科前沿与发展趋势
　　4) 　21 世纪渔业 (海洋)生态学科前沿与发展趋势
　　5) 　21 世纪自然资源生态学科前沿与发展趋势
　　6) 　21 世纪景观生态学科前沿与发展趋势
　　7) 　21 世纪全球生态学科前沿与发展趋势
　　8) 　21 世纪城市生态学科前沿与发展趋势
　　9) 　21 世纪污染生态学科前沿与发展趋势
　 10) 　21 世纪化学生态学科前沿与发展趋势
　 11) 　21 世纪生态工程学科前沿与发展趋势
　2. 办刊之道探讨
　　1) 　《应用生态学报》编辑部工作汇报
　　2) 　创办国际化优秀期刊之对策
　　3) 　创建应用生态学科信息中心
二. 论文递交
　　会议论文务必按《应用生态学报》投稿须知要求撰文 (全文 8000 字) ,会后拟根据论文质量择优在本刊分期发表 ,论文可通过电
　　子信箱传递 (或邮寄打印稿)本刊编辑部. 论文递交截止日期 :2001 年 9 月 10 日.
三. 会议时间和地点
　　时间 :2001 年 10 月 12 日报到 ,13 - 17 日大会报告 (包括生态考察黄山、九华山等地)
　　地点 :安徽师范大学专家楼 (芜湖)
　　联系人 :刘登义教授 　电话 :0553 - 3869233 　手机号 :13805539063
　　E - mail :ldy @mail. ahnu. edu. cn
四. 参加人员
　　1. 本刊顾问 (特邀代表)
　　2. 本刊主 (副)编
　　3. 本刊编委
　　4. 本刊论文作者
五. 会议费用
　　1. 本刊顾问、特邀报告者 (两院院士和著名应用生态学家)差旅费、食宿费、考察费等由会议统一安排.
　　2. 本刊编委差旅费、住宿费原则上自理 ,考察费由会议统一安排.
　　3. 本刊论文作者差旅费、住宿费自理 ,并交纳会议注册费 400 元.
六. 填寄回执
　　请将回执于 2001 年 8 月 31 日前寄回会议策划组.
　　策划组地址 :沈阳市文化路 72 号 中国科学院沈阳应用生态研究所
　　邮编 :110016 　电话 :024 - 23916250
　　传真 :024 - 23843313 　E - mail :cjae @iae. syb. ac. cn
　　联系人 :孙顺江编审
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中国科学院沈阳应用生态研究所
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　中 　国 　生 　态 　学 　会
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《应用生态学报》编辑委员会
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2001 年 5 月 16 日
054 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷