全 文 ：·综述与专论· 2013年第8期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
氰化合物泛指带有氰基（-C≡N）的化合物，
自然环境中广泛存在，其形式主要有氰化氢（HCN）、
简单氰化物（如 NaCN、KCN）、金属 - 氰络合物［如
Fe4（Fe（CN）6）3，K2Ni（CN）4］、硫氰酸盐和腈
（CN 与有机物结合）［1］。其中，HCN 和 CN-的毒性
极强，而金属氰络合物和腈的毒性因 CN-解离程度
而异［2］。由于氰化合物存在的多样性及广泛性，其
在生命形成、进化及人类生产活动中发挥非常重要
的作用［3］。然而，因此而产生的大量含氰废液造成
了严重的环境污染，如多种工业废水、电镀、洗矿
业的含氰废水中氰化物质量浓度高达 10-100 g/L。
氰化物对人、畜、水生生物及植物均有极大的毒性，
危害严重。所以，氰污染的治理与生物修复一直是
收稿日期 ：2013-03-14
基金项目 ：国家自然科学基金项目（31201163，41271504），黑龙江省自然科学基金项目（C201021）
作者简介 ：方淑梅，女，硕士，讲师，研究方向 ：环境微生物学及植物逆境分子生物学教学与科研 ；E-mail ：fangshumei520@126.com
氰污染的微生物修复与应用
方淑梅1，2  梁喜龙1  李春艳2
（1. 黑龙江八一农垦大学，大庆 163319 ；2. 东北农业大学，哈尔滨 150030）
摘 要 ： 由于人类活动而产生的大量氰化合物造成了土壤和水源受到严重污染，这对人类及动植物的生存构成了严重威胁，
因此深入探究污染物的处理及污染环境的修复具有重要意义。生物降解具有绿色、高效、成本低等优点，成为污染处理和环境修
复发展的方向。氰化合物可作为碳源和氮源被多种微生物利用，产物为低毒或无毒的物质。从氰化合物的来源、微生物降解研究
现状、降解机理，影响氰化合物微生物降解的主要因素及微生物降解的应用等角度，综述氰污染微生物修复的研究进展。
关键词 ： 氰化物 腈 微生物修复 污染
Bioremediation of Cyanide Contamination and Its Applications
Fang Shumei1，2 Liang Xilong1 Li Chunyan2
（1. Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319 ；2. Northeast Agricultural University，Harbin 150030）
Abstract:  The cyanide contamination of soils and water sources by anthropogenic activities caused severe threaten to lives of human,
animals, and plants. So, the treatment of contaminants and remedy of environment are significantly important to environmental protection.
Biological degradation may be a potentially efficient, cost-effective, environmentally friendly alternative to the previous conventional processes.
Many microbial organisms can use cyanide as carbon and nitrogen source converting it into ammonia and carbonate which are less or no
toxic products. This paper reviewed the research progress on the microbial remediation of cyanide contamination in terms of the major source
of cyanide in soil and water, recent advances, affecting factors, the degradation mechanisms and the current applications in the microbial
remediation of cyanide contamination.
Key words:  Cyanide Nitrile Microbial remediation Contamination
世界环保领域关注的重大课题。
1 环境中氰化合物的主要来源
氰化合物广泛存在于各种生物体中，包括动
物［4］、植物［5］、真菌［6］和细菌［7］。而造成环境污
染的氰化合物则更多的来自于人类的生产活动，如
电镀、冶金、日用化工、印染废水，城市生活污水、
垃圾厂渗滤液及含氰基化学药品等。
在电镀过程中，氰化物是重要的原料和金属离
子络合剂，因此在氰化镀锌、氰化镀铜、氰化镀铬、
氰化镀镉等电镀过程中产生大量含相应金属 - 氰络
合物及游离氰的废水，对人类及其他生物造成严重
威胁［8］。在金属冶炼过程中，也会生成大量的重金属 -
氰络合物，包括金、银、铁、铜、锌和镍等［9］。其中，
2013年第8期 37方淑梅等 ：氰污染的微生物修复与应用
金、银、铁和氰的络合物更稳定，溶解性与介质 pH
密切相关，如铁氰络合物在酸性土壤中非常稳定，
而在碱性土壤中溶解度明显增加，所以其在碱性条
件下易水解成游离氰化物而污染地下水［10］；而铜、
镍、锌与氰的络合物相对易分解，这种不稳定的络
合物对环境的危害更大［11］。2000 年，罗马尼亚北
部金矿的含氰废液泄漏就导致提萨河（多瑙河支流）
严重污染，造成大量水生生物和动物死亡［12］。
另外，腈类杀菌剂、杀虫剂和除草剂，如丁
烯氟虫腈、四氯异苯腈、溴苯腈、2，6-二氯苯腈
及羟基苯甲腈等连续施用易在土壤中大量残留，通
过地表径流和淋溶等途径造成地表水及地下水污
染［13， 14］。四氯异苯腈还用于造船业，已检测到在地
中海和英国沿海岸码头存在四氯异苯腈污染，由此
而导致的环境破坏已经引起关注［15，16］。
2 氰化合物的生物降解
2.1 简单氰化物的生物降解
简单氰化物主要指碱金属、碱土金属和铵的氰
化 物， 如 NaCN、KCN、NH4CN 和 Ca（CN）2 等，
其特点是溶解度大，毒性强，在水中很易水解而形
成氰化氢。多种细菌具有降解简单氰化物的能力，
菌株 P. fluorescens NCIMB 11764 在以 KCN 为唯一氮
源时，表现出 NAD（P）H 依赖的氰单加氧酶（cyanide
oxygenase）活性，而当生长培养基中加入 KCN 时，
则表现出氰酸酶（cyanase）活性，这两种酶都能将
氰化物降解产生 NH3 和 CO2，但这两种酶活性却不
能同时诱导［17］。在 Pseudomonas stutzeri AK61、Alca-
ligenes xylosoxidans subsp. DF3、Bacillus pumilus C1 中
均发现了氰双水合酶（cyanide dihydratase） 活性，
可催化氰化物降解生成氨和甲酸［18-20］。另外，能利
用氰化物的酶还包括氰双加氧酶（cyanide dioxygen-
ase）和固氮酶（nitrogenase），固氮酶可催化氰化物
转变成 CH4 和 NH3
［21-23］。某些真菌也具有降解简单
氰化物的能力，对镰刀菌的研究中发现了氰水合酶，
该酶与腈水解酶序列相似，催化氰化物生成甲酰胺，
然后被酰胺酶进一步催化生成甲酸［24］。另外，木霉
菌及白腐真菌也具有降解简单氰化物的特性［25，26］。
2.2 金属-氰络合物的生物降解
氰化物容易与金属离子（Zn2+、Cu2+、Ni2+ 和 Fe3+
等）结合，生成的络合物非常稳定，不易为微生物
利用，从而阻碍了氰化物的生物降解。但是微生物
具有极强的适应和诱变能力，已报道能够降解金属 -
氰络合物细菌，如 ：P. fluorescens NCIMB 17764 可降
解镍氰络合物［17］，P. fluorescens BKM B-5040 可利用
Zn、Cu、Ag、Fe 氰络合物［27］，Burkholderia cepacia C-3
和 Pseudomonas pseudoalcaligenes CECT5344 能够在碱
性条件下降解金属-氰络合物［28，29］，Finnegan 等［30］
报道 Acinetobacter sp. RBPI 不仅能够降解金、银、钙、
锌、铜、钴和铁等多种金属氰络合物，而且，还能
降解简单氰化物和腈类物质。由于含氰废水成分复
杂，常含有大量重金属，并且 pH 极高。因此，筛
选出耐碱的降氰菌株具有更重要的潜力和应用价值。
另外，研究表明，在废液中加入某些物质能够促进
金属 - 氰络合物的降解，如 α-酮酸、α-酮戊二酸均
能够使氰化物从络合物中解离出来，并与之反应生
成相应的氰醇，进一步被氰加氧酶催化生成 NH3 和
CO2
［31］；而高铁酸盐（Fe6+）可使金属 -氰络合物
中的 CN- 氧化生成 CNO- 而降低毒性，还原生成的
Fe3+ 进一步吸附 Cu2+、Ni2+ 等重金属离子，使之凝聚
而去除［32］。有些真菌及混合菌系也具有降解金属 -
氰络合物的能力，而且认为这一过程主要通过氰水
合酶催化完成［33］。
2.3 腈类物质的生物降解
腈类物质的生物代谢主要通过腈水解酶途径和
腈水合酶-酰胺酶途径完成，代谢终产物均为酸和
氨。不同微生物体内的腈水解酶和腈水合酶及酰胺
酶的蛋白构成及底物特异性均存在较大差别［34］。有
些腈降解酶仅对芳香腈或脂肪腈中的一类有降解作
用，有些既可降解芳香腈，又可降解脂肪腈，或降
解溴苯腈等含卤素的腈类［35］及含有双键的烯腈［36］。
如 Paracoccus sp. SKG 和 Brevibacterium imperialis
CBS489-74 对丙烯腈有特异性降解作用［37，38］。在
腈降解菌中，多数菌株只含有腈水解酶途径或腈水
合酶途径中的一种，而两种途径同时具备的菌株较
少， 目 前 报 道 的 有 Rhodococcus rhodochrous J1［39］，
Bacillus pallidus Dac521［40］，Arthrobacter sp. J1［41］，
Nocardia globerula NHB-2［42］，Nocardia rhodochrous
LL100-21［43］，这些降解菌的共同特点是均存在底物
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第8期38
多样性，对多种腈类有降解作用。真菌在氰污染修
复中也发挥重要作用，如 Fusarium solani 既能够降
解芳香腈，又可利用简单氰化物和金属-氰络合物为
底物生长［24，33，44］，因此在含氰废水处理中具有重
要的可开发利用价值。
3 氰化合物生物代谢机理与途径
氰化合物在原核和真核生物体内都可代谢，代
谢途径主要有 4 种 ：水解作用、氧化作用、还原作
用和取代作用［34，45，46］。其中以水解作用和氧化作
用为主。
3.1 水解作用
催化氰化合物水解反应的酶较多，包括氰水合
酶（cyanide hydratase）［33］、氰水解酶（cyanidase）［18］、
氰 双 水 合 酶（cyanide dihydratase）［19］、 腈 水 解 酶
（Nitrilase）［47］、腈水合酶（nitrile hydratase）［48］、酰
胺酶（amidase）［49］等。各自催化降解反应的种类
与途径有 ：
R–CONH2
CONH2
–≠≤ਸ䞦 䞠㜪䞦
≠ৼ≤ਸ䞦
㝸≤ਸ䞦 䞠㜪䞦
R–COOH + NH3
㝸≤䀓䞦
≠≤䀓䞦
CN– + 2H2O
CN– + H2O
+ H2O
+ H2O
HCOO– + NH3
R–COOH + NH3
+ H2O
+ HCOO–+NH3
R–CN + 2H2O
R–CN + H2O
氰水合酶和氰水解酶作用于无机氰化物，而腈
水合酶和腈水解酶催化腈类的水解。虽然这些酶所
催化的底物不同，但 O’Reilly 等［50］ 的研究表明，
氰水合酶和氰水解酶分别与腈水合酶和腈水解酶具
有相似的氨基酸序列和分子结构，这为研究氰化合
物降解酶在结构与功能关系方面提供了重要的资
源。目前分离出的降解氰化合物的微生物种类很多，
如 Fusarium sp. 和 Pseudomonas fluorescens 可 利 用 氰
水合酶和氰水解酶降解氰化物，终产物为 CO2 和
NH3
［24，45］， 而 Klebsiella oxytoca，Rhodococcus rhodo-
chrous Jl，Rhodococcus sp. N-774，Brevibactenum sp.
R312，Pseudomonas chlororaphis B23 则通过合成的腈
水合酶和腈水解酶降解腈生成相应的氨和酸［1，51］。
3.2 氧化作用
氧化作用是指在有氧条件下，微生物利用氰单
加氧酶（cyanide monoxygenase）和氰酸酶（cyanase）
及氰双加氧酶（cyanide dioxygenase）催化氰化合物
降解生成终产物 NH3 和 CO2 的过程，该过程需要
NAD（P）H 参与［17，45］。如 Pseudomonas fluorescence
可以氰化物为氮源生长，催化 HCN 氧化，同时消耗
NADH 或 NAD（P）H。
≠ৼ࣐≗䞦
≠䞨䞦
≠অ࣐≗䞦
NH3 + CO2HCN + O2
NADP+NADPH+H+
HOCN + H2O
3.3 还原作用
还原作用在微生物降解氰化物的过程中并不常
见，固氮酶（nitrogenase）参与催化过程，经过三步
反应最终产物为 CH4 和 NH3
［45，52］。Klebsiella oxyto-
ca 可 在 固 氮 酶 催 化 下 还 原 氰 化 合 物 生 成 CH4 和
NH3
［21］。另外，在 Bacillus subtilis 和 Geobacillus ka-
ustophilus 中 发 现 腈 还 原 酶（Nitrile reductase） 存
在， 该 酶 可 还 原 氰 基 生 成 氨 甲 基， 由 NADPH 提
供 H［53， 54］。
HCN + 2H
㝸䘈৏䞦
NADPH
2H പ≞䞦
CN
N
HN
O
HN
N
HN
O
HN
2H പ≞䞦2H പ≞䞦 CH3-NH2CH2=NH CH4 + NH3
NH2
H2NH2N
3.4 取代作用
取代作用是微生物利用氰化物为碳源或氮源进
行同化的过程，产物为 β-氰基丙氨酸、酸和氨。催
化的酶包括氰基丙氨酸合酶（cyanoalanine synthase）、
硫 代 硫 酸盐-氰 化 物 硫 转 移 酶（thiosulfate-cyanide
sulfurtransferase）、硫氰酸盐水解酶（thiocyanate hydr-
olase）和氰酸酶（cyanase）［45］。研究发现在 Flavob-
acterium sp.、Escherichia coli 及 Acremonium 真菌中均
存在氰化物的取代反应，通过该途径不仅促进了微
生物生长，还降低了氰化物的毒性。依靠取代作用
代谢的氰化合物种类及途径如下。
≠สщ≘䞨ਸ䞦
⺛ԓ⺛䞨ⴀ-≠ॆ⢙⺛䖜〫䞦
⺛≠䞨ⴀ≤䀓䞦
≠สщ≘䞨ਸ䞦
≠䞨䞦
ॺ㜡≘䞨 + CN– β-≠สщ≘䞨 + H2S
β-≠สщ≘䞨 + CH3COO–
SCN– + SO3
2–
SCN– + 2H2O
O-҉䞠э≘䞨 + CN–
CN– + S2O3
2–
S=C=O + NH3+ OH
–
SCN– + 3H2O + 2O2
NH4
+ + 2CO2
SO4
2–
2O2– H+
3H++HCO3
–
HS–
CNO–
2013年第8期 39方淑梅等 ：氰污染的微生物修复与应用
4 氰化合物生物降解的影响因素
氰化合物在自然界中广泛存在，其生物降解与
之并存。但各微生物对影响其生长与代谢的不利环
境因素均有耐受范围，当生态环境超出定居微生物
的耐受范围时，其降解作用就会明显减弱，有时甚
至影响到其在应用环境中能否生存。因此，众多学
者对影响氰化合物生物降解的因素进行了深入研究。
4.1 氰化合物浓度
土壤和水体中氰化合物浓度对微生物的降解性
能有重要影响［55］。Akcil 等［56］发现，假单胞菌对不
同浓度含氰废水的降解率存在明显差异。而高浓度
的丙烯腈和乙腈会造成 Bacillus subtilis 和 Klebsiella
oxytoca 菌体内腈降解酶的不可逆性损伤，从而使细
菌无法生长［51］。
4.2 营养源及其他污染物
碳 源 是 金属-氰 络 合 物 微 生 物 降 解 的 限 制 因
子［1］。Ferguson 等［57］研究发现，在氰化物污染区域，
即使很低水平的碳也会使氰化物的降解率降低。氧
含量及其他污染物存在也对氰化合物降解率有重要
影响，可能通过改变土著菌群结构所致［50，58］。
4.3 pH值
pH 是影响氰化合物降解的关键因素。在生物
降解的实际运用中，为了增加安全性，必须提高 pH
以减少 HCN（pKa=9.2）的生成
［24］。然而多数细菌
和真菌生长的最适 pH 分别是 6.5-7.5 和 5-6 之间，
因此筛选出耐碱降氰菌是氰污染微生物修复的关键。
目前已发现有些微生物能在 pH≥9.5 的碱性环境中
降解氰化合物［59，60］，而且碱性环境同时低氧溶解度
能够更有效减少 HCN 的挥发［58］，从而更加利于氰
污染的微生物修复。
4.4 温度
温度是影响含氰化合物生物降解的重要因素，
因为多数的氰化物降解酶由嗜温菌产生，最适生长
温度在 20-40℃之间［56］。因此，在温度很低的深
层地下土壤中氰化物的生物降解效率非常低或无法
发生。
5 氰化合物生物降解的应用
尽管氰化合物有毒，但是因其不可替代的作
用而在多种工业中广泛而持续的应用，由此而造成
的氰污染给人类生存环境造成了严重危害。所以氰
污染修复技术的改善和提高一直是人们致力研究
的重要课题。目前，已经筛选出多种降解氰类化
合物的菌株，但是氰污染环境极其复杂，如极端
的 pH、过高的氰化合物浓度、同时存在其他污染
物等，使得很多降氰菌种在此环境中根本无法生存
或降解效率很低。因此，要求氰污染修复菌株不仅
能够降解氰化合物，还必须能够耐受复杂环境、在
与土著微生物的竞争中占有优势。研究显示，P.
pseudoalcaligenes CECT5344 可 在 pH11.5 的 含 有 重
金属的氰废水中完全降解浓度达 30 mmol/L 的游离
氰化物和金属氰络合物［29］；Scenedesmus obliquus 可
在 pH10.3 的废水中使浓度 77.9 mg/L 的氰化物在 77
h 内降低至 6 mg/L［59］。菌株固定化也是促进氰污染
微生物修复的有效方式，固定化可避免菌株直接接
触有害物质，增加局部菌体浓度，目前使用的固定
剂主要包括颗粒状活性碳（GAC）、藻酸盐珠、沸石
等。而吸附同时生物降解（Simultaneous adsorption
and biodegradation，SAB）是氰污染去除的重要发展，
Dash 等［61］报道了 GAC 固定的 P. fluorescens 可通过
SAB 过程高效去除氰化物。目前，利用生物膜定植
进行菌株固定化而修复氰污染的研究受到重视，因
为生物膜的弹性及保护作用，能够消减不利环境对
降解菌的影响，如定植于生物膜上的 Comamonas 能
够降解浓度达 1 g/L 的乙腈［62］。而 Li 等［63］利用耐
乙腈的生物膜形成菌（Bacillus subtilis E2、E3、N4）
和腈降解菌（Rhodococcus rhodochrous BX2）混合培养，
可于 24 h 内完全降解含 800 mg/L 乙腈的合成废水，
成膜菌形成的生物膜能够促进乙腈的降解。
6 小结
随着电镀、采矿、冶金、日用化工等工业在全
世界的迅速发展，大量的含氰废液不断排放到环境
中导致土壤和水源的严重污染，这是现在和今后一
段时间内无法避免的客观事实。因此，急需新的方
法能够减轻和改善因氰污染而造成的环境问题。目
前，关于微生物修复技术虽已进行了大量的研究，
但多数是在实验室条件下从污染物中分离得到的天
然菌株，无法适应含氰废液的极端条件及复杂环境。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2013年第8期40
然而，多种微生物的科学组合和作用互补通常可实
现氰化合物的降解利用。特别是随着现代生物技术
的深入研究和广泛利用，全面解析降解菌株的关键
基因功能，并通过遗传重组进行菌株改造和重构来
产生能够适应极端环境的工程菌将是未来发展的必
然趋势。
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（责任编辑 狄艳红）