生物法降解氰化物的研究進展

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(青島科技大學化工學院,山東 青島 266042)

氰化物是指含有CN基團的化合物，存在于很多有機和無機化合物中，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、煉焦及塑料工業等生產過程中廣泛使用氰化物[1～3]，所產生的大量含氰廢水嚴重污染環境，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。

工業上處理含氰廢水大多采用化學方法。國內主要采用堿氯法(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90年代開始，又出現了溶劑萃取法、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90年代開始出現生物氧化法、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]，但此技術僅適用于游離氰化物(CN-、HCN)以及與金屬結合較弱的氰化物，且試劑費用高、易產生余氯，對與鎳、銀等金屬絡合的氰化物效果不明顯，反應速度很慢。此外，處理過程中加入過量的氯使水中總殘渣量增加，回收再利用困難，不僅高含氯量的殘渣對水生生物有害[6,7]，大量氯的消耗也使得費用增高。

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

1 生物法降解氰化物的機制

1.1 影響氰化物降解的因素

微生物具有降解環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，使產酸克雷伯氏菌中毒，從而抑制微生物有機體對這些化合物進行生物降解[6]。營養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。氰化物降解酶一般由土壤中分離得到的中溫微生物產生，進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/轉移[11]。

1.2.1 水解反應

水解反應由多種酶催化，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來降解氰化物。反應如下[11,12]：

低濃度的氰化物可誘導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化成甲酰胺，并最終轉化成CO2和NH3。氰化物水合酶與氰化物水解酶是細菌酶，與腈水解酶和腈水合酶在氨基酸和結構水平上有相似性[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化成相應的酸或酰胺，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及其它細菌中都發現有腈水合酶和酰胺酶存在[12]。已有報道以腈水解酶或腈水合酶與酰胺酶聯合使用來降解有機氰化物(亞硝酸鹽類)[12]。

1.2.2 氧化反應

利用氧化途徑可轉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化成氰酸鹽，然后氰酸酶將氰酸鹽催化轉化成氨和二氧化碳。現已確定在很多細菌、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

通過還原途徑可轉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/轉移反應

以β-氰丙氨酸合酶為催化劑，可將氰化物轉化成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。以硫基轉移酶為催化劑可產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CO2，兩過程都可產生氨[6]。氰化物的降解途徑如下：

β-氰丙氨酸合酶:

硫基轉移酶：

2 生物法降解氰化物的研究進展

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，與化學法相比，生物法成本低，環境友好，而處理效果與化學方法相近。產酸克雷伯氏菌降解腈類具有酶的機制，另外諾卡爾菌屬、節桿菌屬、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行生物降解，發現惡臭假單胞菌可將氰化物作為唯一的碳源和氮源，降解的終產物是NH3和CO2。

固定化細胞可防止細胞洗濯，且增加了細胞密度，進而提高了降解速率[14,15]。Babu等[13]最先研究了固定化技術，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，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，結果發現，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]研究發現，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]發現除去氰化物時將生物降解和生物吸附聯合使用，效率很高。絲狀真菌須根霉菌能吸附氰化鐵(Ⅲ)絡合物[3]，可在pH值高達13的堿性條件下吸附絡合物，并具有很高的負載能力(612.2 mg·g-1)。

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

新的研究證實可利用植物對含氰廢物進行生物修復。實驗室研究發現，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125 mg·L-1，也可輕易地將其降解。

3 結論

全球采礦、裝飾、制藥等行業快速增長，隨之產生大量的含氰廢水需要有效且經濟的方法來處理。生物法降解氰化物優勢明顯。然而，工業上降解氰化物使用的菌種是通過自然選擇或富集培養得到的，不適于在極端環境(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其降解氰化物的能力，還要考察其對外加壓力以及來自環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將致力于增強與現存技術的競爭能力，發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域做進一步的研究，以滿足工業廢水處理的特殊要求[11]。

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