包木太，彭 杰，陳慶國(guó)

（中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100）

進(jìn)展與述評(píng)

微生物對(duì)聚丙烯酰胺降解作用的研究進(jìn)展

包木太，彭 杰，陳慶國(guó)

（中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100）

利用微生物降解殘留在環(huán)境中的聚合物是近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。聚丙烯酰胺（PAM）是一種較難處理的高分子聚合物，本文從微生物產(chǎn)生的酶對(duì)聚合物的作用方面進(jìn)行了綜述，概述了微生物對(duì)不同類(lèi)型的聚丙烯酰胺的降解作用，總結(jié)了聚丙烯酰胺生物降解的評(píng)價(jià)手段。基于真菌降解復(fù)雜結(jié)構(gòu)高分子方面的非特異性降解酶系統(tǒng)，提出了降解PAM的新途徑。

微生物；酶；聚丙烯酰胺；真菌；氧化物酶

高分子材料具有優(yōu)良的性能，但使用之后能在環(huán)境中穩(wěn)定的存在，環(huán)境中聚合物殘留量越來(lái)越大，給環(huán)境容量帶來(lái)壓力。微生物作為環(huán)境中存在的最大群體，利用其來(lái)進(jìn)行環(huán)境修復(fù)是一種高效而成熟的處理手段。微生物通過(guò)自身代謝和代謝產(chǎn)物對(duì)聚合物產(chǎn)生作用，細(xì)胞產(chǎn)生的胞外酶和胞內(nèi)酶作用于高分子結(jié)構(gòu)鏈段使其產(chǎn)生降解。國(guó)內(nèi)外環(huán)境工作者對(duì)高分子材料的生物降解進(jìn)行了大量的研究，表明聚合物本身的性質(zhì)、環(huán)境條件和微生物種類(lèi)等都影響著降解效果。

聚丙烯酰胺是丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物的統(tǒng)稱(chēng)。由于聚丙烯酰胺具有高分子化合物的水溶性以及其主鏈上活潑的?；蚨谑烷_(kāi)采、水處理、造紙、農(nóng)業(yè)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，有“百業(yè)助劑”之稱(chēng)[1]。聚丙烯酰胺的高分子量和碳鏈骨架結(jié)構(gòu)對(duì)生物具有抗性，近年來(lái)關(guān)于微生物降解聚丙烯酰胺的研究表明不同結(jié)構(gòu)的聚丙烯酰胺分子對(duì)微生物抗性也不同：陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺（CPAM）＞陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）＞非離子型聚丙烯酰胺（NPAM）。國(guó)外對(duì)非離子、交聯(lián)聚丙烯酰胺等的微生物降解有較多的研究，而在國(guó)內(nèi)該類(lèi)研究則側(cè)重于陰離子聚丙烯酰胺。表1是幾種PAM分子的結(jié)構(gòu)。

表1 幾種PAM分子結(jié)構(gòu)

1 高分子降解機(jī)理、酶的作用

1.1 聚合物微生物降解過(guò)程

王學(xué)軍等[2]將聚合物完全生物降解機(jī)理大致歸納為3種途徑。①生物物理作用：由于生物細(xì)胞增長(zhǎng)而使聚合物組分水解、電離、質(zhì)子化而發(fā)生機(jī)械性的毀壞，分裂成低聚物碎片。②生物化學(xué)作用：微生物對(duì)聚合物作用而產(chǎn)生新物質(zhì)（CH4、CO2和H2O）。③酶直接作用：被微生物侵蝕部分導(dǎo)致材料分裂或氧化崩裂。酶和外部環(huán)境作用下，聚合物分子量下降到能被微生物消化的水平。

聚合物的生物降解的過(guò)程涉及到兩種酶：胞外酶和胞內(nèi)酶。在微生物分泌的胞外酶使復(fù)雜大分子部分鏈結(jié)構(gòu)斷裂，成為短鏈小分子、低聚物或單體等物質(zhì)，從而能進(jìn)入細(xì)胞被胞內(nèi)酶作用分解[3-4]。Herzog等[5]認(rèn)為水解酶等胞外酶使高分子長(zhǎng)鏈變短成為可溶性中間體，而被微生物細(xì)胞代謝，這一步是聚合物降解過(guò)程中的限制步驟。通常情況下，微生物對(duì)于聚合物的降解過(guò)程如圖1所示。

自然界中微生物資源極其豐富。目前，已分離到多種降解聚合物的微生物，包括細(xì)菌、真菌、放線菌和藻類(lèi)等，其中細(xì)菌和真菌應(yīng)用最多。而細(xì)菌由于易誘發(fā)突變和適應(yīng)能力強(qiáng)而占多數(shù)。細(xì)菌依賴(lài)于各種酶包括單加氧酶、雙加氧酶、硝基還原酶、酯酶和細(xì)胞色素氧化酶等去降解化學(xué)物質(zhì)。這些酶類(lèi)通常必須被需降解的污染物誘導(dǎo)而分泌，而且具有特異性。

圖1 微生物降解聚合物過(guò)程

相對(duì)于細(xì)菌對(duì)于高分子物質(zhì)的降解模式，部分真菌降解大分子交聯(lián)物質(zhì)的過(guò)程則顯得尤為特別，其中白腐真菌對(duì)于木質(zhì)素具有特殊的作用效果。白腐真菌利用一種非特異性的自由基中間過(guò)程降解化學(xué)物質(zhì)[6]。雖然在降解過(guò)程中也涉及到酶的作用，但是在此過(guò)程中同一組酶通常能催化很多類(lèi)型的氧化還原反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生高能氧自由基，對(duì)抗性結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大作用。

1.2 可生物降解聚合物官能團(tuán)

聚合物的分子量、結(jié)晶度和物理狀態(tài)對(duì)其可生物降解性具有較大影響。一般分子量越高，聚合物越難被微生物利用，大分子難以穿越微生物細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)被消化吸收。各類(lèi)高分子在分子量、形態(tài)結(jié)構(gòu)相近的情況下，化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異決定了其生物降解性[7]。一些天然高分子易于被微生物利用并分解，而大多數(shù)合成高分子材料，特別是聚烯烴類(lèi)不易被微生物分解。這可以從高分子材料生物降解的機(jī)理來(lái)推斷[8]。易于生物降解的高分子是在有水存在的環(huán)境下被微生物作用、吸收代謝，從而使高分子主鏈斷裂、分子量逐漸變小，以至最終成為單體或代謝成CO2和H2O。此類(lèi)高分子如淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、聚糖、甲殼素等天然高分子以及含有易被水解的酯鍵、醚鍵、氨酯鍵、酰胺鍵等的合成高分子。在合成高分子中，脂肪族聚酯類(lèi)高分子易于被微生物分解從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。類(lèi)似結(jié)構(gòu)的脂肪族聚酯類(lèi)高分子有聚乙交酯、聚丙交酯、聚（β-羥丁酯）、聚已內(nèi)酯及其它共聚物。幾種典型可生物降解聚合物結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2[9]。

表2 典型可生物降解聚合物結(jié)構(gòu)

2 微生物對(duì)各類(lèi)聚丙烯酰胺的降解作用

2.1 非離子型聚丙烯酰胺

非離子聚丙烯酰胺（NPAM）由丙烯酰胺單體聚合制得。非離子聚丙烯酰胺的分子鏈上不帶可電離的基團(tuán)，在水中不電離，但其鏈上的酰胺基極易水解，而具有陰離子型的電性。

Grula等[10]比較了土壤中好氧細(xì)菌對(duì)陽(yáng)離子、陰離子和非離子聚丙烯酰胺的降解情況，研究表明：非離子和陰離子的聚丙烯酰胺可作為唯一氮源促進(jìn)假單胞屬的幾個(gè)種的細(xì)菌生長(zhǎng)，聚丙烯酰胺中酰胺基的水解為細(xì)菌提供氮源。Kunichika等[11]分離得到了能以非離子聚丙烯酰胺為唯一碳源和氮源的Enterobacter agglomerans和Azomonasm acrocytogenes兩株好氧降解菌株。在其實(shí)驗(yàn)中使用的非離子聚丙烯酰胺的分子量為 2×106。經(jīng)過(guò)降解之后聚合物分子量降低到0.5×106，但微生物只能利用聚丙烯酰胺分子鏈的一部分，酰胺部分不能被利用。當(dāng)聚丙烯酰胺濃度較低時(shí)，細(xì)菌對(duì)該非離子聚丙烯酰胺的降解能力也很有限。

由于聚合物分子量太大難以被微生物利用，Mamouni等[12]利用紫外光對(duì)一種非離子聚丙烯酰胺進(jìn)行光解，破壞其大分子結(jié)構(gòu)之后再進(jìn)行生物降解。該聚丙烯酰胺分子量為（1×105）～（1×106），在進(jìn)行光解前直接進(jìn)行好氧和厭氧生物處理幾乎沒(méi)有降解效果，進(jìn)行紫外光照射后再進(jìn)行生物處理，聚合物分子量顯著降低，礦化率有所提高，但降解效果仍然不明顯。而Suzuki等[13]利用臭氧將非離子聚丙烯酰胺氧化使其分子量從 280000降低到 340，但氧化后也具有極強(qiáng)的生物抗性。他認(rèn)為其抗性不僅來(lái)自高的分子量，也因?yàn)楣羌苌蠋в絮０坊?/p>

2.2 陰離子聚丙烯酰胺

陰離子聚丙烯酰胺（APAM）可由非離子型聚丙烯酰胺水解或丙烯酰胺與丙烯酸共聚制得。陰離子型聚丙烯酰胺習(xí)慣上也稱(chēng)為部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）。而對(duì)于陰離子聚丙烯酰胺的生物降解研究也是相對(duì)較多的。

Kumar等[14]的實(shí)驗(yàn)表明，一株假單胞菌通過(guò)酰胺酶作用能將丙烯酰胺降解為丙烯酸和氨。而Larson等[15]研究表明，丙烯酸單體和二聚體可以被完全降解為二氧化碳，丙烯酸的寡聚物（一直到七聚體）可以被部分降解。基于Kumar等對(duì)于脂肪族酰胺類(lèi)的研究，Kay-Shoemake等[16]提出如圖2所示的問(wèn)題。

Kay-Shoemake的實(shí)驗(yàn)表明，陰離子聚丙烯酰胺分子上的氨基是比較容易被微生物利用的。他的研究也證實(shí)在聚丙烯酰胺存在下土壤中好氧微生物會(huì)產(chǎn)生酰胺水解酶，并可以將聚丙烯酰胺作為唯一氮源促進(jìn)土壤中好氧微生物的生長(zhǎng)。而他的后續(xù)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)在培養(yǎng)基中添加聚丙烯酰胺為唯一氮源時(shí)，會(huì)促進(jìn)酰胺酶的釋放，而當(dāng)以NH4NO3為氮源時(shí)，則檢測(cè)不到酰胺酶[17]。陰離子聚丙烯酰胺上的氨基能在酰胺酶作用下被利用而釋放出氨，這一點(diǎn)也被眾多研究者認(rèn)同。

研究者一度認(rèn)為聚丙烯酰胺只能被微生物作為氮源利用，然而在近年來(lái)越來(lái)越多地篩選到能以陰離子聚丙烯酰胺為碳源的菌株。李宜強(qiáng)等[18]對(duì)采油用部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）進(jìn)行了生物降解，認(rèn)為HPAM的氨基和碳骨架可以在酶作用下降解。包木太等[19]在對(duì)HPAM進(jìn)行好氧降解時(shí)，對(duì)微生物進(jìn)攻聚合物分子C鏈骨架的機(jī)理進(jìn)行了如圖3所示推斷。

圖2 酰胺酶對(duì)聚丙烯酰胺的作用

圖3 微生物酶對(duì)HPAM降解機(jī)理推斷

細(xì)菌體內(nèi)的脫氨酶在還原性酶的輔助作用下，氨基轉(zhuǎn)化為羧基；同時(shí)，在 O2的參與下，微生物酶首先進(jìn)攻的位點(diǎn)是碳鏈的末端甲基，在單加氧酶的作用下，碳鏈末端甲基首先被氧化成醇，進(jìn)而被氧化成醛，最后被氧化成羧酸。

劉永建等[20-21]的研究得到較為相似的結(jié)論，而且他們認(rèn)為胞內(nèi)蛋白對(duì)聚丙烯酰胺側(cè)鏈沒(méi)有作用，胞外蛋白能使聚合物側(cè)鏈的酰胺水解成羧酸，并表明降解菌主要靠其釋放的胞外蛋白水解聚合物。

相對(duì)于水溶性聚丙烯酰胺，交聯(lián)非水溶性聚丙烯酰胺的生物降解則更為困難。Holliman等[22]在研究微生物對(duì)一種交聯(lián)陰離子聚丙烯酰胺的作用時(shí)，得出的結(jié)論認(rèn)為微生物菌團(tuán)不能有效地利用存在于聚丙烯酰胺鏈上的N，也找不到明確證據(jù)證明該土壤培養(yǎng)基中微生物生物量與酰胺酶活性之間存在線性相關(guān)性。

2.3 陽(yáng)離子聚丙烯酰胺

陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）由丙烯酰胺（AM）與二烯丙基二甲基氯化銨（DADMAC）、丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（AETAC）等其它單體共聚制得，帶有正電荷的基團(tuán)通常有叔胺鹽和季胺鹽。相較于非離子和陰離子聚丙烯酰胺，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺具有更強(qiáng)的生物抗性。

Mourato等[23]研究表明，丙烯酰胺/二烯丙基二甲基氯化銨的共聚物在混合好氧培養(yǎng)基中沒(méi)有被降解，但是丙烯酰胺/丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的共聚物有一定的氧氣消耗，這部分氧氣的量比聚丙烯酰胺全部降解的需求量少，所以是部分降解。隨后Soponkanaporn等[24]通過(guò)體積排阻色譜法檢測(cè)到微生物對(duì)丙烯酰胺/丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的好氧降解，研究結(jié)果表明，聚丙烯酰胺可作為碳源被降解為CO2。

Schumann等[25]用14C標(biāo)記的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺和陰離子聚丙烯酰胺在活性污泥中好氧降解作用，研究表明，對(duì)于陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺，只有約 2%的14C被完全降解轉(zhuǎn)化為氣相，而絕大部分陽(yáng)離子聚丙烯酰胺轉(zhuǎn)化為固相被沉降吸收進(jìn)入污泥。

而Grula等[10]通過(guò)好氧和厭氧過(guò)程研究了微生物對(duì)陰離子、陽(yáng)離子和非離子的聚丙烯酰胺的降解，而陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺在任何條件下也不能被微生物利用，對(duì)微生物具有極高的毒性。Chang等[26]考察了在好氧環(huán)境和厭氧環(huán)境下微生物對(duì)丙烯酰胺/丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨共聚物的降解情況，好氧環(huán)境采用耗氧量評(píng)價(jià)，厭氧環(huán)境采用氣體產(chǎn)生量評(píng)價(jià)。研究表明，聚合物在好氧和厭氧環(huán)境中都可以被微生物部分降解，但都只是陽(yáng)離子的那部分被降解，主碳鏈沒(méi)有受影響。

3 微生物降解聚丙烯酰胺的新途徑

如前所述，微生物對(duì)聚丙烯酰胺具有一定的降解效果，但聚丙烯酰胺的碳鏈骨架結(jié)構(gòu)和高分子量使其具有較強(qiáng)的生物抗性。從表2可以看出，典型可生物降解聚合物分子中均含有—C—O—C—結(jié)構(gòu)，相比較于聚丙烯酰胺氨骨架—C—C—C—，微生物酶更易于進(jìn)攻—C—O—C—的鏈段結(jié)構(gòu)。—C—C—C—鍵能較大，微生物需要更強(qiáng)大的酶進(jìn)行反應(yīng)才能打斷聚丙烯酰胺碳鏈，進(jìn)行下一步代謝。

而根據(jù)Barr等[6]白腐真菌降解木質(zhì)素的機(jī)理的綜述：白腐真菌能夠降解復(fù)雜結(jié)構(gòu)非水溶性的木質(zhì)素，關(guān)鍵在于分泌的一種氧化物酶，該酶不是直接作用于分子鏈段，而是對(duì)自由基反應(yīng)進(jìn)行催化，后續(xù)的氧化還原反應(yīng)對(duì)聚合物產(chǎn)生降解。真菌對(duì)木質(zhì)素等難降解物質(zhì)的作用效果為降解此類(lèi)物質(zhì)提供了新的途徑。

Sutherland等[27]將白腐真菌應(yīng)用于降解非水溶性的交聯(lián)聚丙烯酰胺和交聯(lián)聚丙烯酸酯。雖然此前Grula等[28]和Jhnson[29]的實(shí)驗(yàn)表明，聚丙烯酰胺凝膠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都對(duì)微生物降解具有抗性，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中幾乎沒(méi)有檢測(cè)到其降解。但在Sutherland的實(shí)驗(yàn)中，真菌能較為明顯地使聚丙烯酰胺降解。利用14C原子示蹤的手段，表明幾乎90%的非水溶性聚合物被解聚轉(zhuǎn)化為水溶性分子，并被吸收進(jìn)入菌絲墊內(nèi)被后續(xù)代謝進(jìn)行降解（圖4）。

圖4 真菌對(duì)交聯(lián)聚丙烯酰胺的降解過(guò)程

韓昌福等[30]研究發(fā)現(xiàn)，黃孢原毛平革菌（真菌）能明顯降解陰離子聚丙烯酰胺，并且降解能力同其產(chǎn)生的錳過(guò)氧化物酶活性大致成正比。錳過(guò)氧化物酶催化的自由基氧化還原反應(yīng)能通過(guò)間接過(guò)程促使HPAM發(fā)生降解。

近年來(lái)，F(xiàn)enton試劑在處理環(huán)境污染物中得到應(yīng)用。而B(niǎo)arr等[6]認(rèn)為真菌在降解木質(zhì)素等物質(zhì)過(guò)程中，正是利用自身非特異性的酶系來(lái)催化反應(yīng)，起到了一種類(lèi)似Fenton試劑的作用。研究發(fā)現(xiàn)，白腐真菌的降解作用發(fā)生在次級(jí)代謝階段，與降解過(guò)程有關(guān)的酶只有當(dāng)一些主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如氮、碳、硫限制時(shí)才形成。白腐真菌在對(duì)營(yíng)養(yǎng)限制應(yīng)答反應(yīng)時(shí)形成了一套酶系統(tǒng)，包括以下幾種[31]：①產(chǎn)生H2O2的氧化酶；②需要 H2O2的過(guò)氧化物酶，白腐真菌主要合成兩類(lèi)過(guò)氧化物酶——木質(zhì)素過(guò)氧化物酶（Lip）和錳過(guò)氧化物酶（Mnp）；③漆酶、還原酶、甲基化酶、蛋白酶及其它酶。

通過(guò)木質(zhì)素氧化物酶催化產(chǎn)生?OH，錳氧化物酶催化Mn2+變?yōu)镸n3+，然后通過(guò)氧化還原反應(yīng)，才使得許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物抗性分子被分解?？梢园寻赘婢淖饔每醋鍪菍?duì)污染物的一種預(yù)處理。相對(duì)于交聯(lián)非水溶性的木質(zhì)素酚醛樹(shù)脂等分子，水溶性線型 PAM結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但是其碳鏈骨架還是具有較強(qiáng)生物抗性的，總的來(lái)說(shuō)其側(cè)鏈氨基作為氮源較容易被微生物利用，而作為碳源則難以利用。近年發(fā)展起來(lái)的高級(jí)氧化法能有效提高難降解有機(jī)污水的生物降解性能，形成了高級(jí)氧化法與后續(xù)生化技術(shù)相結(jié)合的處理技術(shù)[32]，但對(duì)高含聚污水進(jìn)行預(yù)處理，氧化劑的消耗是很大的?；诎赘婢莫?dú)特作用機(jī)制，可以在處理含聚丙烯酰胺污水方面作如下設(shè)想。

（1）首先利用常規(guī)能分泌酰胺酶的微生物消耗PAM分子鏈上的氨基。

（2）利用真菌在限氮或限其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的條件下，產(chǎn)生氧化物酶，催化自由基反應(yīng)，將大部分聚丙烯酸酯分子轉(zhuǎn)化吸收進(jìn)入真菌體內(nèi)，破壞碳鏈。

（3）篩選高效降解菌系，使其具有利用真菌代謝產(chǎn)物的能力，對(duì)聚丙烯酰胺實(shí)行完全降解。

4 聚丙烯酰胺生物降解的評(píng)價(jià)方法

微生物降解因其高效而特有的無(wú)害化處理將成為解決聚丙烯酰胺引起環(huán)境污染和轉(zhuǎn)化的潛在毒性問(wèn)題的有效手段。而通過(guò)多種方法單獨(dú)或共同使用來(lái)對(duì)聚丙烯酰胺的生物降解進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而探明微生物降解聚丙烯酰胺的過(guò)程和機(jī)理，是研究過(guò)程中不可或缺的部分。

4.1 幾種生物降解評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)介

對(duì)聚合物的生物降解研究已經(jīng)進(jìn)行了很多，很多國(guó)家都提出了一些實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，同時(shí)也制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于聚丙烯酰胺的生物降解性的評(píng)價(jià)方法，主要有以下幾種。

（1）酶分析法 通常是在一定的溫度下，將試樣置于一定pH值的特定酶中，然后在一定時(shí)間內(nèi)根據(jù)試樣的強(qiáng)度、形態(tài)、失重等方面變化來(lái)評(píng)價(jià)試樣的生物降解性。此法試驗(yàn)時(shí)間短、重復(fù)性好、可定量，適于降解機(jī)理及生成物的研究。它對(duì)于新型生物降解性聚合物的開(kāi)發(fā)、分子設(shè)計(jì)等具有重要的意義。

（2）殘量測(cè)定 以聚丙烯酰胺為底物，應(yīng)用微生物處理一定時(shí)間后測(cè)定土壤或水體中聚合物的殘留量，來(lái)表征其降解性能。

（3）化學(xué)需氧量（COD）、生物耗氧量（BOD）測(cè)定 測(cè)定含聚丙烯酰胺污水進(jìn)行生化處理前后COD值變化及BOD5/COD值來(lái)評(píng)價(jià)含聚污水的可生化性[33-34]。

（4）放射性元素示蹤 將聚丙烯酰胺碳骨架用14C標(biāo)記。該法是通過(guò)閃爍計(jì)數(shù)器測(cè)出有14C標(biāo)記的樣品在試驗(yàn)環(huán)境作用下代謝產(chǎn)物的去向及含量，主要是釋放14CO2的量的測(cè)定，從而確定試樣的生物降解性。此方法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)結(jié)果可靠，不受試樣或試驗(yàn)系統(tǒng)中生物降解雜質(zhì)或添加劑的影響。適于對(duì)聚丙烯酰胺的降解過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行研究。缺點(diǎn)是難以得到有標(biāo)記的聚合物試樣，同時(shí)，此法需要特殊設(shè)備及要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（5）氣體釋放量研究 對(duì)聚丙烯酰胺代謝產(chǎn)物含量進(jìn)行測(cè)定，來(lái)計(jì)算其降解率。聚丙烯酰胺的降解會(huì)釋放出氨，在水體中通常以銨鹽的形式存在，測(cè)定氨的含量也是表征酰胺酶活性的手段。而CO2的測(cè)定通常是和放射性原子示蹤法共同應(yīng)用的。

4.2 微生物酶活性評(píng)價(jià)

在以上幾種評(píng)價(jià)方法中，進(jìn)行特定的降解聚丙烯酰胺的酶的分離是研究其降解過(guò)程及機(jī)理的重要手段。以從分解、礦化聚丙烯酰胺高分子的微生物單獨(dú)分離出的酶為酶源，在容器中加入緩沖液和試驗(yàn)樣品，讓酶作用一定時(shí)間，通過(guò)分析失重、物性降低、分子量降低、定量測(cè)定生成產(chǎn)物及可溶性全有機(jī)碳量（TOC）等手段，能檢驗(yàn)高分子主鏈的切斷等分解特征，通過(guò)中間產(chǎn)物分析來(lái)推斷微生物對(duì)聚丙烯酰胺的作用機(jī)理。

細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的胞內(nèi)酶和胞外酶具有不同的作用范圍。雖然微生物產(chǎn)酶的分離純化沒(méi)有一個(gè)通用的方法，但大致的原理都是類(lèi)似的，一般包括菌體培養(yǎng)、菌體破碎、粗酶液制備、柱層析等步驟[35-38]。已有很多研究進(jìn)行了該類(lèi)實(shí)驗(yàn)，提取各種胞內(nèi)或胞外酶。

Frankenberger等[39-40]對(duì)土壤中酰胺水解酶進(jìn)行了研究，表明酰胺水解酶能促進(jìn)酰胺類(lèi)底物分解產(chǎn)生羧酸和氨，后續(xù)研究對(duì)酰胺酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了探究。Friedrich等[41]研究了一株產(chǎn)堿桿菌屬細(xì)菌，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由酰胺水解釋放出氨的量來(lái)估計(jì)細(xì)胞釋放的酰胺酶活性和強(qiáng)度。Frankenberger和Friedrich等的研究為之后有關(guān)酰胺酶活性研究方法提供了參考。Shanker等[42]借鑒Frankenberger等的實(shí)驗(yàn)方法，探索了一株假單胞菌對(duì)丙烯酰胺單體的生物降解性能并對(duì)該菌產(chǎn)生的酰胺酶進(jìn)行了研究。菌液在搖床上培養(yǎng)一定時(shí)間后分離得到含有酰胺酶的溶液，在緩沖體系中將定量的酶液加入到定量的丙烯酰胺溶液中，檢測(cè)氨的釋放。參照前人對(duì)酰胺酶的研究，Kay-Shoemake等[17]對(duì)灌溉水中使用的聚丙烯酰胺的微生物降解使用了相似的研究方法，在適宜條件下以部分水解聚丙烯酰胺為氮源培養(yǎng)細(xì)菌得到菌液，得到培養(yǎng)基上清液和胞內(nèi)提取物，作為酶源對(duì)甲酰胺、丙酰胺和聚丙烯酰胺進(jìn)行處理，然后用離子色譜檢測(cè)氨氮的釋放以此反映酶活性。郝春雷[43]在對(duì)聚丙烯酰胺進(jìn)行生物降解研究時(shí)對(duì)菌液降解活性成分進(jìn)行了分析鑒定，將活菌液對(duì)照、離心液對(duì)照、胞內(nèi)蛋白、胞外蛋白、胞外非蛋白等產(chǎn)物分離加入聚合物溶液，測(cè)定聚合物的相對(duì)分子量和水解度變化，以判斷菌種各產(chǎn)物對(duì)聚合物的作用及酰胺酶的來(lái)源。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于此前的研究，聚丙烯酰胺不再是一種不可生物降解的聚合物，然而其高的分子量及碳鏈骨架的生物抗性，使降解處理效果都不是很理想。微生物酶對(duì)聚丙烯酰胺的降解機(jī)理研究仍然不夠完善，對(duì)聚丙烯酰胺的降解機(jī)理研究仍停留在推測(cè)階段，深入研究微生物酶對(duì) PAM分子的具體作用過(guò)程及機(jī)理，將有助于指導(dǎo)發(fā)展微生物對(duì)含 PAM污染物的處理工藝。

另外從已有的研究來(lái)看，許多包括木質(zhì)素、酚醛樹(shù)脂、DDT等一度被認(rèn)為不可生物降解的物質(zhì)都能被白腐真菌利用。Sutherland等的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明了真菌在降解交聯(lián)聚丙烯酸酯和交聯(lián)的丙烯酰胺和丙烯酸共聚物方面的作用，而韓昌福等應(yīng)用真菌降解 PAM也得到了良好效果，這些實(shí)驗(yàn)表明真菌在降解聚丙烯酰胺聚合物上具有應(yīng)用前景。因此，未來(lái)研究可以涉及擴(kuò)大篩選真菌及研究真菌與細(xì)菌共同作用來(lái)處理這類(lèi)難處理聚合物。

[1]詹亞力，郭紹輝，閆光緒. 部分水解聚丙烯酰胺降解研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào)，2004（2）：70-75.

[2]王學(xué)軍，許振良. 可生物降解高分子材料研究進(jìn)展[J]. 上?；?，2005，30（1）：30-32.

[3]Gu J D. Microbiological deterioration and degradation of synthetic polymeric materials：Recent research advances[J].International Biodeterioration & Biodegradation，2003，52：69-91.

[4]Eubeler J P，Bernhard M，Knepper T S，et al. Environmental biodegradation of synthetic polymers Ⅱ. Biodegradation of different polymer groups [J].Trends in Analytical Chemistry，2010，29（1）：84-100.

[5]Herzog K，Muller R J，Deckwer W D. Mechanism and kinetics of the enzymatic hydrolysis of polyester nanoparticles by lipases [J].Polymer Degradation and Stability，2006，91（10）：2486-2498.

[6]Barr D P，Aust S D. Mechanisms white rot fungi use to degrade pollutants [J].Environ. Sci. Technol.，1994，28（2）：78-87.

[7]Eubeler J P，Bernhard M，Zok S，et al. Environmental biodegradation of synthetic polymers I. Test methodologies and procedures [J].Trends in Analytical Chemistry，2009，28（9）：1057-1072.

[8]張玉梅，江建明. 生物降解高分子材料[J]. 合成技術(shù)與應(yīng)用，1996，11（4）：32-36.

[9]王身國(guó). 可生物降解的高分子類(lèi)型、合成和應(yīng)用[J]. 化工通報(bào)，1997（2）：45-47.

[10]Grula M M，Huang M，Sewell G. Interactions of certain polyacrylamides with soil bacteria[J].Soil Science，1994，158：291-300.

[11]Kunichika N，Shinichi K. Isolation of polyacrylamide-degrading bacteria[J].Journal of Fermentation and Bioengineering，1995，80（4）：418-420.

[12]El-Mamoni R，F(xiàn)rigon J C，Hawari J，et al. Combining photolysis and bioprocesses for high molecular weight polyacrylamides[J].Biodegradation，2002，13（4）：221-227.

[13]Suzuki J，Hukushima K，Suzuki S. Effect of ozone treatment upon biodegradability of water-soluble polymers [J].Environmental Science and Technology，1978，12（10）：1180-1183.

[14]Kumar A. Isolation of a pseudomonas aeruginosa strain capable of degrading acrylamide [J].Microbiol. Biotechnol.，1998，8（4）：347-352.

[15]Larson R J，Bookland E A，Williams R T，et al. Biodegradation of acrylic acid polymers and oligomers by mixed microbial communities in activated sludge [J].J. Environ. Polymer Degradation，1997，5（1）：41-48.

[16]Kay-Shoemake J L，Watwood M E，Sojka R T，et al. Polyacrylamide as a substrate for microbial amidase in culture and soil [J].Soil Biol. Biochem.，1998，30（13）：1647-1654.

[17]Kay-Shoemake J L，Watwood M E，Lentz R D，et al. Polyacrylamide as an organic nitrogen source for soil microorganisms with potential effects on inorganic soil nitrogen in agriculture soil [J].Soil Biol. Biochem.，1998，30（8-9）：1045-1052.

[18]李宜強(qiáng)，沈傳海，景貴成，等. 微生物降解HPAM的機(jī)理及其應(yīng)用[J]. 石油勘探與開(kāi)發(fā)，2006，33（6）：738-743.

[19]Bao M T，Chen Q G，Li Y M，et al. Biodegradation of partially hydrolyzed polyacrylamide by bacteria isolated from production water after polymer fooding in an oil feld [J].Journal of Hazardous Materials，2010，184（1-3）：105-110

[20]劉永建，郝春雷，胡紹斌，等. 一株聚丙烯酰胺降解菌的降解性能和機(jī)理[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（11）：2221-2227.

[21]郝春雷，劉永建，王大威，等. 復(fù)合菌降解聚丙烯酰胺的性能和機(jī)理研究[J]. 油田化學(xué)，2008，25（2）：175-180.

[22]Holliman P J，Clark J A，Williamson J C，et al. Model and field studies of the degradation of cross-linked polyacrylamide gels used during the revegetation of slate waste[J].Science of the Total Environment，2005，336（1-3）：13-24.

[23]Mourato D，Gehr R. L’effet de polyelectrolytes utilisés comme floculants sur des microorganisms presents dans les eaux receptrices [J].Sciences et Techniques de Léau，1983，16（4）：232-329.

[24]Soponkanaporn T，Gehr R. The degradation of polyelectrolytes in the environment：Insights provides by size exclusion chromatography measurements [J].Water Science and Technology，1989，21：857-868.

[25]Schumann H ， Kunst S. Elimination von14C-markierten polyelecktrolyten in biologischen abwasser reinigungs prozessen [J].Gas-Wasserfach，Wasser/Abwasser，1991，132（7）：376-383.

[26]Chang L L，Raudenbush D L，Dentel S K. Aerobic and anerobic biodegradability of a flocculant polymer [J].Water Science and Technology，2001，44（2/3）：461-468.

[27]Sutherland G R J，Hasebach J，Aust S D. Biodegradation of crosslinked acrylic polymers by a white-rot fungus [J].Environ. Sci. & Pollut.，1997，4（1）：16-20.

[28]Grula M M，Huang M L. Interactions of polyacrylamides with certain soil pseudomonads [J].Dev. Ind. Microbiol.，1981，22（3）：451-457.

[29]Johnson M S. Degradation of water-absorbing polymers used as soil ameliorants [J].Arab. Gulf. J. Sci. Res.，1985，3（2）：745-750.

[30]韓昌福，鄭愛(ài)芳，李大平. 聚丙烯酰胺生物降解研究[J]. 環(huán)境科學(xué)，2006，26（1）：151-153.

[31]張力，邵喜霞，韓大勇. 白腐真菌木質(zhì)素降解酶系研究進(jìn)展[J]. 畜牧與飼料科學(xué)，2009，30（1）：35-37.

[32]魏令勇，郭紹輝，閆光緒. 高級(jí)氧化法提高難降解有機(jī)污水生物降解性能的研究進(jìn)展[J]. 水處理技術(shù)，2011，37（1）：14-19.

[33]包木太，駱克俊，陳慶國(guó)，等. 生物接觸氧化法處理油田含聚污水室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，24（1）：79-84.

[34]王海峰，包木太，陳慶國(guó)，等. 油田含聚合物污水外排處理技術(shù)室內(nèi)模擬研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，36（3）：71-75.

[35]王中鳳，張敏，楊紅，等. 仙人掌超氧岐化酶提取與純化工藝研究[J]. 中國(guó)林副特產(chǎn)，2009（6）：13-15.

[36]徐云玲，龍傳南，徐慧娟，等. 產(chǎn)酸克雷伯氏菌氫酶分離提純與特性的初步研究[J]. 廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，45（5）：709-712.

[37]張學(xué)俊，Chris Abell. 酶的硫酸銨沉淀濃度范圍的確定[J]. 貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，29（6）：25-28.

[38]宋金柱，楊謙，陳忠祥，等. 黃綠木霉纖維素酶提純及其性質(zhì)研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38（11）：1923-1926.

[39]Frankenberger W T，Tabatabai M A. Amidase activity in soils：Ⅰ. Method of assay [J].Soil Science Society of America Journal，1980，44（2）：282-287.

[40]Frankenberger W T，Tabatabai M A. Amidase activity in soils：Ⅱ. Kinetic parameters [J].Soil Science Society of America Journal，1980，44（3）：532-536.

[41]Friedrich C G，Mitrenga G. Utilization of aliphatic amides and formation of two different amidases by Alcaligenes eutrophus [J].Journal of General Microbiology，1981，125（2）：367-374.

[42]Shanker R，Ramakrisha C，Seth P K. Microbial degradation of acrylamide monomer [J].Arch. Microbiol，1990，154（2）：192-198.

[43]郝春雷. 聚合物驅(qū)后油藏高校驅(qū)油菌種的構(gòu)建[D]. 大慶：大慶石油學(xué)院，2009.

Research progress of biodegradation of polyacrylamide by microorganisms

BAO Mutai，PENG Jie，CHEN Qingguo
（Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong，China）

In recent years，microbial degradation of residual polymers in the environment has been a hot topic. Polyacrylamide is hard to be degraded as a polymer with high molecular weight. The review starts with a brief introduction about the mechanism of microbial enzymes on polymers，and then summarizes the biodegradation of different kinds of polyacrylamide by microbes. Based on the biodegradation of complex structure polymers by fungi，a new means to degrade polyacrylamide is discussed.

microorganism；enzyme；polyacrylamide；fungi；peroxidase

X 703.5

A

1000-6613（2011）09-2080-07

2011-03-03；修改稿日期2011-04-30。

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2006BAB04B02）及青島市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃（09-1-3-17-jch）項(xiàng)目。

及聯(lián)系人：包木太（1971—），男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail mtbao@ouc.edu.cn。