隨著人類社會經(jīng)濟的發(fā)展，一些合成有機物不斷產(chǎn)生，有的是可以生物降解的，有的則較難，給人類生存環(huán)境提出了嚴重的挑戰(zhàn)。為此，不少學者展開了大量的研究。長期以來，對一些難降解的有機污染物（如苯環(huán)鹵代化合物）人們尚不能分離到它們作為唯一碳源和能源的高效生物降解微生物。一些研究表明，如三氯乙烯之類污染物只能通過共代謝來生物降解。McCarty發(fā)現(xiàn)了兩組細菌，一組可以在產(chǎn)甲烷的厭氧條件下生長并降解三氯乙烯和四氯乙烯，另一組細菌能利用酚和二甲苯等共代謝生長基質(zhì)（簡稱共代物），在有空氣存在的條件下降解三氯乙烯。對于這類有機物，利用微生物的共代謝作用進行降解是一條有效的途徑，因而這方面的研究越來越受到重視。
微生物共代謝概念
1959年，Leadbetter等最早描述了共代謝現(xiàn)象，并命名共氧化(Co-oxidation)，描述了微生物能氧化底物但不能利用氧化過程中的能量來維持生長的過程。1963年，Jensen在共氧化的基礎上對這個概念進行了擴展，并提出共代謝(Cometabolism)概念。定義為一些難降解的有機物通過微生物改變化學結構，但不提供碳源和能源，微生物要從生長基質(zhì)中獲取全部或大部分的碳源和能源，這樣的代謝過程稱為共代謝。這種共代謝方式使微生物在難降解有機污染物不能滿足微生物生長需求時依舊可以生存。同時，生長基質(zhì)能更好地維持微生物生長活性，利于污染物的長效降解。微生物的共代謝作用可能存在三種情況：①由生長基質(zhì)提供能源或碳源；②由生長基質(zhì)誘導產(chǎn)生相應的代謝酶系；③微生物間的協(xié)同作用進行共代謝。前兩種情況稱為基質(zhì)共代謝，第三種情況稱為微生物共代謝。在生長基質(zhì)存在的條件下，微生物酶活性增強，從而提高難降解有機污染物的降解效率。由于共代謝作用的廣泛應用，其概念進行了擴展，更多地賦予了生物學概念。共代謝作用被定義為是多種底物(基質(zhì))存在時的協(xié)同代謝作用或多種微生物存在時的協(xié)同代謝作用。
微生物共代謝作用機理
微生物共代謝是一個復雜的過程，是菌群及底物間互作的高級代謝現(xiàn)象，是多種因素間相互作用的結果。在共代謝過程中，為微生物的細胞生長和活動提供碳源和能源的物質(zhì)稱為生長基質(zhì)；被共代謝的物質(zhì)稱為非生長基質(zhì)，即目標污染物，它不能用于微生物細胞的增長，也不能為微生物細胞活動提供能量。微生物共代謝降解環(huán)境中的難降解有機污染物，實際上是關鍵酶產(chǎn)生的效應，這些酶具有較為廣譜的非專一性，可同時催化生長基質(zhì)和部分非生長基質(zhì)(有機污染物)的代謝。
微生物共代謝作用過程：微生物利用生長基質(zhì)進行生長和繁殖；此時非專一性關鍵酶被誘導，微生物就可以降解非生長基質(zhì)，但并不將其作為碳源和能源；關鍵酶具有低特異性,這是共代謝作用發(fā)生的關鍵，也使得生長基質(zhì)和非生長基質(zhì)競爭關鍵酶；非生長基質(zhì)的代謝產(chǎn)物不能被微生物利用，它的積累使毒性作用危害微生物，抑制關鍵酶的活力；當生長基質(zhì)消耗完全，微生物利用內(nèi)源代謝維持生命，非生長基質(zhì)的降解速率因此下降。
關鍵酶是共代謝作用發(fā)生的關鍵，關鍵酶的誘導和活性直接影響了難降解有機污染物的去除效果。對于關鍵酶誘導產(chǎn)生的方式，學者們持有兩種觀點，一種是由生長基質(zhì)誘導產(chǎn)生，另一種是由非生長基質(zhì)誘導產(chǎn)生，而生長基質(zhì)則負責提供能量。由于共代謝過程具有復雜性和未知性，關于關鍵酶的產(chǎn)生機制尚無定論。但不同種微生物共代謝過程中的關鍵酶大致相同，好氧微生物的關鍵酶主要是雙加氧酶和單加氧酶，厭氧微生物的關鍵酶主要是還原酶。Habe等在研究中分離出了PAHs共代謝的關鍵酶，主要包括脫氫酶、雙加氧酶、異構酶、鐵氧還蛋白亞硝酸還原酶等。
應用實例
上海某特種化工有限公司的污水處理工程。是一項采用共代謝機理完成難生物降解化工污水處理的工程實例。
1.1工程概況
1.1.1產(chǎn)品
專業(yè)生產(chǎn)氯化膽堿水劑和聚酯樹脂固體粉末涂料。
1.1.2廢水中的主要有機污染物
氯化膽堿工藝廢水中的有機物組分為：乙二醇（1700mg/L），2－氯乙醇（1070mg/L），環(huán)氧乙烷（3000～5000mg/L）。原廢水CODCr6000mg/L。聚酯工藝廢水中的主要有機物組合分為：新戊二醇（2500mg/L），甲醛（560～1000mg/L），乙二醇（<500mg/L），甲醇（309mg/L），異丁醛（1180mg/L），丁醇（120mg/L）。原廢水CODCr30000mg/L。氯化膽堿和聚酯工藝廢水混合后CODCr9042mg/L。
1.1.3排放標準
執(zhí)行《上海市污水綜合排放標準》DB31／199－97的二級標準。主要指標：CODCr≤100 mg/L；BOD5≤30 mg/L；氨氮≤15mg/L；色度≤50倍；pH6～9。
1.2有機污染物的可生化性評估
從上述廢水中的主要有機物組分可以看出，除2－氯乙醇和環(huán)氧乙烷兩種化合物外，其他有機物均屬可生化性物質(zhì)，但由于這兩種化合物屬難以生物降解的物質(zhì)，且占有機物污染物總量的40％～45％，而且在它們的濃度達到一定程度時還有毒性反應，因此對治理效果的整體影響較大。為此，在工程實施前，先通過小試論證了污水處理工藝路線的可行性。
1.3小試
主要結論
1.3.1三次小試
第一次為一段H／O（水解－好氧）工藝與SBR工藝對照試驗；第二次為三段H／O工藝試驗；第三次為SBR工藝試驗。
1.3.2三次小試的基本結論
（1）生產(chǎn)廢水中存在某些對微生物產(chǎn)生抑制作用的有機污染物，故進水必須稀釋到一定程度后才能進入處理裝置，而且不能采用已處理過的廢水回用稀釋，以免有毒物質(zhì)的積累。
（2）一段H／O工藝小試結果證明，進水濃度控制在CODCr≤2273 mg/L，在投加生活污水和葡萄糖共代謝物質(zhì)條件下，處理后出水達標（CODCr≤100 mg/L）。
（3）進水濃度CODCr提升至≤3000 mg/L，必須采用三段H／O工藝，在投加生活污水和葡萄糖共代謝物質(zhì)條件下，處理后出水也可達標（CODCr≤100 mg/L）。
（4）進水濃度CODCr≥3000 mg/L后出現(xiàn)明顯的抑制現(xiàn)象，出水不能達標。
（5）采用SBR工藝，當進水濃度CODCr稀釋到1700 mg/L左右，出水CODCr≥200 mg/L，不能達標。這個試驗結果與比利時同步對照試驗的報告結論相吻合。該報告提供的試驗結果為：進水CODCr2000 mg/L，出水CODCr>250 mg/L；進水CODCr1139mg/L，出水CODCr200 mg/L。雙方試驗證實，對這種含有有毒物質(zhì)的廢水不能采用SBR工藝。目前比利時國仍采用SBR工藝的原因是執(zhí)行的城市納管標準，控制CODCr在≤300 mg/L，這與上海執(zhí)行的CODCr≤100 mg/L的標準不同，因而比利時方面放棄堅持采用SBR工藝的初衷。
（6）經(jīng)技術經(jīng)濟比較，為節(jié)省基本建設投資，最后根據(jù)建設方意見采用了一段H／O工藝。
1.4污水處理工藝流程圖
進水→調(diào)節(jié)池（加堿調(diào)PH）→配水池（加生活污水，稀釋水）→H／O生化塔→接觸氧化池（加葡萄糖）→沉淀池→過濾器→至清水池
1.5生物共代謝的效果
對本化工有限公司的污水治理，首要解決的問題是控制有毒物質(zhì)的濃度，消除其對微生物的抑制影響。由于有毒物質(zhì)環(huán)氧乙烷的濃度，低值3000mg/L，高值達到5000 mg/L，濃度波動范圍很大，因此在工程實際運行時，為留有余地，將配水后的CODCr值控制在≤2000 mg/L。用3.5倍的水來稀釋原水，其中1倍水為生活污水，2.5倍水為河水。工程實際運行數(shù)據(jù)為：配水后的進水CODCr濃度為1440～1910 mg/L（均值1640 mg/L），如果按上述配水原則投加生活污水，H／O生化塔出水為112～299 mg/L（均值234 mg/L），若全用河水稀釋配水則H／O生化塔出水為172～399 mg/L（均值298 mg/L）；在用生活污水配水的條件下，在接觸氧化池進水處投加工業(yè)葡萄糖（投加量100 mg/L左右），出水103～110 mg/L，然后經(jīng)沉淀和過濾，最終出水為84～93 mg/L；如果在接觸氧化池中不投加葡萄糖，其出水CODCr明顯升高，均值達179 mg/L，最終過濾器出水均值為137 mg/L，不能達標。從上述運行數(shù)據(jù)可見，生活污水的共代謝效率可使COD去除率提升21.5％，而葡萄糖的共代謝效率可使COD去除率提升38.5％，具有明顯的效果。
存在問題
共代謝降解有機污染物還存在一些問題：微生物對環(huán)境條件要求比較高，不利于將該方式應用到原位修復上；此外，在微生物降解有機污染物過程中微生物數(shù)量會發(fā)生波動，影響了微生物對有機污染物的降解效率；同時，在實際的污染修復過程中，利用微生物共代謝方式進行場地修復的應用研究還稍顯不足。因此，深入研究微生物共代謝方式(如微生物菌劑的固定化)以及對代謝過程的調(diào)控，強化具有共代謝作用的微生物的抗逆性，加強微生物共代謝作用場地修復的研究是非常重要的。另外，在利用微生物的同時對微生物的檢測系統(tǒng)和安全評估體系的建立也是十分必要的，這對今后將微生物共代謝應用于有機污染物污染的土壤或水體的原位修復具有重大意義。
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