多步微生物降解过程中间产物积累机理和数学描述

微生物降解难降解有机物时往往需要通过加氧酶反应对其分子结构进行活化，使其转变为更易生物降解的结构。中间代谢产物的产生和积累在这些多步骤复杂生物反应过程中是非常普遍的现象。中间产物积累会减缓甚至抑制初始污染物降解过程，导致污染物降解的不彻底性。本课题拟以苯酚和苯甲酸作为目标污染物，试验研究其好氧生物降解时中间产物积累过程和机理，以本课题申请者提出的热力学多步微生物生长反应式预测模型为基础，建立多步微生物生长反应式并与相应的微生物生长动力学方程耦合起来，结合计算机辅助手段，数学模拟预测中间产物积累的时间过程，找出其关键影响因素，为实现污染物的快速和彻底的无害化提供理论指导。

加氧酶反应可活化难降解有机物的分子结构，使其转变成为更易生物降解的结构，但同时会降低微生物可以从中获取的有效电子供体数量，导致细胞产率下降。降解中间产物的积累会减缓甚至抑制初始污染物降解过程，导致污染物降解的不彻底性。.本课题以苯酚作为目标污染物，Ralstonia eutropha为实验菌株，采用分批式培养实验，对不同条件下苯酚、微生物量以及中间产物的变化规律进行实验研究，结果表明：（1）Ralstonia eutropha在低pH环境下生长较为缓慢，苯酚降解速率较慢，中间产物2-HMSA与中性和微碱性条件下相比更容易积累。（2）Ralstonia eutropha降解苯酚的最佳条件为：最佳底物浓度范围为500~700mg/L；最佳pH为中性和微碱性（6.84~7.88）；温度28±2℃；氧气充足。（3）最佳条件下，Ralstonia eutropha降解苯酚在初期时中间产物2-HMSA的积累较为迅速，大约20min时积累量达到最大，之后苯酚和中间产物2-HMSA共同降解，微生物进入快速生长期，约60min时，苯酚降解完全。中间产物2-HMSA继续降解至约130mg/L时不再降解，微生物生长进入稳定期。整个过程中，均未检测到中间产物邻苯二酚，说明邻苯二酚降解十分迅速。.根据实验结果和文献调研，对Ralstonia eutropha采用加氧酶反应降解苯酚的过程采用三步反应模型进行数学模拟: （1）第一步反应生成中间产物邻苯二酚，为单加氧酶反应，细胞产率为零；（2）第二步反应为Ralstonia eutropha降解第一步产物邻苯二酚生成2-HMSA，为双加氧酶反应，细胞产率为零；（3）第三步反应为第二步的产物2-HMSA进入细胞普通代谢途径进行代谢，最终矿化为CO2和H2O，释放的电子和能量用于微生物的生长和合成。基于产物抑制动力学模型基础，分别建立了：（1）苯酚浓度随时间变化的降解速率方程；（2）中间产物（邻苯二酚和2-HMSA）浓度随时间变化的速率方程，以及（3）微生物生长速率方程。.应用计算机软件MATLAB对Ralstonia eutropha采用加氧酶反应物降解苯酚过程中的中间产物积累和微生物生长过程进行了数学模拟，得出结论：不同反应步骤中底物的相对利用速率决定着中间产物积累的动力学过程，中间产物积累对初始底物的降解有着深刻影响。