簡介
進入工業時代以來，每年都有新型化學物質問世。環境中的部分化合物由於結構複雜性和生物蓄積性，很難被傳統的物理、化學方法降解，從而長期滯留環境中，給人類的生存發展造成威脅。
在自然條件下，在生物作用下難發生遞降分解的一類有機物質稱為難降解有機物，主要來源於農藥、印染、石化、塑膠橡膠等行業，包括酚類、鹵代有機物、芳香族化合物、硝基化合物等。這類物質具有持久性、廣域分散性、生物蓄積性，可通過多種途徑進入食物鏈危害人類健康，影響生態環境。目前，難降解有機物的處理是環境科學研究領域中的一個重要研究方向，針對性的研究難降解有機物的有效降解途徑具有十分重要的意義。
目前，國內外處理難降解有機物的方法主要包括氧化法、物化法和生物法等。物化法主要有吸附、萃取、膜處理方法等。此法的處理效果較優，但是常常伴隨較高的能耗費用、投資費用以及運行費用。氧化法利用氧化還原作用提高待處理水的可生化性，常用於生物處理的前處理。常見的氧化劑有臭氧、過氧化氫、高錳酸鉀，但是隨著廢水成分的日益複雜性，常用的氧化劑已經不能滿足處理要求，而後，高級氧化技術應運而生，以光、電等作為催化劑大大加強了氧化劑的氧化作用。化學氧化-生物降解結合處理難降解有機物是目前套用最廣泛最有效的一種方法。生物法包括活性污泥法、氧化塘法、接觸氧化法、以及人工濕地等，具有成本低、無二次污染、工藝簡單、運移能力強、無害化降解等優點，已經成為處理難降解有機物的高效技術手段。
生物降解技術
（1）概念。
生物降解技術是指利用微生物的分解作用（新陳代謝）把自然環境中難以降解的有機物質代謝分解為無毒無害物質或者礦化為含C、H、O、N等元素的穩定無機化合物。
（2）分類。
按照降解產物區分，分為初級生物降解、最終生物降解。初級生物降解過程中，物質的化學結構發生了變化，從而致使物質本身特性改變；最終生物降解（好氧降解）的過程中，有機物質被完全降解為CO、HO、無機鹽以及新的微生物細胞成分。
按照作用時間區分，分為快速生物降解和固有生物降解。快速生物降解是指在確定的時間內，有機物質與接種物接觸而表現出來的可生物降解性；固有生物降解是指在良好的試驗條件下，有機物質和接種物長時間接觸而表現出來的可生物降解性。
生物法在難降解有機物領域的套用
有機物的生物降解效果除了取決於生物本身某些特性，如生長環境條件的影響（溫度、pH值、抑制物質等）外，還有兩個重要的原因,一是與有機物自身的組成和結構特徵相關，一般來說，結構簡單的有機物先被降解，結構複雜的後降解；二是廢水中含有的物質可能會對降解過程產生競爭、非競爭、底物抑制等七類作用, 導致有機物不能快速的被降解。
（1）酚類的生物降解。
酚類主要來源於酚的生產及其他行業的含酚廢水。目前，已經從環境中分離出對酚類有降解能力的微生物主要有根瘤菌、醋酸鈣不動桿菌、假單胞菌、反硝化細菌、酵母菌和藻類。其中，最常見的是假單胞菌，不僅可降解多種氯酚，而且能降解氯苯、硝基苯、多氯聯苯、多環芳烴等近100種有毒物質。
微生物在處理目標產物的同時，往往也會起到附加的作用。一般而言，微生物處理有機廢水過程中，需要經歷微生物菌群演變的過程，在這個過程中，優勢菌群就會凸顯出來，可進行分離和進一步研究。
李先昕等人在靜態厭氧反應器中成功培養了耐酚及降酚的厭氧微生物。研究表明在35℃條件下，水力停留時間為6～8h，苯酚去除率可穩定在90%以上；
通過對降酚的厭氧微生物進行DNA比對分析發現Trichococcus sp.、Propionigenium sp.、Endophytic bacteriumsp.和Syntrophobacter sp.均屬於兼性厭氧細菌，其中Trichococcussp.為優勢菌屬。微生物降解效果受到很多因素的影響，目前共代謝方面的研究得到了很大的進展。萬博等人研究了銅綠假單胞菌NY3對四溴雙酚A（TBBPA）的降解能力。結果表明，四溴雙酚A可作為NY3菌生長的唯一碳源，當質量濃度為20mg/L時，脫溴率可達到51.90%；此外，還研究了共代謝碳源對NY3降解TBBPA的影響，發現在搖床轉速150r/min、pH=8.0、29-31℃、TBBPA初始質量濃度為60mg/L條件下，外加葡萄糖、丙酮酸鈉、乙酸鈉、乳酸鈉、檸檬酸鈉、乙醇均能明顯提高NY3菌生長量，且使脫溴率分別提高21.7%、13.4%、13.11%、18.5%、18.3%、17.1%；外加葡萄糖時，TBBPA降解率高達99%。
（2）鹵代有機物（HOPs）的生物降解。
鹵代有機化合物主要來源於殺蟲劑、除草劑、致冷劑、油漆、溶劑和農藥的廣泛使用。相比於碳氫化合物，鹵原子的引入使得鹵代有機物具有疏水性、低水溶性、化學穩定性等特點，其生物降解性能更差。只有在特定情況下，利用微生物產生的具有較寬專一性的酶將鹵代化合物進行轉化。該類化合物具有三致效應，尤其是鹵代硝基苯類化合物具有急性毒性效應，進入水體對魚類、藻類造成死亡，長期暴露導致人類得高鐵血紅蛋白症或貧血。因此，為了加強這類化合物的降解效果，反應條件因素的研究不斷地取得新的進展。微生物菌群間具有集群協同作用，使得生物降解作用發揮出更高的效能。張甜甜釆用不同的外加碳源對污泥中的菌群進行篩選和馴化，考察了在混合菌群接種量為65mg/L，碳源濃度40mM，pH約7.0，曝氮氣20min，厭氧培養箱30℃條件下，不同外加碳源（丙酮酸、甲酸、乙酸、乳酸）富集的混合菌群對2,5-二氯銷基苯（2,5-DCNB）的降解能力。結果表明：四種富集的混合菌群對2,5-DCNB的降解能力確有差異；以丙酮酸作外加碳源富集的混合菌群還原2,5-DCNB速率最快；以乙酸作外加碳源富集的混合菌群脫氯速率最快；基於微生物的生長狀況、硝基還原和脫氯速率的綜合考慮，最終確定丙酮酸為最佳外加碳源。近年來，納米零價鐵（nZVI）技術套用於鹵代有機物降解領域展現了優異的性能。
張熔爍等人研究了納米零價鐵（nZVI）－生物（P.putida菌株）聯合技術對五氯酚（PCP）的降解效率及機理。首先合成Pd負載量為0.5%的nZVI/Pd顆粒，厭氧條件下，nZVI/Pd以逐級脫氯的方式將PCP完全降解成苯酚（2h內）；好氧條件下，中間產物苯酚在P.putida菌種的作用下進入TCA循環完全被礦化生成CO和HO（16h內）。
Xia等利用氫基質厭氧膜生物反應器將對氯硝基苯（2mg/L）還原為對氯苯胺，再以H作為電子供體使其脫氯生成苯胺，降解率達99.3%，此外還研究了電子供體H、對氯硝基苯濃度以及其他電子受體的競爭對對氯硝基苯的還原脫氯效果的影響。
（3）芳香族類化合物的生物降解。
這類化合物主要來源於石油、化工、農藥、電子、紡織、造紙及製藥工業。常溫常壓下，由於苯環結構難於降解，需藉助酶的作用。一般作用於該類化合物的氧化酶分為兩類：苯環羥基化加氧酶和苯環切割化加氧酶。芳香族類化合物的好氧降解的過程如下：首先在酶、氧的共同作用下，被氧化為鄰苯二酚或其衍生物的共同代謝中間體，然後在開環酶、氧的共同作用下，生成直鏈的分子，最終再分解進人TCA循環。
張浩等人分離出一株能夠以苯胺作為唯一碳源和氮源的假單胞菌Z1，並確定其最佳生長、降解的條件為：PH=6.0～8.0；30℃；鹽度=0.1%～1.0%。研究表明：在此條件下，初始濃度為400mg/L的苯胺可在16h內被完全降解；當苯胺初始濃度為1300mg/L時，最大降解速率可達41.4mg/（L*h），32h內可降解98%的苯胺。
近年來，研究學者開始在微觀領域進行研究，旨在尋求降解有機物的更有效途徑。張子棟等人研究了透明顫菌血紅蛋白及其突變體Q53H、P54C和Q53H/P54C對苯系物（苯酚、苯胺、2,4,6-三氯苯酚和2,4,5-三氯苯胺）的降解特性。研究表明：在實驗條件PH=5.2，T=55℃時，Q53H對苯胺的降解效率最高達80.4%；在實驗條件PH=7.0，T=55℃時，Q53H對苯酚、2,4,5-三氯苯胺的降解效率達到最高，分別為89.8%、91.8%；在實驗條件PH=7.0，T=45℃時，P54C對2,4,6-三氯苯酚的降解效率最高達90.4%。
（4）硝基化合物的生物降解。
硝基化合物中，芳香族類硝基化合物是最難降解的，主要來源於染料、炸藥、醫藥、農藥等工業。苯環結構的對稱性和穩定性決定了其不易發生反應，而硝基的存在使苯環的電子云密度降低，使得其生物降解性更差。按照降解初始反應的不同，芳香族類硝基化合物的生物降解可以分為氧化分解還原分解。氧化分解多發生在好氧條件下，在單加氧酶的作用下可增加一個氧原子脫掉硝基，在雙加氧酶的作用下可引入兩個羥基，並將硝基脫除。還原分解可發生在好氧或厭氧條件下。若硝基發生還原反應，則硝基被還原為羥胺或胺。若苯環發生還原反應，即發生苯環的加氫反應。
Mulla等人將固定化技術套用於生物工程中，實現了聚氨酯包裹微球菌SMN-1對土壤中二硝基甲苯的生物修復，比較了游離懸浮細胞（搖瓶培養）和固定化細胞（分批固定化）兩種方式對二硝基甲苯降解率的影響，分別為15%和30%。並且相對於反應器中的游離細胞，固定化細胞對p H條件和p H變化更有耐受性。
生物降解技術研究趨勢
目前，國內外對難降解有機物的生物降解方式越來越重視，對生物技術進行強化與改進，從而提高降解效率，具有重要的研究意義。首先，基於遺傳與基因工程技術，目前有兩個途徑可以提高菌株的降解能力：（1）篩選或構建多功能的超級菌；（2）改變分子結構引入特定基團。孫向楠等人篩選出一株能夠以苯甲酸鈉作為唯一碳源的芽孢桿菌，命名為Bacillus sp. LKG-A，研究表明該菌種利用龍膽酸1,2-雙加氧酶催化苯環的裂解，從而降解苯甲酸鈉。運用Touch downPCR和TAIL PCR完成關鍵酶（龍膽酸1,2-雙加氧酶）基因的完整閱讀框的擴增，並將該基因連入大腸桿菌的表達菌株BL21（DE3）中，實現了酶蛋白的異源高效表達。
難降解有機物參與微生物代謝過程是達到降解的主要途徑。因此，明確生物降解途徑中生物對難降解有機物的處理過程及可能存在的代謝產物，結合目標污染物的結構特徵，充分考慮影響生物活性、降解酶活性等因素，進而對菌種所需生長條件進行最佳化，通過控制外加物質的濃度以及外加菌種的協同作用提高目標污染物的降解率。
此外，一些研究者將生物技術與其他技術進行交叉結合，得到的集成技術充分利用各技術的協同作用、發揮各技術的優勢，從而發揮出更大的效能。張茜等人利用具有高效降解特性的菌株與土壤含水層處理（SAT）系統相結合，研究生物強化後該系統對硝基酚（PNP）的去除效果。研究表明：非生物條件下，SAT通過吸附作用去除PNP，平均去除率為11%；生物強化條件下，通過吸附、生物降解雙重作用下去除PNP，平均去除率升高至88.5%。
