早期研究發(fā)現(xiàn)甲烷假單胞菌能夠在生長基質存在時對非生長基質進行氧化，這一現(xiàn)象最早由LEADBETTER和FOSTER于1959年研究時提出。他們通過研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)甲烷菌能夠將乙烷氧化生成乙醇和乙醛，但在氧化的過程中不能利用乙烷作為生長基質，將這一現(xiàn)象稱作共氧化。隨后，JENSEN對其內涵進行了擴展，稱之為共代謝。共代謝是指微生物利用一種容易降解的物質作為支持生長的營養(yǎng)基質，而同時降解另一種物質，通常后一種物質的降解不支持微生物的生長。微生物共代謝作用廣泛地應用于印染廢水處理過程中，而影響其作用的因素主要包括生長基質的類型、生長基質的投加劑量、污染物代謝中間產(chǎn)物的投加、污染物結構類似物的投加、營養(yǎng)物質的投加以及環(huán)境因素等，分析這些影響因素可以在一定程度上提高共代謝脫色降解染料、助劑、漿料等典型難降解污染物的效率。
1、生長基質的類型
在難降解有機污染物的共代謝過程中，合適的生長基質對于微生物共代謝具有極為重要的意義。生長基質為微生物提供生命活動和代謝過程的碳源和能源，關系著微生物對有機污染物的降解效率。Tobajas等在研究對氯苯酚與苯酚和葡萄糖的共代謝過程中發(fā)現(xiàn)，苯酚對氯苯酚的降解具有顯著的促進作用，而易利用的生長基質葡萄糖對氯苯酚降解的刺激作用卻并不明顯。然而，在多食鞘氨醇桿菌降解五氯酚的研究中發(fā)現(xiàn)，外源投加的苯酚抑制了降解菌的生長，使五氯酚的降解效率變低，然而五氯酚與葡萄糖的共代謝降解效率則顯著提高。此外，Xie等在優(yōu)化馬拉松(一種有機磷農(nóng)藥)降解基質的研究中，向基質內分別施加琥珀酸鈉、乙酸鈉、葡萄糖、果糖4種物質，其中琥珀酸鈉和乙酸鈉都可加快馬拉松的降解，而葡萄糖和果糖的影響并不顯著。可見，不同的外源生長基質在不同共代謝體系中的作用效果不同。
生長基質的選擇至關重要，衡量標準包括其有效性、經(jīng)濟性及添加到污染環(huán)境后是否會產(chǎn)生新的污染。共代謝的生長基質大致可分為三類：①與難降解有機污染物結構不同、易被生物利用的物質如糖類、有機酸類等；②與難降解有機污染物結構相似的有機物；③天然物質如植物根際分泌物或提取物、鋸末等。共代謝生長基質的類型對共代謝效果有顯著影響，某些外源的碳源加入可能會對微生物降解目標污染物產(chǎn)生抑制作用。例如，分別添加乳酸鈉、甲酸鈉、醋酸鈉、檸檬酸鈉、葡萄糖和蔗糖作為共基質時，芐嘧磺隆的降解率在29.7%～79.5%之間變化，這表明盡管都是易于被生物利用的基質，但難降解有機物的共代謝降解效果不同。
2、生長基質的投加劑量
作為碳源或能源的生長基質的投加量對微生物代謝能力產(chǎn)生影響。由于微生物胞內代謝酶類的活性多數(shù)為污染脅迫環(huán)境下發(fā)揮活性的誘導酶，當外界環(huán)境過于舒適尤其是碳源過分充足且極易被代謝利用時，有機污染物代謝酶系活性往往發(fā)生退化，從而喪失有機底物降解能力。陳芳艷等在研究對尖鐮孢菌在外加碳源條件下蒽降解的影響中發(fā)現(xiàn)，葡萄糖濃度不同對蒽降解的影響也不同。試驗表明，當葡萄糖投加濃度為5 mg/L時，蒽的去除率達到了95%；而當葡萄糖投加濃度為20 mg/L時，蒽的降解率僅為84.8%；而當葡萄糖投加的質量濃度為1 mg/L時，蒽的含量變化很小。由此可見，外源投加物投加劑量的限度是調控底物共代謝性能的主要考察指標，在極限范圍內，投加物的用量越大，微生物對有機污染物的降解率越大；超過極限劑量，外源投加物則抑制微生物的代謝活性乃至改變其生長狀態(tài)。袁芳在研究2,4-二硝基甲苯的共代謝時發(fā)現(xiàn)，相同培養(yǎng)條件下葡萄糖的投加量不同，則微生物對2,4-二硝基甲苯的代謝程度不同。當葡萄糖與2,4-二硝基甲苯的濃度比達到4∶1時，2,4-二硝基甲苯的降解效果最好，加大葡萄糖用量雖然促進了微生物的生長，但卻抑制了微生物對2,4-二硝基甲苯的降解作用。全向春等在研究喹啉與葡萄糖共基質條件下喹啉的生物降解動力學模型時發(fā)現(xiàn)，葡萄糖的存在促進了喹啉的降解，而且促進作用隨著葡萄糖含量的增加而增大，但當葡萄糖含量加大到110、320和690 mg/L時，這種促進作用愈發(fā)變小。這同樣反映了葡萄糖作為易利用碳源對微生物同化生長作用的支持，維持生長代謝的供能，有助于作為難降解碳源的有機污染底物的代謝；同時，鑒于微生物對于易利用碳源的優(yōu)先代謝選擇性，過量的小分子碳源使加氧酶等大分子有機物代謝酶系活性退化，無法起到功能降解菌的作用。綜上所述，在微生物共代謝降解有機污染物體系中，選擇合適的外源投加碳源以及其與有機污染物濃度的比例是微生物降解有機污染物的重要因素，是修復試驗的重要調控指標。
3、有機污染物的結構類似物的投加
由于生物酶的活性中心是具有立體構象特征的空間結構，其與底物間的結合往往受限于二者構型間的匹配度，如多環(huán)芳烴的微生物酶代謝部分決定于底物分子的構型。因此，底物構型的相似程度可成為多重底物共代謝作用的主要影響因素之一。共代謝結構類似物一方面作為有效碳源供能而促進微生物生物量的增加，另一方面提高非生長基質代謝酶的活性，達到雙重促進作用。瞿福平等在研究氯苯類有機物生物降解特性及其共代謝作用時發(fā)現(xiàn)，在氯苯、鄰二氯苯、間二氯苯、對二氯苯、1,2,4-三氯苯等5種底物分別馴化的污泥中，經(jīng)氯苯、間二氯苯和鄰二氯苯單獨馴化的污泥各自都可以降解這3種底物，但不能降解1,2,4-三氯苯和對二氯苯。這是緣于催化代謝間二氯苯、鄰二氯苯和氯苯的酶要求苯環(huán)上至少具有一個“連續(xù)三空結構”的底物來誘導才能激發(fā)其活性。鞏宗強等在芘污染土壤中對芘的共代謝降解研究表明，向模擬反應體系中添加芘的結構類似物菲顯著促進了芘的降解效率，二者的共代謝作用非常明顯。然而，由于共代謝底物間的結構相仿，其對應的代謝酶系亦相近，因此可能存在相互間對相同降解酶系的競爭作用，其中酶系各成員的活性中心位點是二者主要的競爭資源，這種競爭性結合抑制有機污染底物的快速降解。
4、有機污染物代謝中間產(chǎn)物的投加
有機污染物的代謝過程中，多種中間代謝產(chǎn)物會隨著代謝進程的深入而豐富起來并逐漸氧化完全，而這些中間代謝產(chǎn)物的種類和數(shù)量也會反饋影響原始底物共代謝作用的進程。由于有機物的完全降解過程是由多種生物酶類參與的代謝酶系催化完成的，隨著中間產(chǎn)物的出現(xiàn)和積累，有機底物代謝途徑中的下游降解酶被誘導激活，促進降解過程完成。對此，人工添加原始底物代謝的中間產(chǎn)物，有利于代謝下游酶活性的早期誘導，減小中間產(chǎn)物積累所帶來的毒害作用，進而促進原始有機污染物的代謝。在已有的研究報道中，Chen等在水楊酸刺激高分子多環(huán)芳烴降解的研究中發(fā)現(xiàn)，水楊酸可以參與菲的共代謝降解作用并刺激菲的加速代謝。這源于水楊酸作為菲代謝的中間產(chǎn)物有效刺激了降解酶系成員的表達和分泌，加速整個代謝通路的進程。劉世亮等向苯并[a]芘污染的泥漿中分別投加了苯并[a]芘的代謝中間產(chǎn)物鄰苯二甲酸、琥珀酸鈉及水楊酸，其中琥珀酸鈉的共代謝效果最好，使苯并[a]芘的去除率達到41.5%，其余中間產(chǎn)物添加后的去除率皆小于41.5%，而無共代謝底物的處理中苯并[a]芘難以被降解。由此反映了不同中間產(chǎn)物誘導降解酶活性能力的敏感性存在差異，這與蛋白酶受誘導而表達的周期有關。同時，Ren'e van等在多環(huán)芳烴降解過程中補充碳源的研究中也發(fā)現(xiàn)，在研究過程中加入水楊酸和十九烷，體系中菲的降解速率加快。此外，獲得較好共代謝效果的關鍵是選擇合適的中間代謝產(chǎn)物作為外源添加物。
5、營養(yǎng)物質的投加
微生物的共代謝不僅要有合適的生長基質作為碳源，而且還要有足夠的氮、磷等營養(yǎng)。對微生物的生長來說，氮元素是除碳元素外最重要的營養(yǎng)元素。因此，在微生物共代謝降解有機污染物時，選擇合適的氮源對整個共代謝體系有著重要的促進作用。羅宇煊等利用嗜堿細菌共代謝方式降解木質素的研究中發(fā)現(xiàn)，氮源的不同對微生物功能酶活性的影響較大，分別將硫酸銨、硝酸銨、乙酸銨、氯化銨、磷酸銨、酒石酸銨、草酸銨作為氮源，硝酸銨的添加體系效果最好，酶活最高；此外，菌株產(chǎn)酶的能力與碳氮比有關，在不同碳氮比條件下，菌株產(chǎn)酶能力不同。當碳氮比為1∶1.2時，麥草木質素的降解率可達到31.55%，為最大降解程度，由此表明碳氮比也是微生物代謝的敏感調控因素。Steffensen等發(fā)現(xiàn)在反應過程中加入谷氨酸、無機氮和磷可以減少微生物的生長適應期，加速微生物進入對數(shù)增長期，促進生物量增大，利于微生物對有機污染物的降解作用。金屬元素對微生物共代謝也是有影響的，王璟等研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3+的添加能促進生物共代謝降解焦化廢水中難降解物質的降解。
6、環(huán)境因素
環(huán)境因素也是微生物共代謝過程中必不可少的考察因素之一。極端惡劣的生長環(huán)境促使微生物細胞啟動自我保護機制，進入不代謝不生長的休眠狀態(tài)，這種狀態(tài)對降解有機污染物是極為不利的。因此，把握微生物共代謝降解過程的最優(yōu)生長環(huán)境是有效利用共代謝作用的重要參數(shù)。代謝環(huán)境的溫度和酸堿度對有機污染物的共代謝降解作用會產(chǎn)生一定的影響。齊云等在研究不同溫度紅球菌共代謝降解氯代苯甲酸時發(fā)現(xiàn)，溫度條件不同時，紅球菌的降解率是不同的。當溫度為10℃時，需要5 d才能將底物完全降解；而當溫度達到30℃時，底物完全降解只需60 h。唐順等發(fā)現(xiàn)pH=7，溫度為25℃時苯的降解效果最好，隨著溫度的降低，菌株的活性逐漸降低。環(huán)境中的金屬離子也會影響微生物的共代謝作用，何騰騰利用海洋微生物降解苯并芘時，研究了金屬離子Zn2+、Cu2+、Fe3+和Mn2+對共代謝方式的影響，發(fā)現(xiàn)這些金屬離子在一定程度上抑制了苯并芘的降解。
微生物共代謝作用廣泛地應用在難降解有機污染物降解過程中，而影響難降解有機污染物共代謝作用的因素也是多種多樣的，分析這些因素可以提高共代謝方式降解有機污染物的效率，并更高效地應用到難降解有機污染環(huán)境修復的過程。
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