工大環(huán)境考研資料

第十章微生物對難降解物質(zhì)的降解與轉(zhuǎn)化

現(xiàn)在是1頁\一共有45頁\編輯于星期一研究有機(jī)污染物的生物降解性，有助于深入認(rèn)識污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和了解這些污染物對自然界物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)的影響程度，從而為控制污染，保護(hù)環(huán)境提供理論上的依據(jù)。此外，這項(xiàng)研究與保護(hù)人類健康和自然界生態(tài)平衡有密切關(guān)系。

污染物的生物降解現(xiàn)在是2頁\一共有45頁\編輯于星期一生物降解度根據(jù)污染物生物降解進(jìn)行的程度，可將其分為三種（或3個階段）。1）初級生物降解是指有機(jī)污染物在微生物的作用下，母體化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并改變了原污染物分子的完整性，即有機(jī)污染物本來的結(jié)構(gòu)發(fā)生部分變化。

有機(jī)污染物的生物降解性現(xiàn)在是3頁\一共有45頁\編輯于星期一2)環(huán)境容許的生物降解是指可去除有機(jī)污染物的毒性或人們所不希望的特性，如表面活性劑的降解過程中那種使其失去起泡作用的降解。3)最終生物降解是指有機(jī)污染物向無機(jī)物轉(zhuǎn)化，完全被降解成CO2、H2O和其他無機(jī)物，并被同化為微生物的一部分。污染物的生物降解現(xiàn)在是4頁\一共有45頁\編輯于星期一根據(jù)有機(jī)污染物與微生物的相互關(guān)系可以將有機(jī)污染物分為4類?？梢粤⒓幢晃⑸锢米鳛闋I養(yǎng)和能量來源的能夠逐步被微生物分解利用的生物降解十分緩慢或者根本就不能降解的可以通過共代謝作用分解的污染物的生物降解現(xiàn)在是5頁\一共有45頁\編輯于星期一前3種有機(jī)污污染物的生物降解過程如圖現(xiàn)在是6頁\一共有45頁\編輯于星期一1）可以立即被微生物利用作為營養(yǎng)和能量來源的，包括糖、Pr(AA)、脂肪酸和一些涉及典型代謝途徑的污染物。2)能夠逐步被微生物分解利用的，此類污染物的生物降解需要一個馴化期，在些期間有機(jī)污染物很少或根本不發(fā)生生物降解，故隨時間的變化曲線中明顯地有一個滯后期，它表示微生物對有機(jī)污染物的適應(yīng)過程所需要的時間。一般將微生物從開始接觸有機(jī)化合物到有機(jī)化合物被明顯分解的這段時間稱為化合物生物降解的馴化期。污染物的生物降解現(xiàn)在是7頁\一共有45頁\編輯于星期一現(xiàn)在是8頁\一共有45頁\編輯于星期一其原因在于：①在微生物混合群落中污染物的加入實(shí)際上是在定向地選擇那些能夠吸收和降解污染物基質(zhì)的微生物種屬；這時滯后期是由于特定降解微生物的指數(shù)生長特性；同時，微生物對污染物也有一個選擇過程，所謂巴斯德效應(yīng)。②微生物對污染物的適應(yīng)要通過誘導(dǎo)酶的合成，而且需要合成必需的輔酶或中間代謝產(chǎn)物。污染物的生物降解現(xiàn)在是9頁\一共有45頁\編輯于星期一污染物的生物降解現(xiàn)在是10頁\一共有45頁\編輯于星期一3)生物降解十分緩慢或者根本就不能降解的，它包括一些天然高分子物質(zhì)以及許多人類起源的有機(jī)化合物，如有機(jī)氯化化物。對這類物質(zhì)可以通過其他方式使其轉(zhuǎn)化為可生物降解的物質(zhì)，如O3氧化，給水處理中的O3-GAC或O3-BAC法即依據(jù)此原理。污染物的生物降解現(xiàn)在是11頁\一共有45頁\編輯于星期一4)可以通過共代謝作用分解的，共代謝，又稱共氧化、聯(lián)合氧化，有的稱為輔助代謝，是指微生物在它有可利用的唯一碳源存在時，對原來不能利用的物質(zhì)也能分解代謝的現(xiàn)象。是由美國德克薩大學(xué)的二位學(xué)者發(fā)現(xiàn)，如甲烷假單胞菌唯一能利用的碳源是CH4，但如果有CH4存在時加入C3H8、C4H10時，則該菌也能將這些烴類部分氧化為乙酸的，丙醇和丁酸。污染物的生物降解現(xiàn)在是12頁\一共有45頁\編輯于星期一

共代謝(或協(xié)同氧化作用)就是指微生物的“生長基質(zhì)”和“非生長基質(zhì)”共酶，或是在污染物完全氧化成CO2和H2O的過程中有多種酶或微生物參與?！吧L基質(zhì)”是可以被微生物利用作為唯一碳源和能源的物質(zhì)?！吧L基質(zhì)”和“非生長基質(zhì)”共酶，是指有些污染物(非生長基質(zhì))不能作為微生物的唯一碳源和能源，其降解并不導(dǎo)致微生物的生長和能量的產(chǎn)生，它們只是在微生物利用生長基質(zhì)(例如甲烷)時，被微生物產(chǎn)生的酶降解或轉(zhuǎn)化成為不完全的氧化產(chǎn)物，這種不完全的產(chǎn)物進(jìn)而可以被別的微生物利用并徹底氧化。污染物的生物降解現(xiàn)在是13頁\一共有45頁\編輯于星期一現(xiàn)在是14頁\一共有45頁\編輯于星期一可生化降解性的測定方法①氧化率污染物的生物降解現(xiàn)在是15頁\一共有45頁\編輯于星期一可生化降解性的測定方法②呼吸線污染物的生物降解現(xiàn)在是16頁\一共有45頁\編輯于星期一可生化降解性的測定方法③相對耗氧速率污染物的生物降解現(xiàn)在是17頁\一共有45頁\編輯于星期一污染物的可生物降解性及其評價方法可生物降解性是指有機(jī)化合物在微生物作用下轉(zhuǎn)變成簡單小分子化合物的可能性。根據(jù)微生物的降解能力，可分為三種：①可生物降解的，如醇、酚類化合物②難生物降解性物質(zhì)，此類化合物雖能被降解，但時間較長，如農(nóng)藥、石油烴類③不可生物降解的物質(zhì)，如一些高分子化合物、尼龍、塑料等。污染物的生物降解現(xiàn)在是18頁\一共有45頁\編輯于星期一現(xiàn)在是19頁\一共有45頁\編輯于星期一生物降解試驗(yàn)是研究有機(jī)化合物可生物降解性的基本方法，包括幾個基本要素：以適當(dāng)濃度范圍的被試物作為微生物生長代謝所需的唯一或主要碳源和能源選擇能分解化合物的微生物創(chuàng)造適合微生物生長的環(huán)境和條件，包括好氧中提供充足DO、厭氧保證無O2適宜的溫度條件微生物所需的N、P源和無機(jī)鹽等選擇合適的化合物測定方法污染物的生物降解現(xiàn)在是20頁\一共有45頁\編輯于星期一在進(jìn)行試驗(yàn)時，微生物的種源可使用：天然環(huán)境中的微生物，如取自河水、湖水、沼澤、土壤等，為了評價有機(jī)化合物在自然環(huán)境中可否被降解，故應(yīng)盡可能使用接近于自然環(huán)境的未經(jīng)馴化的種源，而化合物濃度較低，5~10mg/L。選自廢水處理廠的污泥。此類試驗(yàn)是為了評價在人工處理?xiàng)l件條件下有機(jī)化合物是否被降解，被試化合物濃度從凡mg/L到幾百mg/L。污染物的生物降解現(xiàn)在是21頁\一共有45頁\編輯于星期一經(jīng)過篩選馴化的特殊微生物種源，此類研究是為了研究以不同化合物為基質(zhì)培養(yǎng)馴化的細(xì)菌對特定化合物的生物降解性能，以及對同等物相似化合物的生物降解能力，研究有機(jī)化合物的降解途徑和各種特定酶在生物降解每個環(huán)節(jié)中的作用，是最為活躍的領(lǐng)域。污染物的生物降解現(xiàn)在是22頁\一共有45頁\編輯于星期一從某一生態(tài)系統(tǒng)中分離獲得一株微生物后的重要任務(wù)之一，是確定該株微生物在該系統(tǒng)中的地位，即該菌是常駐的優(yōu)勢菌，還是外來的短暫存在的菌株。前者是在該生態(tài)系統(tǒng)中幸存并增殖，具有代謝活性并且在生理上和生存競爭上能污染物的生物降解現(xiàn)在是23頁\一共有45頁\編輯于星期一自然界中的纖維素主要來源于稻草，樹木、蔗渣、蘆葦、野生植物等。我國僅非木材纖維年產(chǎn)量就超過1×1012kg。這些非木材纖維以及大量的木材加工剩余物，都是取之不盡的天然高分子原料和能源。由于纖維素具有水不溶性的高結(jié)晶構(gòu)造,其外圍又被木質(zhì)素層包圍著,要把它水解成可利用的葡萄糖相當(dāng)困難,所以到目前為止仍沒有得到很好地利用.微生物對自然界中難降解物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是24頁\一共有45頁\編輯于星期一纖維素的結(jié)構(gòu)纖維素是一種復(fù)雜的多糖，由β—1.4葡萄糖苷鍵形成的長鏈，每個纖維素分子大約有8000–10000個葡萄糖殘基組成。鏈與鏈之間以氫鍵連接起來。植物纖維素外圍還包裹著其他高分子物質(zhì)?，F(xiàn)在是25頁\一共有45頁\編輯于星期一植物纖維素的結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)在是26頁\一共有45頁\編輯于星期一（1）β-葡萄糖苷酶可水解纖維二糖、纖維三糖及低分子量的寡糖成葡萄糖。這種酶過去被稱為纖維二糖酶，這顯然不合適，因?yàn)樗淖饔玫孜锊恢皇抢w維二糖。（2）β-1,4葡聚糖酶又叫Cx酶，它不能水解天然纖維素，只能切割部分降解的多糖。它廣泛分布在細(xì)菌、放線菌和真菌中，可作用于包括很多葡萄糖單位的多糖分子，也可作用于寡糖分子，如纖維四糖、纖維三糖。但它對寡糖比對多聚糖的水解作用微生物對自然界中難降解物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是27頁\一共有45頁\編輯于星期一慢。一種微生物可以分泌幾種不同結(jié)構(gòu)的Cx酶，這些酶的功能相同。Cx酶又可分兩種：一種叫內(nèi)切酶，它在長鏈之內(nèi)任意切割葡萄糖單位間的鍵，一般產(chǎn)生纖維二糖，不同大小的寡糖，有時產(chǎn)生葡萄糖；另一種叫外切酶，它從大分子的一端開始切割，每次切下兩個葡萄糖單位，一般產(chǎn)生纖維二糖。寡糖或纖維二糖被微生物利用之前，還必須進(jìn)一步降解才能作為碳源及能源。（3）C1酶可水解天然纖維素，使纖維素分解為含很多葡萄糖分子的多糖，對多糖或寡糖很少有降解作用。一種微生物能分泌一種以上的C1酶。微生物對自然界中難降解物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是28頁\一共有45頁\編輯于星期一纖維素經(jīng)水解分解為葡萄糖和纖維二糖后方可被微生物吸收。在好氧性分解纖維素微生物作用下，纖維素可徹底氧化成CO2與H2O。在厭氧條件下，纖維素由厭氧纖維素微生物作用可進(jìn)行丁酸型發(fā)酵，產(chǎn)生丁酸、丁醇、CO2和H2等。微生物對自然界中難降解物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是29頁\一共有45頁\編輯于星期一微生物對自然界中難降解物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化纖維素分解過程現(xiàn)在是30頁\一共有45頁\編輯于星期一

芳香族化合物的分解在芳香族與雜環(huán)化合物分解過程中起重要作用的微生物有假單胞菌、無色桿菌、節(jié)桿菌、棒桿菌、諾卡氏菌、分枝桿菌、曲霉、青霉等，這些微生物都能不同程度地使芳香族與雜環(huán)化合物分解。

微生物對烴類化合物的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是31頁\一共有45頁\編輯于星期一微生物分解芳香族化合物的方式有兩種：在酶的作用下直接將分子中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)打開芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉環(huán)上的側(cè)鏈基團(tuán)，使之轉(zhuǎn)變成兒茶酚或原兒茶酸，微生物對烴類化合物的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是32頁\一共有45頁\編輯于星期一現(xiàn)在是33頁\一共有45頁\編輯于星期一芳香族化合物的生物降解微生物對烴類化合物的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是34頁\一共有45頁\編輯于星期一烴類化合物的分解微生物對烴類化合物的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是35頁\一共有45頁\編輯于星期一化學(xué)農(nóng)藥的降解

過去使用農(nóng)藥在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、保護(hù)秧苗、保護(hù)森林資源、農(nóng)產(chǎn)品貯存等方面也起過積極作用。但是就在農(nóng)藥為人類造福的同時，也污染了人類生存的環(huán)境，又給人類帶來嚴(yán)重的危害。因?yàn)檗r(nóng)藥的毒性很強(qiáng)，又很穩(wěn)定，很難被微生物降解。年復(fù)一年，大量的農(nóng)藥傾入環(huán)境，所以在環(huán)境中有大量的農(nóng)藥積累。農(nóng)藥還可以從土壤中進(jìn)入大氣和水體，通過食物鏈進(jìn)入人體。尤其是那些化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在環(huán)境中不易分解的有機(jī)氯農(nóng)藥。

污染物對合成有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是36頁\一共有45頁\編輯于星期一微生物對農(nóng)藥的作用方式是多種多樣，可以歸納為六種作用類型：去毒作用農(nóng)藥分子被微生物作用后變有毒為無毒。降解作用將復(fù)雜的農(nóng)藥化合物轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵位衔?，或者徹底分解為CO2和H2O及NH3、Cl-。如果完全被分解成無機(jī)化合物，即稱為農(nóng)藥的礦化。污染物對合成有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是37頁\一共有45頁\編輯于星期一活化作用將無毒的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有毒的農(nóng)藥。如除草劑2，4-D丁酸、殺蟲劑甲拌磷，是經(jīng)土壤中微生物作用后的代謝產(chǎn)物，對雜草及昆蟲有毒害作用。失去活性本來是一個無毒的有機(jī)分子，在微生物作用下可以成為農(nóng)藥，但有的微生物能將這樣的分子轉(zhuǎn)化為另一無毒分子，使其再不能被活化成為農(nóng)藥。污染物對合成有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是38頁\一共有45頁\編輯于星期一結(jié)合、復(fù)合或加成作用微生物的細(xì)胞代謝產(chǎn)物與農(nóng)藥結(jié)合，形成更為復(fù)雜的物質(zhì)。如將氨基酸、有機(jī)酸、甲基或者其它基團(tuán)加在作用的底物上。這些作用過程也常常是解毒作用。改變毒性譜某些農(nóng)藥對一類有機(jī)體有毒，但是它們被微生物代謝后，得到的產(chǎn)物能抑制完全不同的另一類有機(jī)體，毒性譜發(fā)生了改變。如5-氯苯甲醇轉(zhuǎn)化為4-氯苯甲酸。污染物對合成有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是39頁\一共有45頁\編輯于星期一重金屬--汞污染與轉(zhuǎn)化

由于汞在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，自然界汞的開采量逐年增多。如生產(chǎn)電池、路燈、繼電器等工業(yè)都需要汞；生產(chǎn)氯乙烯塑料和乙醛也都要用氯化汞作催化劑；很多化學(xué)農(nóng)藥中亦含有無機(jī)汞或有機(jī)汞。因此，含汞污染物質(zhì)不斷地排入環(huán)境，從而造成了汞的污染。污染物對無機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化現(xiàn)在是40頁\一共有45頁\編輯于星期一汞的化學(xué)轉(zhuǎn)化汞能在中性水溶液內(nèi)，用甲基鈷氨素作為甲基供體，完全以非生物反應(yīng)進(jìn)行甲基化。這一反應(yīng)可快速且定量進(jìn)行，而且在好氧和厭氧條件下都能進(jìn)行。有人曾用一種產(chǎn)甲烷細(xì)菌的無細(xì)胞抽提液進(jìn)行試驗(yàn)，由于有這類菌合成的甲基鈷氨素作為甲基供體，并在ATP和一種酶還原劑存在的條件下，甲基鈷氨素中的甲基向二價汞轉(zhuǎn)移，形成甲基汞和二甲基汞，同時甲基鈷氨素轉(zhuǎn)化成羥基鈷氨素。以后又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在無還原劑和細(xì)胞抽提液的情況下，只要給以甲基供體——甲基鈷氨素，也能發(fā)生完全是非生物學(xué)汞的甲基化過程。此外，在有氯化汞和乙酸存在時，在甲基錫化合物作用下，也能發(fā)生汞的非酶甲基化作用