有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用

水處理微生物有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用趙敏娟副教授知識(shí)點(diǎn)主要內(nèi)容1.微生物分解有機(jī)污染物的巨大潛力；2.有機(jī)污染物的可生物降解性；3.有機(jī)污染物的生物降解與轉(zhuǎn)化途徑；4.影響生物降解的因素。有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用有機(jī)污染物的可生物降解性有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用主要內(nèi)容1.微生物分解有機(jī)污染物的巨大潛力2.有機(jī)污染物的可生物降解性有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用1.1極其多樣的代謝類型，使自然界存在的有機(jī)物幾乎都能被微生物所分解環(huán)境中存在大量的有機(jī)污染物可被光分解、化學(xué)分解與生物分解，其中生物分解為主。由于微生物的代謝類型極其多樣，微生物分解有機(jī)物的能力是驚人的。自然界存在的各種有機(jī)化合物，幾乎都可找到使之降解或轉(zhuǎn)化的微生物。1.微生物分解有機(jī)污染物的巨大潛力有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用1.2很強(qiáng)的變異性，使很多微生物獲得了降解人工合成大分子有機(jī)物的能力微生物可通過(guò)變異產(chǎn)生新菌種，產(chǎn)生新的酶系統(tǒng)，從而對(duì)人工合成化合物具有降解作用。近年來(lái)，已發(fā)現(xiàn)許多微生物能降解人工合成的有機(jī)物。研究表明，可從污染環(huán)境中篩選、分離出一些污染物的高效降解菌株，這些菌株經(jīng)過(guò)馴化、篩選和培養(yǎng)后，可以使不可降解的或難降解的污染物轉(zhuǎn)變?yōu)槟芙到獾奈镔|(zhì)，從而迅速、高效地去除該污染物。1.微生物分解有機(jī)污染物的巨大潛力有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用1.3共代謝機(jī)制的存在，大大拓展了微生物對(duì)難降解有機(jī)污染物的作用范圍有些污染物難以被微生物降解，但若有另一種可供作碳源和能源的污染物（作為輔助基質(zhì)）或其他微生物存在，則這些污染物可被降解。微生物在其他因子的協(xié)同作用下降解某些污染物的方式稱為“共代謝”或“聯(lián)合氧化”。研究表明，微生物這種共代謝降解方式對(duì)有機(jī)污染物，特別是一些難降解的污染物的徹底分解起著重要的作用。1.微生物分解有機(jī)污染物的巨大潛力有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用①依靠環(huán)境提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。例如，只有在蛋白脂類物質(zhì)存在時(shí)，直腸梭菌才能降解666；有些殺蟲(chóng)劑，殺菌劑和除草劑需添加一些有機(jī)物作為初級(jí)能源后，才易被各種細(xì)菌或真菌降解。②依靠其他微生物協(xié)同作用。例如，鏈霉菌和節(jié)桿菌可協(xié)作降解農(nóng)藥二嗪農(nóng)，而兩菌單獨(dú)存在則均不能降解。③先經(jīng)相似物誘導(dǎo)產(chǎn)生誘導(dǎo)酶，使污染物得以降解。例如，只有經(jīng)正庚烷誘導(dǎo)后，銅綠假單胞菌才能產(chǎn)生羥基化酶，使鏈烷羥基轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醇。共代謝協(xié)同作用的具體表現(xiàn)有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用2.1污染物的可生物降解性可生物降解是指污染物在微生物作用下可轉(zhuǎn)變成結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的化合物或可被完全分解為簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)物的過(guò)程。根據(jù)微生物對(duì)污染物降解的難易程度，污染物的可生物降解性可分為可生物降解、難生物降解、不可生物降解三類。2.有機(jī)污染物的可生物降解性有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用可生物降解物質(zhì)一般是生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生的物質(zhì)及生物殘?bào)w，如糖類、蛋白質(zhì)、淀粉、核糖等物質(zhì)，這些物質(zhì)在微生物酶的作用下，易被分解為CO2、H2O、NH3等。難生物降解物質(zhì)一般是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的有機(jī)污染物，如纖維素、農(nóng)藥、烴類等物質(zhì)。微生物能夠降解，但降解的速度慢。不可生物降解物質(zhì)主要是一些高分子合成有機(jī)物，如塑料、尼龍、腈綸、滌綸、聚酯、氟里昂、多環(huán)，雜環(huán)芳烴、高聚物等。有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用2.2可生物降解性的測(cè)定（1）測(cè)定基質(zhì)的生物氧化率基質(zhì)（待測(cè)物）完全徹底氧化所應(yīng)消耗的理論需氧量與微生物分解基質(zhì)所消耗氧量的比值。實(shí)驗(yàn)室中微生物的耗氧量可應(yīng)用瓦勃(Warburg)呼吸儀測(cè)定，通過(guò)測(cè)壓計(jì)測(cè)知釋放出CO2量或消耗O2量，從而測(cè)得可生物降解率。2.有機(jī)污染物的可生物降解性有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用2.2可生物降解性的測(cè)定（2）基質(zhì)的生化呼吸曲線——耗氧曲線據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪出一條耗氧量隨時(shí)間變化的曲線，為便于比較可同時(shí)繪制內(nèi)源呼吸線，它是在不投加基質(zhì)的條件下，微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)時(shí)利用細(xì)胞體內(nèi)物質(zhì)作營(yíng)養(yǎng)呼吸耗氧隨時(shí)間變化的曲線。2.有機(jī)污染物的可生物降解性有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用13時(shí)間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線生化呼吸線②生化呼吸線時(shí)間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線③活性污泥的生化呼吸曲線時(shí)間（h）耗氧量（mg/g）內(nèi)呼吸線生化呼吸線tabc①基質(zhì)可生物降解基質(zhì)不可生物降解對(duì)微生物有殺滅作用1）生化呼吸線位于內(nèi)源呼吸線之上說(shuō)明該有機(jī)物或廢水可被微生物氧化分解。兩條呼吸線之間的距離越大，該有機(jī)物或廢水的生物降解性越好。2）生化呼吸線與內(nèi)源呼吸線基本重合，表明該有機(jī)物不能被活性污泥微生物氧化分解，但對(duì)微生物的生命活動(dòng)無(wú)抑制作用。3）生化呼吸線位于內(nèi)源呼吸線之下，說(shuō)明該有機(jī)物對(duì)微生物產(chǎn)生了抑制作用有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用2.2可生物降解性的測(cè)定（3）測(cè)定相對(duì)耗氧速率曲線以有機(jī)物或廢水濃度為橫坐標(biāo)，以相對(duì)耗氧速率為縱坐標(biāo)，所作的不同物質(zhì)（或廢水）的相對(duì)耗氧速率曲線如圖所示。2.有機(jī)污染物的可生物降解性有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用底物濃度（以內(nèi)源呼吸的%表示）相對(duì)耗氧速率a無(wú)毒，能被降解b無(wú)毒，不能被降解c有毒，能被降解d有毒，不能被降解相對(duì)耗氧速率曲線有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用2.2可生物降解性的測(cè)定（3）測(cè)定相對(duì)耗氧速率曲線1）曲線a表明基質(zhì)無(wú)毒，且能被活性污泥微生物所利用，在一定范圍內(nèi)相對(duì)耗氧速率隨基質(zhì)濃度增加而增加；2）曲線b表明基質(zhì)無(wú)毒無(wú)害，但不能被活性污泥微生物降解；3）曲線c表明基質(zhì)有毒，但在低濃度時(shí)可生物降解，并隨基質(zhì)濃度的增加，相對(duì)耗氧速率可逐漸增加，超過(guò)一定濃度后相對(duì)耗氧速率逐漸降低，說(shuō)明生物降解逐漸受到抑制。4）曲線d表明基質(zhì)有毒，不能被微生物利用。2.有機(jī)污染物的可生物降解性有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用2.2可生物降解性的測(cè)定（4）測(cè)定CODCr與BOD5之比。BOD相當(dāng)于廢水中比較容易被異養(yǎng)微生物分解利用的有機(jī)物量。CODcr常被近似地當(dāng)作廢水中全部有機(jī)物。根據(jù)BOD5/CODcr比值的大小，可推測(cè)廢水的生物降解性能。2.有機(jī)污染物的可生物降解性有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用BOD5/CODcr比值與可生物降解性的關(guān)系BOD5/CODcr可生物降解性＞0.45生物降解性較好＞0.30生物降解性一般＜0.30生物降解性較差＜0.25難生物降解有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用2.2可生物降解性的測(cè)定（5）測(cè)定COD30取一定量的待測(cè)廢水，接種少量活性污泥，連續(xù)曝氣，測(cè)起始CODcr（即COD0）和第30天的CODcr（即COD30）。

據(jù)此可推測(cè)廢水的可生化性，及估計(jì)用生化法處理可能得到的最高CODcr去除率。2.有機(jī)污染物的可生物降解性有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用2.2可生物降解性的測(cè)定（6）培養(yǎng)法通常采用生物處理的小模型，接種適量的活性污泥，對(duì)待測(cè)廢水進(jìn)行批式處理試驗(yàn)。測(cè)定進(jìn)水、出水的CODcr、BOD5等水質(zhì)指標(biāo)，觀察活性污泥的增長(zhǎng)，鏡檢活性污泥生物相。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可作出廢水可生化性的判斷。2.有機(jī)污染物的可生物降解性有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用有機(jī)污染物的生物降解

與轉(zhuǎn)化途徑有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用主要內(nèi)容有機(jī)污染物的生物降解與轉(zhuǎn)化途徑影響生物降解的因素有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用23凈化本質(zhì)——微生物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物依靠——好氧分解與厭氧分解一、好氧分解細(xì)菌是其中的主力軍原理：好氧有機(jī)物呼吸3.有機(jī)污染物的生物降解與轉(zhuǎn)化途徑有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用24大分子有機(jī)物（多糖，脂肪，蛋白質(zhì)等）小分子有機(jī)物丙酮酸乙酰－CoACO2+H2O胞外酶氧化脫羧三羧酸循環(huán)微生物對(duì)常見(jiàn)有機(jī)物的好氧降解的一般途徑NAD有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用25

C→CO2+碳酸鹽和重碳酸鹽

H→H2ON→NH3→HNO2→HNO3

S→H2SO4

P→H3PO4

無(wú)毒無(wú)臭！→礦化鹽有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用26厭氧細(xì)菌原理：發(fā)酵、厭氧無(wú)機(jī)鹽呼吸C→RCOOH（有機(jī)酸）→CH4+CO2N→RCHNH2COOH→NH3（臭味）+有機(jī)酸（臭味）S→H2S（臭味）P→PO43-水體自凈的天然過(guò)程中厭氧分解（開(kāi)始）→好氧分解（后續(xù)）二、厭氧分解有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用27三、碳源污染物的轉(zhuǎn)化包括糖類、蛋白質(zhì)、脂類、石油和人工合成的有機(jī)化合物等。有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用28三、碳源污染物的轉(zhuǎn)化（一）糖類污染物的生物降解提問(wèn)：哪些糖類會(huì)成為污染物？難溶的多糖，且當(dāng)一些難溶解的多糖數(shù)量較大時(shí)才會(huì)使自凈時(shí)間大大增加，從而對(duì)環(huán)境造成污染。這類多糖主要是纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、淀粉。有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用29來(lái)源：棉紡印染廢水、造紙廢水、人造纖維廢水及城市垃圾等，其中均含有大量纖維素。1．纖維素的轉(zhuǎn)化有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用30A．微生物分解途徑有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用31B．分解纖維素的微生物好氧細(xì)菌——粘細(xì)菌、鐮狀纖維菌和纖維弧菌厭氧細(xì)菌——產(chǎn)纖維二糖芽孢梭菌、無(wú)芽孢厭氧分解菌及嗜熱纖維芽孢梭菌。放線菌——鏈霉菌屬。真菌——青霉菌、曲霉、鐮刀霉、木霉及毛霉，分解纖維素的能力最強(qiáng)。需要時(shí)可以向有菌種庫(kù)的研究機(jī)構(gòu)購(gòu)買或自行篩選。有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用32（二）油脂的轉(zhuǎn)化水中來(lái)源：毛紡、毛條廠廢水、油脂廠廢水、肉聯(lián)廠廢水、制革廠廢水含有大量油脂降解油脂較快的微生物：細(xì)菌——熒光桿菌、綠膿桿菌、靈桿菌絲狀菌——放線菌、分支桿菌真菌——青霉、乳霉、曲霉有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用332．降解石油的微生物降解石油的微生物很多，據(jù)報(bào)道有200多種細(xì)菌——假單胞菌、棒桿菌屬、微球菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬放線菌——諾卡氏菌酵母菌——假絲酵母霉菌——青霉屬、曲霉屬藻類——藍(lán)藻和綠藻有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用34C．芳香烴芳香烴普遍具有生物毒性，但在低濃度范圍內(nèi)它們可以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烴的細(xì)菌類別有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用35

苯和酚的代謝苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示：

有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用36四、氮源有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化含氮污染物主要有蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類、腈化物、硝基化合物等。要來(lái)自于生活污水、屠宰廢水、罐頭食品加工廢水、制革廢水等。有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用371．降解蛋白質(zhì)的微生物好氧細(xì)菌——鏈球菌和葡萄球菌好氧芽孢細(xì)菌——枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌及馬鈴薯芽孢桿菌兼性厭氧菌——變形桿菌、假單胞菌厭氧菌——腐敗梭狀芽孢桿菌、生孢梭狀芽孢桿菌此外，還有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及鏈霉菌。四、氮源有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用382.典型含氮有機(jī)物的轉(zhuǎn)化降解含氮物質(zhì)的微生物細(xì)菌——紫色桿菌、假單胞菌放線菌——諾卡氏菌真菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病鐮刀霉)、木霉及擔(dān)子菌等有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用394.1污染物性質(zhì)的影響污染物的濃度、化學(xué)結(jié)構(gòu)、毒性、溶解性和吸附性能都影響其生物降解性能。4.影響生物降解的因素有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用404.2微生物的活性微生物的活性強(qiáng)烈地影響生物降解的效果。微生物活性會(huì)受到環(huán)境中諸多因素的影響，如營(yíng)養(yǎng)鹽、pH、溫度、底物等非生物因素及微生物之間的競(jìng)爭(zhēng)、捕食等生物因素。4.影響生物降解的因素有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用414.3環(huán)境因子的影響影響有機(jī)污染物生物降解的環(huán)境因子包括污染物的存在狀態(tài)、溫度、溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽、pH、鹽度等。4.影響生物降解的因素有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用424.4有機(jī)物結(jié)構(gòu)特征有關(guān)有機(jī)污染物的難易程度首先決定于生物本身的特性，同時(shí)也與有機(jī)物結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。

4.影響生物降解的因素有機(jī)污染物的