污染物的生物降解和轉(zhuǎn)化詳解演示文稿

污染物的生物降解和轉(zhuǎn)化詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有107頁\編于星期四\18點優(yōu)選污染物的生物降解和轉(zhuǎn)化當(dāng)前第2頁\共有107頁\編于星期四\18點第一節(jié)微生物對污染物的作用當(dāng)前第3頁\共有107頁\編于星期四\18點一、有機污染物的生物降解性地球上所有天然合成的有機物都可被微生物不同程度地降解，在漫長的生物進化過程中，微生物被這些物質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生分解酶；人工合成的一些復(fù)雜大分子聚合物（如有機氯農(nóng)藥、洗滌劑、多氯聯(lián)苯、塑料、尼龍等），由于微生物與之接觸時間短，尚未誘導(dǎo)出特定的完整酶系統(tǒng)，成為十分關(guān)注的問題；研究生物降解性的意義：（1）數(shù)十萬種環(huán)境污染物中絕大多數(shù)是有機物，這些物質(zhì)的生物可降解性研究是控制物質(zhì)生產(chǎn)、排放和生物處理工藝設(shè)計的重要依據(jù)；當(dāng)前第4頁\共有107頁\編于星期四\18點（2）有助于深入認識污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和了解這些染物對自然界物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)的影響，為控制污染、保護環(huán)境提供理論依據(jù)；（3）與保護人類健康和自然界生態(tài)平衡有密切關(guān)系；1.污染物降解微生物（1）土著微生物——從自然界（土壤、水體）篩選馴化，對污染物降解和轉(zhuǎn)化過程較復(fù)雜，通常分布進行，多種微生物和酶共同作用；當(dāng)前第5頁\共有107頁\編于星期四\18點

圖4-1

有機污染物降解的典型微生物當(dāng)前第6頁\共有107頁\編于星期四\18點（2）外來微生物——人為投加特種微生物以促進污染物的降解；一般條件下，外來微生物與土著微生物應(yīng)具有良好的相容性；如：有機垃圾堆肥投菌、珊瑚諾卡氏菌處理含氰廢水；熱帶假絲酵母處理油脂廢水目前，用于生物修復(fù)的高效降解菌大多系多種微生物混合而成的復(fù)合菌群；

例1：光合細菌多為紅螺菌科光合細菌的復(fù)合菌群，已商業(yè)化。例2：美國CBS公司開發(fā)的復(fù)合菌劑，內(nèi)含光合細菌、酵母菌、放線菌、硝化菌等，在成都府南河、重慶桃花溪等河道應(yīng)用；當(dāng)前第7頁\共有107頁\編于星期四\18點

例3：玉壘環(huán)境技術(shù)公司生產(chǎn)的高溫放線菌為主的復(fù)合菌劑（YL活性生物復(fù)合劑H15）用于蘇州河程家橋河段污水處理，180天內(nèi)對底泥中有機物降解率為20%左右，促進了底泥的礦化（3）基因工程菌——將具有降解性的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到一些能在污水和污染土壤中生存的菌體內(nèi)，定向構(gòu)建高效降解污染的工程菌細菌的降解能力由質(zhì)?？刂疲壳耙寻l(fā)現(xiàn)降解性質(zhì)粒30多種；如：假單胞菌屬中的石油降解質(zhì)粒目前，世界上已構(gòu)建出多種降解難降解化合物的工程菌；當(dāng)前第8頁\共有107頁\編于星期四\18點例：超級細菌——Chapracarty等將假單胞菌屬中不同菌株的CAM、OCT、SAL、NAH四種降解性質(zhì)粒結(jié)合轉(zhuǎn)移到同一個菌株中，構(gòu)建成一株能同時降解芳香烴、多環(huán)芳烴和脂肪烴的“超級細菌”，用于海上溢油污染消除。該菌能將天然菌要花一年以上才能消除的浮油縮短為幾個小時，被譽為在污染治理工程菌的構(gòu)建上的第一塊里程碑?；蚬こ叹h(huán)境釋放后的安全性控制方法：遺傳缺陷、自殺基因理想的基因工程菌特征當(dāng)前第9頁\共有107頁\編于星期四\18點（a）對自然界的微生物和高等生物不構(gòu)成威脅；（b）基因工程菌有一定的壽命；（c）基因工程菌進入凈化系統(tǒng)之后，其適應(yīng)期比土著種的馴化期要短得多；（d）基因工程菌降解污染物功能下降時，可以重新接種；（e）基因工程菌易適應(yīng)生存，不會被目標污染物殺死當(dāng)前第10頁\共有107頁\編于星期四\18點

圖4-2

某些基因工程菌的降解活性當(dāng)前第11頁\共有107頁\編于星期四\18點（4）其他微生物與植物包括藻類、微型生物、植物等對污染物具有作用，可用于環(huán)境修復(fù)；如：污染水體中的藻類的放氧；微型動物對病原菌和過多藻類的吞噬采用鳳眼蓮為主的污水處理系統(tǒng)去除水體中的氮磷；利用蘆葦田處理污水可殺死大腸桿菌，去除某些金屬離子，減少有機物及氮磷；水花生、細綠萍、黑麥草人工濕地及氧化塘處理系統(tǒng)；當(dāng)前第12頁\共有107頁\編于星期四\18點二、微生物對污染物的作用微生物通過氧化（β-氧化、環(huán)氧化、硫氧化、甲基氧化等）、

還原（硫酸鹽還原、雙鍵還原、三鍵還原）、水解、脫基（脫鹵、脫氨基、脫羧基）、羥基化反應(yīng)、酯化反應(yīng)以及代謝（氨代謝、肟代謝、腈氨代謝）等一種或多種生理生化反應(yīng)，使有機物發(fā)生轉(zhuǎn)化、分解或降解。微生物與污染物間會發(fā)生共代謝、激活、去毒、吸著作用；污染物在被微生物降解時存在著閾值現(xiàn)象；當(dāng)前第13頁\共有107頁\編于星期四\18點1.微生物的共代謝作用（1）定義：某些有機物在其生物降解過程中不能作為微生物的惟一碳源，而只能依靠另一種有機物作為碳源與能源的前提下才能被降解的現(xiàn)象。（2）共代謝基質(zhì)與微生物見圖4-3當(dāng)前第14頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-3

純培養(yǎng)中的一些共代謝基質(zhì)及其產(chǎn)物當(dāng)前第15頁\共有107頁\編于星期四\18點（2）共代謝的原因提出了各種假設(shè)，但都有局限性，主要原因有：微生物的吸收與同化能力

微生物不能在某種基質(zhì)上生長的原因并不是由于微生物無法分解代謝這種物質(zhì)，而是由于微生物本身缺乏吸收、同化其氧化產(chǎn)物的能力。有毒產(chǎn)物的積累

該機制僅能應(yīng)用于芳香烴化合物。如：2,3,6-三氯甲苯的共代謝會導(dǎo)致3,5-二氯兒茶酚的積累，最終形成對細胞有毒害的環(huán)境。當(dāng)前第16頁\共有107頁\編于星期四\18點C.酶的專一性與抑制作用

鹵代二羥基苯與催化芳香核加氧作用的酶活性中心的鐵離子發(fā)生螯合作用，抑制了酶系統(tǒng)的活性。2.微生物的解毒作用（1）定義：通過微生物對污染物的轉(zhuǎn)化、降解、礦化等作用，使污染物的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而降低或去除污染物的毒性的過程。當(dāng)前第17頁\共有107頁\編于星期四\18點（2）解毒產(chǎn)物的去處A.解毒產(chǎn)物直接分泌到細胞外；B.經(jīng)酶反應(yīng)進入正常代謝途徑，碳以CO2的形式釋放；C.經(jīng)酶反應(yīng)進入正常代謝途徑，以有機廢物的形式分泌到胞外。當(dāng)前第18頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-4

化學(xué)品解毒歷程當(dāng)前第19頁\共有107頁\編于星期四\18點（3）解毒作用A.對酯鍵或酰胺鍵的水解脫毒；B.苯環(huán)或脂肪鏈上的羥基化，以O(shè)H取代H使毒物失去毒性；C.殺蟲劑中氯和其他鹵素的脫鹵；D.殺蟲劑中與氯、氧或硫相連甲基和烷基的去甲基和去烷基；E.對有毒酚類物的甲基化，使酚類物鈍化；F.將硝基還原成氨基，以減輕基質(zhì)的毒性；G.醚草通脫氨基，變?yōu)闊o毒物；當(dāng)前第20頁\共有107頁\編于星期四\18點H.鹵代苯氧羧酸類除草劑在植物體內(nèi)斷裂醚鍵，降解成相應(yīng)的酚，消除其對植物的毒害；I.將腈轉(zhuǎn)化為酰胺，降低毒性；J.軛合作用，利用植物體內(nèi)的中間代謝產(chǎn)物和異生素的反應(yīng)合成無毒產(chǎn)物當(dāng)前第21頁\共有107頁\編于星期四\18點2.微生物的激活作用（1）定義

：無害的前體物質(zhì)通過微生物的作用轉(zhuǎn)化成有毒產(chǎn)物的過程。致癌物致畸物致突變物急性毒物植物毒物抗菌素?zé)o毒化合物活化迅速礦化緩慢礦化持久性圖4-5

無毒物的活化作用當(dāng)前第22頁\共有107頁\編于星期四\18點例如：

脫鹵作用，三氯乙烯（TCE）在厭氧環(huán)境中會發(fā)生脫鹵，形成1,1-二氯乙烯、1,2-二氯乙烯和氯乙烯，降解物均為致癌物；

硫醚的氧化，含有硫醚鍵（C-S-C）殺蟲劑會被氧化成相應(yīng)的亞砜和砜，毒性比硫醚更大；

N-亞硝化作用，在土壤中仲胺通過N-亞硝化作用形成“三致”毒物——亞硝胺；當(dāng)前第23頁\共有107頁\編于星期四\18點3.微生物的吸著作用（1）定義

：指固液兩相中的某些化合物在液相中的濃度降低，而在固相中的濃度升高的現(xiàn)象，包括吸收和吸附，但兩者在概念上沒有明顯的界限。很多中微生物都能結(jié)合金屬，作用機理有胞外吸附、細胞表面富集等；（a）胞外吸附活性污泥和細菌產(chǎn)生胞外多糖，主要是中性多糖，但含有糖醛酸、磷酸鹽等可以絡(luò)合溶解金屬離子；當(dāng)前第24頁\共有107頁\編于星期四\18點（b）細胞表面富集富集往往發(fā)生在細胞壁的表面，主要是由于金屬離子與細胞表面活性基團絡(luò)合用于交換以及以絡(luò)合基團為晶核進行吸附沉淀。4.有機污染物的閾值痕量有機物的生物降解及閾值問題受到重視（三致毒物、生物富集與放大等毒害）；當(dāng)有機基質(zhì)的濃度低于某一值時，基質(zhì)雖然仍能被代謝，但不能獲得充分的能量供細胞生長，該基質(zhì)濃度稱為閾值。各種細菌不能生長繁殖的閾值差異很大，碳源、氮源、磷源及某些營養(yǎng)物均存在著閾值現(xiàn)象。當(dāng)前第25頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-6

河水中不同濃度的2,4-D的礦化作用

當(dāng)前第26頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-7

不發(fā)生生物降解或低于預(yù)測值的有機化合物當(dāng)前第27頁\共有107頁\編于星期四\18點第二節(jié)影響生物降解的因素當(dāng)前第28頁\共有107頁\編于星期四\18點一、污染物種類對降解性影響有機污染物的生物降解性差別很大。碳氫化合物中簡單的脂肪族和單環(huán)芳香族化合物容易降解；PAHs結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易降解；一般情況下，環(huán)的數(shù)目、偶氮基越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的污染物越難降解；脂肪烴分子上支鏈越多，生物可降解性越低

例如：活性污泥與葡萄糖、木糖、麥芽糖混合經(jīng)曝氣處理后能立即去除；DDT在土壤中殘留期4年；艾氏劑，3年；氯丹，5年當(dāng)前第29頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-8

某些物質(zhì)的生物可降解性當(dāng)前第30頁\共有107頁\編于星期四\18點二、化學(xué)結(jié)構(gòu)對生物降解的影響主要是取代基的影響，包括取代基種類、數(shù)目及位置；1.取代基種類的影響促進降解的基團：-OH、-COOH、酰胺基、酯類或酰酐基等；不易降解的基團：-CH3、-NH2、-OCH3、-Cl、-SO3H、-Br、-CN、-CF3等；2.取代基數(shù)目的影響羥基、羧基數(shù)目越多，越容易降解；胺基、鹵代基、硝基、磺酸基、甲基、偶氮基越多，越難降解。當(dāng)前第31頁\共有107頁\編于星期四\18點3.取代基位置的影響芳香烴及苯胺中，羥基、羧基、-Cl易降解的順序：鄰位>間位>對位；烷基、脂肪酸基、苯磺酸基與烷烴端基位連接比中間連接降解速度快；當(dāng)前第32頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-9

兩種除草劑在土壤懸

浮液中的微生物分解速度圖4-10

兩種除草劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

注：2,4-D在土壤中保持4周；2,4-T保持20周不變當(dāng)前第33頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-11

兩種洗滌劑結(jié)構(gòu)不易降解易降解當(dāng)前第34頁\共有107頁\編于星期四\18點三、環(huán)境條件對生物降解的影響主要是溫度、pH、水分、鹽分、壓強等；1.溫度在一定溫度范圍內(nèi)，溫度上升，降解速率加快。2.pH3.水分4.鹽分5.壓強有些油污密度比海水大，會沉積到海底。由于海底是高靜水壓和低溫環(huán)境，微生物活性很低，有機物降解十分緩慢。當(dāng)前第35頁\共有107頁\編于星期四\18點第三節(jié)污染物的生物降解反應(yīng)及其中間產(chǎn)物當(dāng)前第36頁\共有107頁\編于星期四\18點一、水解R1COOCH2R2+H2OR1COOH+HOCH2R2RCHO+H2ORCOOH+2HRCH2NH2+H2ORCHO+NH3+2HRNO2+H2OROH+NO2-+H+RCl+H2OROH+H++Cl-當(dāng)前第37頁\共有107頁\編于星期四\18點二、氧化1.鏈烴氧化（4種方式）（1）單末端氧化

在加氧酶作用下，氧直接結(jié)合到碳鏈末端的碳上，形成伯醇；再依次氧化成脂肪酸；脂肪酸通過β-氧化方式氧化分解，形成乙酰CoA后進入中央代謝途徑。R-CH2-CH3R-CH2-CH2-OHR-CH2-COOH（2）雙末端氧化

鏈烷烴氧化可以在兩端同時發(fā)生，常發(fā)生在支鏈烷烴中。當(dāng)前第38頁\共有107頁\編于星期四\18點（3）次末端氧化

微生物對烷烴末端的第二個碳的氧化，生成仲醇；然后再依次氧化成酮和酯，酯被水解為伯醇和乙酸；然后進一步分解。（4）直接脫氫

脂肪烷烴在厭氧條件下脫氫，使烷烴變?yōu)橄N，進一步轉(zhuǎn)化為仲醇、醛和酸。R-CH2-CH3R-CH=CH2R-CHOH-CH3R-CH2-CHOR-CH2-COOH當(dāng)前第39頁\共有107頁\編于星期四\18點RNH-CH3+ORNH2+HCHOCH3(CH2)nCH3+O

CH3(CH2)nCH2OHRCH2NH2+ORCHO+2HR-O-CH3+OR-OH+HCHOR1R1CH-NH2+OC=NOH+H2OR2R2當(dāng)前第40頁\共有107頁\編于星期四\18點R-S-CH3+ORSH+HCHOR1R1CH-NH2+OC=O+NH3R2R22.碳雙鍵環(huán)氧化

碳雙鍵在混合功能氧化酶的作用下，能被環(huán)氧化。

R1CH=CHR2+O

R1CH-CHR2

Oo當(dāng)前第41頁\共有107頁\編于星期四\18點三、碳羥基化

混合功能氧化酶利用細胞內(nèi)分子氧，將其中一個氧原子與有機底物結(jié)合，使之氧化，而另一個氧原子與氫原子結(jié)合形成羥基。圖4-12

當(dāng)前第42頁\共有107頁\編于星期四\18點四、還原單環(huán)芳烴還原單環(huán)芳烴的苯環(huán)在厭氧微生物作用下，其中一個雙鍵和多個雙鍵斷裂。圖4-13

當(dāng)前第43頁\共有107頁\編于星期四\18點四、還原2.氮化物還原硝基還原酶使硝基化合物還原，生成相應(yīng)的胺。偶氮還原酶使偶氮化合物還原成相應(yīng)的胺。圖4-14

當(dāng)前第44頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-15某些氨基還原的基質(zhì)及其代謝產(chǎn)物

當(dāng)前第45頁\共有107頁\編于星期四\18點五、裂解1.氨基化合物裂解許多殺蟲劑、除草劑是氨基甲酸酯，酰胺是常見的化學(xué)品，這些化合物可被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的羧酸和胺。2.環(huán)裂解（PAHs）細菌能降解萘、菲、蒽，變成相應(yīng)的酸。當(dāng)前第46頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-14某些含酯和酰胺的基質(zhì)及代謝產(chǎn)物

當(dāng)前第47頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-15多環(huán)芳香化合物的前幾步降解過程當(dāng)前第48頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-16PAHs的基質(zhì)及代謝產(chǎn)物當(dāng)前第49頁\共有107頁\編于星期四\18點3.醚鍵裂解許多醚可以被裂解，如：

RONO2ROHR(ONO2)3HOR(ONO2)2(HO)2RONO2(HO)3RROSO3HROH4.含磷化物鍵裂解許多殺蟲劑是磷酸醚。降解當(dāng)前第50頁\共有107頁\編于星期四\18點六、酰化芳香胺轉(zhuǎn)化為N-?；?，這些酰化物中大多是乙?；锖图柞；?。圖4-17含芳香胺的基質(zhì)及酰化產(chǎn)物當(dāng)前第51頁\共有107頁\編于星期四\18點七、甲基化某些硫醇是可以甲基化的。如：

ArSHArSCH3八、轉(zhuǎn)化

不少胺在微生物的作用下可轉(zhuǎn)化為N-雜環(huán)。圖4-18當(dāng)前第52頁\共有107頁\編于星期四\18點九、二聚許多芳香胺能進行二聚反應(yīng)，生成偶氮苯或氧化偶氮苯。如：ArNH2ArN=NarArNH2ArON=NarArNH2ArNHN=Nar當(dāng)前第53頁\共有107頁\編于星期四\18點第四節(jié)典型有機污染物的生物降解當(dāng)前第54頁\共有107頁\編于星期四\18點一、微生物對自然界中難降解物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化1.纖維素的降解纖維素是植物細胞壁的主要成分，占植物干重的35%-60%；土壤中含有大量纖維素，印染、造紙、紡織、木材加工業(yè)等排放的廢水中含有大量的纖維素；纖維素是葡萄糖的高分子聚合物，分子量介于50000-400000，含有300-2500個葡萄糖分子，以β-1,4糖苷鍵聯(lián)接的長鏈；纖維素酶是復(fù)合酶，由C1酶、β-1,4葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶組成；當(dāng)前第55頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-18纖維素分解過程當(dāng)前第56頁\共有107頁\編于星期四\18點2.半纖維素的降解

半纖維素由各種聚戊糖和聚己糖構(gòu)成，約占植物干重的25%-80%，僅次于纖維素；半纖維素在土壤中較易被微生物分解，比纖維素分解快；參與水解半纖維素的酶有3類：（1）內(nèi)切酶對多糖大分子連接鏈任意切割，產(chǎn)生不同大小片段；（2）外切酶從糖鍵的一端切下一個單糖或二糖；（3）糖苷酶水解寡糖或二糖，產(chǎn)生單糖或糖醛酸。當(dāng)前第57頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-19半纖維素分解過程半纖維素半纖維素酶H2O單糖和糖醛酸CO2+H2O多種產(chǎn)物當(dāng)前第58頁\共有107頁\編于星期四\18點3.木質(zhì)素的降解木質(zhì)素、纖維素、半纖維素組成了木材主體部分；木質(zhì)樹干的發(fā)育除頂端生長外，其直徑生長是通過纖維素和木質(zhì)素的沉積而增長的；樹木的細胞會在三個階段在次生壁表面排列以增強其厚度，使壁加厚，形成S1層、S2層和S3層；一些真菌能寄生在活樹木中以木質(zhì)為唯一營養(yǎng)來源，如假蜜環(huán)菌；一些只生長在中間的心材，造成樹干中空；還有一些降解真菌完全腐生，只利用死的樹木。當(dāng)前第59頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-20

木材的細胞結(jié)構(gòu)圖a，顯示活的樹木中細胞組成的髓線，在樹木被砍倒后為真菌侵入木材提供了一個快速的可利用的營養(yǎng)源；b，樹木的紋孔，在管胞壁上形成穿孔，通常在適當(dāng)?shù)奈恢门c管胞連接，為菌絲體從一個管胞進入另一個管胞提供便利；c,S3壁，含豐富纖維素骨架的木質(zhì)素；d,S2壁，含較多纖維素和少量木質(zhì)素；e,S1壁，木質(zhì)化的壁a當(dāng)前第60頁\共有107頁\編于星期四\18點紋孔：輸水細胞厚厚的細胞壁上產(chǎn)生的孔洞。真菌緊貼木質(zhì)化的S3壁層生長成一平面后，通常以菌絲穿過紋孔進入狹小的細胞中央孔洞，分泌酶降解木質(zhì)素和纖維素；

所有的纖維素降解真菌都存在著纖維素酶合成的正調(diào)控和負調(diào)控。纖維素誘導(dǎo)纖維素酶的合成，而基質(zhì)中的葡萄糖則抑制其合成。當(dāng)前第61頁\共有107頁\編于星期四\18點（1）軟腐真菌（Softrotfungi）包括毛殼菌屬、鐮刀菌屬、擬青霉屬，都是常見的土壤腐生菌，只降解纖維素；

真菌的菌絲生長在木質(zhì)細胞壁的S2層；攻擊潮濕的樹木，降解只發(fā)生在樹表皮附近；當(dāng)前第62頁\共有107頁\編于星期四\18點（2）褐腐真菌（Brownrotfungi）多為擔(dān)子菌綱的粉孢革菌科的木材腐朽菌；

菌絲生長在木質(zhì)細胞壁的S3層；降解后木材失去張力強度，進而收縮，并產(chǎn)生縱向和橫向的裂縫，甚至分裂成棕黑色的立方體小塊；當(dāng)前第63頁\共有107頁\編于星期四\18點（3）白腐真菌（Whiterotfungi）大部分可以降解木質(zhì)素和纖維素，產(chǎn)生白色不含纖維的殘余物；

木質(zhì)細胞壁的S3、S2、S1層被依次降解；白腐真菌能產(chǎn)生聚苯酚氧化酶（漆酶），該酶活性位點含銅離子，氧化苯酚產(chǎn)生苯醌，作為酶催化氧化纖維素過程中的氧供給者；當(dāng)前第64頁\共有107頁\編于星期四\18點N饑餓起始木質(zhì)素的降解，破壞木質(zhì)素層，將和纖維素共價結(jié)合的N暴露出來，從而菌絲繼續(xù)在新的能源處生長。當(dāng)釋放的氮化合物接近于金絲時，木質(zhì)素的降解受到抑制。當(dāng)纖維素耗盡時，木質(zhì)素進行降解，新的纖維素層再次暴露出來，木質(zhì)素降解過程按此順序進行。當(dāng)前第65頁\共有107頁\編于星期四\18點二、微生物對石油化工廢水中烴類化合物的分解和轉(zhuǎn)化1.烷烴類化合物的降解石油由多種烴組成，成分中烷烴占30%，脂環(huán)烴占46%，芳香烴占24%；烷烴、烯烴、芳香烴是石化、煉焦煤氣生產(chǎn)工業(yè)廢水中的主要成分；烷烴類化合物較難被微生物降解。

微生物對烷烴的降解特點是：鏈烴比環(huán)烴易降解；正構(gòu)烷烴

比異構(gòu)烷烴易降解；直鏈烴比支鏈烴容易降解；當(dāng)前第66頁\共有107頁\編于星期四\18點烷烴可通過末端氧化、次末端氧化或雙端氧化，逐步生成醇、醛及脂肪酸，而后經(jīng)β-氧化進入TCA循環(huán)，最終降解成CO2

和H2O。其中，以末端氧化最為常見。當(dāng)前第67頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-21烷烴末端氧化降解過程當(dāng)前第68頁\共有107頁\編于星期四\18點2.烯烴類化合物的降解大多數(shù)烯烴比芳香烴、烷烴都更容易被微生物降解；微生物對烯烴的代謝主要是產(chǎn)生具有雙鍵的加氧化合物，最終形成飽和或不飽和脂肪酸，然后再經(jīng)β-氧化進入TCA循環(huán)而被完全分解；當(dāng)前第69頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-22烯烴微生物降解途徑當(dāng)前第70頁\共有107頁\編于星期四\18點3.鹵代烴化合物的降解（1）三氯乙烯（TCE）

TCE的降解以共代謝為主，在TCE存在的環(huán)境中要有可利用的氮、甲苯等物質(zhì)；

TCE的有氧降解有多種機制，如單氧化酶催化降解途徑，主要產(chǎn)物為甲酸、乙醛酸和二氯乙酸；當(dāng)前第71頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-23三氯乙烯的單氧化酶催化降解途徑當(dāng)前第72頁\共有107頁\編于星期四\18點（2）五氯酚（PCP）

PCP在厭氧條件下轉(zhuǎn)化為2,4,6-三氯酚（2,4,6-TCP）和4-氯酚，最后轉(zhuǎn)化為CH4和CO2;

具體降解途徑見圖4-24當(dāng)前第73頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-24五氯酚的降解途徑當(dāng)前第74頁\共有107頁\編于星期四\18點4.芳香烴類化合物的降解芳香烴化合物常存在于石化、煉焦、煤氣廠廢水中，一般都比較難被微生物降解；大部分芳香烴類對微生物都有抑制作用，能使菌體蛋白質(zhì)凝集，使生長受阻或死亡；但在一定濃度下，芳香烴也能被一些細菌、放線菌降解；（1）苯酚一元酚和二元酚比較容易降解，三元酚較難降解；鄰位和間位的硝基酚易降解；甲基酚比硝基酚容易降解；當(dāng)前第75頁\共有107頁\編于星期四\18點酚的降解主要經(jīng)β-酮基己二酸途徑和α-酮酸途徑（2）苯苯可被很多微生物降解，生成兒茶酚、粘康酸，經(jīng)β-酮基己二酸途徑進入TCA循環(huán)，最后氧化成CO2和H2O;（3）甲苯甲苯比苯易氧化降解。主要經(jīng)苯甲醇、苯甲醛、苯甲酸轉(zhuǎn)化為兒茶酚，再轉(zhuǎn)化為琥珀酸或丙酮酸，進入TCA循環(huán)；（4）苯甲酸易被微生物降解，通過原兒茶酚、粘康酸和β-酮基己二酸途徑進入TCA循環(huán)，最終被氧化成CO2和H2O;當(dāng)前第76頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-25苯的微生物降解途徑當(dāng)前第77頁\共有107頁\編于星期四\18點小結(jié)：芳香烴化合物的生物降解是通過β-酮基己二酸途徑進行的。如果有側(cè)鏈則先從側(cè)鏈開始分解，然后發(fā)生芳香環(huán)的氧化，引入羥基環(huán)開裂；接著進行的氧化與脂肪族得化合物相同，最后分解為CO2和H2O;能降解烴類化合物的微生物都是好氧性的，厭氧性微生物不能降解烴類，因為烴類化合物分子中沒有氧的成分，所以降解烴時一定要有氧，而且需氧量較大；當(dāng)前第78頁\共有107頁\編于星期四\18點5.氰（腈）類化合物的降解氰（腈）類化合物主要存在于石化、人造纖維、電鍍、煤氣、制革和農(nóng)藥廠排放的廢水中，毒性很大，嚴重污染環(huán)境；氰（腈）化合物在生物體內(nèi)可抑制細胞色素氧化酶，阻礙血液對氧的運輸，使生物體缺氧窒息而死。分解微生物：假單胞桿菌屬、諾卡氏菌屬、茄病鐮刀霉、綠色木霉等；有機腈化物較無機氰化物易于生物降解。能降解氰（腈）類的微生物都是好養(yǎng)性的。當(dāng)前第79頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-26無機氰和有機腈的微生物降解途徑當(dāng)前第80頁\共有107頁\編于星期四\18點三、化學(xué)農(nóng)藥的降解農(nóng)藥對于農(nóng)業(yè)是十分重要的。由于病、蟲、草害，全世界每年損失的糧食約占總產(chǎn)量的一半，使用農(nóng)藥可以挽回總產(chǎn)量的15％左右?；瘜W(xué)農(nóng)藥的使用有200多年的歷史，目前世界上農(nóng)藥年總產(chǎn)量達200萬噸以上，農(nóng)藥品種超過1000種，常用的250種左右；農(nóng)藥的使用效率約40%，其余通過空氣、水體殘留在環(huán)境中，通過生物富集和食物鏈傳遞，污染環(huán)境，威脅人類健康，造成中毒、死亡、死胎、致癌、流產(chǎn)等嚴重后果；

很多農(nóng)藥在土壤中是十分穩(wěn)定的，很難被微生物降解。當(dāng)前第81頁\共有107頁\編于星期四\18點1.苯氧乙酸的降解苯氧乙酸是一大類除草劑，如2,4-D乙酯，可被球形節(jié)桿菌、黑曲霉等完全降解；

2,4-D乙酯降解途徑見圖4-272.對硫磷

降解途徑見圖4-28，中間產(chǎn)物對氧磷的毒性比母體對硫磷更大；當(dāng)前第82頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-272,4-D乙酯的微生物降解基本途徑當(dāng)前第83頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-28對硫磷的微生物降解基本途徑I.氧化II.水解III.還原當(dāng)前第84頁\共有107頁\編于星期四\18點四、氮的微生物轉(zhuǎn)化1.硝化氨在有氧條件下通過微生物的作用氧化成硝酸鹽的過程；包括亞硝化和硝化兩個階段，分別由亞硝化單胞菌屬和硝化桿菌屬作用，以CO2為碳源的化能自養(yǎng)型細菌，高度需氧，中性至微堿性環(huán)境，pH>9.5硝化細菌受抑制，pH<6亞硝化細菌被抑制；

2NH3+3O2

2H++2NO2-+2H2O+能量

2NO2-+O2

2NO3-+能量當(dāng)前第85頁\共有107頁\編于星期四\18點2.反硝化硝態(tài)氮在通氣不良條件下通過微生物作用而還原的過程；通常3種情況：（1）細菌、放線菌、真菌等多種微生物在內(nèi)，能將硝酸鹽還原為亞硝酸；HNO3+2H

HNO2+H2O（2）兼性假單胞菌屬、色桿菌屬等，能將硝酸鹽還原成氮氣；（3）梭狀芽孢桿菌屬等能將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽和氨；

HNO3HNO2HNONH(OH)2NH2OHNH3

當(dāng)前第86頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-29硝酸鹽還原為氮氣的基本過程當(dāng)前第87頁\共有107頁\編于星期四\18點3.硝化與反硝化作用條件和特點（1）硝化條件和特點A.嚴格要求高水平的氧；B.中性至微堿性，pH>9.5時硝化細菌受抑制；C.最適宜溫度為30℃，低于5℃或高于40℃無活動；D.以CO2為碳源進行生活的化能自養(yǎng)型細菌，自然條件下必須在有機質(zhì)存在時才能活動；當(dāng)前第88頁\共有107頁\編于星期四\18點（2）反硝化條件和特點A.厭氧環(huán)境，環(huán)境氧分壓越低，反硝化越強；B.pH值一般中性至微堿性，pH<6時亞硝化細菌受抑制；C.適宜溫度為25℃左右；D.有豐富的有機物作為碳源和能源；E.硝酸鹽作為氮源；當(dāng)前第89頁\共有107頁\編于星期四\18點4.硝化與反硝化作用的應(yīng)用或預(yù)防（1）硝化在自然界很重要。植物攝取氮的最為普遍的形態(tài)是硝酸鹽，當(dāng)肥料以銨鹽或氨形態(tài)施入土壤時，硝化細菌能將其轉(zhuǎn)化為一般植物可利用的硝態(tài)氮；（2）反硝化過程中形成的N2、N2O等氣態(tài)無機氮的情況是造成土壤氮素損失、土壤肥力下降的重要原因之一；（3）在污水處理工程中常增設(shè)反硝化裝置使氣態(tài)無機氮逸出，以防止出水硝酸鹽含量高而在排入水體后引起水體富營養(yǎng)化；當(dāng)前第90頁\共有107頁\編于星期四\18點五、硫的微生物轉(zhuǎn)化1.含硫有機物主要由含硫的氨基酸、磺氨酸等；好氧條件下降解產(chǎn)物為硫酸；厭氧條件下是硫化氫；降解不徹底時，可形成硫醇而被菌體暫時積累再轉(zhuǎn)化為硫化氫；當(dāng)前第91頁\共有107頁\編于星期四\18點圖4-30含硫有機物的微生物轉(zhuǎn)化過程當(dāng)前第92頁\共有107頁\編于星期四\18點五、硫的微生物轉(zhuǎn)化2.硫及硫化氫

硫化：單質(zhì)硫、硫化氫等在微生物作用下進行氧化，最后生成硫酸的過程；重要的作用微生物為硫桿菌、硫黃菌；

硫桿菌絕大多數(shù)是好氧菌，廣泛分布在土壤、天然水體及礦山排水中，能氧化硫化氫為硫或者硫酸；

絲狀硫黃菌好氧，廣泛分布在深湖表面、污水池塘和礦泉水中，在生活污水或含硫工業(yè)廢水生物處理中也會出現(xiàn)，能氧化硫化氫至硫，再至硫酸；當(dāng)前第93頁\共有107頁\編于星期四\18點2H2S+O22H2O+2S2S+3O2+2H2O2H2SO4

2.硫酸鹽反硫化：硫酸鹽、亞硫酸鹽等在微生物作用下進行還原，最

后生成硫化氫的過程；

重要作用細菌是脫硫弧菌，生長在缺氧水體、土壤淹水及污泥中，以硫酸根作為氧化有機質(zhì)的受氫體，行反硫化作用；

C6H12O6+3H2SO4CO2+6H2O+3H2S當(dāng)前第94頁\共有107頁\編于星期四\18點3.硫化與反硫化作用對環(huán)境的影響

硫化可增加土壤中植物硫素營養(yǎng)，消除環(huán)境中的硫化氫危害，生成的硫酸可以促進土中礦物質(zhì)的溶解；

由于海水中硫酸鹽濃度較高，所以由硫酸鹽經(jīng)細菌反硫化作用還原為硫化氫是海水中硫化氫的主要來源。嚴重時會在一些沿海地區(qū)引起硫化氫污染；當(dāng)前第95頁\共有107頁\編于星期四\18點六、鐵的微生物轉(zhuǎn)化1.酸礦水的污染自然界中一些含硫、含鐵、含銅的礦石，如黃鐵礦（FeS2）、黃銅礦（CuFeS2）等開采后，礦石暴露在空氣中，經(jīng)化學(xué)氧化使采礦用水變酸，一般pH值為；

2FeS2+7O2+2H2OFeSO4+2H2SO4

在酸性條件下，耐酸細菌如氧化硫硫桿菌可將硫氧化為硫酸，加劇了礦水的酸化，可使pH值下降到0.5；

2S+3O2+2H2O2H2SO4

酸礦水排放到水體會對魚類或其他水生生物造成毒害，并污染地下水；當(dāng)前第96頁\共有107頁\編于星期四\18點球衣細菌和纖發(fā)細菌可將硫酸亞鐵氧化成高鐵，高鐵常以Fe(OH)3沉積在衣鞘上；

4FeSO4+O2+2H2SO42Fe2(SO4)3+2H2O

在含有亞鐵的工業(yè)廢水中，亞鐵被氧化形成不溶性的高鐵，廢水雖得到凈化，但水中鐵的沉積物大量積累與不斷增生的絲狀細菌粘合在一起，會造成管道堵塞；當(dāng)前第97頁\共有107頁\編于星期四\18點2.管道銹蝕和堵塞（1）厭氧銹蝕作用（anaerobiccoerosionofiron）地下管道排放含酸廢水，鐵管在地下處于缺氧的環(huán)境中，在管內(nèi)經(jīng)常形成細菌銹蝕細胞（bacterialcorrosioncells）,使鐵管被銹蝕；銹蝕過程必須厭氧，并有硫酸鹽存在；由硫酸鹽還原細菌還原硫酸鹽形成H2S，