第二章微生物對污染物的降解與轉(zhuǎn)化1

一、微生物對污染物降解與轉(zhuǎn)化的特點1.微生物個體微小，比表面積大，代謝速率大2.種類繁多，分布廣泛，代謝類型多樣3.微生物具有多種降解酶4.微生物繁殖快，易變異，適應(yīng)性強5.微生物具有巨大的降解能力第一節(jié)微生物降解理論基礎(chǔ)本文檔共54頁；當前第1頁；編輯于星期三\11點37分（1）降解性質(zhì)粒降解難降解化合物的酶類大多是由質(zhì)?？刂频模@類質(zhì)粒被稱為降解質(zhì)粒。5.微生物具有巨大的降解能力（2）共代謝P282石油——多環(huán)芳烴化合物雙環(huán)或三環(huán)四環(huán)或多環(huán)假單胞菌（唯一碳源和能源）不支持本文檔共54頁；當前第2頁；編輯于星期三\11點37分

假單胞菌+四環(huán)或多環(huán)芳烴化合物+雙環(huán)或三環(huán)芳烴化合物×微生物在利用生長基質(zhì)A時（從中獲得能量、碳源），同時非生長基質(zhì)B（不能從中獲得能量、碳源或其他任何營養(yǎng)）也伴隨著發(fā)生氧化或其它反應(yīng)——共代謝OK本文檔共54頁；當前第3頁；編輯于星期三\11點37分共代謝特點不導(dǎo)致細胞質(zhì)量或能量的增加，不促進其本身的生長。使有機物得到修飾或轉(zhuǎn)化，但不能使其分子完全分解。本文檔共54頁；當前第4頁；編輯于星期三\11點37分共代謝原理靠降解其它有機物提供能源或碳源；依靠其他微生物的協(xié)同作用；相似物誘導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)的誘導(dǎo)酶，被轉(zhuǎn)化為不完全氧化產(chǎn)物。

本質(zhì)：最初的酶系作用的底物專一性較低（E1），后面酶系作用的底物專一性較高（E2），無法識別前面酶系的產(chǎn)物(B’)。

E1E2E3A——>B——>C——>D——>E——>CO2+能量

E1E2A’——>B’——>×本文檔共54頁；當前第5頁；編輯于星期三\11點37分（3）混合菌株作用（混合培養(yǎng)）P278/322礦化也稱終極生物降解，指有機物生物降解為二氧化碳和水的過程。在自然界，第一個菌株的共代謝產(chǎn)物可在第二個菌株的作用下繼續(xù)共代謝或完全礦化?；旌吓囵B(yǎng)菌株的降解能力大大高于單個菌株的純培養(yǎng)。有機物的轉(zhuǎn)化廣義上可以定義為兩種：

礦化作用和共代謝作用本文檔共54頁；當前第6頁；編輯于星期三\11點37分混合菌株作用的機制

互生機制共生機制單獨均可降解，混合培養(yǎng)增加效率

不同微生物產(chǎn)生的酶有差異，共同的作用提高了降解效率單獨不能降解，共同培養(yǎng)可降解

彼此之間為對方提供：生長因子，能利用的碳源，消除有毒中間產(chǎn)物，保持pH平衡，消除反饋抑制等。本文檔共54頁；當前第7頁；編輯于星期三\11點37分（4）共代謝和混合菌株作用意義大大拓展對難降解有機污染物的作用范圍提高復(fù)雜有機污染物的降解率污染處理時，可以通過誘導(dǎo)共代謝作用的發(fā)生，降解難降解污染物。——給微生物生態(tài)系統(tǒng)添加可支持微生物生長的、化學(xué)結(jié)構(gòu)與污染物類似的物質(zhì)，進而誘導(dǎo)共代謝作用的發(fā)生。本文檔共54頁；當前第8頁；編輯于星期三\11點37分二、微生物群落的代謝機制(P280)1.提供特殊營養(yǎng)物質(zhì)

主要是生長因子類物質(zhì)假單孢菌屬(Pseudomonas)諾卡氏菌屬(Nocadiasp.)產(chǎn)生出生物素Nocadiasp.才具備降解環(huán)己烷的能力本文檔共54頁；當前第9頁；編輯于星期三\11點37分去除生長抑制物質(zhì)CH4該群落中的其他菌假單孢菌抑制CH3OH該群落中的其他菌為：黃桿菌、不動小桿菌氧化本文檔共54頁；當前第10頁；編輯于星期三\11點37分3.改善單個微生物的基本生長參數(shù)微生物之間構(gòu)成了類似食物鏈的關(guān)系如降解苔黑酚的3種細菌之間的情況苔黑酚假單孢菌中間代謝產(chǎn)物擴展短桿菌、短小桿菌其他代謝物本文檔共54頁；當前第11頁；編輯于星期三\11點37分4.對底物的協(xié)調(diào)利用

單個微生物對某種物質(zhì)無降解能力，但混合后則能夠降解該物質(zhì)。除草劑茅草枯的降解混合菌株的降解率比單個菌株的降解率高20%。本文檔共54頁；當前第12頁；編輯于星期三\11點37分Arthrobactersp.殺蟲劑二嗪噥的降解二嗪噥Streptomycessp.

Arthrobactersp.Streptomycessp.被降解本文檔共54頁；當前第13頁；編輯于星期三\11點37分6.電子轉(zhuǎn)移5.共代謝兩種緊密結(jié)合的產(chǎn)甲烷菌群落（methanobacillusomelianski）：CH3CH2OHCH3COOH+H2產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌CO2+H2CH4產(chǎn)甲烷菌本文檔共54頁；當前第14頁；編輯于星期三\11點37分7.提供一種以上初級底物利用者有一種以上初始利用者存在，每個初始利用者都能完全代謝底物。一類降解除草劑Fermon(N,N-二甲基-N-苯基脲)的微生物群落，包括3種Corynforms菌、1種假單孢菌和一種產(chǎn)堿菌(Alicaligenessp.)，它們均能夠單獨降解Fermon。混合培養(yǎng)菌株的降解能力大大高于單個菌株的純培養(yǎng)。本文檔共54頁；當前第15頁；編輯于星期三\11點37分三、影響微生物對物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素（2）生長時期

1.微生物的代謝活性（1）種類（3）適應(yīng)與馴化

馴化一種定向選育微生物的方法與過程，通過人工措施使微生物逐步適應(yīng)某特定條件，最后獲得具有較高耐受力和代謝活性的菌株。本文檔共54頁；當前第16頁；編輯于星期三\11點37分2.目標化合物特征

有機物的結(jié)構(gòu)與生物降解性的關(guān)系3.環(huán)境因素實際應(yīng)用中，可根據(jù)需要調(diào)控某些非生物因子，使生物降解或礦化反應(yīng)達到最佳。營養(yǎng)溫度pH溶解氧本文檔共54頁；當前第17頁；編輯于星期三\11點37分第三章微生物對污染物的降解與轉(zhuǎn)化第一節(jié)微生物降解理論基礎(chǔ)第二節(jié)微生物對常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化第三節(jié)有機物的結(jié)構(gòu)與生物降解性本文檔共54頁；當前第18頁；編輯于星期三\11點37分1.微生物分解有機物的作用第二節(jié)微生物對常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化有機物的凈化過程的三階段本文檔共54頁；當前第19頁；編輯于星期三\11點37分凈化本質(zhì)——微生物轉(zhuǎn)化有機物為無機物依靠——好氧分解與厭氧分解微生物分解有機物的作用可總括成如下圖式：復(fù)雜有機物簡單有機物需氧微生物胞內(nèi)酶厭氧微生物胞內(nèi)酶微生物胞外酶CO2、H2OCO2、H2O、H2、CH4、H2S及有機酸、醇、酮、醛等未完全氧化產(chǎn)物好氧生物分解厭氧生物分解1.微生物分解有機物的作用本文檔共54頁；當前第20頁；編輯于星期三\11點37分細菌是其中的主力軍原理：好氧有機物呼吸

C→CO2+碳酸鹽和重碳酸鹽H→H2ON→NH3→HNO2→HNO3S→H2SO4P→H3PO4

→礦化鹽（1）好氧分解本文檔共54頁；當前第21頁；編輯于星期三\11點37分厭氧細菌原理：發(fā)酵、厭氧無機鹽呼吸C→RCOOH（有機酸）→CH4+CO2N→RCHNH2COOH→NH3（臭味）+有機酸（臭味）S→H2S（臭味）P→PO43-（2）厭氧分解本文檔共54頁；當前第22頁；編輯于星期三\11點37分2.微生物對各類有機污染物的分解包括糖類、蛋白質(zhì)、脂類、石油和人工合成的有機化合物等。（1）碳源(不含氮）污染物的分解

難溶的多糖，主要是纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、淀粉糖類污染物本文檔共54頁；當前第23頁；編輯于星期三\11點37分丁酸、CO2、H2等纖維素葡萄糖需氧微生物胞內(nèi)酶厭氧微生物胞內(nèi)酶＋H2O纖維素酶CO2、H2O纖維二糖＋H2O纖維素酶纖維素的分解淀粉的分解CO2、H2、有機酸等淀粉葡萄糖需氧微生物胞內(nèi)酶厭氧微生物胞內(nèi)酶微生物淀粉酶CO2、H2O本文檔共54頁；當前第24頁；編輯于星期三\11點37分（2）油脂類污染物的分解水中來源：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、曲霉脂肪＋H2O脂肪酶甘油＋高級脂肪酸途徑：水解+β氧化本文檔共54頁；當前第25頁；編輯于星期三\11點37分

含氮有機物:蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類、硝基化合物等等。含氮有機物生物降解較不含氮有機物更難，其產(chǎn)物污染性強；同時，它的降解產(chǎn)物與不含氮有機物的降解產(chǎn)物會發(fā)生相互作用，影響整個降解過程。（3）含氮污染物的分解本文檔共54頁；當前第26頁；編輯于星期三\11點37分蛋白質(zhì)蛋白酶水解肽肽酶水解氨基酸降解NH3NO2-

亞硝化菌NO3-硝化菌N2O(N2)反硝化菌氨化作用硝化作用反硝化作用氧化脫氨基作用水解脫氨基作用還原脫氨基作用（3）含氮污染物的分解蛋白質(zhì)本文檔共54頁；當前第27頁；編輯于星期三\11點37分硝化作用

由固氮作用生成的氨或由蛋白質(zhì)等高分子含氮化合物經(jīng)降解作用后產(chǎn)生的氨，都可能在有氧條件下，經(jīng)細菌作用而硝化

本文檔共54頁；當前第28頁；編輯于星期三\11點37分反硝化作用又稱脫氮作用。在土壤中以及在水體的底泥或中間水層環(huán)境介質(zhì)中都可能發(fā)生這種作用。反硝化過程可簡單地表示如下：

其中N2和N2O是反硝化作用的主要產(chǎn)物，但一般情況下，在生成過量N2O條件下才能產(chǎn)生N2。本文檔共54頁；當前第29頁；編輯于星期三\11點37分（4）危險性化合物的分解具有新穎結(jié)構(gòu)的合成化合物往往對微生物的降解表現(xiàn)出抗逆性，其原因可能是這些化合物進入自然界的時間比較短，微生物界還未進化出降解此類難降解化合物的代謝機制。這些化合物大多數(shù)對環(huán)境具有毒害作用，故稱之危險性化合物。①危險性化合物的定義(P277)②危險性化合物來源

人工合成的農(nóng)藥、殺蟲劑、除草劑、防腐劑、溶劑、增塑劑等本文檔共54頁；當前第30頁；編輯于星期三\11點37分農(nóng)藥石油洗滌劑多氯聯(lián)苯氰和腈農(nóng)藥微生物作用被氧化被脫鹵被還原被脫烴ClClClClClClCl大腸桿菌等脫鹵作用③危險性化合物的分解本文檔共54頁；當前第31頁；編輯于星期三\11點37分飽和烴>芳香烴>膠質(zhì)和瀝青直鏈烷烴最容易被降解；在芳香烴部分中，二環(huán)和三環(huán)化合物較容易被降解，而含有四個或更多環(huán)的那芳香烴難于被微生物所降解;膠質(zhì)和瀝青則極難被微生物所降解。Ⅰ

微生物對烴類化合物的降解P296——石油的微生物降解機理芳香烴烴類化合物脂肪烴芳香烴本文檔共54頁；當前第32頁；編輯于星期三\11點37分鄰苯二酚真菌細菌本文檔共54頁；當前第33頁；編輯于星期三\11點37分A．鏈烷烴的降解

+O2R-CH2-CH2-CH3R-CH2-CH2-COOHβ-氧化

CO2+H2OCH2-COOH+R-COOHB．無支鏈環(huán)烷烴的降解

以環(huán)己烷為例本文檔共54頁；當前第34頁；編輯于星期三\11點37分C．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。苯和酚的代謝苯的代謝本文檔共54頁；當前第35頁；編輯于星期三\11點37分萘的代謝本文檔共54頁；當前第36頁；編輯于星期三\11點37分菲的代謝本文檔共54頁；當前第37頁；編輯于星期三\11點37分蒽的代謝本文檔共54頁；當前第38頁；編輯于星期三\11點37分酚也是先被氧化為鄰苯二酚，這樣各類芳香烴在降解的后半段是相同的，可表示如下：本文檔共54頁；當前第39頁；編輯于星期三\11點37分

各類烴

具體的降解過程和產(chǎn)物正烷烴正烷烴→羧酸→二碳單位的短鏈脂肪酸+乙酰輔酶Ａ+ＣＯ2。烯烴烯烴→二羧酸環(huán)烷烴環(huán)烷烴→環(huán)醇→環(huán)酮芳香烴芳香烴→二醇→鄰苯二酚→三羧環(huán)的中間產(chǎn)物微生物對烴類化合物的降解途徑小結(jié)本文檔共54頁；當前第40頁；編輯于星期三\11點37分Ⅱ微生物對有機鹵代物的降解P284鹵代芳香烴降解概念：其環(huán)被裂為中間代謝物并且其有機鹵素被礦化。限速步驟：鹵素取代基從有機化合物中的脫離鹵代脂肪烴鹵代芳香烴有機鹵代物微生物沒有直接水解碳-鹵素鍵的酶系本文檔共54頁；當前第41頁；編輯于星期三\11點37分初期，通過還原、水解或氧化分解機理消除鹵素。后期，通過自發(fā)脫鹵等（1）脫鹵優(yōu)于開環(huán)（2）先開環(huán)后脫鹵好氧條件下微生物對鹵代芳香烴的降解本文檔共54頁；當前第42頁；編輯于星期三\11點37分脫鹵優(yōu)于開環(huán)P287碳鹵素鍵的開裂與水有關(guān)而與O2無關(guān)本文檔共54頁；當前第43頁；編輯于星期三\11點37分先開環(huán)后脫鹵P287鹵代鄰苯二酚本文檔共54頁；當前第44頁；編輯于星期三\11點37分厭氧條件下P290厭氧菌能進行一些好氧條件下未發(fā)現(xiàn)的特殊脫毒反應(yīng)如高氯代芳烴——氯酚類本文檔共54頁；當前第45頁；編輯于星期三\11點37分PCB（多氯聯(lián)苯）好氧微生物不對高氯聯(lián)苯起降解或脫氯作用多氯聯(lián)苯屬于致癌物質(zhì)，容易累積在脂肪組織，造成腦部、皮膚及內(nèi)臟的疾病，并影響神經(jīng)、生殖及免疫系統(tǒng)。多氯聯(lián)苯的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，很難在自然界分解，屬于持久性有機污染物的一類，多用于電力設(shè)備，如含有多氯聯(lián)苯的電容器、電壓器等。本文檔共54頁；當前第46頁；編輯于星期三\11點37分PCB（多氯聯(lián)苯）被厭氧微生物還原脫氯——分步進行，先生成較低氯代的多氯聯(lián)苯。由于還原電位的增加，還原的難度也增加，因此厭氧條件下還原脫氯速率隨氯取代數(shù)目的下降而下降。本文檔共54頁；當前第47頁；編輯于星期三\11點37分第三章微生物對污染物的降解與轉(zhuǎn)化第一節(jié)微生物降解理論基礎(chǔ)第二節(jié)微生物對常見污染物的降解與轉(zhuǎn)化第三節(jié)有機物的結(jié)構(gòu)與生物降解性本文檔共54頁；當前第48頁；編輯于星期三\11點37分可生物降解性物質(zhì)：如淀粉、蛋白質(zhì)難生物降解性物質(zhì)：如纖維素不可生物降解性物質(zhì)：尼龍、塑料第三節(jié)有機物的結(jié)構(gòu)與生物降解性1.有機物的可生物降解性分類本文檔共54頁；當前第49頁；編輯于星期三\11點37分本文檔共54頁；當前第50