第六章微生物對(duì)污染物的降解與轉(zhuǎn)化

1、微生物對(duì)污染物的降解與轉(zhuǎn)化,自然界中物質(zhì)的降解有三種方式：光降解、化學(xué)降解、生物降解。,生物降解——指由生物對(duì)污染物進(jìn)行的分解或降解。降解――將復(fù)雜有機(jī)物分解為簡(jiǎn)單物質(zhì)的過(guò)程。終極降解――微生物把有機(jī)物分解產(chǎn)生無(wú)機(jī)物CO2和H2O的過(guò)程。,第一節(jié) 有機(jī)污染物的生物降解,可生物降解性——復(fù)雜有機(jī)物在微生物作用下 分解為簡(jiǎn)單物質(zhì)的可能性。依可生物降解性的大小可將所有的物質(zhì)

2、范圍：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,一、微生物降解與轉(zhuǎn)化污染物的巨大潛力,產(chǎn)生誘導(dǎo)酶具新的代謝功能； 形成新的突變種（自發(fā)誘變、誘變突變、工程菌的組建）；降解性質(zhì)粒利用組建超級(jí)菌,5.共代謝,※※共代謝――微生物處在能生長(zhǎng)的基質(zhì)中時(shí)，同時(shí)能將原來(lái)不能利用的物質(zhì)氧化的現(xiàn)象。共代謝的方式：①依靠其他物質(zhì)提供能量；②依靠其他微生物的協(xié)同作用；③先經(jīng)相似物誘導(dǎo)產(chǎn)生誘導(dǎo)酶，

3、使污染物得以降解。,（二）影響微生物降解與轉(zhuǎn)化的因素,化學(xué)結(jié)構(gòu)：鏈長(zhǎng)、官能團(tuán)、取代基、異構(gòu)體。共代謝：環(huán)境理化因素：微生物的生長(zhǎng)條件（溫度、水分、光照、有害物）；污染物的溶解度。中間產(chǎn)物或終產(chǎn)物：結(jié)構(gòu)變化、毒性改變。,二、有機(jī)污染物生物降解性的測(cè)定方法及意義,（一）可生物降解性測(cè)定方法有： 1、耗氧量測(cè)定： 通過(guò)用瓦氏呼吸儀測(cè)定的耗氧量可以計(jì)算3個(gè)指標(biāo)：生物氧化率－－耗氧量與其理論完全需氧量之比。受降解條件

4、的影響,,呼吸曲線－－內(nèi)源呼吸曲線與外源呼吸曲線的相對(duì)位置。,生化呼吸線位于內(nèi)源呼吸線之上，說(shuō)明該有機(jī)物可能被微生物氧化分解。兩條呼吸線之間的距離越大，說(shuō)明該有機(jī)物的生物降解性越好,,兩條線基本重合，說(shuō)明該有機(jī)物不能被微生物氧化分解，但對(duì)微生物的生命活動(dòng)無(wú)抑制作用,,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)生了明顯的抑制作用。生化呼吸線越接近橫坐標(biāo)，表明毒害越大，此時(shí)細(xì)菌已幾乎停止呼吸，瀕于死亡,相對(duì)耗氧速率－－有外源

5、物質(zhì)存在時(shí)，單位生物量在單位時(shí)間內(nèi)的耗氧量與內(nèi)源呼吸的耗氧速率之比。,,a.底物無(wú)毒，但不能被微生物所利用。b.底物無(wú)毒，能被微生物所利用。c.底物有毒，可被微生物利用，但在濃度較高的情況下對(duì)微生物發(fā)生抑制作用。d.底物有毒，不能被微生物所利用。,2、降解實(shí)驗(yàn) 接種微生物后，通過(guò)一定時(shí)間的培養(yǎng)，培養(yǎng)液中污染物含量的減少與原始濃度之比即為降解率。3、 BOD5/CODCr

6、 ﹥0.45，生化性較好； ﹥0.30，可生化； ﹤0.30，較難生化；（但如果BOD5較高，仍可采用 生化方法） ﹤0.25，不宜生化。,（二）可生物降解性研究的意義：可生物降解性物質(zhì)——采用生物處理法；難生物降解性和不可生物降解性物質(zhì)——首先嚴(yán)格控制排放

7、，繼而改造工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、尋找或馴化高效微生物菌株，最后只能停止生產(chǎn)。,,第八章 微生物對(duì)污染物的降解與轉(zhuǎn)化,第二節(jié) 微生物降解污染物的途徑,一、碳源污染物的轉(zhuǎn)化包括糖類(lèi)、蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、石油和人工合成的有機(jī)化合物等。,（一）糖類(lèi)污染物提問(wèn)：哪些糖類(lèi)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?xún)魰r(shí)間大大增加，從而對(duì)環(huán)境造成污染。這類(lèi)多糖主要是纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、淀粉。,1．纖維素的轉(zhuǎn)化β葡萄糖

8、高聚物，每個(gè)纖維素分子含1400~10000個(gè)葡萄糖基（β1-4糖苷鍵）。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。A．微生物分解途徑,B．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。需要時(shí)可以向有菌種庫(kù)的研究機(jī)構(gòu)購(gòu)買(mǎi)或自

9、行篩選。,,,2．半纖維素的轉(zhuǎn)化,存在于植物細(xì)胞壁的雜多糖。造紙廢水和人造纖維廢水中含半纖維素。分解過(guò)程 TCA循環(huán) 聚糖酶 CO2 + H2O 半纖維素 單糖 +

10、糖醛酸 H2O 各種發(fā)酵產(chǎn)物 厭氧分解分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素。許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細(xì)菌及放線菌能分解半纖維素。霉菌有根霉、曲霉、小克銀漢霉、青

11、霉及鐮刀霉。,,,,,,,Lignin 木質(zhì)素,木質(zhì)素 空腔 纖維素,3．木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化,木質(zhì)素存在于除苔蘚和藻類(lèi)外所有植物的細(xì)胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。,木質(zhì)素模式圖,,自然界中哪些微生物能夠進(jìn)行木質(zhì)素的降解呢？,確證的只有真菌中的黃孢原毛平革菌，疑似的只有軟腐菌。,黃孢原平毛革菌(Phanerochaete chrysosprium)是白腐真菌的一種，隸屬于擔(dān)子菌綱、同擔(dān)子菌亞綱、非

12、褶菌目、絲核菌科。白腐—樹(shù)皮上木質(zhì)素被該菌分解后漏出白色的纖維素部分。,,*木質(zhì)素降解的意義何在呢？如何實(shí)現(xiàn)工業(yè)化白腐菌降解木質(zhì)素呢？,（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、曲霉途徑：水解+β氧化,（三）石油的轉(zhuǎn)化,提問(wèn)：什么是石油？石油是

13、含有烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴及少量非烴化合物的復(fù)雜混合物。石油污染主要出現(xiàn)在采油區(qū)和石油運(yùn)輸事故現(xiàn)場(chǎng)以及石化行業(yè)的工業(yè)廢水中。,1．石油成分的生物降解性與分子結(jié)構(gòu)有關(guān),A．鏈長(zhǎng)度 鏈中等長(zhǎng)度（C10~C24）＞鏈很長(zhǎng)的（C24以上）＞短鏈 （*？）B．鏈結(jié)構(gòu)

14、 直鏈 ? 支鏈 不飽和 ? 飽和 烷烴 ? 芳烴,鏈末端有季碳原子（四周都與C相連）的烴以及多環(huán)芳烴極難降解,>,2．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(lèi) —— 藍(lán)藻和綠藻,3．石油的降解機(jī)理,A．鏈烷烴的降解

15、 + O2R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH β-氧化 CO2 + H2O CH2-COOH + R-COOH,,,,,B．無(wú)支鏈

16、環(huán)烷烴的降解 以環(huán)己烷為例,通常一些微生物只能將環(huán)烷變?yōu)榄h(huán)己酮，另一些微生物只能將環(huán)己酮氧化開(kāi)鏈而不能氧化環(huán)己烷，兩類(lèi)以上微生物的協(xié)同作用下將污染物 徹底降解——共代謝。,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。,已知降解不同芳香烴的細(xì)菌類(lèi)別,苯和酚的代謝,苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示 苯的代謝,,,,萘的代謝,,,菲的代

17、謝,,,,蒽的代謝,,,酚也是先被氧化為鄰苯二酚，這樣各類(lèi)芳香烴在降解的后半段是相同的，可表示如下,,,提問(wèn)：為什么這些有機(jī)物難于生物降解？微生物缺乏相應(yīng)的水解酶,（四） 人工合成的難降解有機(jī)化合 物的生物降解,難———對(duì)于自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),如果一種化合物滯留可達(dá)幾個(gè)月或幾年之久,或在人工生物處理系統(tǒng), 幾小時(shí)或幾天之內(nèi)還未能被分解或消除,種類(lèi)：穩(wěn)定劑、表面活性劑、人工合成的聚合物、殺蟲(chóng)劑、除

18、草劑以及各種工藝流程中的廢品等。,1. 氯苯類(lèi),用 途：穩(wěn)定劑（潤(rùn)滑油、絕緣油、增塑劑、油漆、熱載體、油墨等都含有）危 害：急性中毒，是一種致癌因子（米糠油事件）降 解 菌：產(chǎn)堿桿菌、不動(dòng)桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌以及沙雷氏菌的突變體通過(guò)共代謝完成氯苯的完全降解。*共代謝研究進(jìn)展及其成果對(duì)環(huán)保的應(yīng)用現(xiàn)狀？,2．洗滌劑,可分為陰離子型、陽(yáng)離子型、非離子型、兩性電解質(zhì)四類(lèi)。我國(guó)目前生產(chǎn)的洗滌劑屬于陰離子型

19、烷基苯磺酸鈉。較早開(kāi)發(fā)的是非線性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸鹽（ABS）：,ABS,甲基分支干擾生物降解，鏈末端與4個(gè)碳原子相連的季碳原子抗攻擊的能力更強(qiáng)。,危害：ABS可以在天然水體中存留800h以上，使這得接納他的水體長(zhǎng)時(shí)間保持，產(chǎn)生大量泡沫，引起水體缺氧。為使洗滌劑易于生物降解，人們將ABS的結(jié)構(gòu)改變?yōu)榫€性的直鏈烷基苯磺酸鹽（LAS）：,由于減少了分支，它的生物分解速度大為提高。,ABS,A．降解洗滌劑的微生物,細(xì) 菌——假單胞菌

20、、鄰單胞菌、黃單胞菌、產(chǎn)堿單胞菌、產(chǎn)堿桿菌、微球菌、大多數(shù)固氮菌放線菌——諾卡氏菌由于這些微生物的作用，雖然每年排放入環(huán)境中的洗滌劑數(shù)量逐年遞增，但環(huán)境中并沒(méi)有發(fā)生洗滌劑的明顯增加。因而洗滌劑一般不會(huì)引起環(huán)境的有機(jī)污染。洗滌劑目前存在的問(wèn)題主要是洗滌劑中的添加劑聚磷酸鹽造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題 。,B．洗滌劑的降解機(jī)理,對(duì)微生物無(wú)影響（1）.土地板結(jié)（2）. 被海鳥(niǎo)及海洋哺乳動(dòng)物誤食，致使這些動(dòng)物消化系統(tǒng)停滯，引起死亡。具報(bào)道每年

21、海洋中死于廢棄塑料的海鳥(niǎo)和海洋哺乳動(dòng)物，數(shù)目之多令人觸目驚心。 （3）.影響景觀目前發(fā)現(xiàn)能降解塑料的微生物，種類(lèi)很少，而且降解速度緩慢。他們主要是細(xì)菌、放線菌、曲霉中的某些成員。,3.塑料,塑料在環(huán)境中積累有哪些危害？危害：白色污染,提問(wèn)：如何解決塑料的難降解問(wèn)題？（1）限制使用不可降解塑料（2）開(kāi)發(fā)可降解塑料 光降解、高填充碳酸鈣、填充淀粉、淀粉改性塑料、 化學(xué)合成或用微生物、轉(zhuǎn)基因植物直接生產(chǎn)可生物降解的塑料；,* 如何

22、制造完全生物可降解塑料？有哪些種類(lèi)？發(fā)展前景如何？,4.農(nóng)藥,如殺蟲(chóng)劑、除草劑等化學(xué)成分：有鹵素、磷酸基、氨基、硝基、羥基及其它取代物的簡(jiǎn)單烴骨架（有機(jī)磷、有機(jī)錫、有機(jī)氯等）。相比較其它取代基團(tuán)而言，微生物對(duì)鹵素取代基往往不適應(yīng)，因而隨著鹵素取代基數(shù)量的增多，農(nóng)藥的生物可降解性大幅度下降。水中來(lái)源：農(nóng)田土壤的灌溉水或雨水,危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸變）最典型的一個(gè)例子就是殺蟲(chóng)劑DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯代基數(shù)量

23、大，在自然界的半衰期長(zhǎng)達(dá)半年以上，由于DDT不溶于水而易溶于脂肪，因而可在動(dòng)物脂肪組織中堆積，并沿著食物鏈在逐級(jí)向上不斷積累，引起生物各種急慢性中毒。,降解農(nóng)藥的微生物： 細(xì) 菌 —— 假單胞菌、芽孢桿菌、產(chǎn)堿桿菌、黃桿菌 放線菌 —— 諾卡氏菌 真 菌 —— 曲霉這些微生物往往需共代謝將農(nóng)藥逐級(jí)降解。,二、氮源有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化,蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類(lèi)、腈化物、硝基化合物等。,（一）蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化水中

24、來(lái)源： 生活污水、屠宰廢水、罐頭食品加工廢水、制革廢水等1．降解蛋白質(zhì)的微生物種類(lèi)很多好 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(放線菌)。,2．降解機(jī)理,,,,N2↑,3.典型含氮有機(jī)物的轉(zhuǎn)

25、化,氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈類(lèi)化合物及硝基化合物 水中來(lái)源：化工腈綸廢水、國(guó)防工業(yè)廢水、電鍍廢水等。危 害：生物毒害 、環(huán)境積累A．降解這些物質(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,B．降解機(jī)理,a.氰化物5HCN + 5.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3b.有機(jī)腈,