搜索
第八章微生物对污染物的降解与转化自然界中物质的降解有三种方式：光降解、化学降解、生物降解。生物降解——指由生物对污染物进行的分解或降解。降解――将复杂有机物分解为简单物质的过程。终极降解――微生物把有机物分解产生无机物CO2和H2O的过程。第一节有机污染物的生物降解可生物降解性——复杂有机物在微生物作用下分解为简单物质的可能性。依可生物降解性的大小可将所有的物质范围：可生物降解性物质；如淀粉、蛋白质难生物降解性物质；如纤维素不可生物降解性物质；尼龙、塑料一、微生物降解与转化污染物的巨大潜力1.产生诱导酶具新的代谢功能；2.形成新的突变种（自发诱变、诱变突变、工程菌的组建）；3.降解性质粒利用4.组建超级菌5.共代谢※※共代谢――微生物处在能生长的基质中时，同时能将原来不能利用的物质氧化的现象。共代谢的方式：①依靠其他物质提供能量；②依靠其他微生物的协同作用；③先经相似物诱导产生诱导酶，使污染物得以降解。（二）影响微生物降解与转化的因素化学结构：链长、官能团、取代基、异构体。共代谢：环境理化因素：微生物的生长条件（温度、水分、光照、有害物）；污染物的溶解度。中间产物或终产物：结构变化、毒性改变。二、有机污染物生物降解性的测定方法及意义（一）可生物降解性测定方法有：1、耗氧量测定：通过用瓦氏呼吸仪测定的耗氧量可以计算3个指标：生物氧化率－－耗氧量与其理论完全需氧量之比。受降解条件的影响呼吸曲线－－内源呼吸曲线与外源呼吸曲线的相对位置。生化呼吸线位于内源呼吸线之上，说明该有机物可能被微生物氧化分解。两条呼吸线之间的距离越大，说明该有机物的生物降解性越好两条线基本重合，说明该有机物不能被微生物氧化分解，但对微生物的生命活动无抑制作用生化呼吸线位于内源呼吸线之下，说明该有机物对微生物产生了明显的抑制作用。生化呼吸线越接近横坐标，表明毒害越大，此时细菌已几乎停止呼吸，濒于死亡相对耗氧速率－－有外源物质存在时，单位生物量在单位时间内的耗氧量与内源呼吸的耗氧速率之比。a.底物无毒，但不能被微生物所利用。b.底物无毒，能被微生物所利用。c.底物有毒，可被微生物利用，但在浓度较高的情况下对微生物发生抑制作用。d.底物有毒，不能被微生物所利用。2、降解实验接种微生物后，通过一定时间的培养，培养液中污染物含量的减少与原始浓度之比即为降解率。3、BOD5/CODCr﹥0.45，生化性较好；﹥0.30，可生化；﹤0.30，较难生化；（但如果BOD5较高，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义：可生物降解性物质——采用生物处理法；难生物降解性和不可生物降解性物质——首先严格控制排放，继而改造工艺和产品结构、寻找或驯化高效微生物菌株，最后只能停止生产。第二节微生物降解污染物的途径一、碳源污染物的转化包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等。（一）糖类污染物•提问：哪些糖类会成为污染物？•难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。1．纤维素的转化β葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含1400~10000个葡萄糖基（β1-4糖苷键）。来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。A．微生物分解途径纤维素酶纤维二糖酶纤维素纤维二糖葡萄糖糖酵解ATP好氧分解H2OCO2葡萄糖丙酮丁醇发酵丙酮+丁醇+CO2+H2厌氧发酵丁酸发酵丁酸+乙酸+CO2+H2三羧酸循环厌氧发酵B．分解纤维素的微生物好氧细菌——粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌氧细菌——产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。放线菌——链霉菌属。真菌——青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。2．半纤维素的转化存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。分解过程TCA循环聚糖酶CO2+H2O半纤维素单糖+糖醛酸H2O各种发酵产物厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。Lignin木质素木质素空腔纤维素3．木质素的转化•木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。香豆醇松柏醇芥子醇聚合交联木质素模式图自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？•确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的只有软腐菌。黄孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。白腐—树皮上木质素被该菌分解后漏出白色的纤维素部分。*木质素降解的意义何在呢？如何实现工业化白腐菌降解木质素呢？（二）油脂的转化水中来源：毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水、制革厂废水含有大量油脂降解油脂较快的微生物：细菌——荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌丝状菌——放线菌、分支杆菌真菌——青霉、乳霉、曲霉途径：水解+β氧化（三）石油的转化提问：什么是石油？石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事故现场以及石化行业的工业废水中。1．石油成分的生物降解性与分子结构有关A．链长度链中等长度（C10~C24）＞链很长的（C24以上）＞短链（*？）B．链结构直链?支链不饱和?饱和烷烃?芳烃•链末端有季碳原子（四周都与C相连）的烃以及多环芳烃极难降解2．降解石油的微生物降解石油的微生物很多，据报道有200多种细菌——假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌——诺卡氏菌酵母菌——假丝酵母霉菌——青霉属、曲霉属藻类——蓝藻和绿藻3．石油的降解机理A．链烷烃的降解+O2R-CH2-CH2-CH3R-CH2-CH2-COOHβ-氧化CO2+H2OCH2-COOH+R-COOHB．无支链环烷烃的降解以环己烷为例OHOO+O2+2H－2H+O2+2H－H2O－H2O+H2O-2HHOOC-（CH2）4-COOHHOOC-（CH2）4-CH2OHω氧化CO2+H2OOH通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，两类以上微生物的协同作用下将污染物彻底降解——共代谢。C．芳香烃芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烃的细菌类别苯类酚类萘菲蒽微生物名称荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌及苯杆菌铜绿色假单胞菌、溶条假单胞菌、诺卡氏菌、球形小球菌、无色杆菌及分枝杆菌菲杆菌、菲芽孢杆菌荧光假单胞菌和铜绿色假单胞菌、小球菌及大肠埃希氏菌苯和酚的代谢苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示苯的代谢萘的代谢菲的代谢蒽的代谢酚也是先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下苯酚氧化酶酶萘邻苯二酚酮基己二酸菲+O2+O2+2H蒽琥珀酸三羧酸循环CO2+H2O乙酰辅酶A•提问：为什么这些有机物难于生物降解？•微生物缺乏相应的水解酶（四）人工合成的难降解有机化合物的生物降解难———对于自然生态环境系统,如果一种化合物滞留可达几个月或几年之久,或在人工生物处理系统,几小时或几天之内还未能被分解或消除•种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。1.氯苯类用途：稳定剂（润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热载体、油墨等都含有）危害：急性中毒，是一种致癌因子（米糠油事件）降解菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体通过共代谢完成氯苯的完全降解。*共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状？2．洗涤剂可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠。较早开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：CH3CH3CH3|||NaSO3CCH2CHCH2CCH3||CH3CH33ABS甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的季碳原子抗攻击的能力更强。危害：ABS可以在天然水体中存留800h以上，使这得接纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫，引起水体缺氧。为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线性的直链烷基苯磺酸盐（LAS）：由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。NaSO3CH（CH2）9CH3|CH3CH3CH3CH3|||NaSO3CCH2CHCH2CCH3||CH3CH33ABSA．降解洗涤剂的微生物细菌——假单胞菌、邻单胞菌、黄单胞菌、产碱单胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌放线菌——诺卡氏菌由于这些微生物的作用，虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐年递增，但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加。因而洗涤剂一般不会引起环境的有机污染。洗涤剂目前存在的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体富营养化问题。B．洗涤剂的降解机理COOHC-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C末端氧化β-氧化、脱磺基苯甲酸CH2COOH开环分解SO3-苯乙酸CO2+H2O对微生物无影响（1）.土地板结（2）.被海鸟及海洋哺乳动物误食，致使这些动物消化系统停滞，引起死亡。具报道每年海洋中死于废弃塑料的海鸟和海洋哺乳动物，数目之多令人触目惊心。（3）.影响景观目前发现能降解塑料的微生物，种类很少，而且降解速度缓慢。他们主要是细菌、放线菌、曲霉中的某些成员。3.塑料塑料在环境中积累有哪些危害？危害：白色污染提问：如何解决塑料的难降解问题？（1）限制使用不可降解塑料（2）开发可降解塑料光降解、高填充碳酸钙、填充淀粉、淀粉改性塑料、化学合成或用微生物、转基因植物直接生产可生物降解的塑料；*如何制造完全生物可降解塑料？有哪些种类？发展前景如何？4.农药如杀虫剂、除草剂等化学成分：有卤素、磷酸基、氨基、硝基、羟基及其它取代物的简单烃骨架（有机磷、有机锡、有机氯等）。相比较其它取代基团而言，微生物对卤素取代基往往不适应，因而随着卤素取代基数量的增多，农药的生物可降解性大幅度下降。水中来源：农田土壤的灌溉水或雨水危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸变）最典型的一个例子就是杀虫剂DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯代基数量大，在自然界的半衰期长达半年以上，由于DDT不溶于水而易溶于脂肪，因而可在动物脂肪组织中堆积，并沿着食物链在逐级向上不断积累，引起生物各种急慢性中毒。降解农药的微生物：细菌——假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌放线菌——诺卡氏菌真菌——曲霉这些微生物往往需共代谢将农药逐级降解。二、氮源有机污染物的转化蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。•（一）蛋白质的转化•水中来源：生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等1．降解蛋白质的微生物•种类很多•好氧细菌——链球菌和葡萄球菌•好氧芽孢细菌——枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌•兼性厌氧菌——变形杆菌、假单胞菌•厌氧菌——腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌•此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌)。（好氧菌）O2氧化脱氨蛋白质胨肽进入细胞羧酸+NH3+H2SH2还原脱氨（厌氧菌）|细胞外水解|氨化作用|β氧化羧酸CO2+H2O作为氮源参与同化代谢NH3亚硝化细菌硝化细菌NH3HNO2HNO3硝酸盐+O2+O2|硝化作用|硫磺细菌硫化细菌H2SSH2SO4硫酸盐+O2+O22．降解机理反硝化N2↑3.典型含氮有机物的转化氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危害：生物毒害、环境积累A．降解这些物质的微生物细菌——紫色杆菌、假单胞菌放线菌——诺卡氏菌真菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等B．