第十章微生物的有机物降解

第十章微生物对污染物的分解与转化第一节微生物对有机物的分解作用一、生物分解的一般特点（一）有机物生物分解的一般特点1、概念：微生物对有机物的分解作用（或降解作用）常简称为“生物分解”或“生物降解”。2、特点：有机物经逐步分解后，产生能进入TCA途径或能作为合成代谢原料的中间代谢产物，继而被转化为小分子有机物、无机物等分解产物和微生物细胞。3污染物、细胞构成物C、H、O、N、P、S、矿物元素、维生素等能源化学能(污染物等)、光能受氢体O2、CO2、SO42-、NO3-等微生物体合成分解热能生物污泥能分解产物+随水排出微生物生物不可降解残留物有机体分解(内源呼吸)CO2、H2O、NH4+、NO2-NO3-、SO42-、PO43-、H2、N2、H2S、CH4、乙醇、有机酸、硫醇等简单化合物有机污染物的生物分解过程生物分解后的去向细胞物质（微生物的生长）分解产物（CO2、小分子有机物等）二、生物分解的分类1、根据生物分解的程度和最终产物的不同，有机物的生物分解可分为生物去除（表观分解）、初级分解、环境可接收的分解和完全分解（矿化）等不同类型。5生物分解类型特点分解对象有机物的分析方法生物去除（Bioelimination）由于微生物细胞、活性污泥等的吸附作用使化学物质浓度降低的一种现象。这里所说的“生物去除”不是真正意义上的分解，而是一种表观现象，也可称为“表观生物分解”。各种色谱分析有机碳分析初级分解（Primarybiodegradation）在分解过程中，化学物质的分子结构发生变化，从而失去原化学物质特征的分解。各种色谱分析官能团分析毒性测试环境可接收的分解（Environmentallyacceptablebiodegradation）经过生物分解，化学物质的物理化学性质和毒性达到环境安全要求的程度。各种色谱分析官能团分析毒性测试完全分解（Ultimatebiodegradation）有机化合物被分解成稳定无机物（CO2、H2O等）的分解总有机碳分析产生的CO2分析有机物的生物分解类型及其特点2、根据是否在有氧气存在的条件下，可分为好氧分解和厌氧分解两种类型。与厌氧生物分解相比，好氧分解往往具有分解速率快、分解程度彻底、能量利用率高、转化为细胞的比例大等特点。7微生物的分类好氧微生物（aerobe）：只能在有氧条件下生长，没有氧气无法生存.厌氧微生物（anaerobe）：只能在没有氧气的环境下生长，有氧气反而不能生长。兼性微生物（facultativeaerobe）：即可在有氧条件下，也可在无氧条件下生长。在自然界中，大多数微生物属于这一类。根据分解条件分类好氧分解：在好氧条件下进行的分解好氧呼吸厌氧分解：在厌氧条件下进行的分解厌氧呼吸发酵8•兼性微生物的代谢：DO0.2~0.3mg/L条件下：好氧代谢DO0.2~0.3mg/L条件下：厌氧代谢•一些好氧微生物（好氧细菌，球衣细菌、真菌等）能在微氧环境（DO接近于零）中生长。因此在微氧环境中占优势的微生物常常是好氧微生物。93、有机物的好氧生物分解好氧分解过程：（1）消化：由胞外酶把大分子分解为可以被细胞吸收的小分子。（2）小分子的脱氢氧化：产生可进入TCA循环的乙酰－CoA。（3）乙酰－CoA进入TCA循环和呼吸链被氧化成CO2和H2O有机物CHONPCO2、H2O、（NH3＋NO2＋NO3－）H2SO4、H3PO4好氧分解的产物：反应中的亚硝酸、硝酸、硫酸和磷酸可与水中的碱性物质作用，形成相应的盐类。4、厌氧反应概括如下：•C→RCOOH（有机酸）→CH4+CO2•N→RCHNH2COOH→NH3（臭味）+有机酸（臭味）•S→H2S（臭味）•P→PO43-•水体自净的天然过程中厌氧分解（开始）→好氧分解（后续）•二、有机物的好氧生物分解有机质＋微生物＋氧微生物细胞增长CO2、H2O、SO42－、NH3、PO43－等＋能量热能释出随水排出1、有机物氧化和细胞物质合成的反应：CXHYOZ＋(X＋0.25Y－0.5Z）O2XCO2＋0.5H2O＋Q2、细胞物质的合成（包括有机物的氧化，并以NH3作氮源）3、细胞物质的氧化（内源呼吸）在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分是相当稳定的，一般可用下列实验式表示：细菌，C5H17NO2；真菌，C10H17NO6；藻类，C5H8NO2；原生动物，C7H14NO3。4、一般情况下，生物处理构筑物内新生长（增加）的细胞物质等于所合成的细胞物质减去由于内源呼吸而耗去的细胞物质，可用于下列算式表示：△X=a△S-Bx△X表示新生长的细胞物质（Kg/d）△S表示所利用的食料（基质），即去除的BOD5（Kg/d）X表示构筑物内原有的细胞物质（Kg）a表示合成系数b表示细胞自身氧化率或衰减系数。a和b的值可通过试验确定如下：将式两侧各除去X，得：△X/X=a△S/X-b△S/X为横坐标，△X/X为纵坐标作图，可得一直线，其斜率即a，纵轴上的截距为（-b）就活性污泥来说，可用其挥发部分代表微生物、曝气池内挥发性污泥量可作为X代入式中；此外，池中所增加的微生物细胞的量可假定大致等于所排放的剩余污泥挥发性部分的量。对于生活污水和性质与之接近的工业废水，a一般可取0.05~0.1，b可取0.05~0.1；污泥泥龄长，a值取小，b值取大；污泥泥龄短，a值取大，b值取小。生物处理构筑物内所增加的细胞物质也可约略地以投入的有机物（以BOD5）的50%左右估算。初次沉淀池再生池二次沉淀池曝气池空气回流污泥剩余污泥污泥活性污泥法18有机物+微生物细胞物质有机酸、醇+微生物CO2、NH3、HS、等+能量34PO细胞物质CO2、CH4+能量产酸细菌的作用甲烷细菌的作用有机物的厌氧分解•三、有机物的厌氧生物分解图1厌氧反应的两阶段理论图示内源呼吸产物碱性发酵阶段酸性发酵阶段水解胞外酶胞内酶产甲烷菌胞内酶产酸菌不溶性有机物可溶性有机物细菌细胞脂肪酸、醇类、H2、CO2其它产物细菌细胞CO2、CH4说明：1）I、II、III为三阶段理论，I、II、III、IV为四类群理论；2）所产生的细胞物质未表示在图中III发酵性细菌脂肪酸、醇类产氢产乙酸菌II同型产乙酸菌IV有机物乙酸H2+CO2CH4I产甲烷菌图2厌氧反应的三阶段理论和四类群理论第二节有机物的生物分解性一、有机物的生物分解性评价1、意义：正确评价有机物的生物分解难易程度，即生物分解性，对于评价有机污染物在环境中的迁移转化规律及其生态与健康风险，预测其在污水生物处理和生物净化装置中的去处效果等具有重要的意义。2、关键和难点：如何确定科学、合理的微生物种类和浓度，环境条件（温度、PH值等）和受试化合物的浓度等试验条件。3、方法：生物分解潜能实验和生物分解模拟试验。生物分解性试验本质性生物分解试验生物分解潜能试验生物分解模拟试验易生物分解试验污水生物处理系统试验（好氧、厌氧）河流、湖泊模拟试验河口模拟试验海洋模拟试验土壤模拟试验•（一）生物分解潜能试验•目的：评价有机物是否具有被生物分解的潜在性。根据评价的目的不同，可分为易生物分解试验和本质性分解试验。1、易生物分解试验目的：评价有机物是否很容易地被生物完全分解，一般在不利于生物分解的条件性进行。方法：以受试化合物作为唯一碳源，接种的微生物浓度较低，且微生物事先不经过驯化。在易生物分解试验中得到良好分解效果的化合物，可以认为在一般环境中也很容易被生物分解。但是，在易生物分解试验中分解效果较差的化合物，并不能判断其在环境中不能被生物分解。2、本质性生物分解试验目的：评价有机物是否具有被生物分解的性质。方法：通常在最有利于受试化合物分解的条件下进行。使用的微生物通常讲过事先的充分驯化，接种浓度较高，试验周期长，尽可能的添加各种必须的营养物质等。因此在试验中得到良好分解效果的化合物，在实际环境中不一定能够分解。但是，在该试验中不能被生物分解的化合物，可以认为其在实际的环境条件下也不能被生物。（二）生物分解模拟试验目的：评价有机物在特定的环境条件下，如污水生物处理系统、河流、湖泊、土壤中的生物分解性。关键：尽可能地在接近自然环境条件下进行分解试验。（三）有机物生物分解性评价的一般步骤生物分解模拟试验受试有机化合物易生物分解试验分解性在环境中易生物分解良好不良本质性生物分解试验分解性不良在环境中难生物分解良好二、有机物的生物分解性与分子结构的关系（一般规律，但例外较多）1）增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性。23332:,,,,,,,AClNOSOHBrCNCFCHNH23:,,,,BNHOCHOHCOHCOOO能使降解性降低的基团称异源基团。（xenophore）2）异源基团数目增加，降解性越差。OHClOHClClOHClClClOHOHClOHCl加速减慢4）甲基分支越多越不易降解－CH3－C－CH3CH3H－C－CH3CH3CH33）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。8）好氧条件下的降解规律与厌氧有时不同9）化学品的生物降解性预测物理化学性质～生物降解性/QSBR(QuantitativeStructureBiodegradabilityRelationship)5）脂肪族：分子量越大越不易降解6）芳香族脂肪族（小分子）7）复环芳烃中环越多越难降解polycyclic三、值得注意的几个问题有些有机物在浓度低时可以降解，高于某一浓度时不能降解（产生抑制作用）。－S－Szs抑制浓度毒性较大的污染物的生物降解需稀释。（一）生物分解性与浓度的关系第二节有机物的生物分解性单独存在时不能被降解，只有在其它物质被降解时才能被降解的现象。（不能作为能源或碳源的化合物的代谢）原因：1）缺少进一步降解的酶系；e.g.2,4-D（二氯苯氧乙酸）2）中间产物的抑制作用；3）浓度低，不能维持生命代谢。（二）共代谢现象321.多基质同时被利用2.一种基质促进第二种基质的降解•甲苯促进假单胞菌对苯、二甲苯的降解•易降解物质的添加增加微生物浓度3.一种基质阻碍另一基质的降解•抑制作用•顺次利用（sequentialuse)：一种基质的分解只发生在另一种基质大部分或全部降解之后。（三）有机物间的相互作用互不影响、促进作用、抑制作用（顺次利用）（四）微生物间的相互作用1.协同作用（共生关系）类型：单一不能降解混合能降解单一降解慢混合能降解快作用机理：•提供生长因子：提供维生素B、氨基酸等•分解中间代谢产物•分解共代谢产物•分解有毒产物2.抑制作用（拮抗）：分解产物抑制其他微生物3.捕食作用•生物分解和转化过程中，有机物的毒性往往发生变化。•生物分解产物的毒性低于原化合物时的生物分解作用，称去毒作用（Detoxication•生物分解产物的毒性大于原化合物时的生物分解作用，称激活作用（activation）。常见的激活反应有：脱卤作用、亚硝胺的形成、环氧化作用、硫醚的氧化、甲基化等。（五）生物去毒作用与激活作用1.去毒作用（Detoxication）在毒理学上：活性物质无活性物质有毒物钝化产物CO2代谢产物去毒作用去毒作用机制：1)水解作用（hudrolysis2)羟基化作用（hyolroxylation）3)脱卤作用（dehalogenation）4)甲基化（methylation）5)去甲基（demethylation）6)硝基还原（nitroreduction）7)去氨基（deamination）8)醚键断裂（ethercleavage）9)腈转化为酰胺R－C－O－R’OR－C－OHORHROHRClRHROHROCH3RNO2RNH2R－C＝NR－C－NH2O2.激活作用（activation）形成有毒产物常见的激活反应（1）脱卤作用三氯乙烷Cl2C＝CHClCl－C＝CH2H氯乙烯（强致癌物）（2）亚硝胺的形成（nitroamineformation）（亚硝胺）（致癌、致畸）RR’NH＋2NORR’N－N＝ORR’N－R”脱烷基（仲胺）反硝化3NO（叔胺）（3）环氧化作用（epoxiadation）－HC＝C