第二章污染物的降解

第二章污染物的生物降解和转化第一节微生物对污染物的作用第二节影响生物降解的因素第三节污染物的生物降解反应及其中间产物第四节典型有机污染物的生物降解第一节微生物对污染物的作用一、有机污染物的生物降解性•地球上所有天然合成的有机物都可被微生物不同程度地降解，在漫长的生物进化过程中，微生物被这些物质诱导产生分解酶；•人工合成的一些复杂大分子聚合物（如有机氯农药、洗涤剂、多氯联苯、塑料、尼龙等），由于微生物与之接触时间短，尚未诱导出特定的完整酶系统，成为十分关注的问题；•研究生物降解性的意义：（1）数十万种环境污染物中绝大多数是有机物，这些物质的生物可降解性研究是控制物质生产、排放和生物处理工艺设计的重要依据；（2）有助于深入认识污染物在环境中的迁移转化规律和了解这些污染物对自然界物质转化循环的影响，为控制污染、保护环境提供理论依据；（3）与保护人类健康和自然界生态平衡有密切关系；1.污染物降解微生物（1）土著微生物——从自然界（土壤、水体）筛选驯化，对污染物降解和转化过程较复杂，通常分步进行，多种微生物和酶共同作用；图2-1有机污染物降解的典型微生物（2）外来微生物——人为投加特种微生物以促进污染物的降解；•一般条件下，外来微生物与土著微生物应具有良好的相容性；如：有机垃圾堆肥投菌、珊瑚诺卡氏菌处理含氰废水；热带假丝酵母处理油脂废水•目前，用于生物修复的高效降解菌大多系多种微生物混合而成的复合菌群；例1：光合细菌多为红螺菌科光合细菌的复合菌群，已商业化。例2：美国CBS公司开发的复合菌剂，内含光合细菌、酵母菌、放线菌、硝化菌等，在成都府南河、重庆桃花溪等河道应用；例3：玉垒环境技术公司生产的高温放线菌为主的复合菌剂（YL活性生物复合剂H15）用于苏州河程家桥河段污水处理，180天内对底泥中有机物降解率为20%左右，促进了底泥的矿化（3）基因工程菌——将具有降解性的质粒转移到一些能在污水和污染土壤中生存的菌体内，定向构建高效降解污染的工程菌•细菌的降解能力由质粒控制，目前已发现降解性质粒30多种；如：假单胞菌属中的石油降解质粒•目前，世界上已构建出多种降解难降解化合物的工程菌；例：超级细菌——Chapracarty等将假单胞菌属中不同菌株的CAM、OCT、SAL、NAH四种降解性质粒结合转移到同一个菌株中，构建成一株能同时降解芳香烃、多环芳烃和脂肪烃的“超级细菌”，用于海上溢油污染消除。该菌能将天然菌要花一年以上才能消除的浮油缩短为几个小时，被誉为在污染治理工程菌的构建上的第一块里程碑。•基因工程菌环境释放后的安全性控制方法：遗传缺陷、自杀基因（a）对自然界的微生物和高等生物不构成威胁；（b）基因工程菌有一定的寿命；（c）基因工程菌进入净化系统之后，其适应期比土著种的驯化期要短得多；（d）基因工程菌降解污染物功能下降时，可以重新接种；（e）基因工程菌易适应生存，不会被目标污染物杀死•理想的基因工程菌特征图2-2某些基因工程菌的降解活性（4）其他微生物与植物•包括藻类、微型生物、植物等对污染物具有作用，可用于环境修复；如：污染水体中的藻类的放氧；微型动物对病原菌和过多藻类的吞噬•采用凤眼莲为主的污水处理系统去除水体中的氮磷；•利用芦苇田处理污水可杀死大肠杆菌，去除某些金属离子，减少有机物及氮磷；•水花生、细绿萍、黑麦草人工湿地及氧化塘处理系统；二、微生物对污染物的作用•微生物通过氧化（β-氧化、环氧化、硫氧化、甲基氧化等）、还原（硫酸盐还原、双键还原、三键还原）、水解、脱基（脱卤、脱氨基、脱羧基）、羟基化反应、酯化反应以及代谢（氨代谢、肟代谢、腈氨代谢）等一种或多种生理生化反应，使有机物发生转化、分解或降解。•微生物与污染物间会发生共代谢、激活、去毒、吸着作用；•污染物在被微生物降解时存在着阈值现象；1.微生物的共代谢作用（1）定义：某些有机物在其生物降解过程中不能作为微生物的唯一碳源，而只能依靠另一种有机物作为碳源与能源的前提下才能被降解的现象。（2）共代谢基质与微生物见图2-3图2-3纯培养中的一些共代谢基质及其产物（2）共代谢的原因提出了各种假设，但都有局限性，主要原因有：A.微生物的吸收与同化能力微生物不能在某种基质上生长的原因并不是由于微生物无法分解代谢这种物质，而是由于微生物本身缺乏吸收、同化其氧化产物的能力。B.有毒产物的积累该机制仅能应用于芳香烃化合物。如：2,3,6-三氯甲苯的共代谢会导致3,5-二氯儿茶酚的积累，最终形成对细胞有毒害的环境。C.酶的专一性与抑制作用卤代二羟基苯与催化芳香核加氧作用的酶活性中心的铁离子发生螯合作用，抑制了酶系统的活性。2.微生物的解毒作用（1）定义：通过微生物对污染物的转化、降解、矿化等作用，使污染物的分子结构发生改变，从而降低或去除污染物的毒性的过程。（2）解毒产物的去处A.解毒产物直接分泌到细胞外；B.经酶反应进入正常代谢途径，碳以CO2的形式释放；C.经酶反应进入正常代谢途径，以有机废物的形式分泌到胞外。图2-4化学品解毒历程（3）解毒作用A.对酯键或酰胺键的水解脱毒；B.苯环或脂肪链上的羟基化，以OH取代H使毒物失去毒性；C.杀虫剂中氯和其他卤素的脱卤；D.杀虫剂中与氯、氧或硫相连甲基和烷基的去甲基和去烷基；E.对有毒酚类物的甲基化，使酚类物钝化；F.将硝基还原成氨基，以减轻基质的毒性；G.醚草通脱氨基，变为无毒物；H.卤代苯氧羧酸类除草剂在植物体内断裂醚键，降解成相应的酚，消除其对植物的毒害；I.将腈转化为酰胺，降低毒性；J.轭合作用，利用植物体内的中间代谢产物和异生素的反应合成无毒产物3.微生物的激活作用（1）定义：无害的前体物质通过微生物的作用转化成有毒产物的过程。致癌物致畸物致突变物急性毒物植物毒物抗菌素无毒化合物活化迅速矿化缓慢矿化持久性图2-5无毒物的活化作用例如：脱卤作用，三氯乙烯（TCE）在厌氧环境中会发生脱卤，形成1,1-二氯乙烯、1,2-二氯乙烯和氯乙烯，降解物均为致癌物；硫醚的氧化，含有硫醚键（C-S-C）杀虫剂会被氧化成相应的亚砜和砜，毒性比硫醚更大；N-亚硝化作用，在土壤中仲胺通过N-亚硝化作用形成“三致”毒物——亚硝胺；4.微生物的吸着作用（1）定义：指固液两相中的某些化合物在液相中的浓度降低，而在固相中的浓度升高的现象，包括吸收和吸附，但两者在概念上没有明显的界限。很多种微生物都能结合金属，作用机理有胞外吸附、细胞表面富集等；（a）胞外吸附活性污泥和细菌产生胞外多糖，主要是中性多糖，但含有糖醛酸、磷酸盐等可以络合溶解金属离子；（b）细胞表面富集富集往往发生在细胞壁的表面，主要是由于金属离子与细胞表面活性基团络合用于交换以及以络合基团为晶核进行吸附沉淀。4.有机污染物的阈值痕量有机物的生物降解及阈值问题受到重视（三致毒物、生物富集与放大等毒害）；当有机基质的浓度低于某一值时，基质虽然仍能被代谢，但不能获得充分的能量供细胞生长，该基质浓度称为阈值。各种细菌不能生长繁殖的阈值差异很大，碳源、氮源、磷源及某些营养物均存在着阈值现象。图2-6河水中不同浓度的2,4-D的矿化作用图2-7不发生生物降解或低于预测值的有机化合物第二节影响生物降解的因素一、污染物种类对降解性影响•有机污染物的生物降解性差别很大。碳氢化合物中简单的脂肪族和单环芳香族化合物容易降解；PAHs结构复杂，不易降解；•一般情况下，环的数目、偶氮基越多，结构越复杂的污染物越难降解；•脂肪烃分子上支链越多，生物可降解性越低例如：活性污泥与葡萄糖、木糖、麦芽糖混合经曝气处理后能立即去除；DDT在土壤中残留期4年；艾氏剂，3年；氯丹，5年图2-8某些物质的生物可降解性二、化学结构对生物降解的影响•主要是取代基的影响，包括取代基种类、数目及位置；1.取代基种类的影响促进降解的基团：-OH、-COOH、酰胺基、酯类或酰酐基等；不易降解的基团：-CH3、-NH2、-OCH3、-Cl、-SO3H、-Br、-CN、-CF3等；2.取代基数目的影响羟基、羧基数目越多，越容易降解；胺基、卤代基、硝基、磺酸基、甲基、偶氮基越多，越难降解。3.取代基位置的影响芳香烃及苯胺中，羟基、羧基、-Cl易降解的顺序：邻位间位对位；烷基、脂肪酸基、苯磺酸基与烷烃端基位连接比中间连接降解速度快；图2-9两种除草剂在土壤悬浮液中的微生物分解速度图2-10两种除草剂的化学结构注：2,4-D在土壤中保持4周；2,4-T保持20周不变图2-11两种洗涤剂结构不易降解易降解三、环境条件对生物降解的影响•主要是温度、pH、水分、盐分、压强等；1.温度在一定温度范围内，温度上升，降解速率加快。2.pH3.水分4.盐分5.压强有些油污密度比海水大，会沉积到海底。由于海底是高静水压和低温环境，微生物活性很低，有机物降解十分缓慢。第三节污染物的生物降解反应及其中间产物一、水解R1COOCH2R2+H2OR1COOH+HOCH2R2RCHO+H2ORCOOH+2HRCH2NH2+H2ORCHO+NH3+2HRNO2+H2OROH+NO2-+H+RCl+H2OROH+H++Cl-二、氧化1.链烃氧化（4种方式）（1）单末端氧化在加氧酶作用下，氧直接结合到碳链末端的碳上，形成伯醇；再依次氧化成脂肪酸；脂肪酸通过β-氧化方式氧化分解，形成乙酰CoA后进入中央代谢途径。R-CH2-CH3R-CH2-CH2-OHR-CH2-COOH（2）双末端氧化链烷烃氧化可以在两端同时发生，常发生在支链烷烃中。（3）次末端氧化微生物对烷烃末端的第二个碳的氧化，生成仲醇；然后再依次氧化成酮和酯，酯被水解为伯醇和乙酸；然后进一步分解。（4）直接脱氢脂肪烷烃在厌氧条件下脱氢，使烷烃变为烯烃，进一步转化为仲醇、醛和酸。R-CH2-CH3R-CH=CH2R-CHOH-CH3R-CH2-CHOR-CH2-COOHRNH-CH3+ORNH2+HCHOCH3(CH2)nCH3+OCH3(CH2)nCH2OHRCH2NH2+ORCHO+2HR-O-CH3+OR-OH+HCHOR1R1CH-NH2+OC=NOH+H2OR2R2R-S-CH3+ORSH+HCHOR1R1CH-NH2+OC=O+NH3R2R22.碳双键环氧化碳双键在混合功能氧化酶的作用下，能被环氧化。R1CH=CHR2+OR1CH-CHR2Oo三、碳羟基化混合功能氧化酶利用细胞内分子氧，将其中一个氧原子与有机底物结合，使之氧化，而另一个氧原子与氢原子结合形成羟基。四、还原1.单环芳烃还原单环芳烃的苯环在厌氧微生物作用下，其中一个双键和多个双键断裂。四、还原2.氮化物还原硝基还原酶使硝基化合物还原，生成相应的胺。偶氮还原酶使偶氮化合物还原成相应的胺。图2-12某些氨基还原的基质及其代谢产物五、裂解1.氨基化合物裂解许多杀虫剂、除草剂是氨基甲酸酯，酰胺是常见的化学品，这些化合物可被转化为相应的羧酸和胺。2.环裂解（PAHs）细菌能降解萘、菲、蒽，变成相应的酸。图2-13某些含酯和酰胺的基质及代谢产物图2-14多环芳香化合物的前几步降解过程图2-15PAHs的基质及代谢产物3.醚键裂解许多醚可以被裂解，如：RONO2ROHR(ONO2)3HOR(ONO2)2(HO)2RONO2(HO)3RROSO3HROH4.含磷化物键裂解许多杀虫剂是磷酸醚。降解六、酰化芳香胺转化为N-酰化物，这些酰化物中大多是乙酰化物和甲酰化物。图2-16含芳香胺的基质及酰化产物七、甲基化某些硫醇是可以甲基化的。如：ArSHArSCH3八、转化不少胺在微生物的作用下可转化为N-杂环。九、二聚许多芳香胺能进行二聚反应，生成偶氮苯或氧化偶氮苯。如：ArNH2ArN=NarArNH2ArON=NarArNH2ArNHN=Nar第四节典型有机污染物的生物降解一、微生物对自然界中难降解物质的分解和转化1.纤维素的降解•纤维素是植物细胞壁的主要成分，占植物干重的35%-60%；•土壤中含有大量纤维素，印染、造纸、纺织、木材加工业等排放的废水中含有大量的纤维素；•纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子量介于50000-400000，含有300-2