微生物对污染物的降解与

第七章微生物对污染物的降解与转化第一节概述一、生物降解与生物转化的概念生物降解(biodegradation)：复杂有机化合物在微生物作用下转变成结构较简单化合物或被完全分解的过程。生物转化(biotransformation或bioconversion)：通过微生物代谢导致有机或无机化合物的分子结构发生某种改变、生成新化合物的过程。二、微生物降解与转化的巨大潜力微生物个休小、繁殖迅速、比表面大、种类多、代谢类型多样、分布广泛、潜在的降解转化污染物能力–适应性–自发突变–形成诱导酶：降解性质粒控制已发现多种微生物对合成有机物的降解作用酚类已发现降解细菌有30个属，66种卤素有机物降解细菌有27个属，40种合成含氮有机物降解细菌有18个属，36种合成表面活生剂降解细菌有18个属，43种石油烃类降解细菌有100多个属，200多种三、有机污染物的可生物降解性（一）可生物降解性：化合物被生物降解的可能性及其难易程度。1.可生物降解物质：单糖、蛋白质、淀粉、核糖等降解快的物质2.难生物降解物质：纤维素、农药、烃类、降解慢的一类物质3.不可生物降解物质：塑料、尼龙、腈纶、涤纶、聚酯、氟里昂、多环，杂环芳烃、高聚物等有机污染物的分解途径：光分解、化学分解和生物分解持久性有机污染物人类合成的能持久存在于环境中、通过生物食物链累积,并对人类健康及环境造成有害影响的化学物质(Persistentorganicpollutants，POPs)。–2001年5月签署“关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约”禁止或限制的12种对人体健康和自然环境特别有害的POPs：–灭蚁灵、滴滴涕、呋喃、二恶英、异狄氏剂、艾氏剂、氯丹、狄氏剂、七氯、六氯化苯、多氯联苯、毒沙芬。抗生物降解的原因不存在降解抗生物降解分子的酶系对细胞的不可透过性酶的活性中心与基质特定部位的不可接近性不能对必要的酶进行诱导共代谢环境因素基质的生物有效性阈值（二）可生物降解性的测定1.基质的可生物氧化率：（待测物）基质完全彻底氧化所应消耗的理论需氧量与微生物分解基质所消耗氧量的比值。微生物的耗氧量可应用瓦勃(Warburg)呼吸仪测定，通过测压计测知释放出CO2量或消耗O2量，从而测得可生物降解率基质氧化率=微生物分解基质生物好氧量基质完全氧化好氧量×100%2.基质的生化呼吸曲线——耗氧曲线At耗氧量mgO2/g污泥基质呼吸BC内源呼吸时间（h）第一情况：基质呼吸线在上，说明基质可生物降解。第二情况：两线几乎重叠或平行，说明基质不可生物降解。第三情况：基质线在内源线之下，说明不但不能降解而且有杀灭作用。基质呼吸线，投价机制后微生物的好氧情况。内源呼吸线，在不投加基质的条件下，微生物处于内源呼吸状态时利用细胞体内物质作营养呼吸耗氧随时间变化的曲线。1）土壤消毒实验——此法适用于新开发农药可生物降解性的评定。2）培养液中降解试验通过测定色度、浊度、COD、BOD或其它指标全面评价试验可生化性。3.微生物降解试验4.其它方法与指标1）由于生物对有机物的呼吸作用的本质是脱氢，所以可利用脱氢酶活性作为微生物分解污染物的指标。若培养液中微生物脱氢酶活性增加，则说明对试验物有降解性。采用比色法测酶活性。2）生物体内的ATP（三磷酸腺苷）含量与生物数量及活性呈正相关。通过测ATP量作微生物分解利用污染物的指标。3）同位素检测：有机物彻底分解结果放出CO2，可利用放射性14C标记待测污染物中释放的14CO2计算其回收率，从而评定该污染物生物降解性。四、微生物降解污染物的一般途径(一）矿化作用：有机污染物在一种或多种微生物的利用下彻底分解成CO2、水和简单的无机化合物的过程。(二）共代谢作用：有些合成的化合物不能被微生物降解，但若有另一种可供碳源和能源的辅助基质存在时，它们则可被部分降解。–降解其它有机物提供能源等；–靠其它微生物协同作用；–经别的物质诱导等。五、影响微生物降解转化的因素（一）物质的化学结构1.结构的复杂程度2.芳香基团的数量与种类3.其他修饰基团或功能基团的种类和数量4.有机碳的直连及支链组成5.分子链上的元素组成（二）共代谢（三）环境物理化学因素（四）微生物降解或转化污染物后生成的中间体或终产物第二节微生物对有机污染物的降解一、石油烃二、芳香族与卤代烃类三、化学农药四、合成洗涤剂五、化学塑料–其它：–偶氮化合物、氰和腈、亚硝胺类、黄曲霉毒素B1等。1．烃的种类长链烃（C24以上）、中等长度烃（C10~C24）、短链烃直链、支链不饱和、饱和烷烃、芳烃链末端有季碳原子的烃以及多环芳烃极难降解一.石油烃的降解2.烃的降解机理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。二、芳香族与卤代烃类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、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•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。卤代烃——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？三、化学农药如杀虫剂、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微生物降解农药的途径1酶促作用1）酶促作用——需先经诱导产生特殊酶而后才能使农药降解，有的可直接利用农药作能源和碳源。2）共代谢作用——对于难降解顽固复杂的农药，通过先培养容易降解其中一种农药，促使对其它农药的降解作用。3)去毒代谢——微生物不直接利用农药作营养，而是摄取其它有机物作营养和能源，在其中发展了为保护自身的生存解毒作用。2非酶促作用——微生物代谢中使pH降低引起农药溶解，或产生某些化学物质促进农药转化。3微生物代谢引起农药参与系列生化反应：脱卤作用、脱烃作用、酰胺及脂的水解、氧化还原作用、环裂解、缩合或共轭效应等使农药逐渐降解。例对硫磷的降解：有机磷农药的降解C2H5OC2H5O对硫磷水解酶C2H5OC2H5OSSPONO2POH＋HONO2微生物代谢将对硫水解变成较小分子，然后进一步分解生成R-COOH、H2O、HNO3，仍可再进一步分解转化为CO2、H2S、N2等。四、合成洗涤剂的降解合成洗涤剂：阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四大类。–阴离子型表活剂包括：脂肪酸衍生物、烷基磺酸盐、烷基硫酸酯、烷基苯磺酸盐、烷基磷酸酯、烷基苯磷酸盐等；–阳离子型主要含氨基或季铵盐的脂肪链缩合物，烷基苯与铵基的聚合物；–非离子型是一类多羟基化合物与烃链的聚合物，脂肪烃与聚乙烯酚的缩合物；–两性电解质为脂肪酸与羧酸、磺酸的缩合物。–合成洗涤剂除基本成分为表面活性剂外，尚含有多种辅助剂。如三聚磷酸钠、硫酸钠、碳酸钠、羟基甲基纤维素、荧光增白剂、香料等。全世界合成表面活性剂年产量2000万吨以上，虽对水体污染造成影响，但在水体中的含量未呈明显增加阴离子洗涤剂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。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。五.塑料的降解塑料在环境中积累有哪些危害？危害：白色污染（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？六、微生物对其它污染物的降解作用染料单体，主要有对氨基偶氮苯、对硝基苯胺、二甲胺基偶氮苯、甲基橙等，不易分解分解偶氮化合物的微生物：酵母菌、枯草芽、孢杆菌、假单胞菌等。枯草芽孢杆菌降解偶氮苯染料过程CＮＮＣ+H缺氧对氨基苯胺苯胺对苯二胺NNNH2NH2＋H2NNH2苯胺、对苯二胺在微生物作用下可进一步分解（氨化）（一）偶氮化合物（二）氰和腈来源：石油工业和人造纤维工业有机腈比无机腈易为微生物降解。分解氰和腈的细菌：卡诺氏菌、腐皮镰孢霉、木霉、假单能菌等14个属计49种菌。微生物可以从氰和腈中取得碳源和氮源，有的微生物甚至以之作为唯一的碳源和氮源。+H2O+H2O+H2O+H2OCO2羧酸CO2+H2O腈OHH酰胺OCN的分解：HCNH·CONH2HCOOH＋NH3腈的分解：RCNRCNRCNH2R·COOH＋NH3（三）亚硝胺强烈致癌作用，食品，或污泥，污水中均能形成亚硝胺，对人类健康造成危害。光合细菌（荚膜红假单胞菌）是一种厌氧性细菌。对二甲基亚硝胺有分解作用。R1－N－N＝0第三节微生物对有毒元素的转化污染土壤的有毒元素主要来自工业废水、废渣和垃圾，冶炼和采矿工业是向环境中释放有毒元素的主要污染源。对人畜毒害大的污染元素有汞、砷、硒、镉、铅、铬、镍、钼、锌等元素，这些元素对生物的致毒作用有3个特点：①致毒浓度如汞、镉等重金属的致毒浓度范围在1-10mg/kg以下；②通过食物链积累重金属可在高营养级水平的生物体内成千万倍地富集，然后通过食物进入人体，造成慢性中毒；③有些重金属通过微生物的作用可转化成毒性更强的化合物。利用微生物从土壤中吸收提取这些物质，然后集中处理，消除其污染（二）微生物对重金属的抗性作用产生硫化氢与重金属结合形成沉淀，减少浓度达到解毒的作用，这种机制是非专一性的；产生大分子有机物（主要为蛋白质和核酸），与重金属结合形成沉淀，减少浓度达到解毒的作用，这种机制具有很高的专一性的，如微生物对铜、铅的抗性；还原作用，使重金属从毒性较高的价态还原到毒性较低的价态，如很多微生物可以把高毒性的Hg2+还原为低毒性的元素Hg0沉淀于培养液低部；减少吸收或增加排除，以降低细胞内的重金属浓度，如金黄色葡萄球菌对镉（Cd）的抗性；吸附与积累，吸收重金属并在细胞表面积累，可达细胞干重90%，这种机