第二章微生物对污染物质的降解1

第二章微生物对污染物质的降解与转化自然环境中的有机化合物，受到光化学的、化学的和生物的作用而降解转化，有时很快，有时降解转化过程非常缓慢。试验研究证明，在土壤和水中，生物降解是主要的机制，而微生物又在生物降解中起首要作用。第二章微生物对污染物质的降解与转化第一节微生物降解转化物质的巨大潜力第二节微生物降解动力学第三节石油的微生物降解第四节人工合成有机化合物的微生物降解第五节金属的微生物转化第六节煤的微生物脱硫与降解第七节影响微生物降解转化作用的因素第八节治理污染基因工程菌第一节微生物降解转化物质的巨大潜力一、微生物个体微小，比表面积大，代谢速率快二、微生物种类繁多，分布广泛，代谢类型多样三、微生物的降解酶四、微生物繁殖快，易变异，适应性强五、微生物体内还有另一种调控系统——质粒（plasmid）六、共代谢（co-metabolism）作用第一节微生物降解转化物质的巨大潜力一、微生物个体微小，比表面积大，代谢速率快物体的体积越小，其比表面积就越大，微生物的比表面积比其他任何生物都大。如此巨大的表面积与环境接触，成为巨大的营养物质吸收面，代谢废物排泄面和信息接受面，使微生物具有惊人的代谢活性。第一节微生物降解转化物质的巨大潜力二、微生物种类繁多，分布广泛，代谢类型多样微生物的营养类型、理化性状和生态习性多种多样，凡有生物的各种环境，乃至其他生物无法生存的极端环境中，都有微生物的存在。第一节微生物降解转化物质的巨大潜力三、微生物的降解酶微生物能合成各种降解酶，酶具有专一性，又有诱导性，当环境条件发生改变，例如有新的化学物存在时，有的微生物能逐步改变自身条件以适应变化的环境------它们也可能是通过自然突变形成新的突变种，而更为普遍的现象是通过形成诱导酶以适应新的环境条件。产生了新的酶系的微生物，具备了新的代谢功能，从而能降解或转化那些原来“陌生的”化合物。第一节微生物降解转化物质的巨大潜力四、微生物繁殖快，易变异，适应性强由于微生物繁殖快，数量多，可在短时间内产生大量变异的后代，对进入环境的“陌生”污染物，微生物可通过突变，改变原来的代谢类型而适应、降解之。最为人所熟知的例子，是微生物产生抗药性与赖药性的变异，当微生物经常与次致死剂量的抑菌或杀菌物质接触后，先是经过自然突变改变了代谢类型，对该药物产生了抗性，进而可能对该药物完全产生依赖性，本来对菌体有毒的药物，却变为该菌所不可缺少的营养物质，例如野生型的大肠埃希氏菌变为链霉素依赖突变型第一节微生物降解转化物质的巨大潜力五、微生物体内还有另一种调控系统—质粒（plasmid）质粒是菌体内一种独立于染色体外而稳定地延续遗传的闭合环状DNA分子。由于质粒不带重要基因，在一般培养条件下，质粒的得失对细菌不产生致死效应，然而，在特殊环境条件下（如有毒物存在的情况下），质粒的存在与否对细菌的生死存亡和生长繁殖则具有重要的意义。质粒能转移，获得质粒的细胞同时获得质粒所具有的性状。降解性质粒编码生物降解过程中的一些关键酶类，抗药性质粒能使宿主细胞抗多种抗生素和有毒化学品如农药和重金属等。研究发现，许多有毒化合物，尤其是复杂芳烃类化合物的生物降解，往往有降解性质粒参与。第一节微生物降解转化物质的巨大潜力六、共代谢（co-metabolism）作用有些有机污染物不能作为微生物的唯一碳源与能源，必须有另外的化合物存在提供碳源或能源时该有机物才能被降解，这种现象叫做共代谢，或称协同代谢、辅代谢。如果代谢过程为氧化作用，则称共氧化。共代谢作用中微生物细胞不增殖，因为共代谢微生物不能从非生长其质的转化作用中获得能量、碳或其他任何营养。现今对微生物共代谢的一般定义是：只有在初级能源物质存在时，才能进行的有机化合物的生物降解过程。第一节微生物降解转化物质的巨大潜力微生物的共代谢作用可有几种情况：①靠降解其他有机物提供能源，例如直肠梭菌（Clostridiumrectum）需有蛋白胨类物质存在才能降解丙体666；②靠其他微生物协同作用，如农药二嗪农的嘧啶基环，需链霉菌和节杆菌共同协作才能降解，两菌各自单独存在则不起作用；③先经别的物质诱导，如一种铜绿假单胞菌要经正庚烷诱导才产生羟化酶系，使链烷羟基化为相应的醇。第一节微生物降解转化物质的巨大潜力共代谢在那些难生物降解的化合物代谢过程中起着重要作用。它展示了通过几种微生物的一系列共代谢作用可使某些特殊有机污染物彻底降解的可能性。共代谢也启示人们，在研究特殊有机物降解的试验中，不能单一设置以该物为唯一碳源与能源的微生物试验。给微生物生态系统添加可支持微生物生长的、化学结构与污染物类似的物质，可富集共代谢微生物，这种过程称为“同类物富集（analogenrichment）”。第二节微生物降解动力学介绍了二种最基本的有机化合物微生物降解速度模型：一、指数速度模型C为浓度K为速度常数，它是单位浓度的反应速度，又称反应比速n为反应级数从式中可见，速度与化合物浓度成正比。指数速度模型适用于均匀溶液的化学反应。第二节微生物降解动力学二、双曲线速度模型速度直接取决于浓度，同时取决于浓度与它项之和。双曲线速度模型适用于通过表面吸附或表面与催化分子复合而进行的催化反应。ckckdtdc21速度ckckdtdc21速度第二节微生物降解动力学三、有机化合物降解过程与降解反应速度方程的拟合性（有三种情况）1.微生物经适应过程而致化各物降解的反应速度2.微生物通过共代谢而致化合物降解的反应速度3.至今还没有一个或一类反应速度方程完全拟合于任一有机化合物全部降解过程的曲线，但仍然有一些可近似地描述有机分子降解的速度方程。图2-1微生物对有机化合物的降解曲线说明：（1）微生物适应生长而降解A→B迟缓期；B→C富集期；C→D转为一级降解速度；D→E从一级降解速度到测不出来。（2）共代谢降解C1→D1转为一级降解速度；D1→E1从一级降解速度到测不出来。（3）第二次投药后的快速降解第三节石油的微生物降解石油是一种含有多种烃类（烷烃、芳香烃、脂环烃）及少量其他有机物（硫化物、氮化物、环烷酸类）的复杂混合物。它的生物降解性因其所含烃分子的类型和大小而异。一般而言，C10-C24范围的化合物较易分解。烯烃最易分解，烷烃次之，芳烃难，多环芳烃更难，脂环烃类对微生物作用最不敏感，至今只发现极个别菌株能利用它。降解石油的微生物很多，据报道有100余属、200多种，它们分属于细菌、放线菌、霉菌、酵母菌以至藻类。第三节石油的微生物降解细菌有假单胞菌属（Pseudomonas）、棒杆菌属（Corynebacterium）、微球菌属（Micrococcus）、产碱杆菌属（Alcaligenes）等，其中最常见的为假单胞菌。放线菌主要是诺卡氏菌属（Nocardia）酵母菌主要是解脂假丝酵母（Candidalipolytica）和热带假丝酵母（C.tropicalis）霉菌有青霉属（Penicillium）和曲霉属（Aspergillus）等。第三节石油的微生物降解一、降解机理（一）烷烃（二）烯烃（三）脂环烃类（四）芳香烃（五）多环芳烃二、影响石油降解的因素第三节石油的微生物降解降解机理（一）烷烃微生物对烷烃分解的一般过程是逐步氧化，生成相应的醇、醛和酸，而后经β-氧化进入三羧酸循环，最终分解成CO2和H2O。最常见的氧化是烷烃末端甲基氧化；此外还有两端甲基氧化形成二羧酸，次末端氧化生成酮类。第三节石油的微生物降解降解机理(1)末端甲基氧化由混合功能氧化酶催化生成伯醇，再进一步氧化为醛和酸，接着通过β-氧化进一步代谢。末端甲基氧化过程如下：乙酸在微生物代谢中被分解为CO2与H2O；剩下的少去两个碳原子的脂肪酸按同样方式经β-氧化再脱下两个碳原子，新生成的乙酸继续分解为CO2和H2O；直至在氧的参与下全部烷烃分解完毕。第三节石油的微生物降解降解机理(2)次末端氧化首先生成仲醇，进一步氧化生成酮，酮再代谢为酯，酯键裂解生成伯醇和乙酸，醇接着继续氧化成醛、羧酸，羧酸通过β-氧化进一步代谢。次末端CH2基氧化过程如下：第三节石油的微生物降解降解机理(3)甲烷是最简单的烷烃。它不同于其他的气态碳氢化合物，具有两方面的生物学独特性。第一，它是仅有的靠微生物活动所大量产生的气体；第二，这种气体的分解是由一些对较大分子碳氢化物没有活性的微生物推动的。它们氧化甲烷以合成自身细胞物质，其氧化过程为：自然界中能使甲烷氧化的微生物主要是一群专性细菌，它们只能利用甲烷和甲醇作为碳源及能源而不能利用其他脂肪族碳氢化物。第三节石油的微生物降解降解机理（二）烯烃大多数烯烃比芳烃、烷烃都容易为微生物利用。烯烃类被微生物降解时，起始氧化途径有多种可能。若双键在中间部位，可能按烷烃类方式代谢；若双键在1～2碳位时，则有三种可能，见图2-2。第三节石油的微生物降解降解机理（1）将水加到双键上，形成醇类；（2）受单氧酶作用生成一种环氧化物，再氧化成一个二醇；（3）在分子饱和末端先发生反应。第三节石油的微生物降解降解机理（三）脂环烃类在全部烃类中脂环烃类对微生物作用的抵抗力最强。因不具备末端甲基，它是由类似于次末端氧化的机制进行生物降解。如环己烷，由混合功能氧化酶的羟化作用生成环己醇，后者脱氢生成酮，进一步氧化一个氧插入环内而生成内酯，内酯开环，生成6-羟基己酸，一端的羟基被氧化成醛基，再氧化成羧基，生成的二羧酸通过β-氧化进一步代谢,见图2-3。第三节石油的微生物降解降解机理图2-3球形诺卡氏菌降解环己醇第三节石油的微生物降解降解机理（四）芳香烃微生物对芳香化合物及其衍生物氧化时，其开始步骤虽不一样，但往往有一个共同的中间产物，即双酚化合物。如苯由加氧酶氧化为儿茶酚，儿茶酚在加双氧酶的作用下再氧化，邻位或间位开环，往往在邻酚位开环。邻位开环生成己二烯二酸，再氧化为β-酮己二酸，后者再氧化为三羧酸循环的中间产物琥珀酸和乙酰辅酶A。间位开环生成2-羟己二烯半醛酸，进一步代谢生成甲酸、乙醛和丙酮酸，见图2-4。第三节石油的微生物降解降解机理图2-4苯的微生物降解第三节石油的微生物降解降解机理（五）多环芳烃多环芳烃的生物降解，先是一个环二羟基化、开环，然后第二个环以同样方式分解。以萘为例，见图2-5。图2-5萘的微生物降解第三节石油的微生物降解降解机理各种芳香族化合物的微生物降解见图2-6。第三节石油的微生物降解二、影响石油降解的因素影响石油降解的因素甚为复杂。石油产地不同、来源不同、所含组分差异都可影响其降解；其他物理化学因素亦产生影响，如油的物理状态、温度、营养、氧气、共代谢作用、抑减效应（sparingeffect）（如醋酸盐存在可抑制对十六烷的降解）。第四节人工合成有机化合物的微生物降解一、多氯联苯（PCBs）二、去垢剂（detergents）三、塑料（plastic）四、农药五、氰和腈第四节人工合成有机化合物的微生物降解一、多氯联苯（PCBs）多氯联苯是人工合成的有机氯化物，由氯置换联苯分子中的氢原子而成。随其含氯原子的多少，可以为液状、饴液状或树脂状。多氯联苯耐酸、耐碱、耐腐蚀，由于具有稳定性、绝缘性、不燃性、耐热性及高的电解常数等特征而广泛应用于工业上（如润滑油、绝缘油、热载体、增塑剂、油漆油墨的添加剂、显微镜用的旋转油剂等）。在生产与使用的过程中，可造成对环境的污染，影响人体健康。第四节人工合成有机化合物的微生物降解---多氯联苯（PCBs）多氯联苯对环境污染的范围很广，被公认为全球性环境污染物，多氯联苯有毒，非常稳定，在环境中难于分解，对生物形成严重威胁。然而近几十年来发现某些微生物可以利用多氯联苯并使之分解。微生物主要是通过共代谢作用、降解性质粒以及微生物之间的互生关系使多氯联苯降解、矿化。含氯的联苯比不含氯的烃母体之降解要困难很多，含氯愈多愈难降解。第四节人工合成有机化合物的微生物降解---多氯联苯（PCBs）能以联苯为底物的微生物通常能够代谢各种PCBs类似物，这时联苯作为底物诱导物和共氧化剂。好