第十章微生物对污染物的分解与转化作用

1第十章微生物对污染物的分解与转化作用第一节微生物对污染物的分解与转化作用第二节有机物的生物分解性第三节不含氮有机物质的生物分解第四节含氮有机物的生物分解第五节微生物对无机元素的转化作用第六节生物对污染物的浓缩与吸附作用2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与分类二、有机物的好氧生物分解三、有机物的厌氧生物分解3生物分解的基本规律：有机物经逐步分解后，产生能进入TCA循环或（和）能作为的合成代谢原料的中间代谢产物。逐步分解过程因化合物而异，但后面分解的基本相同。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）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与分类4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第一节微生物对有机物的分解作用有机物的生物分解：通过一系列的生化反应，将有机物分解成小分子有机物或简单无机物的过程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分析第一节微生物对有机物的分解作用有机物的生物分解类型及其特点6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。第一节微生物对有机物的分解作用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7•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。第一节微生物对有机物的分解作用8二、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：第一节微生物对有机物的分解作用9三、有机物的厌氧生物分解厌氧分解的基本过程：消化（与好氧分解基本一样）、厌氧呼吸、发酵最终产物：C有机酸42CHCO、N32NHRNH、有机酸S——2HSP——34PO产生臭味低级脂肪酸也有臭味问题：最终产物为什么是甲烷、氨、硫化氢？厌氧分解的水往往呈黑色，为什么？第一节微生物对有机物的分解作用10CH4有机物发酵性细菌脂肪酸（丙酸、丁酸、乳酸等）、醇类产氢产乙酸细菌乙酸H2＋CO2同型产乙酸细菌产甲烷细菌ⅠⅡⅢⅣ厌氧分解（降解）的三阶段、四阶段过程第一节微生物对有机物的分解作用11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第一节微生物对有机物的分解作用12•好氧降解的有机物降解速率快、彻底；•能量利用率高；•菌体转化率高（合成系数大）、合成速率快产生差别的主要原因：能量代谢水平（利用程度）不同612622261263226662863.322225.7CHOOCOHOkJCHOCHCHOHCOkJ38ATP2ATPATP中高能键贮存的能力：48.1kJ/mol好氧：48.1×38＝1826.4kJ厌氧：48.1×2＝96.1kJ能量利用率64％能量利用率43%好氧分解与厌氧分解的比较第一节微生物对有机物的分解作用13第二节有机物的生物分解性一、有机物的生物分解性评价方法二、有机物的生物分解性与分子结构的关系三、值得注意的几个问题14第二节有机物的生物分解性一、有机物的生物分解性评价方法有机物生物分解性评价的意义？如何确定有机物生物分解性评价的实验条件？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15受试有机化合物易生物分解试验本质性生物分解试验生物分解模拟试验分解性分解性良好良好不良不良在环境中易生物分解在环境中难生物分解第二节有机物的生物分解性有机物生物分解性评价的一般步骤16二、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。OHClOHClClOHClClCl第二节有机物的生物分解性17OHOHClOHCl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。第二节有机物的生物分解性188）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第二节有机物的生物分解性19三、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20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）共代谢现象第二节有机物的生物分解性211.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）第二节有机物的生物分解性22（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.捕食作用第二节有机物的生物分解性23•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代谢产物去毒作用第二节有机物的生物分解性24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－NH2O第二节有机物的生物分解性252.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）第二节有机物的生物分解性26（3）环氧化作用（epoxiadation）－HC＝CH－HC－CH－O（4）硫醚的氧化－C－S－C－－C－S－C－－C－S－C－OOO（5）甲基化HgCH3Hg+CH3HgCH3引自：沈德中：污染环境的生物修复.化工出版社..2001，10第二节有机物的生物分解性27第二节有机物的生物分解性BOD5/CODcr0.4-0.6可生物处理性好0.2BOD5/CODcr0.4含有难生物分解的有机物，较难生物处理BOD5/CODcr0.1有机污染物的生物分解性差，难以生物处理（六）污水中有机污染物的生物分解性评价•BOD5/CODcr比值预测污水可生物处理性的参考标准BOD5/DOC1.2可生物处理性好0.3BOD5/DOC1.2含有难生物分解的有机物，较难生物处理BOD5/DOC0.3有机污染物的生物分解性差，难以生物处理•BOD5/DOC比值预测污水可生物处理性的参考标准28第三节不含氮有机物质的生物分解一、纤维素、半纤维素、木质素的生物分解二、淀粉的生物分解三、脂肪的生物分解四、芳香族化合物的生物分解五、烃类化合物的生物分解六、合成洗涤剂的生物分解291.纤维素—多糖化合物22323COHOCHCHOHCHCHOHCOOH乳酸42CHCO、61051222116126()nCHOCHOCHO纤维素纤维二糖酶纤维二糖葡萄糖能降解纤维素的微生物：主要是霉菌和一些特殊的细菌：纤维粘菌、纤维杆菌、莲霉菌、曲霉、青霉、木霉一、纤维素、半纤维素、木质素第三节不含氮有机物质的生物分解酶302.半纤维素•分子结构：由聚戊糖、聚己糖、聚糖醛酸构成•降解过程：半纤维素单糖+糖醛酸……•能降解纤维素的微生物：芽孢杆菌、假单胞菌、放线菌。第三节不含氮有机物质的生物分解313.木质素（lignin）CCCHOCCCHOH3COCCCHOH3COH3CO基本构成单位芳醚键降解机理（较为复杂）：芳醚链断裂苯丙烷大分子解聚、、、能降解木质素的微生物：担子菌纲，如白腐菌第三节不含氮有机物质的生物分解第三节不含氮有机物质的生物分解Surfacetopographyoftheoutsidesurfaceofstrawafterdewaxing第三节不含氮有机物质的生物分解Surfacetopographyofstrawafter5daysof