污染物在水体中的转化

污染物在水体中的转化生物降解反应的类别微生物参与的生物化学反应，属于生物降解反应的主要有这样一些基本反应：氧化、水解、脱水、脱氢、脱氨基、脱羧基等.1.水体中耗氧有机物的降解氧化反应:脱氢作用,脱羧作用水解反应:有机物分子在水解酶参与下加以水分子分解为较简单的化合物的反应代表性耗氧有机物的生物降解降解反应的机理有机化合物降解过程中发生的一系列反应经常按一定程式演变，可以称之为径路；有一些径路是周而复始、循环进行的，进入循环的有机物在演变中完成降解，这种形式可称为循环.能量物质的生物降解机理糖类、脂肪、蛋白质:有机物主要来自于人的排泄物和动植物废料，是城市污水中的主要成分。糖类:多糖类从水解开始，经二糖而转为单糖（如葡萄糖），单糖在无氧条件下酵解生成丙酮酸，丙酮酸再在有氧条件下进入三羧酸循环而达到彻底氧化的结果。脂类脂类水解后生成甘油和相应的各种长链脂肪酸、甘油经过一个复杂的磷酸化径路转化为丙酮酸，而长链脂肪酸则发生数次β氧化，由每一次β氧化脱去一个醋酸分子，所以原先的脂肪酸逐渐缩短其链长。在有氧条件下，所生成的丙酮酸和醋酸分子都进入三羧酸循环，最后达到完全氧化。蛋白质:蛋白质在外酶作用下，水解产生氨基酸，氨基酸经脱氨基、β氧化反应后生成小分子脂肪酸，其最后结果也相似于碳水化合物，即在有氧条件下可完全氧化为CO2和H2O。脂肪酸β氧化历程在生物降解中有一定的普遍性，长链脂肪酸的氧化通常发生在分子中的β碳原子上，且该过程是在多种酶和辅酶作用下完成的。发生的反应如下：脱去两个碳原子后碳链缩短的有机酸可以重复进行β氧化步骤，使碳链不断缩短。碳氢化合物的生物降解机理特性:疏水性,呈高度还原状态，对分子渗入细胞过程及微生物生理特性、增殖动力学和氧化机构等产生很大影响。由于分子呈还原状态，所以降解反应都属氧化反应一类，且在反应中必须有氧存在并有氧化酶作催化引发。烷烃类化合物生物降解机理烷烃是石油化工废水中存在的主要成分，已知有70属200多个种群菌能生活在石油中，并能通过生物氧化降解石油。一般在酶作用下，正烷烃分子末端碳原子受到攻击而发生氧化，最初生成物是醇，以后经醛而生成酸，酸再经β氧化径路和三羧酸循环最后转成CO2和H2O、整个降解过程可表示如下：烯烃类化合物生物降解机理微生物对烯烃类化合物的氧化能力要比芳烃和烷烃强，这种氧化过程所包含的基本反应可能有三种：①烯烃分子上双键端或饱和端碳原子被氧化；②双键发生环氧化；③生成二元醇。对很多研究工作进行归纳后，可得到烯烃类化合物生物降解的如下图式：含氮有机物的降解有机氮化合物降解的最终产物是氨，所以这个过程也被称作氨化作用（或无机化作用）。在自然环境中，这类作用大多属于有微生物介入的生物降解过程。含氮有机物:蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、硝基化合物等等。它们的元素组成，除氮外还含有碳、氢、氧、硫、磷等。含氮有机物生物降解较不含氮有机物更难，其产物污染性强；同时，它的降解产物与不含氮有机物的降解产物会发生相互作用，影响整个降解过程。蛋白质的降解过程如下：以上属水解反应，大多发生在微生物体外。氨基酸产物被微生物摄取后，在体内以脱氨、脱羧两种基本方式继续被降解，由此得到作为降解产物的氨。尿素排入环境后在以尿素酶为媒体的反应中迅速水解生成（NH4）2CO3。在偏碱性的介质中，此产物因稳定性不足而进一步分解，生成产物氨。降解反应可写作：硝化作用由固氮作用生成的氨或由蛋白质等高分子含氮化合物经降解作用后产生的氨，都可能在有氧条件下，经细菌作用而硝化硝化作用对土壤中的植物有特殊意义:1.一般植物容易吸收NO3-形态的氮，不易吸收NH3或NH4+形态的氮。2.硝酸盐有极大可溶性，不易为土壤所阻留，这又是对植物不利的。在硝化过程中，后一步反应的速度比前一步反应快得多，所以不会发生NO2-在环境中大量累积的情况。此外，反应专一性很强，即两步反应必须由两类细菌分别承担，彼此不可替代。硝化过程还具有很复杂的反应机理，氨氧化为NO2-、NO3-的过程中还有很多中间产物，如NH2OH、NOH、N2O等。反硝化作用又称脱氮作用。在土壤中以及在水体的底泥或中间水层环境介质中都可能发生这种作用。反硝化过程可简单地表示如下：其中N2和N2O是反硝化作用的主要产物，但一般情况下，在生成过量N2O条件下才能产生N2。葡萄糖在反硝化过程中被氧化的反应方程如下：在这一反应中，NO3-作为呼吸过程中的最终电子受体。当每摩尔葡萄糖完全氧化时，可产生能量约2.51×103kJ，达到有氧氧化时的90％左右，因而是容易发生的。海水中有机物在反硝化过程中被氧化的反应方程式如下：反应式左侧的那个复杂结构化合物代表海中藻类、浮草等的化学组成。在反应式中还没有将反应中间产物NO2-表示出来。此外，作为反应产物之一的NH3，还可能继续被氧化：2.水体中富营养污染物水体富营养化问题湖泊、水库、河口、港湾等水流较缓的区域，最容易发生富营养化问题。这是一种由磷和氮的化合物过多排入水体后引起的二次污染现象。主要表现为水体中藻类大量繁殖，严重影响了水质。在适宜的光照、温度、pH值和具备充分营养物质的条件下，天然水体中藻类进行光合作用，合成本身的原生质，其总反应式可写为:藻类繁殖所需要各成分,控制性因素是磷和氮，藻类繁殖的程度主要决定于水体中这两种成分的含量，并且已经知道能为藻类吸收的是无机形态的含磷、氮的营养物。藻类生长缩小鱼类生存空间，使水体生色，透明度降低，其分泌物又能引起水臭、水味，在给水处理中造成各种困难。藻类繁生将使有机物生产速度远远超过有机物消耗速度，从而使水体中有机物积蓄，其后果是：①促进细菌类微生物繁殖，一系列异养生物的食物链都会有所发展，使水体耗氧量大大增加；②生长在光照所不及的水层深处的藻类因呼吸作用也大量耗氧；③沉于水底的死亡藻类在厌氧分解过程中促使大量厌氧菌繁殖；④富氨氮的水体开始使硝化细菌繁殖，在缺氧状态下又会转向反硝化过程。综合上述作用:富营养发生后，将先引起水底有机物消耗速度超过其生长速度，处于腐化污染状态，并逐渐向上层扩展，在严重时可使一部分水体区域完全变为腐化区。这样，由富营养而引起有机体大量生长的结果，倒过来又走向其反面，藻类、植物及水生物、鱼类趋于衰亡以至绝迹。这些现象可能周期性地交替出现，一些湖泊、水库的沉积就是由此造成的。水体中的营养物质对水体中藻类来说，营养物质指的是那些促进其生长或修复其组织的能源性物质，按原生质的合成反应式可见，关键性的营养物质是磷和氮的无机化合物。农业生产中长期使用肥料，生活中大量应用合成洗涤剂，其主要成分都是氮和磷的化合物。水体中氮、磷营养物质的最主要来源有：①雨水。②农业排水。首先是由于天然固氮作用和农用氮、磷肥的使用，此外，饲养家畜的废物中.③城市污水。粪便、食品污物和合成洗涤剂。在污水处理过程中用到了许多种的含氮、磷的化学药剂，它们也可能进入受纳水体。④其他来源。包括城镇和乡村的径流、工业废水、地下水等。湖水的营养化程度在湖泊水体中，凡生产者、还原者、消费者达到生态平衡者是属调和型的湖泊.依据湖水营养化程度:贫营养化湖、低营养化湖、中营养化湖和富营养化湖。调和型湖泊的营养化程度可用总磷含量、总氮含量、叶绿素a含量和透明度等指标来度量。具体数值见表1。表1湖水的营养化程度表2水体富营养化防治的各种方法对氨氮废水和含磷酸盐废水的治理氨氮废水的治理方法这类废水主要来自煤气制造、焦炭生产、有机化学合成工业、洗毛工业、纺织工业等。氨氮是藻类择先摄取的含氮营养物，由此引起水体富营养问题。常用的废水治理法有如下几种，即气提法、生物脱氮法、土壤渗滤法、转效点氯化法和离子交换法等。磷酸盐废水的治理方法在磷矿石（磷酸钙）熔融，磷矿石与硫酸反应，红磷用浓硝酸氧化，五氧化二磷与水作用等过程中都产生含磷酸盐废水。