第六章微生物對污染物的降解與轉化

1、微生物對污染物的降解與轉化,自然界中物質的降解有三種方式：光降解、化學降解、生物降解。,生物降解——指由生物對污染物進行的分解或降解。降解――將復雜有機物分解為簡單物質的過程。終極降解――微生物把有機物分解產生無機物CO2和H2O的過程。,第一節(jié) 有機污染物的生物降解,可生物降解性——復雜有機物在微生物作用下 分解為簡單物質的可能性。依可生物降解性的大小可將所有的物質

2、范圍：可生物降解性物質；如淀粉、蛋白質難生物降解性物質；如纖維素不可生物降解性物質；尼龍、塑料,一、微生物降解與轉化污染物的巨大潛力,產生誘導酶具新的代謝功能； 形成新的突變種（自發(fā)誘變、誘變突變、工程菌的組建）；降解性質粒利用組建超級菌,5.共代謝,※※共代謝――微生物處在能生長的基質中時，同時能將原來不能利用的物質氧化的現(xiàn)象。共代謝的方式：①依靠其他物質提供能量；②依靠其他微生物的協(xié)同作用；③先經相似物誘導產生誘導酶，

3、使污染物得以降解。,（二）影響微生物降解與轉化的因素,化學結構：鏈長、官能團、取代基、異構體。共代謝：環(huán)境理化因素：微生物的生長條件（溫度、水分、光照、有害物）；污染物的溶解度。中間產物或終產物：結構變化、毒性改變。,二、有機污染物生物降解性的測定方法及意義,（一）可生物降解性測定方法有： 1、耗氧量測定： 通過用瓦氏呼吸儀測定的耗氧量可以計算3個指標：生物氧化率－－耗氧量與其理論完全需氧量之比。受降解條件

4、的影響,,呼吸曲線－－內源呼吸曲線與外源呼吸曲線的相對位置。,生化呼吸線位于內源呼吸線之上，說明該有機物可能被微生物氧化分解。兩條呼吸線之間的距離越大，說明該有機物的生物降解性越好,,兩條線基本重合，說明該有機物不能被微生物氧化分解，但對微生物的生命活動無抑制作用,,生化呼吸線位于內源呼吸線之下，說明該有機物對微生物產生了明顯的抑制作用。生化呼吸線越接近橫坐標，表明毒害越大，此時細菌已幾乎停止呼吸，瀕于死亡,相對耗氧速率－－有外源

5、物質存在時，單位生物量在單位時間內的耗氧量與內源呼吸的耗氧速率之比。,,a.底物無毒，但不能被微生物所利用。b.底物無毒，能被微生物所利用。c.底物有毒，可被微生物利用，但在濃度較高的情況下對微生物發(fā)生抑制作用。d.底物有毒，不能被微生物所利用。,2、降解實驗 接種微生物后，通過一定時間的培養(yǎng)，培養(yǎng)液中污染物含量的減少與原始濃度之比即為降解率。3、 BOD5/CODCr

6、 ﹥0.45，生化性較好； ﹥0.30，可生化； ﹤0.30，較難生化；（但如果BOD5較高，仍可采用 生化方法） ﹤0.25，不宜生化。,（二）可生物降解性研究的意義：可生物降解性物質——采用生物處理法；難生物降解性和不可生物降解性物質——首先嚴格控制排放

7、，繼而改造工藝和產品結構、尋找或馴化高效微生物菌株，最后只能停止生產。,,第八章 微生物對污染物的降解與轉化,第二節(jié) 微生物降解污染物的途徑,一、碳源污染物的轉化包括糖類、蛋白質、脂類、石油和人工合成的有機化合物等。,（一）糖類污染物提問：哪些糖類會成為污染物？難溶的多糖，且當一些難溶解的多糖數(shù)量較大時才會使自凈時間大大增加，從而對環(huán)境造成污染。這類多糖主要是纖維素、半纖維素、果膠質、木質素、淀粉。,1．纖維素的轉化β葡萄糖

8、高聚物，每個纖維素分子含1400~10000個葡萄糖基（β1-4糖苷鍵）。來源：棉紡印染廢水、造紙廢水、人造纖維廢水及城市垃圾等，其中均含有大量纖維素。A．微生物分解途徑,B．分解纖維素的微生物,好氧細菌——粘細菌、鐮狀纖維菌和纖維弧菌厭氧細菌——產纖維二糖芽孢梭菌、無芽孢厭氧分解菌及嗜熱纖維芽孢梭菌。放 線 菌——鏈霉菌屬。真 菌——青霉菌、曲霉、鐮刀霉、木霉及毛霉。需要時可以向有菌種庫的研究機構購買或自

9、行篩選。,,,2．半纖維素的轉化,存在于植物細胞壁的雜多糖。造紙廢水和人造纖維廢水中含半纖維素。分解過程 TCA循環(huán) 聚糖酶 CO2 + H2O 半纖維素 單糖 +

10、糖醛酸 H2O 各種發(fā)酵產物 厭氧分解分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素。許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細菌及放線菌能分解半纖維素。霉菌有根霉、曲霉、小克銀漢霉、青

11、霉及鐮刀霉。,,,,,,,Lignin 木質素,木質素 空腔 纖維素,3．木質素的轉化,木質素存在于除苔蘚和藻類外所有植物的細胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。,木質素模式圖,,自然界中哪些微生物能夠進行木質素的降解呢？,確證的只有真菌中的黃孢原毛平革菌，疑似的只有軟腐菌。,黃孢原平毛革菌(Phanerochaete chrysosprium)是白腐真菌的一種，隸屬于擔子菌綱、同擔子菌亞綱、非

12、褶菌目、絲核菌科。白腐—樹皮上木質素被該菌分解后漏出白色的纖維素部分。,,*木質素降解的意義何在呢？如何實現(xiàn)工業(yè)化白腐菌降解木質素呢？,（二）油脂的轉化,水中來源：毛紡、毛條廠廢水、油脂廠廢水、肉聯(lián)廠廢水、制革廠廢水含有大量油脂降解油脂較快的微生物：細 菌 —— 熒光桿菌、綠膿桿菌、靈桿菌絲狀菌 —— 放線菌、分支桿菌真 菌 —— 青霉、乳霉、曲霉途徑：水解+β氧化,（三）石油的轉化,提問：什么是石油？石油是

13、含有烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴及少量非烴化合物的復雜混合物。石油污染主要出現(xiàn)在采油區(qū)和石油運輸事故現(xiàn)場以及石化行業(yè)的工業(yè)廢水中。,1．石油成分的生物降解性與分子結構有關,A．鏈長度 鏈中等長度（C10~C24）＞鏈很長的（C24以上）＞短鏈 （*？）B．鏈結構

14、 直鏈 ? 支鏈 不飽和 ? 飽和 烷烴 ? 芳烴,鏈末端有季碳原子（四周都與C相連）的烴以及多環(huán)芳烴極難降解,>,2．降解石油的微生物,降解石油的微生物很多，據(jù)報道有200多種細 菌 —— 假單胞菌、棒桿菌屬、微球菌屬、產堿桿菌屬放線菌 —— 諾卡氏菌酵母菌 —— 假絲酵母霉 菌 —— 青霉屬、曲霉屬藻 類 —— 藍藻和綠藻,3．石油的降解機理,A．鏈烷烴的降解

15、 + O2R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH β-氧化 CO2 + H2O CH2-COOH + R-COOH,,,,,B．無支鏈

16、環(huán)烷烴的降解 以環(huán)己烷為例,通常一些微生物只能將環(huán)烷變?yōu)榄h(huán)己酮，另一些微生物只能將環(huán)己酮氧化開鏈而不能氧化環(huán)己烷，兩類以上微生物的協(xié)同作用下將污染物 徹底降解——共代謝。,C．芳香烴,芳香烴普遍具有生物毒性，但在低濃度范圍內它們可以不同程度的被微生物分解。,已知降解不同芳香烴的細菌類別,苯和酚的代謝,苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示 苯的代謝,,,,萘的代謝,,,菲的代

17、謝,,,,蒽的代謝,,,酚也是先被氧化為鄰苯二酚，這樣各類芳香烴在降解的后半段是相同的，可表示如下,,,提問：為什么這些有機物難于生物降解？微生物缺乏相應的水解酶,（四） 人工合成的難降解有機化合 物的生物降解,難———對于自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),如果一種化合物滯留可達幾個月或幾年之久,或在人工生物處理系統(tǒng), 幾小時或幾天之內還未能被分解或消除,種類：穩(wěn)定劑、表面活性劑、人工合成的聚合物、殺蟲劑、除

18、草劑以及各種工藝流程中的廢品等。,1. 氯苯類,用 途：穩(wěn)定劑（潤滑油、絕緣油、增塑劑、油漆、熱載體、油墨等都含有）危 害：急性中毒，是一種致癌因子（米糠油事件）降 解 菌：產堿桿菌、不動桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌以及沙雷氏菌的突變體通過共代謝完成氯苯的完全降解。*共代謝研究進展及其成果對環(huán)保的應用現(xiàn)狀？,2．洗滌劑,可分為陰離子型、陽離子型、非離子型、兩性電解質四類。我國目前生產的洗滌劑屬于陰離子型

19、烷基苯磺酸鈉。較早開發(fā)的是非線性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸鹽（ABS）：,ABS,甲基分支干擾生物降解，鏈末端與4個碳原子相連的季碳原子抗攻擊的能力更強。,危害：ABS可以在天然水體中存留800h以上，使這得接納他的水體長時間保持，產生大量泡沫，引起水體缺氧。為使洗滌劑易于生物降解，人們將ABS的結構改變?yōu)榫€性的直鏈烷基苯磺酸鹽（LAS）：,由于減少了分支，它的生物分解速度大為提高。,ABS,A．降解洗滌劑的微生物,細 菌——假單胞菌

20、、鄰單胞菌、黃單胞菌、產堿單胞菌、產堿桿菌、微球菌、大多數(shù)固氮菌放線菌——諾卡氏菌由于這些微生物的作用，雖然每年排放入環(huán)境中的洗滌劑數(shù)量逐年遞增，但環(huán)境中并沒有發(fā)生洗滌劑的明顯增加。因而洗滌劑一般不會引起環(huán)境的有機污染。洗滌劑目前存在的問題主要是洗滌劑中的添加劑聚磷酸鹽造成的水體富營養(yǎng)化問題 。,B．洗滌劑的降解機理,對微生物無影響（1）.土地板結（2）. 被海鳥及海洋哺乳動物誤食，致使這些動物消化系統(tǒng)停滯，引起死亡。具報道每年

21、海洋中死于廢棄塑料的海鳥和海洋哺乳動物，數(shù)目之多令人觸目驚心。 （3）.影響景觀目前發(fā)現(xiàn)能降解塑料的微生物，種類很少，而且降解速度緩慢。他們主要是細菌、放線菌、曲霉中的某些成員。,3.塑料,塑料在環(huán)境中積累有哪些危害？危害：白色污染,提問：如何解決塑料的難降解問題？（1）限制使用不可降解塑料（2）開發(fā)可降解塑料 光降解、高填充碳酸鈣、填充淀粉、淀粉改性塑料、 化學合成或用微生物、轉基因植物直接生產可生物降解的塑料；,* 如何

22、制造完全生物可降解塑料？有哪些種類？發(fā)展前景如何？,4.農藥,如殺蟲劑、除草劑等化學成分：有鹵素、磷酸基、氨基、硝基、羥基及其它取代物的簡單烴骨架（有機磷、有機錫、有機氯等）。相比較其它取代基團而言，微生物對鹵素取代基往往不適應，因而隨著鹵素取代基數(shù)量的增多，農藥的生物可降解性大幅度下降。水中來源：農田土壤的灌溉水或雨水,危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸變）最典型的一個例子就是殺蟲劑DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯代基數(shù)量

23、大，在自然界的半衰期長達半年以上，由于DDT不溶于水而易溶于脂肪，因而可在動物脂肪組織中堆積，并沿著食物鏈在逐級向上不斷積累，引起生物各種急慢性中毒。,降解農藥的微生物： 細 菌 —— 假單胞菌、芽孢桿菌、產堿桿菌、黃桿菌 放線菌 —— 諾卡氏菌 真 菌 —— 曲霉這些微生物往往需共代謝將農藥逐級降解。,二、氮源有機污染物的轉化,蛋白質、氨基酸、尿素、胺類、腈化物、硝基化合物等。,（一）蛋白質的轉化水中

24、來源： 生活污水、屠宰廢水、罐頭食品加工廢水、制革廢水等1．降解蛋白質的微生物種類很多好 氧 細 菌—— 鏈球菌和葡萄球菌好氧芽孢細菌——枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌及馬鈴薯芽孢桿菌 兼 性 厭 氧 菌——變形桿菌、假單胞菌 厭 氧 菌——腐敗梭狀芽孢桿菌、生孢梭狀芽孢桿菌此外，還有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及鏈霉菌(放線菌)。,2．降解機理,,,,N2↑,3.典型含氮有機物的轉

25、化,氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈類化合物及硝基化合物 水中來源：化工腈綸廢水、國防工業(yè)廢水、電鍍廢水等。危 害：生物毒害 、環(huán)境積累A．降解這些物質的微生物細 菌——紫色桿菌、假單胞菌放線菌——諾卡氏菌真 菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病鐮刀霉)、木霉及擔子菌等,B．降解機理,a.氰化物5HCN + 5.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3b.有機腈,