微生物對(duì)污染物的降解和轉(zhuǎn)化

1、一、有機(jī)污染物的降解途徑,1.光降解（光解作用） （具有紫外線吸收峰的化合物）2.化學(xué)降解 （由于溫度、氧氣、pH、金屬離子等發(fā)生化學(xué)降解或轉(zhuǎn)化）3.生物降解 （通過(guò)動(dòng)物、植物和微生物的代謝活動(dòng)來(lái)分解各種有機(jī)物）,第一節(jié) 有機(jī)污染物的生物降解,自然界化學(xué)物質(zhì)的降解主要通過(guò)上述三種途徑交叉進(jìn)行，其中與微生物降解作用的關(guān)系最大。,光降解作用,光解過(guò)程可分為三類(lèi)：第一類(lèi)稱(chēng)為直接光解，這是化合物本身直接吸

2、收了太陽(yáng)能而進(jìn)行分解反應(yīng)；第二類(lèi)稱(chēng)為敏化光解，水體中存在的天然物質(zhì)(如腐殖質(zhì)等)被陽(yáng)光激發(fā)，又將其激發(fā)態(tài)的能量轉(zhuǎn)移給化合物而導(dǎo)致的分解反應(yīng)；第三類(lèi)是氧化反應(yīng)，天然物質(zhì)被輻照而產(chǎn)生自由基或純態(tài)氧(又稱(chēng)單一氧)等中間體，這些中間體又與化合物作用而生成轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物。,1、直接光解光化學(xué)反應(yīng)的先決條件應(yīng)該是污染物的吸收光譜要與太陽(yáng)發(fā)射光譜在水環(huán)境中可利用的部分相適應(yīng)。水環(huán)境中污染物光吸收作用僅來(lái)自太陽(yáng)輻射可利用的能量，太陽(yáng)發(fā)射幾乎恒定強(qiáng)度

3、的輻射和光譜分布，但是在地球表面上的氣體和顆粒物通過(guò)散射和吸收作用，改變了太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度。陽(yáng)光與大氣相互作用改變了太陽(yáng)輻射的譜線分布。太陽(yáng)輻射到水體表面的光強(qiáng)隨波長(zhǎng)而變化，特別是近紫外(290—320nm)區(qū)光強(qiáng)變化很大，而這部分紫外光往往使許多有機(jī)物發(fā)生光解作用。其次，光強(qiáng)隨太陽(yáng)射角高度的降低而降低。,2、敏化光解(間接光解) 除了直接光解外，光還可以用其他方法使水中有機(jī)污染物降解。一個(gè)光吸收分子可能將它的過(guò)剩能量轉(zhuǎn)移到一個(gè)

4、接受體分子，導(dǎo)致接受體反應(yīng)，這種反應(yīng)就是光敏化作用。2，5—二甲基呋喃就是可被光敏化作用降解的一個(gè)化合物，在蒸餾水中將其暴露于陽(yáng)光中沒(méi)有反應(yīng)，但是它在含有天然腐殖質(zhì)的水中降解很快，這是由于腐殖質(zhì)可以強(qiáng)烈地吸收波長(zhǎng)小于500nm的光，并將部分能量轉(zhuǎn)移給它，從而導(dǎo)致它的降解反應(yīng)。,3、氧化反應(yīng) 有機(jī)毒物在水環(huán)境中所常遇見(jiàn)的氧化劑有單重態(tài)氧(1O2)，烷基過(guò)氧自由基(RO2·)，烷氧自由基(RO·)或羥自由基(OH

5、·)。這些自由基雖然是光化學(xué)的產(chǎn)物，但它們是與基態(tài)的有機(jī)物起作用的，所以把它們放在光化學(xué)反應(yīng)以外，單獨(dú)作為氧化反應(yīng)這一類(lèi)。,二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用,1.氧化作用 （失電子，自身被氧化，化合價(jià)升高）,,生物降解（biodegradation） 微生物降解,,主要是,微生物的代謝活動(dòng)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：,Fe2+ Fe3+ S S

6、O42-,,,NH3 NO2- NO3-,,,醇（糖類(lèi) C-OH） 醛（-CHO） 酸（-COOH）,,,氧化亞鐵硫桿菌,氧化硫硫桿菌,亞硝化單胞菌屬,硝化桿菌屬,2. 還原作用（得電子，自身被還原，化合價(jià)降低）,二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用,,大腸桿菌,具有特色的是硝酸的還原反應(yīng)： NO3-

7、 NH3,,烯烴發(fā)生加氫還原，變成烷,3. 脫羧作用： 羧酸分子中失去羧基放出二氧化碳的反應(yīng)叫做脫羧反應(yīng)。 4. 脫氨基作用： 微生物的特色反應(yīng) -CH-NH2 -CH2 + NH3,,二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用,,,,,,5. 水解作用 （酯類(lèi)水解反應(yīng)生成醇+羧酸） 酯的水解 油脂經(jīng)加堿水解可得高碳脂肪酸鈉(肥

8、皂)和甘油；制脂肪酸要用加酸乳化水解。低碳烯烴與濃硫酸作用所得烷基硫酸酯，經(jīng)加酸水解可得低碳醇。 淀粉水解； C6H22O11(麥芽糖) 5H2O＋C6H12O6,,二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用,,6. 酯化作用 （醇+羧酸發(fā)生酯化反應(yīng)） 醇跟羧酸或含氧無(wú)機(jī)酸生成酯和水，這種反應(yīng)叫酯化反應(yīng) 7. 脫水反應(yīng)：指有水分子析出的反應(yīng)過(guò)程 ①醇的脫水 一元醇脫水時(shí)，根據(jù)反應(yīng)溫度的不同，生成烯烴或醚。

9、②酸的脫水 一元羧酸脫水可生成酐，但通常不用其作為制酐的方法。 ③酰胺脫水 酰胺脫水可得飽和腈(或氫氰酸),,二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用,8. 縮合反應(yīng) 兩個(gè)或多個(gè)有機(jī)分子相互作用后以共價(jià)鍵結(jié)合成一個(gè)大分子，同時(shí)失去水或其他比較簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)或有機(jī)分子的反應(yīng)。 9. 氨化反應(yīng) -C=O -CH-NH2 （酮基發(fā)生氨化） 丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙氨酸：

10、 CH3COCOOH－CH3CHNH2COOH,,,二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用,10. 乙?；饔?氨基轉(zhuǎn)化為酰胺 -NH2 ―NH-CO-CH3,,,,二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用,小結(jié)：以上各種微生物的化學(xué)作用，實(shí)質(zhì)上是微生物代謝過(guò)程中的酶反應(yīng)?。ㄔ诨瘜W(xué)條件下也能夠發(fā)生上述反應(yīng)，但是條件苛刻，經(jīng)常是高溫、高壓等，但是酶的反應(yīng)一般在常溫常壓下進(jìn)行。）,

11、第二節(jié) 酶的催化作用,一、概述,酉,每,與發(fā)酵有關(guān)的過(guò)程，酒、醋、醬等。,（一）什么是酶？,全部生命活動(dòng)和生物化學(xué)變化均在溫和條件下，在酶的催化作用下迅速地進(jìn)行的。,生命的基本特征之一是,新陳代謝。,（一）什么是酶？,酶是生物體內(nèi)產(chǎn)生的一類(lèi)具有特殊催化作用的蛋白質(zhì)。1)離體的酶同樣具有高效催化作用；2)通過(guò)各種理化方法分離提取生物體合成的酶所得到的酶制品稱(chēng)為“酶制劑”。,釀酒行業(yè)：酵母（酶催化大麥芽發(fā)酵成酒）造紙行業(yè)：脂肪酶，

12、纖維素酶，半纖維素酶，淀粉酶,具有生物活性的生物大分子 蛋白質(zhì) 核酸,生 物 酶 簡(jiǎn) 介,酶在日常生活中無(wú)處不有蛋白質(zhì)分為兩類(lèi)：結(jié)構(gòu)蛋白和生物活性蛋白蛋白質(zhì)是構(gòu)成人體的基礎(chǔ)物質(zhì)——結(jié)構(gòu)蛋白酶是生物活性蛋白——酶是蛋白質(zhì)，但蛋白質(zhì)不一定都是酶。酶由長(zhǎng)鏈氨基酸組成酶是三維結(jié)構(gòu)氨基酸的排列順序決定酶的功能酶的活性部位——取決于三維結(jié)構(gòu)酶的活性部位決定了其作用于什么樣的底物,（1）用量少而催化效率高；（2）

13、不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)（3）可降低反應(yīng)的活化能,1.酶和一般催化劑比較,催化效率高： 反應(yīng)速度是無(wú)酶催化或普通人造催化劑催化反應(yīng)速度的10的6次方至10的16次方倍。,2.酶作為生物催化劑的特性,（三）酶的催化特性,酶催化的專(zhuān)一性 一種酶僅能作用于某一種物質(zhì)或一類(lèi)結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)并催化某種類(lèi)型的反應(yīng)，這種特性稱(chēng)為酶的專(zhuān)一性。 相對(duì)專(zhuān)一性（催化具有相同化學(xué)鍵或基團(tuán)的一類(lèi)物質(zhì) ）R-COO-R’＋H2O

14、 R-COOH＋R’OH絕對(duì)專(zhuān)一性（僅催化一種化合物 ）（NH2）2CO＋H2O CO2+2NH3立體異構(gòu)專(zhuān)一性,(3) 敏感性：對(duì)環(huán)境條件極為敏感，酶容易失活(4) 酶活力的調(diào)節(jié)控制：如抑制劑調(diào)節(jié)、共價(jià)修飾調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、酶原激活及激素控制等。調(diào)整的本質(zhì)是酶的活性中心的改變（有或無(wú)、優(yōu)或劣）(5) 酶的催化活力與輔酶、輔基及金屬離子有關(guān)，有些酶是復(fù)合蛋白質(zhì)，其中的小分子物

15、質(zhì)(輔酶、輔基及金屬離子)與酶的催化活性密切相關(guān)。若將它們除去，酶就失去活性。(6) 反應(yīng)條件溫和：常溫、常壓、中性。,（1）酶的蛋白質(zhì)本質(zhì) 所有的酶都是蛋白質(zhì)。有的是簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)，有的是結(jié)合蛋白質(zhì)。 酶同其他蛋白質(zhì)一樣，由氨基酸組成。,3.酶的化學(xué)本質(zhì),不能說(shuō)所有蛋白質(zhì)都是酶，只是具有催化作用的蛋白質(zhì)，才能稱(chēng)為酶,（2）酶的組成 根據(jù)組成成分可分為兩類(lèi)：?簡(jiǎn)單蛋白質(zhì)酶?結(jié)合蛋

16、白質(zhì)酶（結(jié)合非蛋白組分后才表現(xiàn)出酶的活性）　　酶蛋白結(jié)合非蛋白組分后形成的復(fù)合物稱(chēng)“全酶”，全酶=酶蛋白+輔助因子。,? 彌補(bǔ)氨基酸基團(tuán)催化強(qiáng)度的不足，改變并穩(wěn)定活性中心或改變底物化學(xué)鍵穩(wěn)定性（底物—酶的催化對(duì)象）。例如：羧肽酶中的鋅離子：可穩(wěn)定活性中心使肽鍵失穩(wěn)、吸附羧氧原子。,輔助因子本身無(wú)催化作用，它的主要作用是：,?在酶促反應(yīng)中運(yùn)輸轉(zhuǎn)移電子、原子或某些功能基，如參與氧化還原或運(yùn)載?；淖饔?，協(xié)助活性中心基團(tuán)快速轉(zhuǎn)移。,輔助因

17、子本身無(wú)催化作用，它的主要作用是：,根據(jù)酶蛋白分子的特點(diǎn)又可將酶分為三類(lèi)?單體酶 (monomericenzyme)：只有一條多肽鏈。?寡聚酶 (oligomericenzyme)：由幾個(gè)甚至幾十個(gè)亞基組成，這些亞基可以是相同的多肽鏈，也可以是不同的多肽鏈。?多酶體系 (multienzyme system)：是由幾種酶彼此嵌合形成的復(fù)合體。,（3）酶的分類(lèi),（1）水解酶類(lèi)（2）氧化還原酶類(lèi)（3）異構(gòu)酶類(lèi)（4）轉(zhuǎn)移酶類(lèi)（5

18、）裂解酶類(lèi)（6）合成酶類(lèi),按照酶所催化的化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型分類(lèi),酶在細(xì)胞的不同部位：可分為胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶。按酶作用的底物不同，可分為淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核酸酶等。一種酶可以有多個(gè)名字，如： 淀粉酶也屬于水解酶，還屬胞外酶,其他分類(lèi),米歇里斯－門(mén)坦公式（酶促反應(yīng)速度方程）,4.影響酶活的因素,米氏常數(shù)Km表示反應(yīng)速度為最大速度一半時(shí)的底物濃度（又稱(chēng)為半速度常數(shù)）。Km值越小，表示酶與底物的反應(yīng)越趨于完全

19、；Km值越大，表明酶與底物的反應(yīng)越不完全。,（1）酶濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 在酶促反應(yīng)中，如果底物濃度足夠大，足以使酶飽和，則反應(yīng)速度與酶濃度成正比。 底物分子濃度足夠時(shí)，酶分子越多，底物轉(zhuǎn)化的速度越快。,當(dāng)?shù)孜餄舛群艿蜁r(shí)，有多余的酶沒(méi)與底物結(jié)合，隨著底物濃度的增加，中間絡(luò)合物的濃度不斷增高。反應(yīng)速度也迅速增加。,當(dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r(shí)，溶液中的酶全部與底物結(jié)合成中間產(chǎn)物，雖增加底物濃度也不會(huì)有更多的