第十章-微生物对难降解物质的降解与转化污染控制微生物课件.ppt

1、 研究有机污染物的生物降解性，有助于深入认研究有机污染物的生物降解性，有助于深入认识污染物在环境中的迁移转化规律和了解这些污染物识污染物在环境中的迁移转化规律和了解这些污染物对自然界物质转化循环的影响程度，从而为控制污染对自然界物质转化循环的影响程度，从而为控制污染，保护环境提供理论上的依据。此外，这项研究与保，保护环境提供理论上的依据。此外，这项研究与保护人类健康和自然界生态平衡有密切关系护人类健康和自然界生态平衡有密切关系 生物降解度生物降解度 根据污染物生物降解进行的程度，可将其分根据污染物生物降解进行的程度，可将其分为三种（或为三种（或3个阶段）。个阶段）。 1）初级生物降解初级生物降

2、解是指有机污染物在微生是指有机污染物在微生物的作用下，母体化合物的化学结构发生物的作用下，母体化合物的化学结构发生变化，并改变了原污染物分子的完整性，变化，并改变了原污染物分子的完整性，即有机污染物本来的结构发生部分变化。即有机污染物本来的结构发生部分变化。 2)环境容许的生物降解环境容许的生物降解是指可去除有机是指可去除有机污染物的毒性或人们所不希望的特性，如表面污染物的毒性或人们所不希望的特性，如表面活性剂的降解过程中那种使其失去起泡作用的活性剂的降解过程中那种使其失去起泡作用的降解。降解。 3) 最终生物降解最终生物降解是指有机污染物向无机是指有机污染物向无机物转化，完全被降解成物转化，

3、完全被降解成CO2、H2O和其他无机和其他无机物，并被同化为微生物的一部分。物，并被同化为微生物的一部分。 根据有机污染物与微生物的相互关系可根据有机污染物与微生物的相互关系可以将有机污染物分为以将有机污染物分为4类。类。v可以立即被微生物利用作为营养和能量来可以立即被微生物利用作为营养和能量来源的源的v能够逐步被微生物分解利用的能够逐步被微生物分解利用的v生物降解十分缓慢或者根本就不能降解的生物降解十分缓慢或者根本就不能降解的v可以通过共代谢作用分解的可以通过共代谢作用分解的前前3种有机污污种有机污污染物的生物降解染物的生物降解过程如图过程如图 1）可以立即被微生物利用作为营养和能量来源可以

4、立即被微生物利用作为营养和能量来源的的，包括糖、，包括糖、Pr(AA)、脂肪酸和一些涉及典型代、脂肪酸和一些涉及典型代谢途径的污染物。谢途径的污染物。 2)能够逐步被微生物分解利用的能够逐步被微生物分解利用的，此类污染物，此类污染物的生物降解需要一个驯化期，在些期间有机污染物的生物降解需要一个驯化期，在些期间有机污染物很少或根本不发生生物降解，故随时间的变化曲线很少或根本不发生生物降解，故随时间的变化曲线中明显地有一个滞后期，它表示微生物对有机污染中明显地有一个滞后期，它表示微生物对有机污染物的适应过程所需要的时间。物的适应过程所需要的时间。一般将微生物从开始一般将微生物从开始接触有机化合物到

5、有机化合物被明显分解的这段时接触有机化合物到有机化合物被明显分解的这段时间称为化合物生物降解的驯化期。间称为化合物生物降解的驯化期。其原因在于：其原因在于：在微生物混合群落中污染物的在微生物混合群落中污染物的加入实际上是在定向地选择那些能够吸收和降加入实际上是在定向地选择那些能够吸收和降解污染物基质的微生物种属；这时滞后期是由解污染物基质的微生物种属；这时滞后期是由于特定降解微生物的指数生长特性；同时，微于特定降解微生物的指数生长特性；同时，微生物对污染物也有一个选择过程，所谓巴斯德生物对污染物也有一个选择过程，所谓巴斯德效应。效应。微生物对污染物的适应要通过诱导酶微生物对污染物的适应要通过诱

6、导酶的合成，而且需要合成必需的辅酶或中间代谢的合成，而且需要合成必需的辅酶或中间代谢产物。产物。3) 生物降解十分缓慢或者根本就不能降解生物降解十分缓慢或者根本就不能降解的的， 它包括一些天然高分子物质以及许多它包括一些天然高分子物质以及许多人类起源的有机化合物，如有机氯化化物。人类起源的有机化合物，如有机氯化化物。对这类物质可以通过其他方式使其转化为可对这类物质可以通过其他方式使其转化为可生物降解的物质，如生物降解的物质，如O3氧化，给水处理中氧化，给水处理中的的O3-GAC或或O3-BAC法即依据此原理。法即依据此原理。4)可以通过共代谢作用分解的可以通过共代谢作用分解的，共代谢，又共代谢

7、，又称共氧化、联合氧化，有的称为辅助代谢，称共氧化、联合氧化，有的称为辅助代谢，是指微生物在它有可利用的唯一碳源存在时是指微生物在它有可利用的唯一碳源存在时，对原来不能利用的物质也能分解代谢的现，对原来不能利用的物质也能分解代谢的现象。是由美国德克萨大学的二位学者发现，象。是由美国德克萨大学的二位学者发现，如甲烷假单胞菌唯一能利用的碳源是如甲烷假单胞菌唯一能利用的碳源是CH4，但如果有但如果有CH4存在时加入存在时加入C3H8、C4H10时，时，则该菌也能将这些烃类部分氧化为乙酸，丙则该菌也能将这些烃类部分氧化为乙酸，丙酸和丁酸。酸和丁酸。在自然界中有巨大数量的微生物种群，这些微生在自然界中有

8、巨大数量的微生物种群，这些微生物种群对有机物的降解能力也存在着极大差别。物种群对有机物的降解能力也存在着极大差别。微生物降解有机物质能力的多样性，给利用微生微生物降解有机物质能力的多样性，给利用微生物处理不同的工业废水提供了可能性。物处理不同的工业废水提供了可能性。微生物分解有机污染物的能力很强，如果能把这微生物分解有机污染物的能力很强，如果能把这种潜力发掘出来，对环境保护工作有巨大贡献。种潜力发掘出来，对环境保护工作有巨大贡献。 自然界中的纤维素主要来源于稻草，自然界中的纤维素主要来源于稻草，树木、蔗渣、芦苇、野生植物等。我国仅非树木、蔗渣、芦苇、野生植物等。我国仅非木材纤维年产量就超过木材

9、纤维年产量就超过11012kg。这些非。这些非木材纤维以及大量的木材加工剩余物，都是木材纤维以及大量的木材加工剩余物，都是取之不尽的天然高分子原料和能源。由于纤取之不尽的天然高分子原料和能源。由于纤维素具有水不溶性的高结晶构造维素具有水不溶性的高结晶构造,其外围又被其外围又被木质素层包围着木质素层包围着,要把它水解成可利用的葡萄要把它水解成可利用的葡萄糖相当困难糖相当困难,所以到目前为止仍没有得到很好所以到目前为止仍没有得到很好地利用地利用. 纤维素是一种复杂的多糖，由纤维素是一种复杂的多糖，由1.4葡萄葡萄糖苷键形成的长链，每个纤维素分子大约有糖苷键形成的长链，每个纤维素分子大约有80001

10、0000个葡萄糖残基组成。链与链之间以个葡萄糖残基组成。链与链之间以氢键连接起来。植物纤维素外围还包裹着其他高氢键连接起来。植物纤维素外围还包裹着其他高分子物质。分子物质。植物纤维素的结构图 （1）-1,4葡聚糖酶又叫Cx酶，它不能水解天然纤维素，只能切割部分降解的多糖。它广泛分布在细菌、放线菌和真菌中，可作用于包括很多葡萄糖单位的多糖分子，也可作用于寡糖分子，如纤维四糖、纤维三糖。但它对寡糖比对多聚糖的水解作用内切-1，4葡聚糖酶，能随机切断-1，4苷键，提供许多可供反应的末端，外切-1，4葡聚糖酶，该酶又可分为从非还原性末端开始切下一个-葡萄糖和切下一个-葡聚二糖(纤维二糖)的两种 （2）

11、-葡萄糖苷酶可水解纤维二糖、纤维三糖及低分子量的寡糖成葡萄糖。这种酶过去被称为纤维二糖酶，这显然不合适，因为它的作用底物不只是纤维二糖。纤维素分解过程纤维素分解过程烃类化合物的分解烃类化合物的分解 芳香族化合物的分解芳香族化合物的分解 在芳香族与杂环化合物分解过程中起重在芳香族与杂环化合物分解过程中起重要作用的微生物有假单胞菌、无色杆菌、节杆要作用的微生物有假单胞菌、无色杆菌、节杆菌、棒杆菌、诺卡氏菌、分枝杆菌、曲霉、青菌、棒杆菌、诺卡氏菌、分枝杆菌、曲霉、青霉等，这些微生物都能不同程度地使芳香族与霉等，这些微生物都能不同程度地使芳香族与杂环化合物分解。杂环化合物分解。微生物分解芳香族化合物的

12、方式有两种：微生物分解芳香族化合物的方式有两种：v在酶的作用下直接将分子中的环状结构打开在酶的作用下直接将分子中的环状结构打开 v芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉环芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉环上的侧链基团，使之转变成儿茶酚或原儿茶上的侧链基团，使之转变成儿茶酚或原儿茶酸，酸， 合成洗涤剂的降解合成洗涤剂的降解洗涤剂是人工合成的高分子聚合物。合成洗涤剂的主要成分是表面活性剂。化学农药的降解化学农药的降解 过去使用农药在提高农产品产量、保护秧苗、保过去使用农药在提高农产品产量、保护秧苗、保护森林资源、农产品贮存等方面也起过积极作用。但是护森林资源、农产品贮存等方面也起过积极作用。但是

13、就在农药为人类造福的同时，也污染了人类生存的环境就在农药为人类造福的同时，也污染了人类生存的环境，又给人类带来严重的危害。因为农药的毒性很强，又，又给人类带来严重的危害。因为农药的毒性很强，又很稳定，很难被微生物降解。年复一年，大量的农药倾很稳定，很难被微生物降解。年复一年，大量的农药倾入环境，所以在环境中有大量的农药积累。入环境，所以在环境中有大量的农药积累。 农药还可以从土壤中进入大气和水体，通过食物链农药还可以从土壤中进入大气和水体，通过食物链进入人体。尤其是那些化学性质稳定，在环境中不易分进入人体。尤其是那些化学性质稳定，在环境中不易分解的有机氯农药。解的有机氯农药。 微生物对农药的作

14、用方式是多种多样，可以归微生物对农药的作用方式是多种多样，可以归纳为六种作用类型：纳为六种作用类型：v去毒作用去毒作用 农药分子被微生物作用后变有毒农药分子被微生物作用后变有毒为无毒。为无毒。v降解作用降解作用 将复杂的农药化合物转变为简单将复杂的农药化合物转变为简单化合物，或者彻底分解为化合物，或者彻底分解为CO2和和H2O及及NH3、Cl-。如果完全被分解成无机化合物，即称为。如果完全被分解成无机化合物，即称为农药的矿化。农药的矿化。v活化作用活化作用 将无毒的物质转化为有毒的农药。将无毒的物质转化为有毒的农药。如除草剂如除草剂2，4-D丁酸丁酸 、杀虫剂甲拌磷，是经土、杀虫剂甲拌磷，是经

15、土壤中微生物作用后的代谢产物，对杂草及昆虫有壤中微生物作用后的代谢产物，对杂草及昆虫有毒害作用。毒害作用。v失去活性失去活性 本来是一个无毒的有机分子，在微本来是一个无毒的有机分子，在微生物作用下可以成为农药，但有的微生物能将这生物作用下可以成为农药，但有的微生物能将这样的分子转化为另一无毒分子，使其再不能被活样的分子转化为另一无毒分子，使其再不能被活化成为农药。化成为农药。v结合、复合或加成作用结合、复合或加成作用 微生物的细胞代谢产微生物的细胞代谢产物与农药结合，形成更为复杂的物质。如将氨物与农药结合，形成更为复杂的物质。如将氨基酸、有机酸、甲基或者其它基团加在作用的基酸、有机酸、甲基或者

16、其它基团加在作用的底物上。这些作用过程也常常是解毒作用。底物上。这些作用过程也常常是解毒作用。v改变毒性谱改变毒性谱 某些农药对一类有机体有毒，但某些农药对一类有机体有毒，但是它们被微生物代谢后，得到的产物能抑制完是它们被微生物代谢后，得到的产物能抑制完全不同的另一类有机体，毒性谱发生了改变。全不同的另一类有机体，毒性谱发生了改变。如如5-氯苯甲醇转化为氯苯甲醇转化为4-氯苯甲酸。氯苯甲酸。v重金属-汞污染与转化 由于汞在工业上的广泛应用，自然界汞的由于汞在工业上的广泛应用，自然界汞的开采量逐年增多。如生产电池、路灯、继电器开采量逐年增多。如生产电池、路灯、继电器等工业都需要汞；生产氯乙烯塑料

17、和乙醛也都等工业都需要汞；生产氯乙烯塑料和乙醛也都要用氯化汞作催化剂；很多化学农药中亦含有要用氯化汞作催化剂；很多化学农药中亦含有无机汞或有机汞。因此，含汞污染物质不断地无机汞或有机汞。因此，含汞污染物质不断地排入环境，从而造成了汞的污染。排入环境，从而造成了汞的污染。 v汞的化学转化汞的化学转化 汞能在中性水溶液内，用甲基钴氨素作为甲基供体汞能在中性水溶液内，用甲基钴氨素作为甲基供体，完全以非生物反应进行甲基化。这一反应可快速且定，完全以非生物反应进行甲基化。这一反应可快速且定量进行，而且在好氧和厌氧条件下都能进行。有人曾用量进行，而且在好氧和厌氧条件下都能进行。有人曾用一种产甲烷细菌的无细

18、胞抽提液进行试验，由于有这类一种产甲烷细菌的无细胞抽提液进行试验，由于有这类菌合成的甲基钴氨素作为甲基供体，并在菌合成的甲基钴氨素作为甲基供体，并在ATP和一种酶和一种酶还原剂存在的条件下，甲基钴氨素中的甲基向二价汞转还原剂存在的条件下，甲基钴氨素中的甲基向二价汞转移，形成甲基汞和二甲基汞，同时甲基钴氨素转化成羟移，形成甲基汞和二甲基汞，同时甲基钴氨素转化成羟基钴氨素。以后又进一步发现，在无还原剂和细胞抽提基钴氨素。以后又进一步发现，在无还原剂和细胞抽提液的情况下，只要给以甲基供体液的情况下，只要给以甲基供体甲基钴氨素，也能甲基钴氨素，也能发生完全是非生物学汞的甲基化过程。此外，在有氯化发生完

19、全是非生物学汞的甲基化过程。此外，在有氯化汞和乙酸存在时，在甲基锡化合物作用下，也能发生汞汞和乙酸存在时，在甲基锡化合物作用下，也能发生汞的非酶甲基化作用。的非酶甲基化作用。v汞的生物学转化汞的生物学转化 在自然界中，有些微生物可转化汞，可把元素汞和在自然界中，有些微生物可转化汞，可把元素汞和离子汞转化为甲基汞和二甲基汞。离子汞转化为甲基汞和二甲基汞。Hg0Hg2CH3Hg或或HgHg2CH3HgCH3 二甲基汞在酸性条件下能转化为甲基汞。汞的转化二甲基汞在酸性条件下能转化为甲基汞。汞的转化一般是通过细菌的作用。微生物利用底物中的维生素、一般是通过细菌的作用。微生物利用底物中的维生素、甲基维生素甲基维生素B12，在细胞内的甲基转移酶作用下，促使，在细胞内的甲基转移酶作用下，促使甲基转移而形成甲基汞。甲基转移而形成甲基汞。 产甲烷细菌具有将元素汞和离子汞转化为甲基汞的产甲烷细菌具有将元素汞和离子汞转化为甲基汞的能力。由于甲基汞对生物毒性很强，而产甲烷细菌又常能力。由于甲基汞对生物毒性很强，而产甲烷细菌又常存在于含无机汞较多的水体底部淤泥中，因此，产甲烷存在于含无机汞较多的水体底部淤泥中，因此，产甲烷细菌的活动使受汞污染的水域汞害大大加剧。细菌的活动使受汞污染的水域汞害大大加剧。 汞循环的可能途径汞循环的可能途径