1、微生物对有机污染物的降解与转化,第一节 污染物的生物降解性,生物降解指由生物对污染物进行的分解或降解。降解将复杂有机物分解为简单物质的过程。终极降解微生物把有机物分解产生无机物CO2和H2O的过程。,有机污染物生物降解分类：,可生物降解性复杂有机物在微生物作用下 分解为简单物质的可能性。依可生物降解性的大小可将所有的物质范围：可生物降解性物质：如淀粉、蛋白质难生物降解性物质：如纤维素不可生物降解性物质：尼龙、塑料（？）,有机污染物生物降解性的测定方法及意义,（一）可生物降解性测定方法有： 1、耗氧量测定： 通过用瓦氏呼吸仪测定的耗氧量可以计算3个指标：生物氧化率耗氧量与其理论完全需氧量之比。受
2、降解条件的影响,呼吸曲线内源呼吸曲线与外源呼吸曲线的相对位置。,生化呼吸线位于内源呼吸线之上，说明该有机物可能被微生物氧化分解。两条呼吸线之间的距离越大，说明该有机物的生物降解性越好,两条线基本重合，说明该有机物不能被微生物氧化分解，但对微生物的生命活动无抑制作用,生化呼吸线位于内源呼吸线之下，说明该有机物对微生物产生了明显的抑制作用。生化呼吸线越接近横坐标，表明毒害越大，此时细菌已几乎停止呼吸，濒于死亡,相对耗氧速率有外源物质存在时，单位生物量在单位时间内的耗氧量与内源呼吸的耗氧速率之比。,a.底物无毒，但不能被微生物所利用。b.底物无毒，能被微生物所利用c.底物有毒，可被微生物利用，但在浓
3、度较高的情况下对微生物发生抑制作用。d.底物有毒，不能被微生物所利用。,2、降解实验 接种微生物后，通过一定时间的培养，培养液中污染物含量的减少与原始浓度之比即为降解率。3、 BOD5/CODCr 0.45，生化性较好； 0.30，可生化； 0.30，较难生化；（但如果BOD5较高，仍可采用 生化方法） 0.25，不宜生化。,（2）烃类化合物,（3）主链上个别碳原子被其他元素所取代会增加对生物氧化的抵抗力,越大越难降解,3.有机物的结构与生物降解性,（1）分子量大小,a 稀烃 烷烃 芳烃 多环芳烃 脂环烃 b 正构烷烃 异构烷烃 c 直链烷烃 支链烷烃 d 烷基苯 多环化合物 苯,当主链上的C
4、被O、S、N、取代时，难降解，其中氧的影响最显著 (醚类化合物较难生物降解)。,每个C原子上至少保持一个氢碳键的有机化合物,对生物氧化的阻抗较小;而当C原子上的H都被烷基或芳基所取代时,该碳原子被称为4级碳原子,会形成生物氧化的阻抗物质。,碳氢键,（4）取代基的位置、种类、数量及碳链长短,苯环上的氢被羟基或氨基取代（苯酚或苯胺 ）：生物降解比苯提高 卤代：使生物降解性降低，尤其是间位取代的苯环,抗生物降解更明显.,官能团的性质及数量,1.微生物分解常见有机物的作用,第二节 微生物对有机污染物的降解与转化,有机物的净化过程的三阶段,净化本质微生物转化有机物为无机物依靠好氧分解与厌氧分解,微生物分
5、解有机物的作用可总括成如下图式：,好氧生物分解,厌氧生物分解,1.微生物分解有机物的作用,细菌是其中的主力军原理：好氧有机物呼吸,C CO2 + 碳酸盐和重碳酸盐H H2ON NH3 HNO2 HNO3S H2SO4P H3PO4, 矿化盐,（1）好氧分解,厌氧细菌原理：发酵、厌氧无机盐呼吸,C RCOOH（有机酸）CH4 + CO2N RCHNH2COOH NH3（臭味） + 有机酸（臭味）S H2S（臭味）P PO43-,（2）厌氧分解,纤维素的分解,淀粉的分解,例子：,含氮污染物的分解,蛋白质,2、难降解危险化合物的分解,具有新颖结构的合成化合物往往对微生物的降解表现出抗逆性，其原因可能
6、是这些化合物进入自然界的时间比较短，微生物界还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。这些化合物大多数对环境具有毒害作用，故称之危险性化合物。,难降解危险性化合物的定义, 种类,烃类化合物、人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等,农药,石油,洗涤剂,多氯联苯,氰和腈,危险性化合物的分解,（2） 降解性质粒,降解难降解化合物的酶类大多是由质粒控制的，这类质粒被称为降解质粒。,难降解有机物生物降解的主要原理：,（1）共代谢,共代谢微生物处在能生长的基质中时，同时能将原来不能利用的物质氧化的现象。共代谢的方式：依靠其他物质提供能量；依靠其他微生物的协同作用；先经相似物诱导产生诱导酶，
7、使污染物得以降解。,不导致细胞质量或能量的增加，不促进其本 身的生长； 使有机物得到修饰或转化，但不能使其分子完全分解。,微生物在利用生长基质A时（从中获得能量、碳源），同时非生长基质B（不能从中获得能量、碳源或其他任何营养）也伴随着发生氧化或其它反应共代谢,共代谢,共代谢原理靠降解其它有机物提供能源或碳源；依靠其他微生物的协同作用；相似物诱导产生相应的诱导酶，被转化为不完全氧化产物。,本质：最初的酶系作用的底物专一性较低（ E1），后面酶系作用的底物专一性较高（ E2 ），无法识别前面酶系的产物( B)。,E1 E2 E3 A B C D E CO2+能量 E1 E2 AB,（3）混合菌株作
8、用（混合培养）,矿化 也称终极生物降解，指有机物生物降解为二氧化碳和水的过程。,在自然界，第一个菌株的共代谢产物可在第二个菌株的作用下继续共代谢或完全矿化。,混合培养菌株的降解能力大大高于单个菌株的纯培养。,有机物的转化广义上可以定义为两种： 矿化作用和共代谢作用,混合菌株作用的机制,互生机制,共生机制,单独均可降解，混合培养增加效率 不同微生物产生的酶有差异，共同的作用提高了降解效率,单独不能降解，共同培养可降解,彼此之间为对方提供：生长因子，能利用的碳源，消除有毒中间产物，保持pH平衡，消除反馈抑制等。,（4）共代谢和混合菌株作用意义,大大拓展对难降解有机污染物的作用范围 提高复杂有机污染
9、物的降解率,污染处理时，可以通过诱导共代谢作用的发 生，降解难降解污染物。,给微生物生态系统添加可支持微生物生长的、化学结构与污染物类似的物质，进而诱导共代谢作用的发生。,二、微生物群落的代谢机制,1.提供特殊营养物质 主要是生长因子类物质,假单孢菌属(Pseudomonas),诺卡氏菌属(Nocadia sp.),产生出生物素,Nocadia sp.才具备降解环己烷的能力,两种紧密结合的产甲烷菌群落 （methanobacillus omelianski）：,CH3CH2OH,CH3COOH,+ H2,产氢产乙酸菌,CO2,+ H2,CH4,产 甲 烷 菌,去除生长抑制物质,CH4,假单孢菌
10、,该群落中的其他菌为：黄杆菌、不动小杆菌,氧化,4.对底物的协调利用,单个微生物对某种物质无降解能力，但混合后则能够降解该物质。,除草剂茅草枯的降解,混合菌株的降解率比单个菌株的降解率高20%。,Arthrobacter sp.,杀虫剂二嗪哝的降解,二嗪哝,Streptomyces sp.,Arthrobacter sp. Streptomyces sp.,被降解,节细菌属,链霉菌属,三、影响微生物对物质降解转化作用的因素,（2）生长时期,1.微生物的代谢活性,（1）种类,（3）适应与驯化,驯化 一种定向选育微生物的方法与过程，通过人工措施使微生物逐步适应某特定条件，最后获得具有较高耐受力和代
11、谢活性的菌株。,2.目标化合物特征 有机物的结构与生物降解性的关系3.环境因素,实际应用中，可根据需要调控某些非生物因子，使生物降解或矿化反应达到最佳。,营养,温度,pH,溶解氧,饱和烃 芳香烃 胶质和沥青,直链烷烃最容易被降解；在芳香烃部分中，二环和三环化合物较容易被降解，而含有 四个或更多环的那芳香烃难于被微生物所降解; 胶质和沥青则极难被微生物所降解。, 微生物对烃类化合物的降解 石油的微生物降解机理,芳香烃,烃类化合物,脂肪烃,芳香烃,典型难降解污染物的微生物降解过程,石油的降解机理,A链烷烃的降解 + O2R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH -氧化 CO2
12、+ H2O CH2-COOH + R-COOH,B无支链环烷烃的降解 以环己烷为例,通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，两类以上微生物的协同作用下将污染物 彻底降解共代谢。,C芳香烃,芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。,苯和酚的代谢,苯的代谢,邻苯二酚,真菌,细菌,萘的代谢,菲的代谢,蒽的代谢,酚也是先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下：,微生物对烃类化合物的降解途径小结, 微生物对有机卤代物的降解,卤代芳香烃降解概念：其环被裂为中间代谢物并且其有机卤素被矿化。限速步骤：卤素
13、取代基从有机化合物中的脱离,卤代脂肪烃,卤代芳香烃,有机卤代物,微生物没有直接水解碳-卤素键的酶系,初期，通过还原、水解或氧化分解机理消除卤素。,后期，通过自发脱卤等,（1）脱卤优于开环,（2）先开环后脱卤,好氧条件下,微生物对卤代芳香烃的降解,脱卤优于开环,碳卤素键的开裂与水有关而与O2无关,先开环后脱卤,卤代邻苯二酚,厌氧条件下,厌氧菌能进行一些好氧条件下未发现的特殊脱毒反应,如高氯代芳烃氯酚类,PCB（多氯联苯）,好氧微生物不对高氯联苯起降解或脱氯作用,多氯联苯属于致癌物质，容易累积在脂肪组织，造成脑部、皮肤及内脏的疾病，并影响神经、生殖及免疫系统。,多氯联苯的化学性质非常稳定，很难在自
14、然界分解，属于持久性有机污染物的一类，多用于电力设备，如含有多氯联苯的电容器、电压器等。,PCB（多氯联苯）,被厌氧微生物还原脱氯分步进行，先生成较低氯代的多氯联苯。,由于还原电位的增加，还原的难度也增加，因此厌氧条件下还原脱氯速率随氯取代数目的下降而下降。,4.农药,如杀虫剂、除草剂等化学成分：有卤素、磷酸基、氨基、硝基、羟基及其它取代物的简单烃骨架（有机磷、有机锡、有机氯等）。相比较其它取代基团而言，微生物对卤素取代基往往不适应，因而随着卤素取代基数量的增多，农药的生物可降解性大幅度下降。水中来源：农田土壤的灌溉水或雨水,典型含氮有机物的转化,氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物
15、及硝基化合物 水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危 害：生物毒害 、环境积累A降解这些物质的微生物细 菌紫色杆菌、假单胞菌放线菌诺卡氏菌真 菌氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等,B降解机理,a.氰化物5HCN + 5.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3b.有机腈,担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成为氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。 HCN CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH 甲醛 氨基乙腈 丙氨酸,塑料（聚乙烯和聚苯乙烯）微生物降解新发现,白色污染(White Pollution)：是人们对难降解的塑
16、料垃圾(多指塑料袋)污染环境现象的一种形象称谓。它是指用聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等高分子化合物制成的各类生活塑料制品使用后被弃置成为固体废物，难于降解处理，以致破环境严重污染的现象。,环境科学与技术（Environmental Science and Technology）（ES&T）上两次刊登了美国斯坦福大学吴唯民教授发表的最新文章，提出黄粉虫的肠道细菌可以降解聚苯乙烯制作的塑料，首次以全面的证据揭示了蜡虫肠道内存在有效降解聚乙烯塑料的细菌，这为解决全球塑料污染问题开启了一扇崭新的大门。条黄粉虫每天可吞食至毫克的聚苯乙烯塑料，相当于一小片药片的重量。这些塑料在黄粉虫肠道内停留不到小时，其中约被降解成二氧化碳，小部分被吸收。发现肠道微生物对聚苯乙烯生物降解起决定性的作用。进一步成功分离出可以利用聚苯乙烯作为唯一碳源进行生长的聚苯乙烯降解细菌-微小杆菌YT2（Exiguobacteriumsp. YT2）。该菌株已保存在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心和国家基因库，是国际上报道的第一株保藏在菌种中心的聚苯乙烯降解细菌。该株细菌可在在无碳琼脂固体培养基上的聚苯乙烯膜表面生长生成稳定的生物膜，显著地侵蚀膜表面结构。,
