环境微生物学教学课件-15-1对污染物的降解转化

环境微生物学教学课件环境微生物学教学课件-15-115-1对污染物的降解转化对污染物的降解转化有机污染物生物净化有机污染物生物净化 天然物质、人工合成物质天然物质、人工合成物质天然物质、人工合成物质天然物质、人工合成物质无机污染物生物净化无机污染物生物净化第一节第一节 有机污染物的生物净化机理有机污染物的生物净化机理净化本质净化本质微生物微生物转化有机物为无机物转化有机物为无机物依靠依靠好氧分解与厌氧分解好氧分解与厌氧分解一、好氧分解一、好氧分解一、好氧分解一、好氧分解细菌细菌是其中的主力军是其中的主力军 原理原理原理原理：好氧有机物呼吸好氧有机物呼吸 C CO2 +碳酸盐和重碳酸盐碳酸盐和重碳酸盐 H H2O N NH3 HNO2 HNO3 S H2SO4 P H3PO4 二、厌氧分解二、厌氧分解二、厌氧分解二、厌氧分解厌氧细菌厌氧细菌 原理：原理：原理：原理：发酵、厌氧无机盐呼吸发酵、厌氧无机盐呼吸无毒无臭！无毒无臭！矿化盐矿化盐C RCOOH（有机酸）（有机酸）CH4+CO2N RCHNH2COOH NH3（臭味臭味臭味臭味）+有机酸（有机酸（臭味臭味臭味臭味）S H2S（臭味臭味臭味臭味）P PO43-水体自净的天然过程中水体自净的天然过程中水体自净的天然过程中水体自净的天然过程中厌氧分解（开始厌氧分解（开始）好氧分解（后续）好氧分解（后续）第二节第二节 各类有机污染物的转化各类有机污染物的转化 一、碳源污染物的转化一、碳源污染物的转化一、碳源污染物的转化一、碳源污染物的转化包括包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等合物等。（一）糖类污染物（一）糖类污染物（一）糖类污染物（一）糖类污染物提问：提问：哪些糖类会成为污染物？哪些糖类会成为污染物？难难溶溶的的多多糖糖，且且当当一一些些难难溶溶解解的的多多糖糖数数量量较较大大时时才才会会使使自自净净时时间间大大大大增增加加，从从而而对对环环境境造造成成污污染染。这这类类多多糖主要是糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。1纤维素的转化纤维素的转化葡葡 萄萄 糖糖 高高 聚聚 物物，每每 个个 纤纤 维维 素素 分分 子子 含含140010000个葡萄糖基（个葡萄糖基（1-4糖苷键）。糖苷键）。来来来来源源源源：棉棉纺纺印印染染废废水水、造造纸纸废废水水、人人造造纤纤维维废废水及城市垃圾等水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。，其中均含有大量纤维素。A微生物微生物分解途径分解途径B分解纤维素的微生物分解纤维素的微生物好氧细菌好氧细菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌厌氧氧细细菌菌产产纤纤维维二二糖糖芽芽孢孢梭梭菌菌、无无芽芽孢孢厌厌氧氧分分解解菌菌及嗜热纤维芽孢梭菌。及嗜热纤维芽孢梭菌。放放 线线 菌菌链霉菌属。链霉菌属。真真 菌菌青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。需要时可以向需要时可以向有菌种库的研究机构购买有菌种库的研究机构购买或或自行筛选自行筛选。2半纤维素的转化半纤维素的转化存存在在于于植植物物细细胞胞壁壁的的杂杂多多糖糖。造造纸纸废废水水和和人人造造纤纤维维废废水水中含半纤维素。中含半纤维素。分解过程分解过程分解过程分解过程 TCA循环循环 聚糖酶聚糖酶 CO2+H2O 半纤维素半纤维素 单糖单糖+糖醛酸糖醛酸 H2O 各种发酵产物各种发酵产物 厌氧分解厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许许多多芽芽孢孢杆杆菌菌、假假单单胞胞菌菌、节节细细菌菌及及放放线线菌菌能能分分解解半半纤纤维维素素。霉霉菌菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？确证的只有确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的，疑似的有有软腐菌。软腐菌。黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌黄孢原平毛革菌(Phanerochaete chrysosprium)是是白腐真菌白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。丝核菌科。白腐白腐树皮上木质素被该菌分树皮上木质素被该菌分解后漏出解后漏出白色白色的纤维素部分。的纤维素部分。*木质素降解的意义何在呢？木质素降解的意义何在呢？3木质素的转化木质素的转化（二）油脂的转化（二）油脂的转化水水中中来来源源：毛毛纺纺、毛毛条条厂厂废废水水、油油脂脂厂厂废废水水、肉肉联联厂厂废废水水、制制革革厂废水含有大量油脂厂废水含有大量油脂降解油脂较快的微生物：降解油脂较快的微生物：细细 菌菌 荧荧光光杆杆菌菌、绿绿脓脓杆杆菌菌、灵杆菌灵杆菌丝状菌丝状菌 放线菌、分支杆菌放线菌、分支杆菌真真 菌菌 青霉、乳霉、曲霉青霉、乳霉、曲霉途径：途径：水解水解+氧化氧化（三）石油的转化（三）石油的转化提问：提问：什么是石油？什么是石油？石石油油是是含含有有烷烷烃烃、环环烷烷烃烃、芳芳香香烃烃及及少少量量非非烃烃化化合合物物的的复复杂杂混混合合物物。石石油油污污染染主主要要出出现现在在采采油油区区和和石石油油运运输输事事故现场故现场以及以及石化行业的工业废水石化行业的工业废水中。中。1 1石油成分的生物降解性石油成分的生物降解性石油成分的生物降解性石油成分的生物降解性与分子结构有关与分子结构有关A A链长度链长度链长度链长度 链中等长度（链中等长度（C10C24）链很长的（）链很长的（C24以上）以上）短链短链 （*？）？）B B链结构链结构链结构链结构 直链直链?支链支链 不饱和不饱和?饱和饱和 烷烃烷烃?芳烃芳烃 链末端有季碳原子链末端有季碳原子（四周都与（四周都与C相连）相连）的烃以及的烃以及多环多环芳烃极难降解芳烃极难降解 2降解石油的微生物降解石油的微生物降解石油的微生物很多，降解石油的微生物很多，据报道有据报道有200多种多种细细 菌菌 假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌放线菌 诺卡氏菌诺卡氏菌酵母菌酵母菌 假丝酵母假丝酵母霉霉 菌菌 青霉属、曲霉属青霉属、曲霉属藻藻 类类 蓝藻和绿藻蓝藻和绿藻3石油的降解机理石油的降解机理A A链烷烃的降解链烷烃的降解链烷烃的降解链烷烃的降解 +O2R-CH2-CH2-CH3 R-CH2-CH2-COOH-氧化氧化 CO2+H2O CH2-COOH +R-COOHB B无支链环烷烃的降解无支链环烷烃的降解无支链环烷烃的降解无支链环烷烃的降解 以环己烷为例以环己烷为例 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，环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，两类以上微生物的两类以上微生物的协同作协同作协同作协同作用用用用下将污染物下将污染物 彻底降解彻底降解共代谢共代谢。C C芳香烃芳香烃芳香烃芳香烃芳芳香香烃烃普普遍遍具具有有生生物物毒毒性性，但但在在低低浓浓度度范范围围内内它它们们可可以不同程度的被微生物分解。以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烃的细菌类别已知降解不同芳香烃的细菌类别 苯和酚的代谢苯和酚的代谢苯和酚的代谢苯和酚的代谢苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示 苯的代谢苯的代谢苯的代谢苯的代谢萘萘萘萘的的的的代代代代谢谢谢谢菲的代谢菲的代谢菲的代谢菲的代谢蒽的代谢蒽的代谢蒽的代谢蒽的代谢酚也是酚也是先被氧化为邻苯二酚先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下的后半段是相同的，可表示如下提问：提问：为什么这些有机物难于生物降解？为什么这些有机物难于生物降解？微生物缺乏相应的水解酶微生物缺乏相应的水解酶（四）（四）人工合成的难降解有机化合人工合成的难降解有机化合 物的生物降解物的生物降解难难对于自自然然生生态态环环境境系统,如果一种化合物滞留可可达达几几个个月月或或几几年年之久,或在人人工工生生物物处处理理系系统统,几小时或几天之内还未能被分解或消除几小时或几天之内还未能被分解或消除种种类类：稳稳定定剂剂、表表面面活活性性剂剂、人人工工合合成成的的聚聚合合物物、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。1.1.氯苯类氯苯类氯苯类氯苯类用用 途途：稳稳定定剂剂（润润滑滑油油、绝绝缘缘油油、增增塑塑剂剂、油油漆、热载体、油墨等都含有）漆、热载体、油墨等都含有）危危 害害：急急性性中中毒毒，是是一一种种致致癌癌因因子子（米米糠糠油油事件）事件）降降 解解 菌菌：产产碱碱杆杆菌菌、不不动动杆杆菌菌、假假单单胞胞菌菌、芽芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体通过通过通过通过共代谢共代谢完成氯苯的完全降解完成氯苯的完全降解完成氯苯的完全降解完成氯苯的完全降解。2 2洗涤剂洗涤剂洗涤剂洗涤剂可分为可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。四类。我我国国目目前前生生产产的的洗洗涤涤剂剂属属于于阴阴阴阴离离离离子子子子型型型型烷烷烷烷基基基基苯苯苯苯磺磺磺磺酸酸酸酸钠钠钠钠。较较早早开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：）：ABSABS甲基分支干扰生物降解甲基分支干扰生物降解，链末端与，链末端与4个碳原子相连的季碳个碳原子相连的季碳原子抗攻击的能力更强原子抗攻击的能力更强。危害：危害：ABS可以在天然水体中可以在天然水体中存留存留800h以上以上，使这得接，使这得接纳他的水体长时间保持，纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫产生大量泡沫，引起水体缺氧。，引起水体缺氧。为使洗涤剂易于生物降解，人们将为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线的结构改变为线性的直链性的直链烷基苯磺酸盐（烷基苯磺酸盐（烷基苯磺酸盐（烷基苯磺酸盐（LASLAS）：）：）：）：由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。ABSABSA A降解洗涤剂的微生物降解洗涤剂的微生物降解洗涤剂的微生物降解洗涤剂的微生物细细 菌菌假假单单胞胞菌菌、邻邻单单胞胞菌菌、黄黄单单胞胞菌菌、产产碱碱单单胞胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌放线菌放线菌诺卡氏菌诺卡氏菌由由于于这这些些微微生生物物的的作作用用，虽虽然然每每年年排排放放入入环环境境中中的的洗洗涤涤剂剂数数量量逐逐年年递递增增，但但环环境境中中并并没没有有发发生生洗洗涤涤剂剂的的明明显显增增加加。因因而而洗洗涤涤剂剂一一般般不不会会引引起起环环境境的的有有机机污污染染。洗洗涤涤剂剂目目前前存存在在的的问问题题主主要要是是洗洗涤涤剂剂中中的的添添加加剂剂聚聚磷磷酸酸盐盐造造成成的的水水体体富富营营养养化化问问题题。B B洗涤剂的降解机理洗涤剂的降解机理洗涤剂的降解机理洗涤剂的降解机理对微生物无影响对微生物无影响（1）.土地板结土地板结（2）.被被海海鸟鸟及及海海洋洋哺哺乳乳动动物物误误食食，致致使使这这些些动动物物消消化化系系统统停停滞滞，引引起起死死亡亡。具具报报道道每每年年海海洋洋中中死死于于废废弃弃塑塑料料的的海海鸟鸟和和海海洋洋哺哺乳乳动动物，数目之多令人触目惊心。物，数目之多令人触目惊心。（3）.影响景观影响景观目目前前发发现现能能降降解解塑塑料料的的微微生生物物，种种类类很很少少，而而且且降降解解速速度度缓缓慢慢。他他们们主主要要是是细细细细菌菌菌菌、放放放放线线线线菌菌菌菌、曲曲曲曲霉霉霉霉中中中中的的的的某某某某些些些些成员成员成员成员。3.塑料塑料塑料在环境中积累有哪些危害？塑料在环境中积累有哪些危害？危害：危害：白色污染白色污染提问：提问：如何解决塑料的难降解问题？如何解决塑料的难降解问题？（1）限制使用不可降解塑料）限制使用不可降解塑料（2）开发可降解塑料开发可降解塑料开发可降解塑料开发可降解塑料 光降解、高填充碳酸钙、填充淀粉、淀粉改性塑光降解、高填充碳酸钙、填充淀粉、淀粉改性塑料、料、化学合成或用微生物、转基因植物直接生产化学合成或用微生物、转基因植物直接生产可生物降解的塑料；可生物降解的塑料；*如何制造完全生物可降解塑料？有哪些种类？发展前景如何？4.农药农药如如杀虫剂、除草剂等杀虫剂、除草剂等化化学学成成分分：有有卤卤素素、磷磷酸酸基基、氨氨基基、硝硝基基、羟羟基基及及其其它取代物的简单烃骨架它取代物的简单烃骨架（有机磷、有机锡、有机氯等）。（有机磷、有机锡、有机氯等）。相相比比较较其其它它取取代代基基团团而而言言，微微生生物物对对卤卤素素取取代代基基往往往往不不适适应应，因因而而随随着着卤卤素素取取代代基基数数量量的的增增多多，农农药药的的生生物物可可降降解解性性大大幅幅度度下下降降。水中来源：水中来源：农田土壤的灌溉水或雨水农田土壤的灌溉水或雨水危害：危害：生物毒性生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸变）（急性、慢性、致癌、致畸变）最典型的一个例子就是杀虫剂最典型的一个例子就是杀虫剂DDT（二氯二苯三氯乙烷），（二氯二苯三氯乙烷），由于氯由于氯代基数量大，在自然界的半衰期长达半年以上，由于代基数量大，在自然界的半衰期长达半年以上，由于DDT不溶于水不溶于水而易溶于脂肪，因而可在动物脂肪组织中堆积，并沿着食物链在逐而易溶于脂肪，因而可在动物脂肪组织中堆积，并沿着食物链在逐级向上不断积累，引起生物各种急慢性中毒。级向上不断积累，引起生物各种急慢性中毒。降解农药的微生物：降解农药的微生物：细细细细 菌菌菌菌 假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌 放线菌放线菌放线菌放线菌 诺卡氏菌诺卡氏菌诺卡氏菌诺卡氏菌 真真真真 菌菌菌菌 曲霉曲霉曲霉曲霉这些微生物这些微生物往往往往需共代谢需共代谢需共代谢需共代谢将农药逐级降解将农药逐级降解。二、氮源有机污染物的转化二、氮源有机污染物的转化蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。（一）蛋白质的转化（一）蛋白质的转化（一）蛋白质的转化（一）蛋白质的转化水水中中来来源源：生生活活污污水水、屠屠宰宰废废水水、罐罐头头食食品品加加工工废废水水、制革废水等制革废水等1 1降解蛋白质的微生物降解蛋白质的微生物降解蛋白质的微生物降解蛋白质的微生物种类很多种类很多好好 氧氧 细细 菌菌 链球菌和葡萄球菌链球菌和葡萄球菌好好氧氧芽芽孢孢细细菌菌枯枯草草芽芽孢孢杆杆菌菌、巨巨大大芽芽孢孢杆杆菌菌、蜡蜡状状芽芽孢孢杆杆菌菌及及马马铃铃薯薯芽孢杆菌芽孢杆菌 兼兼 性性 厌厌 氧氧 菌菌变形杆菌、假单胞菌变形杆菌、假单胞菌 厌厌 氧氧 菌菌腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌放线菌)。2 2降解机理降解机理降解机理降解机理反硝化反硝化N23.3.典型含氮有机物的转化典型含氮有机物的转化典型含氮有机物的转化典型含氮有机物的转化氰氰化化物物、乙乙腈腈、丙丙腈腈、正正丁丁腈腈、丙丙烯烯腈腈等等腈腈类类化化合合物物及及硝基化合物硝基化合物 水中来源：水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危危 害：害：生物毒害生物毒害、环境积累、环境积累A A降解这些物质的微生物降解这些物质的微生物降解这些物质的微生物降解这些物质的微生物细细 菌菌紫色杆菌、假单胞菌紫色杆菌、假单胞菌放线菌放线菌诺卡氏菌诺卡氏菌真真 菌菌氧氧化化性性酵酵母母菌菌和和霉霉菌菌中中的的赤赤霉霉菌菌(茄茄科科病病镰镰刀刀霉霉)、木霉及担子菌等、木霉及担子菌等 B B降解机理降解机理降解机理降解机理a.a.氰化物氰化物氰化物氰化物5HCN+5.5O2 5CO2+H2O+5NH3b.b.有机腈有机腈有机腈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缩合成为氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。HCN CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH 甲醛甲醛甲醛甲醛 氨基乙腈氨基乙腈氨基乙腈氨基乙腈 丙氨酸丙氨酸丙氨酸丙氨酸