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

第十章 微生物 对难降解物质的降解与转化 第十章微生物对难降解物质的降解与转化研研究究有有机机污污染染物物的的生生物物降降解解性性，有有助助于于深深入入认认识识污污染染物物在在环环境境中中的的迁迁移移转转化化规规律律和和了了解解这这些些污污染染物物对对自自然然界界物物质质转转化化循循环环的的影影响响程程度度，从从而而为为控控制制污污染染，保保护护环环境境提提供供理理论论上上的的依依据据。此此外外，这这项项研研究究与与保保护护人类健康和自然界生态平衡有密切关系人类健康和自然界生态平衡有密切关系污染物的生物降解 污染物的生物降解生物降解度生物降解度根根据据污污染染物物生生物物降降解解进进行行的的程程度度，可可将将其其分分为三种（或为三种（或3个阶段）。个阶段）。1）初初级级生生物物降降解解是是指指有有机机污污染染物物在在微微生生物物的的作作用用下下，母母体体化化合合物物的的化化学学结结构构发发生生变变化化，并并改改变变了了原原污污染染物物分分子子的的完完整整性性，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。有机污染物的生物降解性 生物降解度有机污染物的生物降解性2)环环境境容容许许的的生生物物降降解解是是指指可可去去除除有有机机污污染染物物的的毒毒性性或或人人们们所所不不希希望望的的特特性性，如如表表面面活活性性剂剂的的降降解解过过程程中中那那种种使使其其失失去去起起泡泡作作用用的的降解。降解。3)最最终终生生物物降降解解是是指指有有机机污污染染物物向向无无机机物物转转化化，完完全全被被降降解解成成CO2、H2O和和其其他他无无机机物，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。污染物的生物降解 2)环境容许的生物降解是指可去除有机污染根根据据有有机机污污染染物物与与微微生生物物的的相相互互关关系系可可以将有机污染物分为以将有机污染物分为4类。类。v可可以以立立即即被被微微生生物物利利用用作作为为营营养养和和能能量量来来源的源的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污染物的生物降解 根据有机污染物与微生物的相互关系可以将有机污前前3种种有有机机污污污污染染物物的的生生物物降降解解过程如图过程如图 前3种有机污污染物的生物降解过程如图1）可可以以立立即即被被微微生生物物利利用用作作为为营营养养和和能能量量来来源源的的，包包括括糖糖、Pr(AA)、脂脂肪肪酸酸和和一一些些涉涉及及典典型型代代谢途径的污染物。谢途径的污染物。2)能能够够逐逐步步被被微微生生物物分分解解利利用用的的，此此类类污污染染物物的的生生物物降降解解需需要要一一个个驯驯化化期期，在在些些期期间间有有机机污污染染物物很很少少或或根根本本不不发发生生生生物物降降解解，故故随随时时间间的的变变化化曲曲线线中中明明显显地地有有一一个个滞滞后后期期，它它表表示示微微生生物物对对有有机机污污染染物物的的适适应应过过程程所所需需要要的的时时间间。一一般般将将微微生生物物从从开开始始接接触触有有机机化化合合物物到到有有机机化化合合物物被被明明显显分分解解的的这这段段时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。污染物的生物降解 1）可以立即被微生物利用作为营养和能量来源的，包括第十章-微生物对难降解物质的降解与转化污染控制微生物课件其其原原因因在在于于：在在微微生生物物混混合合群群落落中中污污染染物物的的加加入入实实际际上上是是在在定定向向地地选选择择那那些些能能够够吸吸收收和和降降解解污污染染物物基基质质的的微微生生物物种种属属；这这时时滞滞后后期期是是由由于于特特定定降降解解微微生生物物的的指指数数生生长长特特性性；同同时时，微微生生物物对对污污染染物物也也有有一一个个选选择择过过程程，所所谓谓巴巴斯斯德德效效应应。微微生生物物对对污污染染物物的的适适应应要要通通过过诱诱导导酶酶的的合合成成，而而且且需需要要合合成成必必需需的的辅辅酶酶或或中中间间代代谢谢产物。产物。污染物的生物降解 其原因在于：在微生物混合群落中污染物的加入实际上是在定向地污染物的生物降解 污染物的生物降解3)生生物物降降解解十十分分缓缓慢慢或或者者根根本本就就不不能能降降解解的的，它它包包括括一一些些天天然然高高分分子子物物质质以以及及许许多多人人类类起起源源的的有有机机化化合合物物，如如有有机机氯氯化化化化物物。对对这这类类物物质质可可以以通通过过其其他他方方式式使使其其转转化化为为可可生生物物降降解解的的物物质质，如如O3氧氧化化，给给水水处处理理中中的的O3-GAC或或O3-BAC法即依据此原理。法即依据此原理。污染物的生物降解 3)生物降解十分缓慢或者根本就不能降解的，它包括一些天4)可可以以通通过过共共代代谢谢作作用用分分解解的的，共共代代谢谢，又又称称共共氧氧化化、联联合合氧氧化化，有有的的称称为为辅辅助助代代谢谢，是是指指微微生生物物在在它它有有可可利利用用的的唯唯一一碳碳源源存存在在时时，对对原原来来不不能能利利用用的的物物质质也也能能分分解解代代谢谢的的现现象象。是是由由美美国国德德克克萨萨大大学学的的二二位位学学者者发发现现，如如甲甲烷烷假假单单胞胞菌菌唯唯一一能能利利用用的的碳碳源源是是CH4，但但如如果果有有CH4存存在在时时加加入入C3H8、C4H10时时，则则该该菌菌也也能能将将这这些些烃烃类类部部分分氧氧化化为为乙乙酸酸，丙丙酸酸和和丁酸。丁酸。污染物的生物降解 4)可以通过共代谢作用分解的，共代谢，又称共氧化、联合氧化，在在自自然然界界中中有有巨巨大大数数量量的的微微生生物物种种群群，这这些些微微生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。微微生生物物降降解解有有机机物物质质能能力力的的多多样样性性，给给利利用用微微生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。微微生生物物分分解解有有机机污污染染物物的的能能力力很很强强，如如果果能能把把这这种潜力发掘出来，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。微生物降解有机污染物的潜能 在自然界中有巨大数量的微生物种群，这些微生物种群对有机物的降自自然然界界中中的的纤纤维维素素主主要要来来源源于于稻稻草草，树树木木、蔗蔗渣渣、芦芦苇苇、野野生生植植物物等等。我我国国仅仅非非木木材材纤纤维维年年产产量量就就超超过过11012kg。这这些些非非木木材材纤纤维维以以及及大大量量的的木木材材加加工工剩剩余余物物，都都是是取取之之不不尽尽的的天天然然高高分分子子原原料料和和能能源源。由由于于纤纤维维素素具具有有水水不不溶溶性性的的高高结结晶晶构构造造,其其外外围围又又被被木木质质素素层层包包围围着着,要要把把它它水水解解成成可可利利用用的的葡葡萄萄糖糖相相当当困困难难,所所以以到到目目前前为为止止仍仍没没有有得得到到很很好好地利用地利用.第二节 微生物对自然界中难降解物质的分解与转化 自然界中的纤维素主要来源于稻草，树木、蔗渣纤维素的结构纤维素的结构纤纤维维素素是是一一种种复复杂杂的的多多糖糖，由由1.4葡葡萄萄糖糖苷苷键键形形成成的的长长链链，每每个个纤纤维维素素分分子子大大约约有有800010000个个葡葡萄萄糖糖残残基基组组成成。链链与与链链之之间间以以氢氢键键连连接接起起来来。植植物物纤纤维维素素外外围围还还包包裹裹着着其其他他高高分子物质。分子物质。纤维素的结构纤维素是一种复杂的多糖，由植物纤维素的结构图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)的两种微生物对自然界中难降解物质的分解与转化（1）-1,4葡聚糖酶又叫Cx酶，它不能水解天（2）-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。（2）-葡萄糖苷酶可水解纤维二糖、纤维三糖及低分子量微生物对自然界中难降解物质的分解与转化 纤维素分解过程纤维素分解过程微生物对自然界中难降解物质的分解与转化纤维素分解过程烃类化合物的分解烃类化合物的分解第三节 微生物对石油化工废水中烃类化合物的分解与转化 烃类化合物的分解第三节微生物对石油化工废水中烃类化合物的分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。芳香族化合物的分解微生物分解芳香族化合物的方式有两种：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芳芳香香族族化化合合物物中中大大部部分分被被微微生生物物作作用用去去掉掉环环上上的的侧侧链链基基团团，使使之之转转变变成成儿儿茶茶酚酚或或原原儿儿茶茶酸，酸，微生物对烃类化合物的分解与转化 微生物分解芳香族化合物的方式有两种：微生物对烃类化合物的分解第十章-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过去去使使用用农农药药在在提提高高农农产产品品产产量量、保保护护秧秧苗苗、保保护护森森林林资资源源、农农产产品品贮贮存存等等方方面面也也起起过过积积极极作作用用。但但是是就就在在农农药药为为人人类类造造福福的的同同时时，也也污污染染了了人人类类生生存存的的环环境境，又又给给人人类类带带来来严严重重的的危危害害。因因为为农农药药的的毒毒性性很很强强，又又很很稳稳定定，很很难难被被微微生生物物降降解解。年年复复一一年年，大大量量的的农农药药倾倾入入环境，所以在环境中有大量的农药积累。环境，所以在环境中有大量的农药积累。农农药药还还可可以以从从土土壤壤中中进进入入大大气气和和水水体体，通通过过食食物物链链进进入入人人体体。尤尤其其是是那那些些化化学学性性质质稳稳定定，在在环环境境中中不不易易分分解的有机氯农药。解的有机氯农药。微生物对合成有机物的分解与转化 合成洗涤剂的降解微生物对合成有机物的分解与转化微微生生物物对对农农药药的的作作用用方方式式是是多多种种多多样样，可可以以归归纳为六种作用类型：纳为六种作用类型：v去去毒毒作作用用农农药药分分子子被被微微生生物物作作用用后后变变有有毒毒为无毒。为无毒。v降降解解作作用用将将复复杂杂的的农农药药化化合合物物转转变变为为简简单单化化合合物物，或或者者彻彻底底分分解解为为CO2和和H2O及及NH3、Cl-。如如果果完完全全被被分分解解成成无无机机化化合合物物，即即称称为为农药的矿化。农药的矿化。微生物对合成有机物的分解与转化 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：微v活活化化作作用用将将无无毒毒的的物物质质转转化化为为有有毒毒的的农农药药。如如除除草草剂剂2，4-D丁丁酸酸、杀杀虫虫剂剂甲甲拌拌磷磷，是是经经土土壤壤中中微微生生物物作作用用后后的的代代谢谢产产物物，对对杂杂草草及及昆昆虫虫有有毒害作用。毒害作用。v失失去去活活性性本本来来是是一一个个无无毒毒的的有有机机分分子子，在在微微生生物物作作用用下下可可以以成成为为农农药药，但但有有的的微微生生物物能能将将这这样样的的分分子子转转化化为为另另一一无无毒毒分分子子，使使其其再再不不能能被被活活化成为农药。化成为农药。微生物对合成有机物的分解与转化 活化作用将无毒的物质转化为有毒的农药。如除草剂2，4-Dv结结合合、复复合合或或加加成成作作用用微微生生物物的的细细胞胞代代谢谢产产物物与与农农药药结结合合，形形成成更更为为复复杂杂的的物物质质。如如将将氨氨基基酸酸、有有机机酸酸、甲甲基基或或者者其其它它基基团团加加在在作作用用的底物上。这些作用过程也常常是解毒作用。的底物上。这些作用过程也常常是解毒作用。v改改变变毒毒性性谱谱某某些些农农药药对对一一类类有有机机体体有有毒毒，但但是是它它们们被被微微生生物物代代谢谢后后，得得到到的的产产物物能能抑抑制制完完全全不不同同的的另另一一类类有有机机体体，毒毒性性谱谱发发生生了了改改变变。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。微生物对合成有机物的分解与转化 结合、复合或加成作用微生物的细胞代谢产物与农药结合，形成v重金属-汞污染与转化由由于于汞汞在在工工业业上上的的广广泛泛应应用用，自自然然界界汞汞的的开开采采量量逐逐年年增增多多。如如生生产产电电池池、路路灯灯、继继电电器器等等工工业业都都需需要要汞汞；生生产产氯氯乙乙烯烯塑塑料料和和乙乙醛醛也也都都要要用用氯氯化化汞汞作作催催化化剂剂；很很多多化化学学农农药药中中亦亦含含有有无无机机汞汞或或有有机机汞汞。因因此此，含含汞汞污污染染物物质质不不断断地地排入环境，从而造成了汞的污染。排入环境，从而造成了汞的污染。第五节 微生物对无机污染物的转化 重金属-汞污染与转化第五节微生物对无机污染物的转化v汞的化学转化汞的化学转化汞汞能能在在中中性性水水溶溶液液内内，用用甲甲基基钴钴氨氨素素作作为为甲甲基基供供体体，完完全全以以非非生生物物反反应应进进行行甲甲基基化化。这这一一反反应应可可快快速速且且定定量量进进行行，而而且且在在好好氧氧和和厌厌氧氧条条件件下下都都能能进进行行。有有人人曾曾用用一一种种产产甲甲烷烷细细菌菌的的无无细细胞胞抽抽提提液液进进行行试试验验，由由于于有有这这类类菌菌合合成成的的甲甲基基钴钴氨氨素素作作为为甲甲基基供供体体，并并在在ATP和和一一种种酶酶还还原原剂剂存存在在的的条条件件下下，甲甲基基钴钴氨氨素素中中的的甲甲基基向向二二价价汞汞转转移移，形形成成甲甲基基汞汞和和二二甲甲基基汞汞，同同时时甲甲基基钴钴氨氨素素转转化化成成羟羟基基钴钴氨氨素素。以以后后又又进进一一步步发发现现，在在无无还还原原剂剂和和细细胞胞抽抽提提液液的的情情况况下下，只只要要给给以以甲甲基基供供体体甲甲基基钴钴氨氨素素，也也能能发发生生完完全全是是非非生生物物学学汞汞的的甲甲基基化化过过程程。此此外外，在在有有氯氯化化汞汞和和乙乙酸酸存存在在时时，在在甲甲基基锡锡化化合合物物作作用用下下，也也能能发发生生汞汞的的非非酶甲基化作用。酶甲基化作用。微生物对无机污染物的转化 汞的化学转化微生物对无机污染物的转化v汞的生物学转化汞的生物学转化在在自自然然界界中中，有有些些微微生生物物可可转转化化汞汞，可可把把元元素素汞汞和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HgHg2CH3HgCH3二二甲甲基基汞汞在在酸酸性性条条件件下下能能转转化化为为甲甲基基汞汞。汞汞的的转转化化一一般般是是通通过过细细菌菌的的作作用用。微微生生物物利利用用底底物物中中的的维维生生素素、甲甲基基维维生生素素B12，在在细细胞胞内内的的甲甲基基转转移移酶酶作作用用下下，促促使使甲甲基转移而形成甲基汞。基转移而形成甲基汞。产产甲甲烷烷细细菌菌具具有有将将元元素素汞汞和和离离子子汞汞转转化化为为甲甲基基汞汞的的能能力力。由由于于甲甲基基汞汞对对生生物物毒毒性性很很强强，而而产产甲甲烷烷细细菌菌又又常常存存在在于于含含无无机机汞汞较较多多的的水水体体底底部部淤淤泥泥中中，因因此此，产产甲甲烷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。微生物对无机污染物的转化 汞的生物学转化微生物对无机污染物的转化汞循环的可能途径汞循环的可能途径汞循环的可能途径第十章-微生物对难降解物质的降解与转化污染控制微生物课件