微生物对污染物的降解和转化

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 微生物对污染物的降解和转化,一、有机污染物的降解途径,1.,光降解（光解作用）,（具有紫外线吸收峰的化合物）,2.,化学降解,（由于温度、氧气、,pH,、金属离子等发生化学降解或转化）,3.,生物降解,（通过动物、植物和微生物的代谢活动来分解各种有机物）,第一节 有机污染物的生物降解,自然界化学物质的降解主要通过上述三种途径交叉进行，其中与,微生物降解作用,的关系最大。,光降解作用,光解过程可分为三类：,第一类称为,直接光解,，这是化合物本身直接吸收了太阳能而进行分解反应；,第二类称为,敏化光解,，水体中存在的天然物质,(,如腐殖质等,),被阳光激发，又将其激发态的能量转移给化合物而导致的分解反应；,第三类是,氧化反应,，天然物质被辐照而产生自由基或纯态氧,(,又称单一氧,),等中间体，这些中间体又与化合物作用而生成转化的产物。,1,、直接光解,光化学反应的先决条件应该是污染物的,吸收光谱,要与太阳发射光谱在水环境中可利用的部分相适应。,水环境中污染物光吸收作用仅来自太阳辐射可利用的能量，太阳发射几乎恒定强度的辐射和光谱分布，但是在地球表面上的气体和颗粒物通过散射和吸收作用，改变了太阳的辐射强度。阳光与大气相互作用改变了太阳辐射的谱线分布。,太阳辐射到水体表面的光强随波长而变化，特别是,近紫外,(290,320nm),区光强,变化很大，而这部分紫外光往往使许多有机物发生光解作用。其次，光强随太阳射角高度的降低而降低。,2,、敏化光解,(,间接光解,),除了直接光解外，光还可以用其他方法使水中有机污染物降解。一个光吸收分子可能将它的过剩能量转移到一个接受体分子，导致接受体反应，这种反应就是光敏化作用。,2,，,5,二甲基呋喃就是可被光敏化作用降解的一个化合物，在蒸馏水中将其暴露于阳光中没有反应，但是它在含有天然腐殖质的水中降解很快，这是由于腐殖质可以强烈地吸收波长小于,500nm,的光，并将部分能量转移给它，从而导致它的降解反应。,3,、氧化反应,有机毒物在水环境中所常遇见的氧化剂有单重态氧,(,1,O,2,),，烷基过氧自由基,(RO,2,),，烷氧自由基,(RO,),或羟自由基,(OH,),。这些自由基虽然是光化学的产物，但它们是与基态的有机物起作用的，所以把它们放在光化学反应以外，单独作为氧化反应这一类。,二、微生物的生物化学转化作用,1.,氧化作用,（失电子，自身被氧化，化合价升高）,生物降解（,biodegradation,）微生物降解,主要是,微生物的代谢活动主要体现在以下几个方面：,Fe,2+,Fe,3+,S SO,4,2-,NH,3,NO,2,-,NO,3,-,醇（糖类,C-OH,）醛（,-CHO,）酸（,-COOH,）,氧化亚铁硫杆菌,氧化硫硫杆菌,亚硝化单胞菌属,硝化杆菌属,2.,还原作用,（得电子，自身被还原，化合价降低）,二、微生物的生物化学转化作用,大肠杆菌,具有,特色,的是硝酸的还原反应：,NO,3,-,NH,3,烯烃,发生加氢还原，变成,烷,3.,脱羧作用：,羧酸分子中失去羧基放出二氧化碳的反应叫做脱羧反应。,4.,脱氨基作用：,微生物的,特色,反应,-CH-NH,2,-CH,2,+NH,3,二、微生物的生物化学转化作用,5.,水解作用,（酯类水解反应生成醇,+,羧酸）,酯的水解 油脂经加碱水解可得高碳脂肪酸钠,(,肥皂,),和甘油；制脂肪酸要用加酸乳化水解。低碳烯烃与浓硫酸作用所得烷基硫酸酯，经加酸水解可得低碳醇。,淀粉水解；,C,6,H,22,O,11,(,麦芽糖,)5H,2,O,C,6,H,12,O,6,二、微生物的生物化学转化作用,6.,酯化作用,（醇,+,羧酸发生酯化反应）,醇跟羧酸或含氧无机酸生成酯和水，这种反应叫酯化反应,7.,脱水反应：指有水分子析出的反应过程,醇的脱水 一元醇脱水时，根据反应温度的不同，生成烯烃或醚。,酸的脱水 一元羧酸脱水可生成酐，但通常不用其作为制酐的方法。,酰胺脱水 酰胺脱水可得饱和腈,(,或氢氰酸,),二、微生物的生物化学转化作用,8.,缩合反应,两个或多个有机分子相互作用后以共价键结合成一个大分子，同时失去水或其他比较简单的无机或有机分子的反应。,9.,氨化反应,-C=O -CH-NH,2,（酮基发生氨化）,丙酮酸转化为丙氨酸：,CH,3,COCOOH,CH,3,CHNH,2,COOH,二、微生物的生物化学转化作用,10.,乙酰化作用,氨基转化为酰胺,-NH,2,NH-CO-CH,3,二、微生物的生物化学转化作用,小结：以上各种微生物的化学作用，实质上是微生物代谢过程中的,酶反应,！（在化学条件下也能够发生上述反应，但是条件苛刻，经常是高温、高压等，但是酶的反应一般在常温常压下进行。）,第二节 酶的催化作用,一、概述,酉,每,与发酵有关的过程，酒、醋、酱等。,（一）什么是酶？,全部生命活动和生物化学变化,均在温和条件下，在,酶的催化作用,下迅速地进行的。,生命的基本特征之一是,新陈代谢。,（一）什么是酶？,酶是生物体内产生的一类,具有特殊催化作用,的,蛋白质,。,1),离体的酶同样具有,高效催化作用,；,2),通过各种理化方法分离提取生物体合成的酶所得到的酶制品称为,“,酶制剂,”,。,酿酒行业：酵母（酶催化大麦芽发酵成酒）,造纸行业：脂肪酶，纤维素酶，半纤维素酶，淀粉酶,具有生物活性的生物大分子,蛋白质,核酸,生 物 酶 简 介,酶在日常生活中无处不有,蛋白质分为两类：结构蛋白和生物活性蛋白,蛋白质是构成人体的基础物质,结构蛋白,酶是生物活性蛋白,酶是蛋白质，但蛋白质不一定都是酶。,酶由长链氨基酸组成,酶是三维结构,氨基酸的排列顺序决定酶的功能,酶的活性部位,取决于三维结构,酶的活性部位决定了其作用于什么样的底物,（,1,）用量少而催化效率高；,（,2,）不改变化学反应的平衡点,（,3,）可降低反应的活化能,1.,酶和一般催化剂比较,催化效率高：,反应速度是无酶催化或普通人造催化剂催化反应速度的,10,的,6,次方至,10,的,16,次方倍。,2.,酶作为生物催化剂的特性,（三）酶的催化特性,酶催化的专一性,一种酶仅能作用于某一种物质或一类结构相似的物质并催化某种类型的反应，这种特性称为,酶的专一性,。,相对专一性,（催化具有,相同化学键或基团,的一类物质）,R,-COO,-R,H,2,O R-COOH,R,OH,绝对专一性,（仅催化,一种,化合物）,（,NH,2,）,2CO,H,2,O CO,2,+2NH,3,立体异构专一性,(3),敏感性：对环境条件极为敏感，酶容易失活,(4),酶活力的调节控制：如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。调整的本质是酶的活性中心的改变（有或无、优或劣）,(5),酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关，有些酶是复合蛋白质，其中的小分子物质,(,辅酶、辅基及金属离子,),与酶的催化活性密切相关。若将它们除去，酶就失去活性。,(6),反应条件温和：常温、常压、中性。,（,1,）酶的蛋白质本质,所有的酶都是蛋白质。有的是简单蛋白质，有的是结合蛋白质。,酶同其他蛋白质一样，由氨基酸组成。,3.,酶的化学本质,不能说所有蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋白质，才能称为酶,（,2,）酶的组成,根据组成成分可分为两类：,简单蛋白质酶,结合蛋白质酶,（结合非蛋白组分后才表现出酶的活性）,酶蛋白结合非蛋白组分后形成的复合物称,“,全酶,”,，全酶,=,酶蛋白,+,辅助因子,。,弥补氨基酸基团催化强度的不足，改变并稳定活性中心或改变底物化学键稳定性（底物,酶的催化对象）。,例如：羧肽酶中的锌离子：可稳定活性中心使肽键失稳、吸附羧氧原子。,辅助因子本身无催化作用，它的主要作用是：,在酶促反应中运输转移电子、原子或某些功能基，如参与氧化还原或运载酰基的作用，协助活性中心基团快速转移。,辅助因子本身无催化作用，它的主要作用是：,根据酶蛋白分子的特点又可将酶分为三类,单体酶,(monomericenzyme),：只有一条多肽链。,寡聚酶,(oligomericenzyme),：由几个甚至几十个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链，也可以是不同的多肽链。,多酶体系,(multienzyme system),：是由几种酶彼此嵌合形成的复合体。,（,3,）酶的分类,（,1,）水解酶类,（,2,）氧化还原酶类,（,3,）异构酶类,（,4,）转移酶类,（,5,）裂解酶类,（,6,）合成酶类,按照酶所催化的化学反应类型分类,酶在细胞的不同部位：可分为胞外酶、胞内酶和表面酶。,按酶作用的底物不同，可分为淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。,一种酶可以有多个名字，如：,淀粉酶也属于水解酶，还属胞外酶,其他分类,米歇里斯门坦公式（酶促反应速度方程）,4.,影响酶活的因素,=,K,3,ES,K,m,+S,(,K,m,=,K,2,+K,3,K,1,),米氏常数,K,m,表示反应速度为最大速度一半时的底物浓度（又称为半速度常数）。,K,m,值越小，表示酶与底物的反应越趋于完全；,K,m,值越大，表明酶与底物的反应越不完全。,（,1,）,酶浓度对酶促反应速度的影响,在酶促反应中，如果底物浓度足够大，足以使酶饱和，则反应速度与酶浓度成正比。,底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化的速度越快。,当底物浓度很低时，有多余的酶没与底物结合，随着底物浓度的增加，中间络合物的浓度不断增高。反应速度也迅速增加。,当底物浓度很高时，溶液中的酶全部与底物结合成中间产物，虽增加底物浓度也不会有更多的中间产物生成。反应速度的增加也减缓。,（,2,）底物浓度对酶促反应速度的影响,温度对酶促反应速度的影响有两方面：,（,3,）温度对酶反应速度的影响,另一方面，随温度升高而使酶逐步,变性,，即通过减少有活性的酶而降低酶的反应速度，酶的最适温度就是这两种过程平衡的结果。,一方面是当温度升高时，反应速度也加快。,思 考 题,1,有机污染物的降解途径有哪些？,2,什么是酶？,3,酶的化学本质和催化反应特性有哪些？,