【论文资料】微生物对污染物的降解与转化

微生物对污染物的降解与转化 自然界中物质的降解有三种方式：光降解、自然界中物质的降解有三种方式：光降解、化学降解、生物降解。化学降解、生物降解。 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。 第一节第一节 有机污染物的生物降解有机污染物的生物降解 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 一、微生物降解与转化污染物的巨大潜力一、微生物降解与转化污染物的巨大潜力 1. 产生诱导酶具新的代谢功能； 2. 形成新的突变种（自发诱变、诱变突变、工程菌的组建）； 3. 降解性质粒利用 4. 组建超级菌 5.共代谢共代谢 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，使污染物得以降解。 （二）影响微生物降解与转化的因素（二）影响微生物降解与转化的因素 化学结构：链长、官能团、取代基、异构体。 共代谢： 环境理化因素：微生物的生长条件（温度、水分、光照、有害物）；污染物的溶解度。 中间产物或终产物：结构变化、毒性改变。 二、有机污染物生物降解性的测定方法及意义二、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：、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、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 3、 BOD5/CODCrBOD5/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。 （二）可生物降解性研究的意义： 可生物降解性物质采用生物处理法； 难生物降解性和不可生物降解性物质首先严格控制排放，继而改造工艺和产品结构、寻找或驯化高效微生物菌株，最后只能停止生产。 第二节 微生物降解污染物的途径 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 提问：提问：哪些糖类会成为污染物哪些糖类会成为污染物？ 难溶的多糖难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加使自净时间大大增加，从而对环境造成污染从而对环境造成污染。这类多这类多糖主要是糖主要是纤维素纤维素、半纤维素半纤维素、果胶质果胶质、木质素木质素、淀粉淀粉。 1纤维素的转化纤维素的转化 葡 萄 糖 高 聚 物葡 萄 糖 高 聚 物 ， 每 个 纤 维 素 分 子 含每 个 纤 维 素 分 子 含140010000个葡萄糖基个葡萄糖基（1-4糖苷键糖苷键）。 来源：来源：棉纺印染废水棉纺印染废水、造纸废水造纸废水、人造纤维废人造纤维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 纤维素酶纤维素酶 纤维二糖酶纤维二糖酶 纤维素纤维素 纤维二糖纤维二糖 葡萄糖葡萄糖 糖酵解糖酵解 ATP 好氧分解好氧分解 H2O CO2 葡萄糖葡萄糖 丙酮丁醇发酵丙酮丁醇发酵 丙酮丙酮 + 丁醇丁醇 + CO2 + H2 厌氧发酵厌氧发酵 丁酸发酵丁酸发酵 丁酸丁酸 + 乙酸乙酸 + CO2 + H2 三羧酸三羧酸 循循 环环 厌厌氧氧发发酵酵 B分解纤维素的微生物 好氧细菌好氧细菌粘细菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌镰状纤维菌和纤维弧菌 厌氧细菌厌氧细菌产纤维二糖产纤维二糖芽孢梭菌芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌无芽孢厌氧分解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 菌菌青霉菌青霉菌、曲霉曲霉、镰刀霉镰刀霉、木霉及毛霉木霉及毛霉。 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 存在于植物细胞壁的存在于植物细胞壁的杂多糖杂多糖。造纸废水和人造纤维废水造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素中含半纤维素。 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。 许多芽孢杆菌许多芽孢杆菌、假单胞菌假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌霉菌有根霉有根霉、曲霉曲霉、小克银汉霉小克银汉霉、青霉及镰刀霉青霉及镰刀霉。 Lignin 木质素木质素 木质素木质素 空腔空腔 纤维素纤维素 3木质素的转化 木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，由松由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。 香豆醇香豆醇 松柏醇松柏醇 芥子醇芥子醇 聚合聚合交联交联 木质素模式图木质素模式图 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，疑似的只有只有软腐菌。软腐菌。 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？如何实现工业化白腐菌降木质素降解的意义何在呢？如何实现工业化白腐菌降解木质素呢？解木质素呢？ （二）油脂的转化 水中来源：水中来源：毛纺毛纺、毛条厂废水毛条厂废水、油脂厂废水油脂厂废水、肉联厂废水肉联厂废水、制革制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 荧光杆菌荧光杆菌、绿脓杆菌绿脓杆菌、灵杆菌灵杆菌 丝状菌丝状菌 放线菌放线菌、分支杆菌分支杆菌 真真 菌菌 青霉青霉、乳霉乳霉、曲霉曲霉 途径：途径：水解水解+氧化氧化 （三）石油的转化 提问：提问：什么是石油什么是石油？ 石油是含有烷烃石油是含有烷烃、环烷烃环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的芳香烃及少量非烃化合物的复杂混合物复杂混合物。石油污染主要出现在石油污染主要出现在采油区采油区和和石油运输事石油运输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 A链烷烃的降解链烷烃的降解 + O2 R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH -氧化氧化 CO2 + H2O CH2-COOH + R-COOH B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 OH O O +O2 +2H 2H +O2 +2H H2O H2O + H2O -2H HOOC-（CH2）4-COOH HOOC-（CH2）4-CH2OH 氧化氧化 CO2 + H2O OH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芳香烃 芳香烃普遍具有生物毒性芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可但在低浓度范围内它们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 苯类苯类 酚类酚类萘萘菲菲 蒽蒽微生物微生物名名 称称荧光假单胞荧光假单胞菌、铜绿色菌、铜绿色假单胞菌及假单胞菌及苯杆菌苯杆菌铜 绿 色 假 单 胞铜 绿 色 假 单 胞菌、溶条假单胞菌、溶条假单胞菌、诺卡氏菌、菌、诺卡氏菌、球形小球菌、无球形小球菌、无色杆菌及分枝杆色杆菌及分枝杆菌菌菲杆菲杆菌、菲菌、菲芽孢杆芽孢杆菌菌荧光假单胞荧光假单胞菌和铜绿色菌和铜绿色假单胞菌、假单胞菌、小球菌及大小球菌及大肠埃希氏菌肠埃希氏菌 苯和酚的代谢 苯苯、萘萘、菲菲、蒽的降解为如下图所示蒽的降解为如下图所示 苯的代谢苯的代谢 萘萘的的代代谢谢 菲的代谢菲的代谢 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 苯苯 酚酚 氧化酶氧化酶 酶酶 萘萘 邻苯二酚邻苯二酚 酮基己二酸酮基己二酸 菲菲 + O2 + O2 +2H 蒽蒽 琥珀酸琥珀酸 三羧酸循环三羧酸循环 CO2 + H2O 乙酰辅酶乙酰辅酶 A 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） 人工合成的难降解有机化合 物的生物降解 难难对于自然生态环境自然生态环境系统,如果一种化合物滞留可达几个月或几年可达几个月或几年之久,或在人工生物处理人工生物处理系统系统, 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 种类：种类：稳定剂稳定剂、表面活性剂表面活性剂、人工合成的聚合物人工合成的聚合物、杀虫剂杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等除草剂以及各种工艺流程中的废品等。 1. 氯苯类 用用 途途：稳定剂稳定剂（润滑油润滑油、绝缘油绝缘油、增塑剂增塑剂、油漆油漆、热热载体载体、油墨等都含有油墨等都含有） 危危 害：害：急性中毒急性中毒，是是一种致癌因子一种致癌因子（米糠油事件米糠油事件） 降降 解解 菌：菌：产碱杆菌产碱杆菌、不动杆菌不动杆菌、假单胞菌假单胞菌、芽孢杆菌以芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体及沙雷氏菌的突变体 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。 * *共代谢研究进展及其成果对环保的应用现共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状状？ 2洗涤剂 可分为可分为阴离子型阴离子型、阳离子型阳离子型、非离子型非离子型、两性电解质两性电解质四类四类。 我国目前生产的洗涤剂属于我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠阴离子型烷基苯磺酸钠。较早较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）： CH3 CH3 CH3 | | | NaSO3 C CH2 CHCH2 C CH3 | | CH3 CH3 3ABS 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（LAS）：）： 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。 NaSO3 CH （CH2）9 CH3 | CH3 CH3 CH3 CH3 | | | NaSO3 C CH2 CHCH2 C CH3 | | CH3 CH3 3ABS A降解洗涤剂的微生物 细细 菌菌假单胞菌假单胞菌、邻单胞菌邻单胞菌、黄单胞菌黄单胞菌、产碱单胞产碱单胞菌菌、产碱杆菌产碱杆菌、微球菌微球菌、大多数固氮菌大多数固氮菌 放线菌放线菌诺卡氏菌诺卡氏菌 由于这些微生物的作用由于这些微生物的作用，虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐年递增年递增，但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加。因而洗涤因而洗涤剂一般不会引起环境的有机污染剂一般不会引起环境的有机污染。洗涤剂目前存在洗涤剂目前存在的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体富营养化富营养化问问题题 。 B洗涤剂的降解机理 COOH C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C 末端氧化末端氧化 -氧化、脱磺基氧化、脱磺基 苯甲酸苯甲酸 CH2COOH 开环分解开环分解 SO3- 苯乙酸苯乙酸CO2 + H2O对微生物无影响对微生物无影响 （1）.土地板结土地板结 （2）. 被海鸟及海洋哺乳动物误食被海鸟及海洋哺乳动物误食，致使这些动物消化系统停滞致使这些动物消化系统停滞，引起死亡引起死亡。具报道每年海洋中死于废弃塑料的海鸟和海洋哺乳动具报道每年海洋中死于废弃塑料的海鸟和海洋哺乳动物物，数目之多令人触目惊心数目之多令人触目惊心。 （3）.影响景观影响景观 目前发现目前发现能降解塑料的微生物能降解塑料的微生物，种类很少种类很少，而且降解而且降解速度缓慢速度缓慢。他们主要是细菌他们主要是细菌、放线菌放线菌、曲霉中的某些曲霉中的某些成员成员。 3.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 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 如如杀虫剂杀虫剂、除草剂等除草剂等 化学成分：化学成分：有卤素有卤素、磷酸基磷酸基、氨基氨基、硝基硝基、羟基及其羟基及其它取代物的简单烃骨架它取代物的简单烃骨架（有机磷有机磷、有机锡有机锡、有机氯有机氯等等）。 相比较其它取代基团而言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微生物对卤素取代基往往不适应，因因而随着卤素取代基数量的增多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农药的生物可降解性大幅度下降。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 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 放线菌放线菌 诺卡氏菌诺卡氏菌 真真 菌菌 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 蛋白质蛋白质、氨基酸氨基酸、尿素尿素、胺类胺类、腈化物腈化物、硝基化合物等硝基化合物等。 （一一）蛋白质的转化蛋白质的转化 水中来源：水中来源： 生活污水生活污水、屠宰废水屠宰废水、罐头食品加工废水罐头食品加工废水、制革废水等制革废水等 1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 好氧芽孢细菌好氧芽孢细菌枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌芽孢杆菌 兼兼 性性 厌厌 氧氧 菌菌变形杆菌变形杆菌、假单胞菌假单胞菌 厌厌 氧氧 菌菌腐败梭状芽孢杆菌腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌生孢梭状芽孢杆菌 此外此外，还有曲霉还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌放线菌)。 （好氧菌）（好氧菌） O2氧化脱氨氧化脱氨蛋白质蛋白质 胨胨 肽肽 进入细胞进入细胞 羧酸羧酸+NH3+H2S H2还原脱氨还原脱氨 （厌氧菌）（厌氧菌）| 细胞外水解细胞外水解 | 氨化作用氨化作用 | 氧化氧化羧酸羧酸 CO2 + H2O 作为氮源参与同化代谢作为氮源参与同化代谢NH3 亚硝化细菌亚硝化细菌 硝化细菌硝化细菌NH3 HNO2 HNO3 硝酸盐硝酸盐 + O2 + O2| 硝化作用硝化作用 | 硫磺细菌硫磺细菌 硫化细菌硫化细菌H2S S H2SO4 硫酸盐硫酸盐 + O2 + O22降解机理 反硝化反硝化 N2 3.典型含氮有机物的转化 氰化物氰化物、乙腈乙腈、丙腈丙腈、正丁腈正丁腈、丙烯腈等丙烯腈等腈类化合物腈类化合物及及硝基化合物硝基化合物 水中来源：水中来源：化工腈纶废水化工腈纶废水、国防工业废水国防工业废水、电镀废水等电镀废水等。 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 菌菌紫色杆菌紫色杆菌、假单胞菌假单胞菌 放线菌放线菌诺卡氏菌诺卡氏菌 真真 菌菌氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀茄科病镰刀霉霉)、木霉及担子菌等木霉及担子菌等 B降解机理 a.氰化物氰化物 5HCN + 5.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3 b.有机腈有机腈 ORCH2CN （RCH2C-NH2） RCH2COOH + NH3 CO2 + H2OH2OH2O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 氨基乙腈氨基乙腈 丙氨酸丙氨酸