第八章微生物对污染物的降解与转化

第八章微生物对污染物的降解与转化8.1概述8.1.1微生物降解与转化的巨大潜力环境中存在的各种天然产物，特别是有机物，几乎都能找到可以使之降解或转化它的微生物。然而由于近几十年来许多人工合成的化合物，是自然界中原来所没有的。因此不可能存在有作用于它们能使之分解的微生物和酶系，甚至对微生物还有杀灭作用。由于微生物个休小、繁殖迅速、比表面大等特点。它们较之其它生物更易适应环境，并可通过自然灾变产生新菌种，产生新的酶系统，具有新的代谢功能，从而可参与对人工新合成化合物的降解与转化作用。因此微生物对降解污染物具有巨大潜力。例如已发现多种微生物对合成有机物的降解作用：酚类已发现降解细菌有30个属，66种卤素有机物降解细菌有27个属，40种合成含氮有机物降解细菌有18个属，36种合成表面活生剂降解细菌有18个属，43种石油烃类降解细菌有100多个属，200多种8.1.2有机污染物的可生物降解性当前已知的环境污染物达数十万种，其中大量为有机化合物，它们可接受光分解，化学分解与生物分解，其中生物分解为主。1．可生物降解性1）可生物降解物质：单糖、蛋白质、淀粉、核糖等降解快的物质2）难生物降解物质：纤维素、农药、烃类、降解慢的一类物质3）不可生物降解物质：塑料、尼龙、腈纶、涤纶、聚酯、氟里昂、多环，杂环芳烃、高聚物等2．可生物降解性的测定1）基质的可生物氧化率——（待测物）基质完全彻底氧化所应消耗的理论需氧量与微生物分解基质所消耗氧量的比值。实验室中微生物的耗氧量可应用瓦勃(Warburg)呼吸仪测定，通过测压计测知释放出CO2量或消耗O2量，从而测得可生物降解率。1）基质的生化呼吸曲线——耗氧曲线。实验数据绘出一条耗氧量或速度随时间变化的曲线，为便于比较可同时绘制内源呼吸线，它是在不投加基质的条件下，微生物处于内源呼吸状态时利用细胞体内物质作营养呼吸耗氧随时间变化的曲线。讨论三种情况100%)理论(基质质完全氧化耗氧氧量微生物分解基质生物分基质质氧化At耗氧量mgO2/g污泥基质呼吸BC内源呼吸时间（h）第一情况：基质呼吸线在上，说明基质可生物降解。第二情况：两线几乎重叠或平行，说明基质不可生物降解。第三情况：基质线在内源线之下，说明不但不能降解而且有杀灭作用。1)微生物降解试验1）土壤消毒实验——此法适用于新开发农药可生物降解性的评定。选取有代表性土壤混匀分两组，一组经高温消毒或药液处理杀灭其中微生物；另一组不消毒，分别施入同量的待测农药置室温时培养，定期检测两组土壤中农药消失情况，最后判定农药可生物降解性及降解速度。2）培养液中降解试验此试验可在多种试验液中同时进行，在三角烧瓶中配制各种待测试液，可补加适当的N、P、S生长素和其它营养物，调节pH，在试验液中接种微生物进行恒温培养，通过测定色度、浊度、COD、BOD或其它指标全面评价试验可生化性。1．其它方法与指标1）由于生物对有机物的呼吸作用的本质是脱氢，所以可利用脱氢酶活性作为微生物分解污染物的指标。若培养液中微生物脱氢酶活性增加，则说明对试验物有降解性。采用比色法测酶活性。2）生物体内的ATP（三磷酸腺苷）含量与生物数量及活性呈正相关。通过测ATP量作微生物分解利用污染物的指标。3）同位素检测：有机物彻底分解结果放出CO2，可利用放射性14C标记待测污染物中释放的14CO2计算其回收率，从而评定该污染物生物降解性。8.2微生物对石油污染物的降解石油是一种含有多种烃（正烷烃、支链烷烃、芳烃、脂肪烃）及其它有机物（硫化物、氮化物、环烷酸）的复杂混合物。8.2.1微生物对石油的降解能力C10～C18范围的化合物易分解。烃最易分解，烷烃次之，芳烃难，多环芳烃最难，脂肪烃基本不分解，苯极难降解。1个细菌细胞平均氧化油量为5×10-12mg/h微生物降解油率：35～350g/m3·年原油接触天然水，大部直链烃７天内消失，链烃需数月，芳烃则不待降解已沉入底泥中。8.2.2降解石油的微生物能降解石油的微生物有100属，200多种，包括：细菌、放线菌、霉菌、酵母、藻类及蓝细菌。8.2.3生物降解石油污染物的工艺方法：A/O法、A2/O、AB、A1-O1-A2-O2、SBR等。8.3微生物对农药的降解我国每年使用农药50～100万吨，利用率只有10%，大量农药残留土壤中，有的被土壤吸附，有的扩散入大气，有的转移到水体河流、湖泊、海洋，引起全球性污染。能降解农药的微生物种属也很多。8.3.1微生物降解农药的途径1酶促作用1）酶促作用——需先经诱导产生特殊酶而后才能使农药降解，有的可直接利用农药作能源和碳源。2）共代谢作用——对于难降解顽固复杂的农药，通过先培养容易降解其中一种农药，促使对其它农药的降解作用。3)去毒代谢——微生物不直接利用农药作营养，而是摄取其它有机物作营养和能源，在其中发展了为保护自身的生存解毒作用。2非酶促作用——微生物代谢中使pH降低引起农药溶解，或产生某些化学物质促进农药转化。3微生物代谢引起农药参与系列生化反应：脱卤作用、脱烃作用、酰胺及脂的水解、氧化还原作用、环裂解、缩合或共轭效应等使农药逐渐降解。例对硫磷的降解：微生物代谢将对硫水解变成较小分子，然后进一步分解生成R-COOH、H2O、HNO3，仍可再进一步分解转化为CO2、H2S、N2等。8.4微生物对合成洗涤剂的降解合成洗涤剂基本成份是合成表面活性剂，有阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四大类。阴离子型表活剂包括：脂肪酸衍生物、烷基磺酸盐、烷基硫酸酯、烷基苯磺酸盐、烷基磷酸酯、烷基苯磷酸盐等；阳离子型主要含氨基或季铵盐的脂肪链缩合物，烷基苯与铵基的聚合物；非离子型是一类多羟基化合物与烃链的聚合物，脂肪烃与聚乙烯酚的缩合物；两性电解质为脂肪酸与羧酸、磺酸的缩合物。合成洗涤剂除基本成分为表面活性剂外，尚含有多种辅助剂。如三聚磷酸钠、硫酸钠、碳酸钠、羟基甲基纤维素、荧光增白剂、香料等。全世界合成表面活性剂年产量2000万吨以上，虽对水体污染造成影响，但在水体中的含量未呈明显增加。说明这些表面活性剂能较快被微生物降解。阴离子表活剂中的高级脂肪酸盐类最易被微生物分解，代谢第一步都发生在烷基链末端的甲基上，使甲基氧化成为相应的醇、醛、羧酸，然后进一步氧化成CO2、H2O。苯甲酸、苯乙酸可进一步由单氧酶代谢为邻苯二酚，然后二氧酶作用使苯环破裂。苯环与末端甲基距离愈远，其烷基之分解愈快。C2H5OC2H5O对硫磷水解酶C2H5OC2H5OSSPONO2POH＋HONO2早期洗涤剂为带支链硬型烷基苯磺酸钠ABS很难被细菌分解，后来经工艺改进，生产不带支链软型烷基苯磺酸钠——LAS，则其被细菌降解速率提高到90%以上，大大减少了洗涤剂对环境的污染早期合成表面活性剂的分解并不很难，但洗涤剂中含有磷酸盐辅剂。尤其聚磷酸盐微生物分解就很困难。磷的化合物造成水体富营养化，是水体污染的大问题。城市污水中的磷30%～75%，是由于各种洗涤剂、洗净剂、清洁剂所造成，因此限制含磷洗涤剂或研制不含磷洗涤剂是新科技。8.5微生物对塑料的降解作用塑料已在工、农业、生活用品基本代替金属、木材，几乎每一个领域。但因塑料的稳定性及其难生物降解性又使环境污染的难题，尤其白色污染已成社会公害。但塑料组分中的增塑剂是一些聚合物却能被微生物降解（如邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸异辛酯）如聚氯乙烯塑料组分中含50%增塑剂——癸二酸酯，这种增塑剂在土壤中放14天约40%被细菌降解。塑料母体——树脂高聚物因其结构稳定是很难被细菌降解，但当塑料母体先经受不同程度的光降解作用后则较易为微生物降解，经光降解后的塑料呈粉末状，当分子量降到5000以下，便易为微生物所利用。经光降解后的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及聚乙烯塑料，在土壤微生物作用下约一年后即完全矿化。采用新科技研制能被生物降解的塑料正在加紧进行。CH3CH3CH3CH3末端甲基CH－CH2－C－CH2－－SO3H硬型（ABS）CH3－CH2－CH2－CH2－CH2－－SO3H轻型（LAS）8.6微生物对其它污染物的降解作用8.6.1偶氮化合物含有偶氮基团的化合物，是极为重要的染料单体，主要有对氨基偶氮苯、对硝基苯胺、二甲胺基偶氮苯、甲基橙等，它们很多是不易分解的染料，所以印染工业是污染大户、重点户。能分解偶氮化合物的微生物有：酵母菌、枯草芽、孢杆菌、假单胞菌等。枯草芽孢杆菌接种在氮基偶氮苯染料液中，在振荡与静置条件下进行培养100分钟后颜色几乎全部退掉，说明在有氧和缺氧条件下都能分解，其过程CＮＮＣ+H缺氧对氨基苯胺苯胺对苯二胺NNNH2NH2＋H2NNH2苯胺、对苯二胺在微生物作用下可进一步分解（氨化）8.6.2氰和腈石油工业和人造纤维工业使含氰和腈如丙烯腈的废水日益增多，有机腈比无机腈易为微生物降解。经过驯化的微生物对腈毒性的耐力比无机氰为高，微生物可以从氰和腈中取得碳源和氮源，有的微生物甚至以之作为唯一的碳源和氮源。分解氰和腈的细菌有：卡诺氏菌、腐皮镰孢霉、木霉、假单能菌等14个属计49种菌株。+H2O+H2O+H2O+H2OCO2羧酸CO2+H2O腈OHH酰胺OCN的分解：HCNH·CONH2HCOOH＋NH3腈的分解：RCNRCNRCNH2R·COOH＋NH38.6.3亚硝胺在对动物试验表明有强烈致癌作用，无论食品中，或污泥中，强烈臻致或污水中均能形成亚硝胺，对人类健康造成危害。光合细菌（荚膜红假单胞菌）是一种厌氧性细菌。对二甲基亚硝胺有分解作用。R1－N－N＝08.6.4黄曲霉素黄曲霉素是粮食，饲料中存在的一种真菌毒素，可引起人畜急性中毒与致癌作用。其毒性为氰化钾的10倍，砒霜的68倍，致死中量LD500.294mg/kg.按毒理学规定标准。凡1mg/kg毒即属剧毒物。它主要存在于变质，潮湿发霉的粮食豆类之中。降解黄曲霉的菌种，以橙色黄杆菌为最强，经12小时培养可去除黄曲霉86%，此外还有脉孢菌，孢根霉菌，对豆饼中黄曲霉素降解后转变为含核黄素较高的良好饲料。枯草芽孢杆菌具有相同效果。第九章生命科学的发展生物学（biology）是研究生命的科学，所以又称生命科学（lifescience），它既研究生命体的生命活动现象及其本质。又研究生命与环境之间的相互关系。地球是生命的乐园，地球上形形色色，千差万别的生命活动表现为生命的基本特征——生命萌发，诞生，繁殖，发育，新陈代谢，表现其应激性和适应性，遗传变异和进化性等。而这些生命现象又反映了生命世界，生命系统是一个多层次非线形，高度有序，具有耗散特征，远离平衡状态，复杂的开放系统。生命运动是最高级最复杂的物质运动。整个生命运动过程中贯穿着物质能量信息三者的变化，协调与统一。无论从生命的基本物质组成，还是从生命活动的分子基础上，都反映了生命本质的高度一致性，生命多样性和生命本质的一致性的辨证统一是生命进化的结果。9.1生命科学发展概况生命科学是一门历史悠久的科学，大体起源于古代，形成于近代，高度发展于现代。19世纪是现代科学诞生的世纪。生命科学也得到全面发展，其中最大的进展是细胞学说、进化论和遗传学的建立。1838年，德国植物学家施莱登（M.schleiden1804-1881）发表了《植物发生论》的论文，提出了植物细胞学说，认为细胞是一切植物结构的基本单位。植物体的所有器官组织都是由细胞组成，植物发育的基本过程就是细胞形成的过程。细胞是一切植物借以发展的根本实体。1839年德国动物学家施旺（T·Schwann，1810-1882）发表了《关于动植物的结构和生长的一致性的显微研究》，把施莱登的学说扩展到动物界，形成了适用于整个生物界的细胞学说。表明动物与植物都是由细胞组成，揭示出有机体产生，成长的过程及其结构的秘密，证明有机体的共同性，从而从细胞层次上论证了整个生命世界的内在联系和有机体统一。第一个提出生物进化学说是法国博物学家拉马克（J.B.Lamarck，1744～1829），认为物种不是一成不变的，也不是上帝造的。而是在环境影响下变异和演化的。把生物进化的思想完全建立在科学基础上的是英国博物学家达尔文（Ch.R.Darwin，1809～1882），18