环境微生物学教学课件-15-1对污染物的降解转化

•有机污染物生物净化•天然物质、人工合成物质•无机污染物生物净化第一节有机污染物的生物净化机理•净化本质——微生物转化有机物为无机物•依靠——好氧分解与厌氧分解一、好氧分解•细菌是其中的主力军•原理：好氧有机物呼吸•C→CO2+碳酸盐和重碳酸盐•H→H2O•N→NH3→HNO2→HNO3•S→H2SO4•P→H3PO4•二、厌氧分解•厌氧细菌•原理：发酵、厌氧无机盐呼吸无毒无臭！→矿化盐•C→RCOOH（有机酸）→CH4+CO2•N→RCHNH2COOH→NH3（臭味）+有机酸（臭味）•S→H2S（臭味）•P→PO43-•水体自净的天然过程中厌氧分解（开始）→好氧分解（后续）第二节各类有机污染物的转化一、碳源污染物的转化•包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等。（一）糖类污染物•提问：哪些糖类会成为污染物？•难溶的多糖，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，从而对环境造成污染。这类多糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。1．纤维素的转化•β葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含1400~10000个葡萄糖基（β1-4糖苷键）。•来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。A．微生物分解途径纤维素酶纤维二糖酶纤维素纤维二糖葡萄糖糖酵解ATP好氧分解H2OCO2葡萄糖丙酮丁醇发酵丙酮+丁醇+CO2+H2厌氧发酵丁酸发酵丁酸+乙酸+CO2+H2三羧酸循环厌氧发酵B．分解纤维素的微生物•好氧细菌——粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌•厌氧细菌——产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。•放线菌——链霉菌属。•真菌——青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。•需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。2．半纤维素的转化•存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。•分解过程TCA循环聚糖酶CO2+H2O半纤维素单糖+糖醛酸H2O各种发酵产物厌氧分解•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、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、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？•确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的有软腐菌。黄孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。白腐—树皮上木质素被该菌分解后漏出白色的纤维素部分。*木质素降解的意义何在呢？3．木质素的转化（二）油脂的转化•水中来源：毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水、制革厂废水含有大量油脂•降解油脂较快的微生物：•细菌——荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌•丝状菌——放线菌、分支杆菌•真菌——青霉、乳霉、曲霉•途径：水解+β氧化（三）石油的转化•提问：什么是石油？•石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事故现场以及石化行业的工业废水中。•1．石油成分的生物降解性•与分子结构有关A．链长度链中等长度（C10~C24）＞链很长的（C24以上）＞短链（*？）B．链结构•直链?支链•不饱和?饱和•烷烃?芳烃•链末端有季碳原子（四周都与C相连）的烃以及多环芳烃极难降解2．降解石油的微生物•降解石油的微生物很多，据报道有200多种•细菌——假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌——诺卡氏菌•酵母菌——假丝酵母•霉菌——青霉属、曲霉属•藻类——蓝藻和绿藻3．石油的降解机理A．链烷烃的降解+O2R-CH2-CH2-CH3R-CH2-CH2-COOHβ-氧化CO2+H2OCH2-COOH+R-COOHB．无支链环烷烃的降解•以环己烷为例OHOO+O2+2H－2H+O2+2H－H2O－H2O+H2O-2HHOOC-（CH2）4-COOHHOOC-（CH2）4-CH2OHω氧化CO2+H2OOH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，两类以上微生物的协同作用下将污染物彻底降解——共代谢。C．芳香烃•芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可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苯类酚类萘菲蒽微生物名称荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌及苯杆菌铜绿色假单胞菌、溶条假单胞菌、诺卡氏菌、球形小球菌、无色杆菌及分枝杆菌菲杆菌、菲芽孢杆菌荧光假单胞菌和铜绿色假单胞菌、小球菌及大肠埃希氏菌苯和酚的代谢•苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示苯的代谢萘的代谢菲的代谢蒽的代谢•酚也是先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下苯酚氧化酶酶萘邻苯二酚酮基己二酸菲+O2+O2+2H蒽琥珀酸三羧酸循环CO2+H2O乙酰辅酶A•提问：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（四）人工合成的难降解有机化合物的生物降解•难———对于自然生态环境系统,如果一种化合物滞留可达几个月或几年之久,或在人工生物处理系统,几小时或几天之内还未能被分解或消除•种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。1.氯苯类•用途：稳定剂（润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热载体、油墨等都含有）•危害：急性中毒，是一种致癌因子（米糠油事件）•降解菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体•通过共代谢完成氯苯的完全降解。2．洗涤剂•可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。•我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠。较早开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：CH3CH3CH3|||NaSO3CCH2CHCH2CCH3||CH3CH33ABS甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的季碳原子抗攻击的能力更强。•危害：ABS可以在天然水体中存留800h以上，使这得接纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫，引起水体缺氧。•为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线性的直链烷基苯磺酸盐（LAS）：•由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。NaSO3CH（CH2）9CH3|CH3CH3CH3CH3|||NaSO3CCH2CHCH2CCH3||CH3CH33ABSA．降解洗涤剂的微生物•细菌——假单胞菌、邻单胞菌、黄单胞菌、产碱单胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌•放线菌——诺卡氏菌•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年递增，但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加。因而洗涤剂一般不会引起环境的有机污染。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富营养化问题。B．洗涤剂的降解机理COOHC-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C末端氧化β-氧化、脱磺基苯甲酸CH2COOH开环分解SO3-苯乙酸CO2+H2O•对微生物无影响•（1）.土地板结•（2）.被海鸟及海洋哺乳动物误食，致使这些动物消化系统停滞，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物，数目之多令人触目惊心。•（3）.影响景观•目前发现能降解塑料的微生物，种类很少，而且降解速度缓慢。他们主要是细菌、放线菌、曲霉中的某些成员。3.塑料•塑料在环境中积累有哪些危害？•危害：白色污染•提问：如何解决塑料的难降解问题？•（1）限制使用不可降解塑料•（2）开发可降解塑料•光降解、高填充碳酸钙、填充淀粉、淀粉改性塑料、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；*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•如杀虫剂、除草剂等•化学成分：有卤素、磷酸基、氨基、硝基、羟基及其它取代物的简单烃骨架（有机磷、有机锡、有机氯等）。•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，因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。水中来源：农田土壤的灌溉水或雨水•危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸变）•最典型的一个例子就是杀虫剂DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯代基数量大，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。•降解农药的微生物：•细菌——假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌•放线菌——诺卡氏菌•真菌——曲霉•这些微生物往往需共代谢将农药逐级降解。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。•（一）蛋白质的转化•水中来源：生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等1．降解蛋白质的微生物•种类很多•好氧细菌——链球菌和葡萄球菌•好氧芽孢细菌——枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌•兼性厌氧菌——变形杆菌、假单胞菌•厌氧菌——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(放线菌)。（好氧菌）O2氧化脱氨蛋白质胨肽进入细胞羧酸+NH3+H2SH2还原脱氨（厌氧菌）|细胞外水解|氨化作用|β氧化羧酸CO2+H2O作为氮源参与同化代谢NH3亚硝化细菌硝化细菌NH3HNO2HNO3硝酸盐+O2+O2|硝化作用|硫磺细菌硫化细菌H2SSH2SO4硫酸盐+O2+O22．降解机理反硝化N2↑3.典型含氮有机物的转化•氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物•水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。•危害：生物毒害、环境积累A．降解这些物质的微生物•细菌——紫色杆菌、假单胞菌•放线菌——诺卡氏菌•真菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等B．降解机理a.氰化物•5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.有机腈ORCH2CN（RCH2C-NH2）RCH2COOH+NH3CO2+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缩合成为α—氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。HCNCH3COHCH3CHNH2CNCH3CHNH2COOH甲醛α—氨基乙腈丙氨酸