第二章-微生物对污染物的降解与转化1教程文件.ppt

,*,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与转化1,一、微生物对污染物降解与转化的特点,1.,微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大,2.,种类繁多，分布广泛，代谢类型多样,3.,微生物具有多种降解酶,4.,微生物繁殖快，易变异，适应性强,5.,微生物具有巨大的降解能力,第一节 微生物降解理论基础,（,1,）降解性质粒,降解难降解化合物的酶类大多是由质粒控制的，这类质粒被称为降解质粒。,5.,微生物具有巨大的降解能力,（,2,）共代谢,P282,石油,多环芳烃化合物,双环或三环,四环或多环,假单胞菌,（唯一碳源和能源）,不支持,假单胞菌,+,四环或多环芳烃化合物,+,双环或三环芳烃化合物,微生物在利用生长基质,A,时（从中获得能量、碳源），同时非生长基质,B,（不能从中获得能量、碳源或其他任何营养）也伴随着发生氧化或其它反应,共代谢,OK,共代谢特点,不导致细胞质量或能量的增加，不促进其本 身的生长。,使有机物得到修饰或转化，但不能使其分子完全分解。,共代谢原理,靠降解其它有机物提供能源或碳源；,依靠其他微生物的协同作用；,相似物诱导产生相应的诱导酶，被转化为,不完全氧化产物,。,本质：最初的酶系作用的,底物专一性较低,（,E1,），后面酶系作用的,底物专一性较高,（,E2,），无法识别前面酶系的产物,(B),。,E1 E2 E3,A B C D E CO2+,能量,E1 E2,AB,（,3,）混合菌株作用（混合培养）,P278/322,矿化,也称终极生物降解，指有机物生物降解为,二氧化碳和水,的过程。,在自然界，第一个菌株的,共代谢产物,可在第二个菌株的作用下继续共代谢或完全,矿化,。,混合培养菌株的降解能力,大大高于,单个菌株的纯培养。,有机物的转化广义上可以定义为两种：,矿化作用和共代谢作用,混合菌株作用的机制,互生机制,共生机制,单独均可降解，混合培养增加效率 不同微生物产生的酶有差异，共同的作用提高了降解效率,单独不能降解，共同培养可降解,彼此之间为对方提供：生长因子，能利用的碳源，消除有毒中间产物，保持,pH,平衡，消除反馈抑制等。,（,4,）共代谢和混合菌株作用意义,大大拓展对难降解有机污染物的作用范围,提高复杂有机污染物的降解率,污染处理时，可以通过诱导共代谢作用的发 生，降解难降解污染物。,给微生物生态系统添加可,支持微生物生长的、化学结构与污染物类似,的物质，进而诱导共代谢作用的发生。,二、微生物群落的代谢机制,(P280),1.,提供特殊营养物质,主要是生长因子类物质,假单孢菌属,(,Pseudomonas,),诺卡氏菌属,(,Nocadia,sp.),产生出生物素,Nocadia,sp.,才具备降解环己烷的能力,去除生长抑制物质,CH,4,该群落中的其他菌,假单孢菌,抑制,CH,3,OH,该群落中的其他菌为：黄杆菌、不动小杆菌,氧化,3.,改善单个微生物的基本生长参数,微生物之间构成了类似食物链的关系,如降解苔黑酚的,3,种细菌之间的情况,苔黑酚,假单孢菌,中间代谢产物,扩展短杆菌、短小杆菌,其他代谢物,4.,对底物的协调利用,单个,微生物对某种物质,无,降解能力，但混合后则能够降解该物质。,除草剂茅草枯的降解,混合菌株的降解率比单个菌株的降解率高,20%,。,Arthrobacter,sp.,杀虫剂二嗪哝的降解,二嗪哝,Streptomyces,sp.,Arthrobacter,sp.,Streptomyces,sp.,被降解,6.,电子转移,5.,共代谢,两种紧密结合的产甲烷菌群落,（,methanobacillus omelianski,）：,CH,3,CH,2,OH,CH,3,COOH,+H,2,产氢产乙酸菌,CO,2,+H,2,CH,4,产 甲 烷 菌,7.,提供一种以上初级底物利用者,有一种以上初始利用者存在，每个初始利用者都能完全代谢底物。,一类降解除草剂,Fermon(N,N-,二甲基,-N-,苯基脲,),的微生物群落，包括,3,种,Corynforms,菌、,1,种假单孢菌和一种产碱菌,(,Alicaligenes,sp.),，它们均能够单独降解,Fermon,。混合培养菌株的降解能力大大高于单个菌株的纯培养。,三、影响微生物对物质降解转化作用的因素,（,2,）生长时期,1.,微生物的,代谢活性,（,1,）种类,（,3,）适应与,驯化,驯化,一种定向选育微生物的方法与过程，通过人工措施使微生物逐步适应某特定条件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性的菌株。,2.,目标化合物特征,有机物的结构与生物降解性的关系,3.,环境因素,实际应用中，可根据需要调控某些非生物因子，使生物降解或矿化反应达到最佳。,营养,温度,pH,溶解氧,第三章,微生物对污染物的降解与转化,第一节 微生物降解理论基础,第二节 微生物对常见污染物的降解与转化,第三节 有机物的结构与生物降解性,1.,微生物分解有机物的作用,第二节 微生物对常见污染物的降解与转化,有机物的净化过程的三阶段,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,微生物分解有机物的作用可总括成如下图式：,复杂有机物,简单有机物,需氧微生物,胞内酶,厌氧微生物,胞内酶,微生物,胞外酶,CO,2,、,H,2,O,CO,2,、,H,2,O,、,H,2,、,CH,4,、,H,2,S,及有机酸、醇、酮、醛等未完全氧化产物,好氧生物分解,厌氧生物分解,1.,微生物分解有机物的作用,细菌,是其中的主力军,原理,：,好氧有机物呼吸,C CO,2,+碳酸盐和重碳酸盐,H H,2,O,N NH,3,HNO,2,HNO,3,S H,2,SO,4,P H,3,PO,4,矿化盐,（,1,）好氧分解,厌氧细菌,原理：,发酵、厌氧无机盐呼吸,C RCOOH,（有机酸）,CH,4,+CO,2,N RCHNH2COOH,NH,3,（,臭味,）,+,有机酸（,臭味,）,S,H,2,S,（,臭味,）,P PO,4,3-,（,2,）厌氧分解,2.,微生物对各类有机污染物的分解,包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等。,（,1,）碳源,(,不含氮）污染物的分解,难溶的多糖,，主要是,纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉,糖类污染物,丁酸、,CO,2,、,H,2,等,纤维素,葡萄糖,需氧微生物,胞内酶,厌氧微生物,胞内酶,H,2,O,纤维素酶,CO,2,、,H,2,O,纤维二糖,H,2,O,纤维素酶,纤维素的分解,淀粉的分解,CO,2,、,H,2,、有机酸等,淀粉,葡萄糖,需氧微生物,胞内酶,厌氧微生物,胞内酶,微生物,淀粉酶,CO,2,、,H,2,O,（,2,）油脂类污染物的分解,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,脂肪,H,2,O,脂肪酶,甘油高级脂肪酸,途径：,水解,+,氧化,含氮有机物,:,蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、硝基化合物等等。,含氮有机物生物降解较不含氮有机物更难，其产物污染性强；同时，它的降解产物与不含氮有机物的降解产物会发生相互作用，影响整个降解过程。,（,3,）含氮污染物的分解,蛋白质,蛋白酶,水解,肽,肽酶,水解,氨基酸,降,解,NH,3,NO,2,-,亚硝化菌,NO,3,-,硝化菌,N,2,O(N,2,),反硝化菌,氨化作用,硝化作用,反硝化作用,氧化脱氨基作用,水解脱氨基作用,还原脱氨基作用,（,3,）含氮污染物的分解,蛋白质,硝化作用,由固氮作用生成的氨或由蛋白质等高分子含氮化合物经降解作用后产生的氨，都可能在有氧条件下，经细菌作用而硝化,反硝化作用,又称脱氮作用。在土壤中以及在水体的底泥或中间水层环境介质中都可能发生这种作用。反硝化过程可简单地表示如下：,其中,N,2,和,N,2,O,是反硝化作用的主要产物，但一般情况下，在生成过量,N,2,O,条件下才能产生,N,2,。,（,4,）危险性化合物的分解,具有新颖结构的合成化合物往往对微生物的降解表现出抗逆性，其原因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，微生物界还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。这些化合物大多数对环境具有毒害作用，故称之危险性化合物。,危险性化合物的定义,(P277),危险性化合物来源,人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等,农药,石油,洗涤剂,多氯联苯,氰和腈,农药,微生物作用,被氧化,被脱卤,被还原,被脱烃,Cl,Cl,Cl,Cl,Cl,Cl,Cl,大肠杆菌等,脱卤作用,危险性化合物的分解,饱和烃,芳香烃,胶质和沥青,直链烷烃最容易被降解；,在芳香烃部分中，二环和三环化合物较容易被降解，而含有,四个或更多环的那芳香烃难于被微生物所降解,;,胶质和沥青则极难被微生物所降解。,微生物对烃类化合物的降解P296,石油的微生物降解机理,芳香烃,烃类化合物,脂肪烃,芳香烃,邻苯二酚,真菌,细菌,A链烷烃的降解,+O,2,R-CH,2,-CH,2,-CH,3,R-CH,2,-CH,2,-COOH,-氧化,CO,2,+H,2,O,CH,2,-COOH +R-COOH,B,无支链环烷烃的降解,以环己烷为例,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。,苯和酚的代谢,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：,各类烃,具体的降解过程和产物,正烷烃,正烷烃羧酸二碳单位的短链脂肪酸,+,乙酰辅酶,+,2,。,烯烃,烯烃二羧酸,环烷烃,环烷烃环醇环酮,芳香烃,芳香烃二醇,邻苯二酚,三羧环的中间产物,微生物对烃类化合物的降解途径小结,微生物对有机卤代物的降解 P284,卤代芳香烃,降解概念：其环被裂为中间代谢物并且其有机卤素被矿化。,限速步骤：卤素取代基从有机化合物中的脱离,卤代脂肪烃,卤代芳香烃,有机卤代物,微生物没有直接水解碳,-,卤素键的酶系,初期，通过还原、水解或氧化分解机理消除卤素。,后期，通过自发脱卤等,（,1,）脱卤优于开环,（,2,）先开环后脱卤,好氧条件下,微生物对卤代芳香烃的降解,脱卤优于开环,P287,碳卤素键的开裂与,水,有关而与,O2,无关,先开环后脱卤,P287,卤代邻苯二酚,厌氧条件下,P290,厌氧菌能进行一些好氧条件下未发现的,特殊脱毒,反应,如高氯代芳烃,氯酚类,PCB,（多氯联苯）,好氧微生物,不对高氯联苯起降解或脱氯作用,多氯联苯属于,致癌物质,，容易累积在脂肪组织，造成脑部、皮肤及内脏的疾病，并影响神经、生殖及免疫系统。,多氯联苯的化学性质非常稳定，很难在,自然界,分解，属于持久性有机污染物的一类，多用于电力设备，如含有多氯联苯的电容器、电压器等。,PCB,（多氯联苯）,被厌氧微生物还原脱氯,分步进行，先生成,较低氯代的多氯联苯,。,由于还原电位的增加，还原的难度也增加，因此,厌氧条件下还原脱氯速率随氯取代数目的下降而下降,。,第三章,微生物对污染物的降解与转化,第一节 微生物降解理论基础,第二节 微生物对常见污染物的降解与转化,第三节 有机物的结构与生物降解性,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,第三节 有机物的结构与生物降解性,1.,有机物的可生物降解性分类,（,1,）空间阻碍,胞外酶难以接触到易降解部分,（,2,）毒性抑制,不同取代基团具有不同毒性,（,3,）增加反应步骤,支链的增加会降低化合物的生物降解,（,4,）有机物吸收,运输到细胞内方式,2.,有机物结构影响生物降解性的原因,（,2,）烃类化合物,（,3,）主链上个别碳原子被其他元素所取代会增加对生物氧化的抵抗力,越大越难降解,3.,有机物的结构与生物降解性,（,1,）分子量大小,a,稀烃,烷烃,芳烃,多环芳烃,脂环烃,b,正构烷烃,异构烷烃,c,直链烷烃,支链烷烃,d,烷基苯,多环化合物,苯,当主链上的,C,被,O,、,S,、,N,、取代时，难降解，其中氧的影响最显著,(,醚类化合物较难生物降解,),。,每个,C,原子上至少保持一个氢碳键的有机化合物,对生物氧化的阻抗较小,;,而当,C,原子上的,H,都被烷基或芳基所取代时,该碳原子被称为,4,级碳原子,会形成生物氧化的阻抗物质。,碳氢键,（,4,）取代基的位置、种类、数量及碳链长短,苯环上的氢被羟基或氨基取代（苯酚或苯胺）：生物降解比苯提高,卤代,：使生物降解性降低，尤其是间位取代的苯环,抗生物降解更明显,.,官能团的性质及数量,3.,可生物降解性研究的意义,难生物降解性和不可生物降解性物质,（,1,）开发新材料,“环境友好材料”,（,2,）污染物处理,可生物降解性物质,改造,培育高效微生物菌株,物化方法预处理破坏结构,小 结,微生物降解理论基础,特点（,共代谢、混合菌株作用,）,微生物群落的代谢机制,影响因素,微生物对常见污染物的降解与转化,分解有机物的作用,各类污染物（糖类、脂类、,蛋白质,）,有机物的结构与生物降解性,可生物降解性,关联原因,一般规律,意义,作 业,1.,名词解释：,驯化、危险性化合物,2.,如若微生物不能依靠某种有机污染物生长，是不是就一定意味着这种污染物不能被微生物所降解呢？,3.,简述微生物对烃类化合物的一般降解途径。,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,