微生物对污染物的分解作用.pptx

微生物对污染物的分解与转化第一节 微生物对有机物的分解作用一、生物分解的一般特点与分类微生物对有机物的分解作用一般被称为“生物分解”或者“生物降解”有机物的生物分解是通过一系列的生化反映，最终将有机物经逐步分解成小分子的有机物或简单无机物的过程。生物去除初级分解环境可接收的分解完全分解有机物的生物分解类型好氧分解厌氧分解有机物的生物分解类型二、有机物的好氧分解有机物+氧气+好氧微生物1、合成细胞物质（微生物的增长）2、氧化小分子+能量1、有机物的氧化2、细胞物质的合成3、细胞物质的氧化细胞物质=合成的细胞物质-内源呼吸消耗的细胞物质同时除X就活性污泥而言，可用其挥发部分代表微生物，曝气池内挥发性污泥量可作为X代入式中，池中所增加的微生物细胞的量可假定大致等于所排放的剩余污泥挥发性部分的量。a合成系数b细胞自身氧化率或衰减系数有机物生物氧化所需要的氧气量=微生物生长活动需要的氧气+自身氧化过程中所需要的氧气三、有机物的厌氧生物分解有机物的厌氧生物分解是在无氧条件下，借厌氧微生物（包括兼性微生物）主要是厌氧菌（包括兼性菌）的作用来进行的。有机物的厌氧生物分解主要用于高浓度有机污水的处理，但近年来对厌氧生物分解在处理中、低浓度有机污水中的应用倍受研究者的关注。第二节 有机物的生物分解性生物分解性试验生物分解潜能试验生物分解模拟试验易生物分解试验本质性生物分解试验污水生物处理系统试验河流、湖泊模拟实验河口模拟试验海洋模拟试验土壤模拟试验一、有机物的生物分解性评价方法二、有机物的生物分解性与分子结构的关系书P198，理解第三节第三节 含碳有机物的生物分解含碳有机物的生物分解主要含碳的物质：二氧化碳、碳水化合物、脂肪、蛋白质等主要含碳的物质：二氧化碳、碳水化合物、脂肪、蛋白质等 有机体和大气之间的碳循环绿色植物从空气中获得二有机体和大气之间的碳循环绿色植物从空气中获得二氧化碳，经过光合作用转化为葡萄糖，再综合成为植物体的氧化碳，经过光合作用转化为葡萄糖，再综合成为植物体的碳化合物，经过的传递，成为动物体的碳化合物。植物和动碳化合物，经过的传递，成为动物体的碳化合物。植物和动物的呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入物的呼吸作用把摄入体内的一部分碳转化为二氧化碳释放入大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。动、植大气，另一部分则构成生物的机体或在机体内贮存。动、植物死后物死后,残体中的碳残体中的碳,通过微生物的分解作用也成为二氧化碳而通过微生物的分解作用也成为二氧化碳而最终排入大气。大气中的二氧化碳这样循环一次约需最终排入大气。大气中的二氧化碳这样循环一次约需20年。年。一、纤维素的转化一、纤维素的转化纤维素纤维素纤维二糖纤维二糖葡萄糖葡萄糖纤维素酶纤维素酶纤维二糖酶纤维二糖酶厌厌氧氧发发酵酵葡萄糖葡萄糖TCA丙酮丁醇发酵丙酮丁醇发酵丙酮丙酮丁丁酸酸发发酵酵丁酸丁酸能够分解纤维素的微生物很多。既有好氧性微生物，也有厌氧性微生物；既有细菌，也有放线菌和真菌。（1）好氧性纤维素分解细菌：食纤维菌属和生孢食纤维菌属是土壤中常见的好氧性纤维素分解细菌。多囊菌属、镰状纤维菌属与纤维弧菌属。（2）许多放线菌能够分解纤维素。土壤放线菌有 2.0%4.4%能分解纤维素，其中包括白色链霉菌、灰色链霉菌、红色链霉菌等。放线菌的纤维素分解能力较弱，不及细菌和真菌。（3）许多真菌具有很强的纤维素分解能力。其中主要有木霉、镰刀霉、青霉、曲霉、毛霉、葡萄孢霉等属的一些种。在森林的枯枝落叶中，占优势的纤维素分解菌是担子菌。在潮湿土壤中，真菌也是纤维素分解的优势菌群。（4）厌氧性纤维素分解微生物主要是芽孢梭菌属的一些种，如奥氏梭菌，另外还有一些与奥氏梭菌区别很小的嗜热性种，如热纤梭菌、溶解梭菌等。二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化 植物细胞壁构成纤维素小纤维间的间质凝胶的多糖群中植物细胞壁构成纤维素小纤维间的间质凝胶的多糖群中除去果胶质以外的物质，是构成初生壁的主要成分。除去果胶质以外的物质，是构成初生壁的主要成分。半纤维素半纤维素聚糖酶聚糖酶水水单糖单糖+糖醛酸糖醛酸厌厌氧氧分分解解好氧分解好氧分解各种发酵各种发酵产物产物EMPTCA三、果胶质的转化三、果胶质的转化 果胶质是构成高等植物细胞质的物质并使相邻近的细胞壁相连。天然的果胶质又称为原果胶。天然果胶质的主要组成是由D-半乳糖醛酸以d-1.4糖苷键相连形成的直链高分子化合物，其中大部分羧基已形成甲基酯，而不含甲基酯的称为果胶酸。四、淀粉的转化四、淀粉的转化 在淀粉厂废水、酒厂废水、印染废水、抗生素发酵废在淀粉厂废水、酒厂废水、印染废水、抗生素发酵废水及生活污水中都含有淀粉。水及生活污水中都含有淀粉。淀粉的分类：淀粉的分类：1、直链淀粉，由葡萄糖分子脱水缩合，以、直链淀粉，由葡萄糖分子脱水缩合，以D1，4葡萄葡萄糖苷键组成不分支的链状结构。糖苷键组成不分支的链状结构。2、支链淀粉，由葡萄糖分子脱水缩合，除、支链淀粉，由葡萄糖分子脱水缩合，除1，4结合以外，结合以外，还有还有1，6结合，构成分支的链状结构。结合，构成分支的链状结构。淀粉的降解途径：淀粉的降解途径：1、在有氧的条件下，淀粉水解成葡萄糖，进而酵解成丙、在有氧的条件下，淀粉水解成葡萄糖，进而酵解成丙酮酸，进入酮酸，进入TCA循环，最终氧化成水和二氧化碳。循环，最终氧化成水和二氧化碳。2、在厌氧条件下，水解生成的葡萄糖，酵母菌进行发酵，、在厌氧条件下，水解生成的葡萄糖，酵母菌进行发酵，最终转化为乙醇和二氧化碳。最终转化为乙醇和二氧化碳。3、在专性厌氧菌作用下，厌氧发酵，最终转化为丙酮、在专性厌氧菌作用下，厌氧发酵，最终转化为丙酮、丁酸和二氧化碳等。丁酸和二氧化碳等。降解淀粉的微生物：降解淀粉的微生物：好氧菌：枯草芽孢杆菌和根霉、曲霉。好氧菌：枯草芽孢杆菌和根霉、曲霉。厌氧菌：丙酮丁醇梭状芽孢杆菌和丁醇梭状芽孢杆菌。厌氧菌：丙酮丁醇梭状芽孢杆菌和丁醇梭状芽孢杆菌。五、脂肪的转化五、脂肪的转化 脂肪是由脂肪是由甘油甘油和和脂肪酸脂肪酸组成的三酰甘油酯，其中甘油的分组成的三酰甘油酯，其中甘油的分子比较简单，而脂肪酸的种类和长短却不相同。因此脂肪的性子比较简单，而脂肪酸的种类和长短却不相同。因此脂肪的性质和特点主要取决于脂肪酸，不同食物中的脂肪所含有的脂肪质和特点主要取决于脂肪酸，不同食物中的脂肪所含有的脂肪酸种类和含量不一样。自然界有酸种类和含量不一样。自然界有40多种脂肪酸，因此可形成多多种脂肪酸，因此可形成多种脂肪酸种脂肪酸甘油三酯甘油三酯。脂肪酸一般由。脂肪酸一般由4个到个到24个碳原子组成。个碳原子组成。脂肪在脂肪酶的作用下分解成甘油和高级脂肪酸脂肪在脂肪酶的作用下分解成甘油和高级脂肪酸甘油的转化：甘油的转化：脂肪酸的脂肪酸的氧化：氧化：奇数碳原子的脂肪酸氧化，产物除了乙酰辅酶A外，还有丙酸。能量的计算：能量的计算：18C硬脂酸完全氧化可产生大量能量。1mol硬脂酰辅酶A每经一次氧化作用，产生1mol乙酰辅酶A，1mol FADH2，以及1mol NADH2。1moL乙酰辅酶A经TCA循环氧化产生 12molATP1moL FADH2经呼吸链氧化产生 2molATP1moL NADH2经呼吸链氧化产生 3molATP开始激活硬脂酸消耗 -1molATP16molATP总的ATP=16+177+12=147molATP六、木质素的转化六、木质素的转化六、木质素的转化六、木质素的转化 木质素是由四种醇单体（对香豆醇、松柏醇、木质素是由四种醇单体（对香豆醇、松柏醇、5-羟基松羟基松柏醇、芥子醇）形成的一种复杂酚类聚合物。柏醇、芥子醇）形成的一种复杂酚类聚合物。木质素是构成植物细胞壁的成分之一，具有使细胞相连木质素是构成植物细胞壁的成分之一，具有使细胞相连的作用。的作用。在自然界中在自然界中，木质素的储量仅次于纤维素，木质素的储量仅次于纤维素，而且每年都，而且每年都以以500 亿吨的速度再生。制浆造纸工业每年要从植物中分离出亿吨的速度再生。制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约大约 1.4 亿吨纤维素亿吨纤维素，同时得到，同时得到 5000万吨左右的木质素副产万吨左右的木质素副产品品,但迄今为止但迄今为止，超过，超过95%的木质素仍以的木质素仍以“黑液黑液”直接排入江直接排入江河或浓缩后烧掉河或浓缩后烧掉，很少得到有效利用。，很少得到有效利用。分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多空菌、伞菌等，厚孢毛霉和松栓菌，假单胞菌。空菌、伞菌等，厚孢毛霉和松栓菌，假单胞菌。有氧条件下分解木质素比厌氧条件下快，真菌分解木有氧条件下分解木质素比厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。质素比细菌快。七、烃类物质的转化七、烃类物质的转化1、烷烃的转化、烷烃的转化烷烃的通式烷烃的通式 ，可被微生物氧化，可被微生物氧化 氧化氧化1mol甲烷需要甲烷需要2mol氧气，形成氧气，形成1mol二氧化碳，但二氧化碳，但是由于有一部分甲烷要参与组成细胞物质。是由于有一部分甲烷要参与组成细胞物质。氧化烷烃的微生物有甲烷假单胞菌，分枝杆菌；头孢霉、氧化烷烃的微生物有甲烷假单胞菌，分枝杆菌；头孢霉、青霉能氧化甲烷、乙烷和丙烷。青霉能氧化甲烷、乙烷和丙烷。2、芳香烃化合物的转化、芳香烃化合物的转化苯和酚的分解菌有荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌及苯杆菌。苯和酚的分解菌有荧光假单胞菌、铜绿色假单胞菌及苯杆菌。菲杆菌、菲芽孢杆菌巴库变种、菲芽孢杆菌古里变种能分解菲。菲杆菌、菲芽孢杆菌巴库变种、菲芽孢杆菌古里变种能分解菲。荧光假单胞菌、小球菌以大肠埃希氏菌能分解苯并芘荧光假单胞菌、小球菌以大肠埃希氏菌能分解苯并芘第四节第四节 含氮有机物的生物分解含氮有机物的生物分解自然界氮素含量丰富，存在的形式有自然界氮素含量丰富，存在的形式有3种：种：1、分子氮（占大气、分子氮（占大气78%）2、有机氮化合物、有机氮化合物3、无机氮化合物（氨氮和硝酸氮）、无机氮化合物（氨氮和硝酸氮）氮循环包括氨化作用、硝化作用、反硝化作氮循环包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。用和固氮作用。氮循环过程氮循环过程 脱氨作用：有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作用下脱氨作用：有机氮化合物在氨化微生物的脱氨基作用下产生氨，称为氨化作用。脱氨的方式有：氧化脱氨、还原脱产生氨，称为氨化作用。脱氨的方式有：氧化脱氨、还原脱氨和减饱和脱氨。氨和减饱和脱氨。一、氨化作用一、氨化作用1、蛋白质的水解、蛋白质的水解 蛋白质分子量大，不能直接进入微生物细胞，在细胞外蛋白质分子量大，不能直接进入微生物细胞，在细胞外被蛋白酶水解成小分子肽、氨基酸后才能头国细胞被微生物被蛋白酶水解成小分子肽、氨基酸后才能头国细胞被微生物利用。利用。蛋白质蛋白质肽肽氨基酸氨基酸2、氨基酸转化、氨基酸转化（1）氧化脱氮TCA（2）还原脱氮（3）水解脱氮（4）减饱和脱氨 脱羧作用：氨基酸脱羧作用多数由腐败细菌和霉菌引脱羧作用：氨基酸脱羧作用多数由腐败细菌和霉菌引起，经脱羧后生成胺。起，经脱羧后生成胺。二、尿素的转化二、尿素的转化 在废水生物处理中，生物反应池中微生物生长情况恶化，缺氮时可以投加尿素，尿素含氮47%，可以被很多微生物利用。三、硝化作用三、硝化作用 氨基酸脱下的氮，在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸氨基酸脱下的氮，在有氧的条件下，经亚硝酸细菌和硝酸细菌的作用转化为硝酸，这称为消化作用。有氨转化为硝酸细菌的作用转化为硝酸，这称为消化作用。有氨转化为硝酸分两步进行：分两步进行：四、反硝化作用四、反硝化作用 微生物吸收硝酸盐，将硝酸还原成氮气或者氨，再由氨微生物吸收硝酸盐，将硝酸还原成氮气或者氨，再由氨合乎成为氨基酸、蛋白质以及其他含氨物质。合乎成为氨基酸、蛋白质以及其他含氨物质。1、大多数细菌、放线菌及真菌利用硝酸盐为氮素营养，、大多数细菌、放线菌及真菌利用硝酸盐为氮素营养，通过硝酸还原酶的作用将硝酸还原成氨。通过硝酸还原酶的作用将硝酸还原成氨。2、反硝化细菌（兼性厌氧菌）在厌氧条件下，将硝酸还原、反硝化细菌（兼性厌氧菌）在厌氧条件下，将硝酸还原为氮气为氮气3、硝酸盐还原为亚硝酸。、硝酸盐还原为亚硝酸。五、固氮作用五、固氮作用 固氮作用：在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子固氮作用：在固氮微生物的固氮酶催化作用下，把分子氮转化为氨，进而合成为有机氮化合物。氮转化为氨，进而合成为有机氮化合物。每还原每还原1mol氮为氮为2mol氨，需要氨，需要24mol ATP，其中，其中9mol ATP提供提供3对电子用于还原作用。对电子用于还原作用。15mol ATP用于催化反应。用于催化反应。厌氧固氮菌是通过发酵碳水化合物至丙酮酸，有丙酮酸厌氧固氮菌是通过发酵碳水化合物至丙酮酸，有丙酮酸磷酸解过程中合成磷酸解过程中合成ATP提供固蛋所需。好氧固氮菌则是通过提供固蛋所需。好氧固氮菌则是通过好氧呼吸由好氧呼吸由TCA循环产生循环产生FADH2、NADH2等经电子传递链等经电子传递链产生产生ATP六、其它含氮物质的转化六、其它含氮物质的转化氢氰酸可以被一些微生物合成利用，主要是担子菌和紫色杆菌。氢氰酸可以被一些微生物合成利用，主要是担子菌和紫色杆菌。其他含氮物质有氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈其他含氮物质有氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈及硝基化合物。及硝基化合物。第五节第五节 微生物对无机元素的转化作用微生物对无机元素的转化作用在自然界中硫有三态：元素硫、无机硫化物及含硫有机化合物一、硫的生物转化一、硫的生物转化（一）、含硫有机物的转化（一）、含硫有机物的转化动物、植物和微生物机体中含硫有机物主要是蛋白质。（二）、无机硫化物的转化（二）、无机硫化物的转化1、硫化作用、硫化作用（1）硫化细菌：硫化细菌属于革兰氏阴性细菌，从氧化硫化）硫化细菌：硫化细菌属于革兰氏阴性细菌，从氧化硫化氢、元素硫、硫代硫酸盐、亚硫酸盐及多硫磺酸盐中获得能氢、元素硫、硫代硫酸盐、亚硫酸盐及多硫磺酸盐中获得能量，产生硫酸，同化二氧化碳合成有机物。量，产生硫酸，同化二氧化碳合成有机物。（2）硫磺细菌：将硫化氢氧化为硫，并将硫粒积累在细胞内）硫磺细菌：将硫化氢氧化为硫，并将硫粒积累在细胞内的细菌，统称为硫磺细菌，它们包括丝状硫磺细菌和光能自的细菌，统称为硫磺细菌，它们包括丝状硫磺细菌和光能自养的硫细菌。养的硫细菌。丝状硫细菌在生活污水和含硫工业废水的生物处理过程中出现，与活性污泥丝状膨胀有密切关系，当曝气池溶解氧在1mg/L以下时，硫化物含量较多，贝日阿托氏菌和发硫菌过度生长引起活性污泥丝状膨胀。2、反硫化作用、反硫化作用 土壤淹水、河流、湖泊等水体处于缺氧状态时，硫酸盐、土壤淹水、河流、湖泊等水体处于缺氧状态时，硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐和次亚硫酸盐在微生物的还原作用下亚硫酸盐、硫代硫酸盐和次亚硫酸盐在微生物的还原作用下形成硫化氢，这种作用就叫反硫化作用。形成硫化氢，这种作用就叫反硫化作用。二、二、二、二、磷的生物转化磷的生物转化磷的生物转化磷的生物转化磷在土壤和水体中以含磷有机物、无机磷化合物及还原态PH3，三种状态存在。PH3（一）、含磷有机物的转化（一）、含磷有机物的转化1、核酸、核酸核糖2、磷脂、磷脂甘油脂肪酸磷酸3、植素、植素（二）、无机磷化合物的转化（二）、无机磷化合物的转化可溶性的磷酸盐可以经下面2种途径转化：1、被植物、藻类及其他微生物吸收利用，组成卵磷脂、核酸及ATP2、磷酸盐在厌氧条件下，被梭状芽孢杆菌、大肠杆菌等还原作用形成PH3三、金属的生物转化三、金属的生物转化三、金属的生物转化三、金属的生物转化自然界中铁以自然界中铁以无机铁化合物无机铁化合物和和含铁有机物含铁有机物两种状态存在。两种状态存在。有氧存在时，二价的氧化铁被氧化成三价的氢氧化物。无氧条件下，二价的铁还能被铁细菌氧化为三价铁 铸铁管道中，常因水管中有酸性水而将铁转化为溶解性的二价铁，铁细菌就转化二价铁为三价铁并沉积于水管壁上，越积越多，堵塞水管。趋磁性细菌趋磁性细菌1975年在海底泥中发现，趋磁性细菌的游泳方向受磁场的影响。趋磁细菌细胞内磁小体的主要成分为Fe3O4和Fe3S4。磁小体来自活体细胞，不会产生任何毒性且因其颗粒小而均匀，具有较大的表面积体积比，且磁小体外有生物膜包被，颗粒间不聚集，也没有细胞毒性，因而将在许多领域有潜在的不可估量的应用价值。在污水处理厂的沉淀物中也分离出趋磁细菌。目前有研究表明可以利用趋磁性细菌来吸附回收Pb2+等重金属离子。