终稿微生物对污染物的降解与转化省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.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,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,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,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,微生物对有机污染物降解与转化,第1页,第一节 污染物生物降解性,生物降解,指由生物对污染物进行分解或降解。,降解,将复杂有机物分解为简单物质过程。,终极降解,微生物把有机物分解产生无机物,CO,2,和,H,2,O,过程。,第2页,有机污染物生物降解分类：,可生物降解性,复杂有机物在微生物作用下,分解为简单物质可能性。,依可生物降解性大小可将全部物质范围：,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（？）,第3页,有机污染物生物降解性测定方法及意义,（一）可生物降解性测定方法有：,1,、耗氧量测定：,经过用瓦氏呼吸仪测定耗氧量能够计算,3,个指标：,生物氧化率耗氧量与其理论完全需氧量之比。受降解条件影响,第4页,呼吸曲线内源呼吸曲线与外源呼吸曲线相对位置。,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。,两条呼吸线之间距离越大，说明该有机物生物降解性越好,两条线基本重合，说明该有机物不能被微生物氧化分解，但对微生物生命活动无抑制作用,第5页,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显著抑制作用。,生化呼吸线越靠近横坐标，表明毒害越大，此时细菌已几乎停顿呼吸，濒于死亡,第6页,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耗氧量与内源呼吸耗氧速率之比。,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。,第7页,2,、降解试验,接种微生物后，经过一定时间培养，培养液中污染物含量降低与原始浓度之比即为降解率,。,3,、,BOD,5,/COD,Cr,0.45,，生化性很好；,0.30,，可生化；,0.30,，较难生化；（但假如,BOD,5,较高，仍可采取,生化方法）,0.25,，不宜生化。,第8页,（,2,）烃类化合物,（,3,）主链上个别碳原子被其它元素所取代会增加对生物氧化抵抗力,越大越难降解,3.,有机物结构与生物降解性,（,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,C,被,O,、,S,、,N,、取代时，难降解，其中氧影响最显著,(,醚类化合物较难生物降解,),。,第9页,每个,C,原子上最少保持一个氢碳键有机化合物,对生物氧化阻抗较小,;,而当,C,原子上,H,都被烷基或芳基所取代时,该碳原子被称为,4,级碳原子,会形成生物氧化阻抗物质。,碳氢键,（,4,）取代基位置、种类、数量及碳链长短,第10页,苯环上氢被羟基或氨基取代（苯酚或苯胺）：生物降解比苯提升,卤代,：使生物降解性降低，尤其是间位取代苯环,抗生物降解更显著,.,官能团性质及数量,第11页,1.,微生物分解常见有机物作用,第二节 微生物对有机污染物降解与转化,有机物净化过程三阶段,第12页,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,微生物分解有机物作用可总括成以下列图式：,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.,微生物分解有机物作用,第13页,细菌,是其中主力军,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,第14页,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,第15页,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,纤维素分解,淀粉分解,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,例子：,第16页,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,含氮污染物分解,蛋白质,第17页,2,、难降解危险化合物分解,含有新奇结构合成化合物往往对微生物降解表现出抗逆性，其原因可能是这些化合物进入自然界时间比较短，微生物界还未进化出降解这类难降解化合物代谢机制。这些化合物大多数对环境含有毒害作用，故称之危险性化合物。,难降解危险性化合物定义,种类,烃类化合物、人工合成农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等,第18页,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,危险性化合物分解,第19页,（,2,）降解性质粒,降解难降解化合物酶类大多是由质粒控制，这类质粒被称为降解质粒。,难降解有机物生物降解主要原理：,（,1,）共代谢,共代谢,微生物处于能生长基质中时，同时能将原来不能利用物质氧化现象。,共代谢方式：依靠其它物质提供能量；依靠其它微生物协同作用；先经相同物诱导产生诱导酶，使污染物得以降解。,不造成细胞质量或能量增加，不促进其本 身生长；,使有机物得到修饰或转化，但不能使其分子,完全分解。,第20页,微生物在利用生长基质,A,时（从中取得能量、碳源），同时非生长基质,B,（不能从中取得能量、碳源或其它任何营养）也伴伴随发生氧化或其它反应,共代谢,假单胞菌,+,四环或多环芳烃化合物,+,双环或三环芳烃化合物,OK,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,共代谢,第21页,共代谢原理,靠降解其它有机物提供能源或碳源；,依靠其它微生物协同作用；,相同物诱导产生对应诱导酶，被转化为,不完全氧化产物,。,本质：最初酶系作用,底物专一性较低,（,E1,），后面酶系作用,底物专一性较高,（,E2,），无法识别前面酶系产物,(B),。,E1 E2 E3,A B C D E CO2+,能量,E1 E2,AB,第22页,（,3,）混合菌株作用（混合培养）,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,过程。,在自然界，第一个菌株,共代谢产物,可在第二个菌株作用下继续共代谢或完全,矿化,。,混合培养菌株降解能力,大大高于,单个菌株纯培养。,有机物转化广义上能够定义为两种：,矿化作用和共代谢作用,第23页,混合菌株作用机制,互生机制,共生机制,单独均可降解，混合培养增加效率 不一样微生物产生酶有差异，共同作用提升了降解效率,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，能利用碳源，消除有毒中间产物，保持,pH,平衡，消除反馈抑制等。,第24页,（,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作用范围,提升复杂有机污染物降解率,污染处理时，能够经过诱导共代谢作用发 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、化学结构与污染物类似,物质，进而诱导共代谢作用发生。,第25页,二、微生物群落代谢机制,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.,才具备降解环己烷能力,第26页,两种紧密结合产甲烷菌群落,（,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,第27页,去除生长抑制物质,CH,4,该群落中其它菌,假单孢菌,抑制,CH,3,OH,该群落中其它菌为：黄杆菌、不动小杆菌,氧化,第28页,4.,对底物协调利用,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。,除草剂茅草枯降解,混合菌株降解率比单个菌株降解率高,20%,。,第29页,Arthrobacter,sp.,杀虫剂二嗪哝降解,二嗪哝,Streptomyces,sp.,Arthrobacter,sp.,Streptomyces,sp.,被降解,节细菌属,链霉菌属,第30页,三、影响微生物对物质降解转化作用原因,（,2,）生长时期,1.,微生物,代谢活性,（,1,）种类,（,3,）适应与,驯化,驯化,一个定向选育微生物方法与过程，经过人工办法使微生物逐步适应某特定条件，最终取得含有较高耐受力和代谢活性菌株。,第31页,2.,目标化合物特征,有机物结构与生物降解性关系,3.,环境原因,实际应用中，可依据需要调控一些非生物因子，使生物降解或矿化反应到达最正确。,营养,温度,pH,溶解氧,第32页,饱和烃,芳香烃,胶质和沥青,直链烷烃最轻易被降解；,在芳香烃部分中，二环和三环化合物较轻易被降解，而含有,四个或更多环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降解,石油微生物降解机理,芳香烃,烃类化合物,脂肪烃,芳香烃,经典难降解污染物微生物降解过程,第33页,石油降解机理,A,链烷烃降解,+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,第34页,B,无支链环烷烃降解,以环己烷为例,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,协同作用,下将污染物 彻底降解,共代谢,。,第35页,C,芳香烃,芳香烃普遍含有生物毒性，但在低浓度范围内它们能够不一样程度被微生物分解。,苯和酚代谢,苯代谢,第36页,邻苯二酚,真菌,细菌,第37页,萘代谢,第38页,菲代谢,第39页,蒽代谢,第40页,酚,也是,先被氧化为,邻苯二酚,，这么各类芳香烃在降解后半段是相同，可表示以下：,第41页,各类烃,详细降解过程和产物,正烷烃,正烷烃羧酸二碳单位短链脂肪酸+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中间产物,微生物对烃类化合物降解路径小结,第42页,微生物对有机卤代物降解,卤代芳香烃,降解概念：其环被裂为中间代谢物而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,-,卤素键酶系,第43页,早期，经过还原、水解或氧化分解机理消除卤素。,后期，经过自发脱卤等,（,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降解,第44页,脱卤优于开环,碳卤素键开裂与,水,相关而与,O,2,无关,第45页,先开环后脱卤,卤代邻苯二酚,第46页,厌氧条件下,厌氧菌能进行一些好氧条件下未发觉,特殊脱毒,反应,如高氯代芳烃,氯酚类,第47页,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,，轻易累积在脂肪组织，造成脑部、皮肤及内脏疾病，并影响神经、生殖及免疫系统。,多氯联苯化学性质非常稳定，极难在自然界分解，属于持久性有机污染物一类，多用于电力设备，如含有多氯联苯电容器、电压器等。,第48页,PCB,（多氯联苯）,被厌氧微生物还原脱氯,分步进行，先生成,较低氯代多氯联苯,。,因为还原电位增加，还原难度也增加，所以,厌氧条件下还原脱氯速率随氯取代数目标下降而下降,。,第49页,4.,农药,如,杀虫剂、除草剂等,化学成份：,有卤素、磷酸基、氨基、硝基、羟基及其它取代物简单烃骨架（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，因而伴随卤素取代基数量增多，农药生物可降解性大幅度下降。,水中起源：,农田土壤浇灌水或雨水,第50页,经典含氮有机物转化,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,水中起源：,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赤霉菌,(,茄科病镰刀霉,),、木霉及担子菌等,第51页,B,降解机理,a.,氰化物,5HCN+5.5O,2,5CO,2,+H,2,O+5NH,3,b.,有机腈,担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶作用下缩合成为,氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。,HCN,CH,3,COH CH,3,CHNH,2,CN CH,3,CHNH,2,COOH,甲醛,氨基乙腈 丙氨酸,第52页,塑料（聚乙烯和聚苯乙烯）微生物降解新发觉,白色污染,(White Pollution),：是人们对难降解塑料垃圾,(,多指塑料袋,),污染环境现象一个形象称谓。它是指用聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等高分子化合物制成各类生活塑料制品使用后被弃置成为固体废物，难于降解处理，以致破环境严重污染现象,。,第53页,环境科学与技术,（,Environmental Science and Technology,）（,ES&T,）上两次登载了美国斯坦福大学吴唯民教授发表最新文章，提出黄粉虫肠道细菌能够降解聚苯乙烯制作塑料，首次以全方面证据揭示了蜡虫肠道内存在有效降解聚乙烯塑料细菌，这为处理全球塑料污染问题开启了一扇崭新大门。,条黄粉虫天天可吞食至毫克聚苯乙烯塑料，相当于一小片药片重量。这些塑料在黄粉虫肠道内停留不到小时，其中约被降解成二氧化碳，小部分被吸收。,发觉肠道微生物对聚苯乙烯生物降解起决定性作用。深入成功分离出能够利用聚苯乙烯作为唯一碳源进行生长聚苯乙烯降解细菌,-,微小杆菌,YT2,（,Exiguobacteriumsp.YT2,）。该菌株已保留在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心和国家基因库，是国际上报道第一株保藏在菌种中心聚苯乙烯降解细菌。该株细菌可在在无碳琼脂固体培养基上聚苯乙烯膜表面生长生成稳定生物膜，显著地侵蚀膜表面结构。,第54页,