第二章 微生物对污染物的降解与转化1教程文件
第二章 微生物对污染物质的降解1
速度 =
kc − dc = 1 dt k2 + c
第二节 微生物降解动力学
二、双曲线速度模型
速度直接取决于浓度，同时取决于浓度与它项之和。 速度直接取决于浓度，同时取决于浓度与它项之和。 双曲线速度模型适用于通过表面吸附或表面与催化分子复 合而进行的催化反应。 合而进行的催化反应。
第二节 微生物降解动力学
第三节 石油的微生物降解
一、降解机理 （一）烷烃 （二）烯烃 （三）脂环烃类 （四）芳香烃 （五）多环芳烃 二、影响石油降解的因素
第三节 石油的微生物降解 降解机理
（一）烷烃 微生物对烷烃分解的一般过程是逐步氧化，生成相应的醇、 微生物对烷烃分解的一般过程是逐步氧化，生成相应的醇、 醛和酸，而后经β 氧化进入三羧酸循环，最终分解成CO 醛和酸，而后经β-氧化进入三羧酸循环，最终分解成CO2 最常见的氧化是烷烃末端甲基氧化； 和H2O。最常见的氧化是烷烃末端甲基氧化；此外还有两 端甲基氧化形成二羧酸，次末端氧化生成酮类。 端甲基氧化形成二羧酸，次末端氧化生成酮类。
第一节 微生物降解转化物质的巨大潜力
四、微生物繁殖快，易变异，适应性强 微生物繁殖快，易变异， 繁殖快 由于微生物繁殖快，数量多， 由于微生物繁殖快，数量多，可在短时间内产生大量 变异的后代，对进入环境的“陌生”污染物， 变异的后代，对进入环境的“陌生”污染物，微生物可通 过突变，改变原来的代谢类型而适应、降解之。最为人所 过突变，改变原来的代谢类型而适应、降解之。 熟知的例子，是微生物产与赖药性的变异，当微 生物经常与次致死剂量的抑菌或杀菌物质接触后， 生物经常与次致死剂量的抑菌或杀菌物质接触后，先是经 过自然突变改变了代谢类型，对该药物产生了抗性， 过自然突变改变了代谢类型，对该药物产生了抗性，进而 可能对该药物完全产生依赖性，本来对菌体有毒的药物， 可能对该药物完全产生依赖性，本来对菌体有毒的药物， 却变为该菌所不可缺少的营养物质， 却变为该菌所不可缺少的营养物质，例如野生型的大肠埃 希氏菌变为链霉素依赖突变型
微生物对污染物的降解与转化
微生物对污染物的降解与转化微生物的一大特点，是代谢类型的多样性，自然界存在的各种物质，特别是有机化合物，几乎都可找到使之降解或转化的微生物。
就是随着工业发展，排入环境引起环境污染的许多人工合成物，由于微生物繁殖迅速，个体微小，比表面大等特点，它们较其他生物更易适应环境，已有不少证据表明，微生物“正学着”对付众多的“陌生的”人造化合物。
可见微生物对污染物的降解和转化具有巨大的潜力。
（1）微生物对无毒有机物的降解无毒有机物主要是生活废弃物。
很多微生物都有能力降解这为在污染物。
微生物通过好氧分解或厌氧分解来分解有机物。
（2）微生物对有毒有机物的降解有毒有机物一般属于难生物降解性物质和不可生物降解性物质。
研究这些有机物的可溶解性，从环境保护角度来看，具有重要的实践意义。
①农药农药是除草剂、杀虫剂、杀菌剂等化学药剂的总称。
由于农药对粮食生产的重要，目前全世界农药的总产量已达200多万吨，品种约有500余种，常用的也有100种。
而当前使用的农药多是有机氯制剂、有机磷制剂和有机汞制剂。
这些有毒化合物在环境中的存留时间一般较长。
因此，大量农药累积于自然环境中，对人和动物具有严重的危害。
微生物与农药之间的关系可概括成两个方面。
一方面农药抑制土著种群的数量和作用可用于杀害和抑制某些有害种类；另一方面，几乎全部现代农药都是有机的，因而可以想象微生物可以代谢这些药物，改变和破坏它们的毒性。
现已了解，环境中有机农药的消失，主要是由于微生物的降解作用。
并已从土壤、水体、污泥、污水中分离到能降解农药的细菌、放线菌、真菌等微生物。
由此，可利用微生物降解有机污染物。
微生物以两种方式降解农药，一种方式是以农药作为生长的唯一碳源和能源，有时还作为唯一的氮源，而使农药降解，具有这种能力的微生物很多，其中假单胞菌属、诺卡氏菌属及曲霉属中的一些种类最为突出；另一种方式是通过共代谢作用，即微生物从其它化合物获得碳源和能源后，才能使农药转化甚至完全降解。
微生物对污染物的降解和转化.doc
微生物对污染物的降解和转化•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C → RCOOH（有机酸）→CH4 + CO2•N → RCHNH2COOH → NH3（臭味） + 有机酸（臭味）•S → H2S（臭味）•P → PO3-4•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。
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•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。
3．木质素的转化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(Phanerochaete chrysosprium)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。
微生物对污染物的降解与转化
微生物对污染物的降解与转化由于微生物代谢类型多样，所以自然界所有的有机物几乎都能被微生物降解与转化。
随着工发展，许多人工合成的新的化合物，掺入到自然环境中，引起环境污染。
微生物以其个体小、繁侠、适应性强、易变异等特点，可随环境变化，产生新的自发突变株，也可能通过形成诱导酶、生新的酶系，具备新的代谢功能以适应新的环境，从而降解和转化那些“陌生”的化合物。
大事实证明微生物有着降解、转化物质的巨大潜力。
(一)环境中的主要污染物所谓污染物，是指人类在生产生活中，排人大气、水体或土壤内的能引起环境污染，并对人环境有不利影响的物质的总称。
这些物质主要有农药、污泥、烃类、合成聚合物、重金属、放射性核素等。
总体可归为无毒和有毒污染物2大类，前者如纤维素、淀粉等有机物和酸、碱等无机物，后者如苯酚、多氯联苯等有机毒物和氰化物、各种重金属等无机毒物。
污染物对人类的危害是极其复杂的，有些污染物在短期内通过空气、水、食物链等多种媒介侵入人体，造成急性危。
也有些污染物通过小剂量持续不断地侵人人体，经过相当长时间，才显露出对人体的慢性危害或远期危害，甚至影响到子孙后代的健康。
(二)微生物对农药等有毒污染物的降解农药是除草剂、杀虫剂、杀菌剂等化学制剂的总称。
我国每年使用50多万吨农药，利用率只“10％。
绝大部分残留在土壤中，有的被土壤吸附，有的经空气、江河传播扩散，引起大范围污染。
目前的农药多是有机氯、有机磷、有机氮、有机硫农药，其中有机氯农药危害性最大。
这些有毒化合物在自然界存留时间长、对人畜危害严重。
实验证明，环境中农药的清除主要靠细菌、放线菌、真菌等微生物的作用，微生物降解农药的方式有2种，一种是以农药作为唯一碳源和能源，或作为唯一的氮源物质，此类农药能很快被微生物降解，如氟乐灵，这是一种新型除草剂，它可作为曲霉属的唯一碳源，所以很易被分解；另一种是通过共代谢作用，共代谢是指一些很难降解的有机物，虽不能作为微生物唯一碳源或能源被降解，但可通过微生物利用其他有机物作为碳源或能源的同时被降解的现象，如直肠梭菌降解666时需要有蛋白胨之类物质提供能量才能降解。
微生物对污染物的分解与转化演示文稿
解”或“生物降解”。 有机物的生物分解是通过一系列的生化反
应，最终将有机物分解成小分子有机物或 无机物的过程。 污水中有机污染物的生物分解过程见下图。
第3页，共67页。
第一节 微生物对有机物的分解作用
的来源，多余的即排泄到环境中。
第41页，共67页。
第四节 典型含氮有机物质的生物分解
能分解蛋白质和氨基酸的微生物有： 氨化细菌（占主导作用） 好氧细菌如荧光假单胞菌、灵杆菌等。 兼性厌氧细菌如变形杆菌等。 厌氧细菌有腐败梭菌等。 霉菌有曲霉、毛霉、木霉、链霉菌等。
第42页，共67页。
第四节 典型含氮有机物质的生物分解
共代谢作用的机理有待于继续研究。
第20页，共67页。
第二节 有机物的生物可分解性
三、污水中有机物的生物分解性评价 污水中混合有机污染物可生物降解性评价方法主要有： BOD5/CODCr比值法、瓦氏呼吸仪测量法、BOD5和TOC
的比值等。
常用的简单易行的方法是BOD5/CODCr比值法。一般认 为：
微生物的共代谢作用举例： 直肠梭菌在有蛋白胨类物质存在时，才能降解丙体六六
六。
链霉菌需节杆菌的协同作用，才能降解二嗪农(农药）。
（两种微生物共代谢二嗪农）
第19页，共67页。
第二节 有机物的生物可分解性
在实践中，已有某些难降解的有机物，经 合适的微生物的一系列共代谢作用而彻底 降解。因此，共代谢在难生物降解化合物 的降解转化中将起重要的作用。
第21页，共67页。
第二节 有机物的生物可分解性
✓ BOD5/CODCr比值大于0.4~0.6(0.45)， 该废水可生化性较好。
微生物对污染物的降解和转化
微生物对污染物的降解和转化•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C → RCOOH（有机酸）→CH4 + CO2•N → RCHNH2COOH →NH3（臭味） + 有机酸（臭味）•S →H2S（臭味）•P → PO3-4•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。
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•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。
3．木质素的转化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(Phanerochaete chrysosprium)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。
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35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
微生物对环境污染物的降解 与转化
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的哭泣，抱怨者 的牢骚 ，这是 羊群中 的瘟疫 ，我不 能被它 传染。 我要尽 量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
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（1）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
→ 矿化盐
（2）厌氧分解
厌氧细菌 原理：发酵、厌氧无机盐呼吸
C → RCOOH（有机酸）→CH4 + CO2 N → RCHNH2COOH → NH3（臭味） + 有机酸（臭味） S → H2S（臭味） P → PO43-
1.微生物分解有机物的作用
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：
好氧生物分解
需氧微生物 胞内酶 CO2、H2O
微生物
复杂有机物
简单有机物
胞外酶
CO2、H2O、H2、CH4、 厌氧微生物 H2S及有机酸、醇、
厌氧生物分解
胞内酶
酮、醛等未完全 氧化产物
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
1.微生物的代谢活性
（1）种类 （2）生长时期 （3）适应与驯化
E1
E2
A’——>B’——>×
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’)。
（3）混合菌株作用（混合培养）P278/322
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。
➢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
营养 温度 pH
溶解氧
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 糖类污染物
难溶的多糖，主要是纤维素、半纤维素、果胶质、 木质素、淀粉
纤维素的分解
＋ 纤维素
H2O 纤维二糖
（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。
（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
×
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
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
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%。
杀虫剂二嗪哝的降解
二嗪哝
Arthrobacter sp. Streptomyces sp.
Arthrobacter sp. Streptomyces sp.
（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
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
第二节 微生物对常见污染物的降解与转化
1.微生物分解有机物的作用
有机物的 净化过程 的三阶段
第一阶段 化学氧化分解，历时数小时。 第二阶段 生物化学氧化分解一般要延续数日。 第三阶段 含氮有机物的硝化过程，延续一月左右。
➢ 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。
E1
E2 E3
A ——> B ——> C ——> D ——> E ——> CO2+能量
第二章 微生物对污染物的降解 与转化1
第一节 微生物降解理论基础
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
5.微生物具有巨大的降解能力
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。
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
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
共生机制
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。
被降解
5.共代谢 6.电子转移
两种紧密结合的产甲烷菌群落
（methanobacillus omelianski）：
产氢产乙酸菌
CH3CH2OH
CH3COOH + H2
产甲烷菌
CO2 + H2
CH4
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
主要是生长因子类物质
假单孢菌属(Pseudomonas)
产生出生物素
诺卡氏菌属(Nocadia sp.)
Nocadia sp.才具备降解环己烷的能力
2.去除生长抑制物质
CH3OH
抑制
假单孢菌 氧化
该群落中的其他菌
CH4
该群落中的其他菌为：黄杆菌、不动小杆菌
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