微生物的有机物降解

4、一般情况下，生物处理构筑物内新生长（增加）的细胞物 质等于所合成的细胞物质减去由于内源呼吸而耗去的细胞物 质，可用于下列算式表示：
△X=a △S-Bx
△X表示新生长的细胞物质（Kg/d） △S表示所利用的食料（基质），即去除的BOD5（Kg/d） X表示构筑物内原有的细胞物质（Kg） a表示合成系数 b表示细胞自身氧化率或衰减系数。
生
降 解
残
物 分解
留 物
能+
分 解产物
热能
CO2、H2O、 NH4+、 NO2- NO3- 、 SO42-、 PO43-、H2、N2、H2S、 CH4、乙醇、有机酸、 硫醇等简单化合物
随水排出 3
二、生物分解的分类
1、根据生物分解的程度和最终产物的不同， 有机物的生物分解可分为生物去除（表观分 解）、初级分解、环境可接收的分解和完全分 解（矿化）等不同类型。
根据分解 条件分类
好氧分解：在好氧条件下进行的分解 厌氧分解：在厌氧条件下进行的分解
好氧呼吸 厌氧呼吸 发酵
微生 物的 分类
好氧微生物（aerobe）：只能在有氧条件下生长， 没有氧气无法生存.
厌氧微生物（anaerobe）：只能在没有氧气的环境 下生长，有氧气反而不能生长。
兼性微生物（facultative aerobe）：即可在有氧条 件下，也可在无氧条件下生长。在自然 界中，大多数微生物属于这一类。
各种色谱分析 官能团分析 毒性测试
各种色谱分析 官能团分析 毒性测试
有机化合物被分解成稳定无机物（CO2、H2O 等）的分解
总有机碳分析 产生的CO2分析
5
2、根据是否在有氧气存在的条件下，可分为 好氧分解和厌氧分解两种类型。与厌氧生 物分解相比，好氧分解往往具有分解速率 快、分解程度彻底、能量利用率高、转化 为细胞的比例大等特点。
特点
分解对象有机物 的分析方法
由于微生物细胞、活性污泥等的吸附作用使 化学物质浓度降低的一种现象。这里所说的 “生物去除”不是真正意义上的分解，而是 一种表观现象，也可称为“表观生物分解”。
各种色谱分析 有机碳分析
在分解过程中，化学物质的分子结构发生变 化，从而失去原化学物质特征的分解。
经过生物分解，化学物质的物理化学性质和 毒性达到环境安全要求的程度。
－CH3 >
H －C－CH3 >
CH3
CH3 －C－CH3
CH3
5）脂肪族：分子量越大越不易降解
6）芳香族<脂肪族（小分子）
7）复环芳烃中环越多越难降解 8）好氧条件下的降解规律与厌氧有时不同
polycyclic
9）化学品的生物降解性预测
物理化学性质～生物降解性/QSBR (Quantitative Structure Biodegradability Relationship)
污 泥
回流污泥
剩余污泥
• 三、有机物的厌氧生物分解
有机物+微生物
细胞物质
有机酸、醇 + 微生物
CO2、NH3、HS、P O
3 4
等 + 能量
细胞物质
CO2、CH4 + 能量
产酸细菌的作用
甲烷细菌的作用
有机物的厌氧分解
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不溶性有机物
水解胞外酶
酸
可溶性有机物
性
胞内酶产酸菌
发
酵
细菌细 胞
脂肪酸、醇类、 其它产物
2） 所 产 生 的 细 胞 物 质 未 表 示 在 图 中
图 2厌氧反应的三阶段理论和四类群理论
第二节 有机物的生物分解性
一、有机物的生物分解性评价 1、意义：正确评价有机物的生物分解难易程度，即生 物分解性，对于评价有机污染物在环境中的迁移转化 规律及其生态与健康风险，预测其在污水生物处理和 生物净化装置中的去处效果等具有重要的意义。 2、关键和难点：如何确定科学、合理的微生物种类和 浓度，环境条件（温度、PH值等）和受试化合物的浓 度等试验条件。 3、方法：生物分解潜能实验和生物分解模拟试验。
2. 抑制作用（拮抗）：分解产物抑制其他微生物 3. 捕食作用
（五）生物去毒作用与激活作用
• 生物分解和转化过程中，有机物的毒性往往发生变化。 • 生物分解产物的毒性低于原化合物时的生物分解作用，称
去毒作用（Detoxication • 生物分解产物的毒性大于原化合物时的生物分解作用，称
激活作用（activation）。常见的激活反应有：脱卤作用、 亚硝胺的形成、环氧化作用、硫醚的氧化、甲基化等。
微生物 细胞增长
CO2、H2O、SO42－、NH3、 ＋能量 PO43－等
随水排出
热能释出
1、有机物氧化和细胞物质合成的反应：
CXHYOZ＋(X＋0.25Y－0.5Z）O2
XC O2 ＋0.5H2O＋Q
2、细胞物质的合成（包括有机物的氧化，并以 NH3作氮源）
3、细胞物质的氧化（内源呼吸）
在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分 是相当稳定的，一般可用下列实验式表示： 细菌，C5H17NO2；真菌，C10H17NO6；藻 类，C5H8NO2；原生动物，C7H14NO3。
（二）生物分解模拟试验 目的：评价有机物在特定的环境条件下，如
污水生物处理系统、河流、湖泊、土壤中 的生物分解性。 关键：尽可能地在接近自然环境条件下进行 分解试验。
（三）有机物生物分解性评价的一般步骤
受试有机化合物
易生物分解试验
良好 分解性
不良 本质性生物分解试验
在环境中易生物分解
不良 分解性
良好 生物分解模拟试验
在环境中难生物分解
二、有机物的生物分解性与分子结构的关系
（一般规律，但例外较多）
1）增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性。
A : C l , N O 2 , S O 3 H , B r , C N , C F 3 , C H 3 , N H 2
• 抑制作用
• 顺次利用（sequential use )：一种基质的分解只发生在另
一种基质大部分或全部降解之后。
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（四）微生物间的相互作用
1. 协同作用（共生关系） 类型： 单一不能降解
混合能降解
单一降解慢
混合能降解快
作用机理： • 提供生长因子：提供维生素B、氨基酸等 • 分解中间代谢产物 • 分解共代谢产物 • 分解有毒产物
对于生活污水和性质与之接近的工业废水，a一 般可取0.05~0.1，b可取0.05~0.1；污泥泥龄长，a值 取小，b值取大；污泥泥龄短，a值取大，b值取小。
生物处理构筑物内所增加的细胞物质也可约略 地以投入的有机物（以BOD5）的50%左右估算。
活性污泥法
空气
初次沉 淀池
曝气池 再生池
二次沉 淀池
第二节 有机物的生物分解性
三、值得注意的几个问题
（一）生物分解性与浓度的关系 有些有机物在浓度低时可以降解，高于某一浓度时不 能降解（产生抑制作用）。
－
－
s z 抑制浓度
S
S
毒性较大的污染物的生物降解需稀释。
（二）共代谢现象
单独存在时不能被降解，只有在其它物质被降解时才能被 降解的现象。（不能作为能源或碳源的化合物的代谢）
（2）小分子的脱氢氧化：产生可进入TCA循环的乙酰－CoA。
（3）乙酰－CoA进入TCA循环和呼吸链被氧化成CO2和H2O
好氧分解的产物： 有机物CHONP
CO2、 H2O、 （NH3＋NO2＋NO3－）
H2SO4 、H可与水中的 碱性物质作用，形成相应的盐类。
1、易生物分解试验
目的：评价有机物是否很容易地被生物完全分解， 一般在不利于生物分解的条件性进行。
方法：以受试化合物作为唯一碳源，接种的微生物 浓度较低，且微生物事先不经过驯化。在易生物 分解试验中得到良好分解效果的化合物，可以认 为在一般环境中也很容易被生物分解。但是，在 易生物分解试验中分解效果较差的化合物，并不 能判断其在环境中不能被生物分解。
a和b的值可通过试验确定如下： 将式两侧各除去X，得：
△X/X= a △S/X-b
△S/X为横坐标， △X/X为纵坐标作图，可得一直线，其斜率即
a，纵轴上的截距为（-b）
就活性污泥来说，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；此外，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。
O
O
B : N H 2 , O C H 3 , O H , C O H , C O
能使降解性降低的基团称异源基团。（xenophore）
2）异源基团数目增加，降解性越差。
OH Cl
OH Cl
OH
Cl Cl
Cl
Cl
3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。
OH Cl 加速
OH
OH Cl
减慢
4）甲基分支越多越不易降解
2、本质性生物分解试验 目的：评价有机物是否具有被生物分解的性质。
方法：通常在最有利于受试化合物分解的条件下 进行。使用的微生物通常讲过事先的充分驯化， 接种浓度较高，试验周期长，尽可能的添加各 种必须的营养物质等。因此在试验中得到良好 分解效果的化合物，在实际环境中不一定能够 分解。但是，在该试验中不能被生物分解的化 合物，可以认为其在实际的环境条件下也不能 被生物。
原因：1）缺少进一步降解的酶系；e.g. 2, 4-D （二氯苯氧乙酸） 2）中间产物的抑制作用； 3）浓度低，不能维持生命代谢。
（三）有机物间的相互作用 互不影响、促进作用、抑制作用（顺次利用）
1. 多基质同时被利用 2. 一种基质促进第二种基质的降解
• 甲苯促进假单胞菌对苯、二甲苯的降解 • 易降解物质的添加增加微生物浓度 3. 一种基质阻碍另一基质的降解