微生物对污染物的降解转化
北科大环境工程微生物学课件第4章 微生物对污染物的降解和转化
被动扩散： 营养物质顺浓度梯度，以扩散方式进 入细胞的过程。 特点： 1)微生物的细胞膜不是半透膜，是差异 膜，影响物质进出细胞的速度；2)微生物中的 部分细胞具有将营养物质转移功能或及时在酶系 统作用下转化功能，避免积累，保持内外的物质 浓度梯度，保证了物质运输的不断进行。 被动扩散分类： 包括简单扩散(不需要载体)和 促进扩散(需要载体)。
本章要点：
酶催化进行的反应称为酶促反应(Enzymatic reaction)，发生化学反 应的物质称为底物 (Substrate)物质称为产物(Product)。
酶(Enzyme)---在活 细胞内合成的具有高 度专一性和催化效率 的蛋白质，具有催化 生物化学反应的功 能，并传递电子、原 子和化学基团，又称 为生物催化剂。
( 1 )微生物酶的定义、分类、组成、固定化及影响酶活力的因素 (2)营养物质进入微生物细胞的方式和原理 (3)含碳、氮、硫、磷各自化合物以及难降解物质的微生物降解转化机理 (4)微生物降解动力学过程及其影响因素 (5)微生物的合成代谢过程和机制
第四章 微生物对污染物的降解转化
(Biological catalyst)
一、 基本概念：
反应生成的
二、 酶的催化特点：
按酶促反应的类型分类氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、合成酶类 按酶在细胞的部位分类按酶在细胞的不同部位，分为胞内酶、胞外酶和表面酶 按酶蛋白结构的特点分类多酶复合体系、寡聚酶、单体酶 按酶生成与底物是否存在的关系分类组成酶(Constitutive enzymes)和诱导酶(Inducible enzymes)
活性中心：酶蛋白分子发生化学反应的小部分氨基酸微区
酶活性中心与底物作用
微生物对环境中有机污染物的降解机制
微生物对环境中有机污染物的降解机制有机污染物是指由碳和氢等元素组成的化合物，常见的有机污染物包括石油类、农药、工业废水等。
这些有机污染物对人类和生态系统的健康产生严重威胁，因此寻找有效的降解方法成为了迫切的需求。
在此背景下，微生物降解成为了一种受到广泛研究的方法，微生物通过各种机制参与有机污染物的降解过程。
微生物降解有机污染物的机制主要分为生物吸附、生物转化和代谢三个方面。
首先，微生物可以通过生物吸附作用降解有机污染物。
微生物表面具有许多吸附结构，如细菌细胞壁上的膜蛋白、菌丝的纤毛等。
这些结构可以吸附并固定有机污染物，阻止其进一步扩散。
同时，微生物还可以通过表面吸附结构上的酶活性，进一步促进有机污染物的分解。
其次，微生物通过生物转化作用将有机污染物转化为较简单的化合物。
微生物体内的代谢酶可以催化有机污染物的化学反应，使其分解为更小的分子。
例如，石油类污染物中的芳香烃可以被微生物转化为酚、醛等低毒性物质。
这种生物转化作用具有高效、选择性强的特点。
最后，微生物通过代谢作用将有机污染物降解为无害的物质。
微生物能够利用有机污染物作为能量源进行代谢反应，将其转化为水、二氧化碳等无害物质。
这种代谢作用在自然界中广泛存在，为环境中有机污染物的彻底降解提供了有效途径。
微生物对环境中有机污染物的降解机制受到多种因素的影响，包括环境条件、微生物种类和污染物特性等。
首先，环境条件的酸碱度、温度、氧气浓度等因素会影响微生物的生长和代谢活性，进而影响微生物对有机污染物的降解效率。
其次，不同种类的微生物对不同类型的有机污染物具有不同的降解能力，这取决于微生物体内的代谢途径和代谢酶的种类。
此外，有机污染物的化学结构和性质也会影响微生物对其的降解速率和效果。
总的来说，微生物对环境中有机污染物的降解机制是多样而复杂的。
微生物通过吸附、转化和代谢等过程参与有机污染物的降解，有效净化环境。
然而，为了提高微生物降解的效率和速度，还需要深入研究微生物的特性和环境因素对其的影响，以及开发相应的技术手段来促进微生物降解的应用。
微生物对环境中污染物的生物降解研究
微生物对环境中污染物的生物降解研究污染物对环境的危害已经引起了广泛关注，这些污染物在环境中的存在威胁着人类和其他生物的健康。
为了减少和消除污染物对环境的影响，科学家们一直在寻找有效的方法。
而微生物的生物降解能力在这方面发挥了重要作用。
本文将介绍微生物对环境中污染物的生物降解研究，包括其机理、应用和未来的挑战。
一、微生物生物降解的机理微生物是一类微小的生物体，包括细菌、真菌和藻类等。
它们能够分解和转化环境中的有机物，并将其转化为无害的物质。
微生物生物降解的机理主要包括酶的产生、代谢途径和基因调控等方面。
1. 酶的产生微生物通过产生特定的酶来降解污染物。
这些酶能够与污染物结合并催化其降解反应。
不同的微生物针对不同的污染物产生特定的酶，从而实现对不同污染物的降解。
2. 代谢途径微生物通常通过特定的代谢途径来降解污染物。
这些代谢途径包括氧化还原、降解和转化等过程。
微生物通过这些代谢途径将有机物分解为简单的无机物或能够进一步转化的有机物，从而实现对污染物的降解。
3. 基因调控微生物在适应环境中的污染物降解过程中，往往需要调控特定的基因。
这些基因能够编码特定的酶和蛋白质，从而使微生物能够适应并降解特定的污染物。
二、微生物生物降解的应用微生物生物降解技术在环境治理和废物处理中得到了广泛应用。
以下将介绍几个常见的应用领域。
1. 土壤和水体治理土壤和水体中的有机污染物对生态系统造成了严重威胁，微生物生物降解技术可以有效地降解这些污染物。
通过引入适当的微生物群落，可以在污染土壤和水体中将有机污染物转化为无毒的物质，从而恢复生态系统的健康状态。
2. 油污处理石油和石化产品的泄漏对海洋和土地环境造成了严重的污染。
微生物生物降解技术被广泛应用于油污的处理过程中。
通过利用特定的微生物群落，可以将石油中的有机污染物转化为无毒的物质，并最大程度地减少对环境的损害。
3. 废水处理废水中的有机物和重金属对水质造成了严重污染。
微生物生物降解技术可以用于废水处理过程中。
微生物治理污染的原理
微生物治理污染的原理
微生物治理污染的原理是利用微生物对污染物进行降解、转化或吸附，从而减少或去除污染物。
微生物是一类高度适应环境的生物，它们能够利用多种有机物和无机物为能源和营养源，通过代谢活动对污染物进行降解。
微生物治理可以分为两种类型：生物辅助治理和生物修复。
生物辅助治理是指利用微生物来转化或降解污染物，以达到减少或去除污染的目的。
生物修复则是指引入特定的微生物来修复受到污染的环境，使其恢复到原有的健康状态。
微生物治理污染的原理包括以下几个方面：
1. 吸附作用：一些微生物表面存在着吸附剂，可以吸附污染物，从而将其从环境中去除或减少其浓度。
2. 生物降解：微生物通过各种代谢途径，将有机污染物分解成无害的物质，如二氧化碳和水。
这可以通过微生物合成特定的酶来实现，这些酶可以将有机物转化成更小的分子。
3. 生物转化：微生物可以将一些有毒物质转化为相对无害的物质。
例如，某些微生物可以将重金属离子还原成零价态的金属，从而减少其毒性。
4. 生物吸收和富集：一些微生物可以通过吸收和富集污染物来减少其在环境中的浓度。
这些微生物可以在富集了污染物后被收集和处理。
微生物治理污染的原理在环境治理中具有广泛应用，例如在水体污染治理、土壤修复和废物处理中都有一定的应用。
但需要注意的是，微生物治理并非适用于所
有类型的污染物，对于一些特定的污染物可能需要结合其他方法来进行治理。
此外，在微生物治理中还需要考虑微生物的选择性、适应性和生态位等因素，以确保治理效果的稳定和持久。
微生物对环境污染物的降解
微生物对环境污染物的降解一、引言环境污染是当前全球面临的一大挑战，许多污染物对生态系统和人类健康产生了极大的威胁。
然而，幸运的是，自然界中存在着许多微生物，它们具备特殊的降解能力，可以有效地分解和降解环境中的污染物，为环境的修复和恢复提供了有力支持。
二、微生物对有机污染物的降解1. 微生物的分类和功能微生物包括细菌、真菌、古菌和病毒等，它们对不同类型的有机污染物具备不同的降解能力。
其中，细菌是目前最为常见的污染物降解微生物，具有分解有机化合物的能力；真菌则擅长降解木质素和多环芳烃等有机物；而古菌则对极端环境下的有机废物降解具备独特的适应能力。
2. 微生物降解机制微生物在降解有机污染物时，主要通过产生特定的酶来分解化合物的化学键，将其转化为无毒或较低毒的物质。
这些酶可以在特定环境条件下诱导合成，因此可针对具体的污染物进行调控。
此外，微生物还能通过多种途径将有害物质转化为有益物质，如转化为能量、气体或更稳定的形式。
三、微生物对重金属污染的降解1. 微生物的选择途径重金属是一类有害而难以处理的污染物，但微生物却能通过吸附、还原、沉淀和转化等方式对其进行有效降解。
此外，通过改变土壤或水体的酸碱度、氧化还原条件等环境因素，也可以促进微生物的降解作用。
2. 微生物的降解机制微生物对重金属的降解主要通过酶的催化作用实现，它们可以使重金属形成难溶性或稳定的沉淀物，从而减少其对环境的毒性。
例如，某些细菌可以产生硫酸盐还原酶，将含有重金属的化合物还原成相对稳定的硫化物，从而将有毒的重金属转化为较为安全的形式。
四、微生物对农药污染的降解1. 微生物的降解机制农药是农作物生产中广泛使用的化学物质，但其残留会对土壤和水体产生严重的污染。
微生物通过产生特定的酶类分解农药分子的连接键，降低其残留浓度。
此外，微生物的活性代谢产物也能进一步分解和转化农药残留物，从而减少环境中的农药污染。
2. 微生物的应用前景利用微生物进行农药污染治理是一种环保、经济、高效的方法。
微生物对污染物的降解与转化
在自然界，完全的生物降解可能是由于混合种群的 作用而非单一菌种的活性。必须注意，在实验室条 件下可降解的化合物，在自然环境中未必能降解， 反之亦然。
生物降解过程可能产生顽固的中间体，在环境中长 期滞留，有的可能有致癌、致畸、致突变作用，威 胁人体健康，尽管这种情况是例外而不是规律。
Bacteria have evolved over millions of years to be able to get energy and nutrients from chemicals, in a process called biodegradation.
Bacteria grow by breaking down chemicals into smaller compounds, nutrients and water.
卤代作用能抗生物降解，卤素取代基愈多，抗性 愈强。
官能团的位置也影响化合物的降解性，如两个取 代基的苯化物，间位异构体往住最能抵抗微生物 的攻击，降解最慢。
（三）、温度
温度支配着酶反应动力学、微生物生长速度以及化 合物的溶解度等，因而对控制污染物的降解转化起 着关键作用。
在自然环境中地理和季节的变化能对微生物降解转 化污染物的速度和程度起支配作用。
It is nature's way of getting rid of wastes by breaking down organic matter into nutrients that can be used by other organisms.
As a result, the ability of a chemical to biodegrade is an indispensable element in the understanding of any risk posed by that chemical on the environment.
微生物对环境中有机污染物的降解
微生物对环境中有机污染物的降解有机污染物是当代社会面临的一个严重环境问题。
它们来源于工业废水、农药、化肥、石油、塑料等，在自然界中存在着对生态系统和人类健康产生潜在危害的风险。
然而，幸运的是，微生物在环境修复和降解有机污染物的过程中发挥着重要的作用。
本文将探讨微生物在有机污染物降解过程中的效果和应用。
在自然界中，微生物包括细菌、真菌、藻类、古细菌等不同类型的单细胞生物。
它们具有独特的代谢机制，能够将有机污染物转化为无害的物质，且这个过程是高效和环保的。
以石油为例，石油中的烃类化合物一旦泄漏到土壤或水体中，会对环境造成严重污染。
然而，许多微生物群体具有降解石油类化合物的能力。
它们通过产生特定的酶来降解有机物，将其分解为较小和较简单的分子，进一步释放能量和碳源来满足其生长和繁殖的需求。
由于微生物对不同有机污染物的适应能力，它们可以降解多种有机化合物，包括苯类、酚类、农药、塑料等。
微生物降解有机污染物的能力在环境修复和废物处理中得到了广泛应用。
生物修复（bioremediation）是一种利用微生物来恢复污染环境的技术。
生物修复通常采用两种方法：一种是通过向受污染区域引入适量的微生物，以利用它们的降解能力来净化环境；另一种是通过优化现有环境中的微生物生长条件以促进其活性。
例如，在石油泄漏事故中，可以通过引入适宜的细菌来加速石油降解。
同时，调整土壤的温度、湿度和氧气的供应量等因素也可以提高微生物的降解效率。
除了生物修复，微生物在废物处理中也发挥着重要作用。
有机废物通常需要进一步处理才能达到安全的排放标准。
在废物处理中，微生物常常被用来进行生物转化或厌氧降解。
生物转化是指微生物通过代谢过程将有机废物转化为更稳定和易处理的形式。
厌氧降解是指在无氧条件下，微生物将有机废物降解为沼气和有机肥料等有用产物。
这些废物处理方式利用了微生物的天然降解能力，不仅降低了废物处理的能源成本，而且减少了对环境的进一步破坏。
微生物对环境中有机污染物的降解过程是一个复杂的生物化学过程。
微生物对污染物的降解作用分析
微生物对污染物的降解作用分析随着工业化和城市化的发展，大量污染物排放已经成为日益凸显的环境问题。
而微生物可以通过降解污染物，有助于净化环境，保护生态系统的健康。
本文将对微生物对污染物的降解作用进行分析。
一、微生物的分类及其对污染物的降解能力微生物是一种非常广泛的生物类群，包括细菌、真菌、原生生物等。
不同类型的微生物在对污染物的降解方面有着不同的能力。
1. 细菌细菌是一类广泛存在的单细胞生物，有些细菌具有较强的降解污染物的能力。
例如一些细菌可以利用苯环化合物作为生长基质，促进苯环的降解。
此外，一些硝化细菌和反硝化细菌能够利用氨氮和硝酸盐等物质，参与氮循环过程中的氮去除，使得水体中的氮污染得到减缓。
2. 真菌真菌是一类多细胞生物，也有着较好的降解能力。
例如白腐菌和褐腐菌等木材降解菌能够降解树木中的纤维素和木质素，有助于种植园林和森林保护。
3. 原生生物原生生物属于单细胞生物，是一种广为存在的微生物，也能够参与污染物的降解过程。
例如，一些支原体可以降解有机物，促进土壤的微生物生长和代谢。
二、微生物对污染物的降解机制微生物通过代谢和代谢产物的酸性反应来降解污染物。
首先，微生物将污染物转化成可利用的能源，然后将能量转化为物质，从而促进污染物的降解和去除。
一些微生物能够直接通过代谢来降解有机物，例如细菌可以利用苯环化合物作为生长基质并促进其降解。
另一些微生物可以通过切割和氧化还原的过程降解有机物，例如一些真菌能够分泌酵素降解树木中的木质素和纤维素，降解树木中的有机物。
此外，氨氮和硝酸盐等物质在微生物代谢过程中也会被降解。
硝化细菌能够将氨氮转化为硝酸盐，然后反硝化细菌能够将硝酸盐转化为氮气和氧气等物质。
三、微生物在环境治理中的应用微生物在环境治理中有着广泛的应用。
例如在土壤污染治理中，添加细菌菌剂和真菌能够提高土壤颗粒结构、有机质含量和食物链的稳定性，有助于实现土壤污染的修复和治理。
在水体净化方面，添加硝化细菌和反硝化细菌能够将水中的氨氮和硝酸盐转化为氮气和氧气等物质，降低氮污染。
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第一节微生物的酶
一、基本概念：
酶催化进行的反应称为酶促反应(Enzymatic reaction)，发生化学反应的物质称为底物(Substrate)反应生成的物质称为产物(Product)。
酶(Enzyme)---在活
细胞内合成的具有高
度专一性和催化效率
的蛋白质，具有催化
生物化学反应的功
能，并传递电子、原
子和化学基团，又称
为生物催化剂
(Biological catalyst)。
酶特性
2.系统命名法
酶分类编号，每种酶都有一个四位数字的编号，其中第一位数字代表大类；第二、三位数字代表亚类和亚亚类，由前三位数字就可确定反应的性质；第四位数字则是酶在亚亚类中的顺序
酶的组成
酶蛋白的结构：a)一级结构b)二级结构c)三级结构d)四级结构
图4-1 酶蛋白的结构图
氨基酸的排列
顺序空间结构多肽链弯曲
几个或几
十个亚基
酶活性中心示意图酶活性中心与底物作用
示意图
酶浓度对反应初速度的影响底物浓度对反应初速度的影
响
pH值对酶促反应速度的影
温度对酶促反应速度的影响响
固相酶是将水溶性的酶利用物理或化学方法处理，使之变成不溶于水但仍具有酶活性的物质。
酶的固定化：指将酶从液相变成固相的过程。
保证酶的高度专一性及温和条件下高效催化特点的关键：载体的选择、酶与载体结合的方法。
酶经固定化后，稳定性大大提高。
目前的热点
第二节营养物质进入微生物细胞的过程 细胞表面进行物质交换，渗透营养型。
一、影响进入细胞的因素
1.营养物质本身的性质；包括相对分子质量、溶
解性、电负性、极性
2.微生物所处的环境条件；温度(营养物质的溶解
度、细胞膜的流动性及运输系统的活性)、pH和离子强度（营养物质的电离程度）、结构类似物
3.微生物细胞的透过屏障(permeability barrier)；
细胞表面的细胞壁、原生质膜、荚膜和粘液层组成
二、简单扩散、促进扩散
被动扩散：营养物质顺浓度梯度，以扩散方式进入细胞的过程。
特点：1）微生物的细胞膜不是半透膜，是差异膜，影响物质进出细胞的速度；2）微生物中的部分细胞具有将营养物质转移功能或及时在酶系统作用下转化功能，避免积累，保持内外的物质浓度梯度，保证了物质运输的不断进行。
被动扩散分类：包括简单扩散（不需要载体）和促进扩散（需要载体）。
简单扩散的特点
简单扩散的特点
）非特异性扩散，不是细胞吸收营养的主要方式）纯粹的物理学过程，过程不消耗能量
）扩散的动力来自物质在膜内外的浓度差
）营养物质不能逆浓度运输
）扩散的速率与膜内外营养物质浓度差成正比
）营养物质在扩散过程中，既不与膜上的各类分发生反应，自身分子结构也不发生变化
）相对分子质量小，脂溶性强、极性弱的物质易通过简单扩散进入细胞（脂肪酸、甘油）
促进扩散
●特点：有载体蛋白质参与
●载体蛋白＝渡船＝透过（诱导）酶
●发生促进扩散的物质：氨基酸、单糖、维生素及无机盐
氨基酸、单糖、维生素及无机盐
●发生促进扩散的微生物：真核微生物（用于运输糖
份），原核微生物少见。
三、主动运输(active transport)
●主动运输：将营养物质在能量、透过酶作用下逆自身浓度梯度由稀处向浓处移动，并在细胞内富
耦联主动运输
图4-8 主动运输示意图
基团位移(Group translocation)
概念：若营养物质在膜内受到了共价修饰，以被修饰的形式进入细胞质的输送机制。
通过磷酸基团发生位移，即从磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)转移到被输送的基质分子上而实现的。
运送步骤：
①热稳载体蛋白HPr的激活：PEP+HPr丙酮酸＋P-HPr（酶1）；
②糖被磷酸化后运入膜内。
糖＋P-HPr糖-P+ HPr （酶2）
代谢（metabolism）：
细胞内发生的各种化学反应的总称代谢
分解代谢(catabolism)
合成代谢(anabolism)
复杂分子（有机物）分解代谢
合成代谢
简单小分子ATP[H]
微生物从外界吸收营养物质，在体内经过一系列反应，转变为自身细胞物质，以维持其正常生长繁殖，该过程第三节微生物的能量代谢
一、生物氧化的类型
发酵
生物氧化反应
有氧呼吸
呼吸
厌氧呼吸
（1）发酵(fermentation)
以有机物氧化分解的中间代谢产物为最终电子受
体的氧化还原过程；其最终产物为有机酸、醇、
CO2、H2以及能量。
它是某些厌氧微生物在生长过程中获得能量的一种方式
EMP途径（Embden-Meyerhof pathway）产物：丙酮酸
+ATP
主要发酵类型
碳水化合物发酵的主要类型
2、无氧呼吸
无氧呼吸（anaerobic respiration)子氧以外的物质作为最终
以硝酸盐为最终电子受体
用；以二氧化碳为最终电子受体发酵
厌氧菌、兼性厌氧菌
进行无氧呼吸的微生物以NO
3-、SO
4
2-、CO
3
2-为最终电子受
体，一般生活在河流、湖泊和池塘的底部淤泥等缺氧的环境中
反硝化作用的细菌：
◆反硝化假单胞菌(Pseudomonasdenitrificans)◆铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)
◆地衣芽孢杆菌(Bacilluslicheniformis)
硫酸盐还原菌有脱硫弧菌属(Desulphovibrio)和脱硫肠状菌属(Desulphotomaculum)等
常见的产甲烷细菌：
⏹产甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)⏹产甲烷杆菌属(Methanobacterium)
⏹产甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)⏹产甲烷球菌属(Methanococcus)
二、生物氧化的作用
微生物控制碳源的代谢的3种途径：
◆1.使代谢物和酶位于细胞中的不同部位来控制代谢途径的活性，这种方式被称作代谢通道控制作用（metabolic channeling）。
◆2.微生物通过直接激活或抑制代谢途径中关键酶的活性来迅速地改变代谢途径的活性。
◆3.微生物还通过控制细胞中酶分子的数量控制代谢活动。
第四节微生物对污染物的降解转化
一、含碳化合物的降解转化
4-10 自然界中的碳素循环图4-11 水生环境中的碳素循环CO 2
二、含氮化合物的降解转化
大气N 2生物体有机氮
NH 4+NO 3-
NO 2-
NO
N 2O NH 2OH NH 4+
②硝化作用③硝酸盐同化作
用⑤铵盐同化作用
①生物固氮⑥异化性硝酸盐还原作用⑦
反
硝
化
作
用⑧亚硝酸氨化作
用②硝化作用④氨化作用
图4-12 氮素在自然界的循环（红箭头表示微生物与植物的
共同作用；黄箭头表示生物固氮循环中的重要环节）
●1、分解作用：动物、植物和微生物尸体中的有机硫化物，被微生物降解成无机物的过程，或称为有机硫化物的矿化。
●在有氧情况下，分解的最终产物是SO
4
2-，可供植物和微生物利用；在缺氧情况下，特别是在蛋白质物质腐解时，
累积H
2
S和有气味的硫醇等。
●2、同化作用：微生物利用SO
42-和H
2
S组成本身细胞物质
的过程。
●植物和大多数的微生物能利用SO
42-作为惟一硫源，把它
转化为含巯基(-SH)的蛋白质等有机物。
仅少数微生物能同化H
2
S。
1.有机磷的矿化作用
•有机磷的矿化是伴随有机物降解过程同时发生的，并不具有专一性，一切能降解有机物的异养细菌都能进行这一作用，包括细菌、放线菌、真菌。
•矿化有机磷的速度受多种因素的影响：①微生物利用碳素基质的能力，也就是微生物降解有机物的强度；②含碳有机物的可降解程度；③是否有合适的氮源供应；④是否有适宜的pH值和温度条件。