微生物对污染物的降解与转化
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。
微生物对难降解物质的降解与转化污染控制微生物
污染物的生物降解
其原因在于：①在微生物混合群落中污染物的加入实际上是在定向地选择那些能够吸收和降 解污染物基质的微生物种属；这时滞后期是由于特定降解微生物的指数生长特性；同时，微 生物对污染物也有一个选择过程，所谓巴斯德效应。②微生物对污染物的适应要通过诱导酶 的合成，而且需要合成必需的辅酶或中间代谢产物。
（1）β-1,4葡聚糖酶又叫Cx酶，它不能水解天然纤维素，只能切割部分降解的多糖。它广泛分布在 细菌、放线菌和真菌中，可作用于包括很多葡萄糖单位的多糖分子，也可作用于寡糖分子，如纤维四糖 、纤维三糖。但它对寡糖比对多聚糖的水解作用 ①内切β-1，4葡聚糖酶，能随机切断β-1，4苷键，提供许多可供反应的末端，②外切β-1，4葡聚糖 酶，该酶又可分为从非还原性末端开始切下一个β-葡萄糖和切下一个β-葡聚二糖(纤维二糖)的两种
2020/11/26
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微生物对难降解物质的降解与转化污染控制微生物
1
有机污染物的生物降解性
生物降解度 根据污染物生物降解进行的程度，可将其分为三种（或3个阶段）。
1）初级生物降解是指有机污染物在微生物的作用下，母体化合物的化学结构发生变化 ，并改变了原污染物分子的完整性，即有机污染物本来的结构发生部分变化。
污染物的生物降解
前3种有机污污染物的生物降解 过程如图
污染物的生物降解
1）可以立即被微生物利用作为营养和能量来源的，包括糖、Pr(AA)、脂肪酸和一些涉及典型代 谢途径的污染物。
2)能够逐步被微生物分解利用的，此类污染物的生物降解需要一个驯化期，在些期间有机污染物 很少或根本不发生生物降解，故随时间的变化曲线中明显地有一个滞后期，它表示微生物对有机污染 物的适应过程所需要的时间。一般将微生物从开始接触有机化合物到有机化合物被明显分解的这段时 间称为化合物生物降解的驯化期。
微生物对环境污染物的降解作用
微生物对环境污染物的降解作用环境污染已经成为当今全球面临的最大挑战之一。
各种化学物质、有机物和无机物的排放使得环境质量不断下降，对人类和动植物的健康产生极大威胁。
而微生物可以通过其生物化学反应，对环境中的各种污染物进行有效的降解，成为解决环境污染问题的一种有效途径。
一、微生物降解的分类微生物降解可以分为生物吸附、生物转化和生物降解三种类型。
其中，生物吸附是指微生物把有机分子吸附到它们的表面；生物转化是指将有机分子分解成其组成部分，而生物降解是指微生物分解污染物来消耗这些有机物质并产生指定的有机分子。
生物降解是一种天然环境净化途径，可以通过生物降解分解有机物质和化合物为无毒化合物，并将其转换成微生物生长所必需的物质。
然而，在自然系统中，不是所有的化学物质都能被微生物降解，因为其高度化学稳定性。
例如，对氯苯和邻苯二甲酸（phthalates）不易降解。
二、微生物降解的体系微生物在降解过程中所产生的环境污染物可以分为两类：有机物和无机物。
其中，有机物被细菌转化成二氧化碳和水，并释放出能量。
对于这些有机物，微生物通常把它们分解成更小的碎片，然后再以碳源生长。
而无机物则被微生物通过化学还原、氧化、羧化等方式转化成二氧化碳、氨和水，帮助进行有机物的降解和消除。
这种转化作用还可以将一些典型的污染物、如重金属、氰气和石油中的多环芳烃（PAH）分解为无毒物质。
微生物所降解的污染物也有很大的差异。
例如，酚、苯、甲苯、甲醛等有机物容易被微生物降解，而油类、聚氯乙烯等则需要一定的条件、材料和生物反应器才能进行有效的降解。
在实践中，要根据污染物的性质、摆放条件，以及微生物特性等条件来设计合适的处理方案。
三、微生物降解的应用微生物降解已经被广泛应用于各种领域中，如市政废水处理、印染废水处理、工业废水处理、有机废物处理、浸出液处理等。
在市政废水处理中，微生物降解通常被用于二级生物处理，以去除污水中的大部分有机物。
在印染废水处理中，微生物降解可以去除颜料和垃圾颜料等有机污染物。
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.
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
微生物对环境中有物质的降解与去除
微生物对环境中有物质的降解与去除微生物在自然界中起着至关重要的作用。
它们是地球生态系统不可或缺的一部分，可以对环境中的有害物质进行降解与去除。
在这篇文章中，我们将探讨微生物在环境中降解与去除有害物质的机制以及其应用。
一、微生物降解有害物质的机制1.1 水解作用微生物通过分泌水解酶来降解有机物。
这些酶可以将复杂的有机物分解为简单的可供微生物吸收和利用的物质。
例如，细菌可以分解油污，将其分解为较小的碳链和水。
对于水中的有机废弃物，微生物也可以通过水解作用将其降解为无害的成分。
1.2 氧化还原作用微生物可以通过氧化还原作用将有害物质转化为无害物质。
在这个过程中，微生物利用有机物或无机物作为电子受体来氧化有害物质，从而使其降解。
例如，硝化细菌可以将氨氮转化为硝酸盐，从而降低水体中的氨氮浓度。
还有一些微生物可以利用氯离子还原有机氯化合物，从而将其降解为无害的物质。
1.3 吸附作用微生物表面的菌体或细胞外多糖可以吸附有害物质，将其从环境中去除。
这种吸附作用可以提高微生物对有机物和重金属离子的去除能力。
一些微生物具有高度选择性的吸附能力，可以将重金属离子从废水中吸附并固定下来，起到净化水体的作用。
二、微生物降解与去除有害物质的应用2.1 废水处理微生物在废水处理中具有广泛的应用。
在生活污水处理中，微生物可以通过降解有机物、吸附重金属离子和氮磷去除等方式来净化废水。
此外，微生物在工业废水处理中也发挥着重要作用，可以降解有机废弃物、去除重金属和毒性物质，保护水环境的安全。
2.2 土壤修复土壤中的有机和无机污染物对环境和人类健康造成了潜在的威胁。
微生物通过降解有机物和稳定无机物的方式，可以修复受到污染的土壤。
微生物源于土壤是土壤中重要的有机物降解者和污染物转化者，通过活化土壤中生物、化学和物理过程来修复污染土壤。
2.3 油污处理微生物可以降解和去除油污，对防止油污滋生和保护海洋生态环境具有重要意义。
微生物能够分解石油中的碳链，并将其转化为无害的物质。
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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Ø 共代谢特点
n 不导致细胞质量或能量的增加，不促进其本 身的生长。
n 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
.
5.微生物具有巨大的降解能力
（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
n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
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。
.
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
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。
n 混合培养菌株的降解能力大大高于单个菌株的纯培养。
第二章 微生物对污染物的降解与转化
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
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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
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
.
（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
实际应用中，可根据需要调 控某些非生物因子，使生物 降解或矿化反应达到最佳。
.
第三章 微生物对污染物的降解与转化
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
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第二节 微生物对常见污染物的降解与转化
阶段
.
→ 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-
.
2.微生物对各类有机污染物的分解
包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机 化合物等。
1.提供特殊营养物质
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
n 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。
n 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
.
Ø混合菌株作用的机制
n 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
n 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。
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
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。
.
（4）共代谢和混合菌株作用意义
n大大拓展对难降解有机污染物的作用范围 n提高复杂有机污染物的降解率
n 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)
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
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.
被降解
.
5.共代谢 6.电子转移
n两种紧密结合的产甲烷菌群落
（methanobacillus omelianski）：
产氢产乙酸菌
CH3CH2OH
CH3COOH + H2
.
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
Ø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。
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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
n营养 n温度 npH n溶解氧