第16-17讲 有毒有机污染物质的微生物降解

固氮
– 通过微生物的作用把分子氮转化为氨的过程。
(1) 硝化过程
硝化的两个阶段 亚硝化 硝化
细菌分别从亚硝化和硝化过程中取得能量，均是 以二氧化碳为碳源进行生活的自养型细菌。
(2) 反硝化过程
反硝化的三种情形： ①将硝酸盐还原为亚硝酸：包括细菌、真菌和放线 菌在内的多种微生物。
②硝酸盐还原成氮气：包括兼性厌氧假单胞菌属、 色杆菌属等能。
– 在好氧条件下是硫酸， – 在厌氧条件下是硫化氢。
半胱氨酸的微生物降解：
(2) 无机硫的硫化（sulfur oxidation）
硫化: 硫化氢、单质硫等在微生物（硫杆菌，硫 磺菌）作用下进行氧化，最后生成硫酸的过程。 硫杆菌广泛分布于土壤、天然水及矿山排水中， 它们绝大多数是好氧菌，有的能氧化硫化氢至硫， 有的能氧化硫至硫酸：
硫磺菌：氧化H2S为单质硫，再至硫酸
(3) 无机硫的反硫化（Desulfurization）
反硫化：硫酸盐、亚硫酸盐等在微生物作用下 还原生成硫化氢的过程。 脱硫弧菌：生长在缺氧的水体和土壤淹水及污 泥中，利用硫酸根作为氧化有机物质的受氢体：
反硫化是海水中H2S的主要来源。
八、重金属元素的微生物转化
2.微生物反应速率
(1) 实际环境中的微生物反应速率方程１
• 实际环境中的微生物反应与单一酶促反应的不同
– – 有多种碳源(有机污染物)存在 微生物群落中有各种微生物共存
•
实际环境中的微生物反应速率的经验公式
dc kc n dt
c ——污染物质浓度; n——反应级数。 k——微生物反应速率常数；
有机污染物质化学结构与降解速率的关系
链长规律
– 脂肪酸、脂族碳氢化合物和烷基苯等：在一定范围 内碳链越长，降解越快 – 有机聚合物：分子量增大→降解速率减小。
链分支规律
– 烷基苯磺酸盐、烷基化合物(RnCH4-n)等：烷基支链 越多，分支程度越大→降解越慢。
取代规律
有机污染物质化学结构与降解速率的关系
抑制剂的影响
抑制剂
– 就是能减小或消除酶活性，而使酶的反应速率变慢或 停止的物质。
不可逆抑制剂
– 以比较牢固的共价键同酶结合，不能用渗析、超滤等 物理方法来恢复酶活性的抑制剂 – 不可逆抑制作用：不可逆抑制剂所起的作用。
可逆抑制剂
– 同酶的结合处于可逆平衡状态，可用渗析法除去而恢 复 酶活性的物质。 – 可逆抑制作用：可逆抑制剂所起的作用。
(3) 固氮
• 通过微生物的作用把分子氮转化为氨的过程称为 固氮。此时，氨不释放到环境中，而是继续在机 体内进行转化，合成氨基酸，组成自身蛋白质等。 • 固氮必须在固氮酶催化下进行：
• 环境中进行固氮作用的微生物
– 好氧根瘤菌(共生固氮微生物, 与豆科植物共生)。 – 厌氧梭状芽孢杆菌 (自生固氮微生物，土壤中) – 厌氧蓝细菌（光合型固氮微生物, 水体中）
好氧有机物的反应速率
• 若反应的速率可用一级反应速率方程描述
dL kL dt

L L0 e
kt
L ——耗氧有机物质在水中的浓度(BOD)； L0——耗氧有机物质在水中的起始浓度(BOD)； k ——耗氧有机物质的微生物反应速率常数。
实际环境中的微生物反应速率方程２
• 若有机污染物质的微生物转化速率遵守二级反应 动力学规律（如生长代谢过程中污染物浓度很低 时）：
• 常见甲基化微生物
– 甲烷菌，萤光假单胞菌等
• 甲基化酶
– 甲基钴氨蛋氨酸转移酶
• 甲基化辅酶
– 甲基钴氨素（甲基维生素B12）
CH3B12
汞的甲基化途径
甲基负离子迁移： Hg2 HgCH3 Hg(CH3 ) 2

CH 3

CH 3
N5-甲基四氢叶酸
N5-甲基四氢叶酸为甲基正离子供体
2．硫的微生物转化
硫是生命所必需的元 素。 硫在环境中有单质硫、 无机硫化合物和有机 硫化合物三种存在形 态。 三种硫形态可在微生 物及其他生物作用下 进行相互转化。
(1) 含硫有机物的降解
环境中的含硫有机物质
– 含硫的氨基酸（甲硫氨酸、半胱氨酸），磺氨酸等。
含硫有机物的微生物降解产物
3) 汞的生物去甲基化
• 抗汞微生物能使甲基汞或无机化合物变成金属 汞，称为汞的生物去甲基化。 • 常见的抗汞微生物是假单胞菌属。
2．砷
１) 砷在环境中的重要存在形态
五价无机砷化合物[As(V)]、 三价无机砷化合物[As(Ⅲ)]、 一甲基胂酸[CH3AsO(OH)2]及其盐、 二甲基胂酸[(CH3)2AsO(OH)]及其盐 三甲基胂氧化物[(CH3)3AsO]、 三甲基胂[(CH3)3As]、 砷胆碱[(CH3)3As+CH2CH2OH]、 砷甜菜碱[CH3)3AsCH2COO-、 砷糖等。
dS kb [ B][ S ] dt
[S]——水中污染物质浓度； [B]——水中微生物浓度； Kb——二级反应速率常数
(2)影响微生物反应速率的因素
物质的结构特征; 微生物本身的特性
– 微生物不同→酶不同→催化活性不同→降解 速率不同。
环境条件
– 温度、pH值、营养物质、溶解氧、共存物 质等。
取代规律（以芳香族化合物为例） ①取代基种类
– 羟基、羧基、氨基等取代基的存在会加快其降解； – 硝基、磺酸基、氯基等取代基的存在使降解变慢；
②取代基数量
– 降解速度：一氯苯＞二氯苯＞三氯苯；
③取代基位置（以苯酚的一氯取代物为例）
– 降解速度：邻、对位取代物＞间位取代物。
第五节 污染物质的毒性
一、毒物
• 是进人生物机体后能使体液和组织发生生物化学 的变化，干扰或破坏机体的正常生理功能，并引 起暂时性或持久性的病理损害，甚至危及生命的 物质。 • 毒物按作用于机体的主要部位分类 神经系统、 造血系统、 心血管系统、 呼吸系统、 肝、 肾、 眼、 皮肤； • 毒物根据作用性质分类 刺激性、 腐蚀性、 窒息性、 致突变、 致癌、 致畸、 致敏
抑制作用可分为竞争性抑制和非竞争性抑制。
不可逆抑制剂使酶中毒的示例
竞争性抑制
• 底物S和抑制剂I，在酶的活性中心上竞争，分别 形成ES及EI；ES可分解成产物P，而EI不能分解 成产物P，酶反应速率因此下降。 • 竞争性抑制可通过增加底物浓度来解除。
EI的解离常数Ki=ki,2/ki,1
非竞争性抑制
• 底物S和抑制剂I分别在酶的活性中心及其之外部位与酶结 合，彼此无争； • ES和EI可分别再与抑制剂和底物结合成EIS； • EIS不能分解为产物P，因此酶反应速率降低。 • 大部分非竞争性抑制都是由一些金属离子化合物与酶的 活性中心之外的巯基进行可逆结合而引起的。 • 非竞争性抑制不能通过加大底物浓度来解除。
2) 砷的毒性
砷是一种毒性很强的元素 砷毒性的一般规律:
– As(Ⅲ)＞As(V)＞甲基砷化合物， – 砷化合物甲基数递增→毒性递减。
砷的鼠毒实验结果
As2O3 >> CH3AsO(OH)2 ≈ (CH3)2AsO(OH)> (高毒) (毒) (毒) (CH3)3AsO ≈ (CH3)3AsCH2COO-、 (无毒) (无毒)
max[ S ]
K m [S ] Km
(米氏方程)
1 1 max [ S ] max
酶促反应速度－底物浓度关系
• 当[S]<<Km时，V≈ Vmax[S]／Km，显示一级反应特征。 • 当[S]>>Km时，则V= Vmax ，呈现零级反应特征。
Km及υmax值的图解 法
例外：三甲基胂[(CH3)3As]有毒
3) 砷的微生物甲基化的基本途径
• 甲基供体: 辅酶S—腺苷甲硫氨酸 • 甲基迁移机理：甲基正离子(CH3+) 迁移
S-腺苷甲硫胺酸(SAM)
为甲基正离子供体，可使无机 As等甲基化
九、污染物质的生物转化速率
• 微生物对污染物质的反应速率与体外的酶促反应 速率有密切关系。 • 由于微生物体内含有许多种酶，其酶促反应在不 同程度上相互影响，而使微 生物反应速率与体外 酶促反应速率又有相当差别。 • 酶促反应速率 • 微生物反应速率
有氧氧化降解途径
烷烃→末端氧化、或次末端氧化、或双端氧化 →生成醇→生成醛→生成脂肪酸； 脂肪酸→β—氧化→三羧酸循环→ 最终降解成 二氧化碳和水。
(2) 甲烷ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ降解途径
• 能降解甲烷的是一群专一性微生物； • 如好氧型的甲基孢囊菌、甲基单胞菌、甲基 球菌、甲基杆菌等。
(3) 烯烃的微生物降解途径
•毒物的效应与反应
• 毒物的效应
– 毒理学把毒物剂量(浓度)与引起个体生物学的 变化，如脑电、心电、血象、免疫功能、酶 活性等的变化称为效应；
• 毒物的反应
– 把引起群体的变化 (如肿瘤或其他损害的发生 率、死亡率等) 称为反应。
剂量—反(效)应关系
• 指毒物剂量(浓度)与反(效)应变化之间的关系。 • 大多数的剂量—反(效)应关系曲线呈S形。
• 当υ= υmax/2 时，Km=[s]
(2)影响酶促反应速率的因素
pH对酶促反应速率的影响 温度对酶促反应速率的影响 抑制剂的影响
pH对酶促反应速率的影响
酶促反应的最适pH值一般在5-8
温度对酶促反应速率的影响
• 随着温度上升，酶反应速率显著增加，直至最高 点，以后由于酶的热致变性速率也随之增大，而 使酶反应速率显著减小。 • 各种酶的最适温度常在35—50℃区间。
二、毒物的毒性
• 影响毒物毒性的因素
– 毒物的化学结构及理化性质 (如毒物的分子立体构型、分子大小、官能团、溶解度、 电离度、脂溶性等)； – 毒物所处的基体因素(如基体的组成、性质等)； – 机体暴露于毒物的状况(如毒物剂量，浓度，机体暴露 的持续时间、频率、总时间、机体暴露的部位等)； – 生物因素(如生物种属差异、年龄、体重、性别、遗传 及免疫情况、营养及健康状况等)； – 生物所处的环境(如温度、湿度、气压等)。
第五章 生物体内污染物质的 运动过程及毒性
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 物质通过生物膜的方式 污染物质在机体内的转运 污染物质的生物富集、放大和积累 污染物质的生物转化 毒作用的生物机制
六、有毒有机污染物质的微生物降解
烃类（烷烃、烯烃、苯、多环芳烃）、农药
1. 烃类的微生物降解途径 (1) 正烷烃（CH4除外）的降解
(2) 反硝化过程
③将硝酸盐还原成亚硝酸盐和氨：包括梭状芽孢杆 菌等
所形成的氨可成为菌体合成自身的氨基酸等含氮 物质的原料。
(2) 反硝化过程
微生物进行反硝化的条件
厌氧环境(溶解氧<0.2mg/L)，环境氧分压愈低， 反硝化愈强。 有丰富的有机物作为碳源和能源(碳氮比>3)； 有硝酸盐作为氮源； pH中性至微碱性(pH 7.0-8.5)； 温度20℃-35℃。
同化
– 绿色植物和微生物吸收硝态氮和铵态氮，组成机体中蛋 白质、核酸等含氮有机物质的过程。
氨化
– 生物残体中的有机氮化合物，经微生物分解成氨态氮的 过程则称为氨化。
硝化(亚硝化)
– 氨在有氧条件下通过微生物作用，氧化成硝酸盐(亚硝酸 盐)的过程称为硝化。
反硝化
– 硝酸盐在厌氧条件下，通过微生物作用而还原的过程。
烯烃→饱和末端氧化→与正烷烃相同的途径→不饱和脂肪酸； 烯烃→不饱和末端双键环氧化→环氧化合物→开环→二醇→ 饱和脂肪酸。
七、氮及硫的微生物转化
1．氮的微生物转化 • 氮在环境中的三种 主要形态
– 空气中的分子氮。 – 有机氮化合物（蛋 白质、核酸等） – 无机氮化合物（铵 盐、硝酸盐等）
1. 汞
1) 汞的存在形态与毒性 汞在环境中的存在形态：金属汞、无机汞化合 物、有机汞化合物。 汞的毒性：有机汞(甲基汞)＞金属汞＞无机汞 化合物 甲基汞脂溶性大，化学性质稳定，毒性比无机 汞大50—100倍。 水俣病为甲基汞中毒
2) 汞的生物甲基化
• 汞的生物甲基化
– 在好氧或厌氧条件下，水体底质中某些微生物 使二价无机汞盐转变为甲基汞和二甲基汞的过 程。
1．酶促反应的速率
(1)米氏方程
其中， 米氏常数Km=(k2十k3)／k1
Km值越大，说明酶对底物的亲和力越小
产物P的生成速率(酶促反应的速率)
[ E0 ][S ] k3 [ ES ] k3 K m [S ] 当[ S ] 时, max k3[ E0 ] 1