第4章 污染物的生物降解和转化
合集下载
污染物的生物降解和转化
微生物对洗涤剂的降解能力还依赖于共代谢途径 和降解性质粒的存在。
二、重金属的生物转化
被污染的土壤和水体的有毒元素主要来自工 业废水，废渣和垃圾。冶炼和采矿工业是向环境 中释放有毒元素的主要污染源。
对人、畜毒害最大的污染元素有汞，镉，铅三种 金属和砷，硒两种非金属，具中等毒性的有铬， 镍，钼、锌等金属元素。
重金属进入机体后，不易排泄逐渐富积，可 以导致机体中毒，主要有：①慢性中毒，如汞污 染引起的水俣病、镉污染引起的骨痛病等；②致 癌作用，如铬酸盐烟雾引起肺癌，使用高砷水引 起皮肤癌、肺癌和肝癌；③致畸作用，如汞和铅 可引起胎儿先天畸形；④变态反应，如铬可引起 眼结膜炎、支气管哮喘和接触性皮炎；
(二)甲基化作用
洗涤剂污染的废水会存在大量不易消失的泡沫， 废水一般偏碱性。洗涤剂在水中的分解速度，主 要取决于微生物的作用条件和洗涤剂中表面活性 剂的化学结构。阴性表面活性剂中，高级脂肪链 最易被微生物分解。其途径是，最初高级脂肪链 经微生物作用形成高级醇类，然后进一步氧化为 羧酸，再在微生物的作用下分解为CO2和H2O。 整个过程在有氧的条件下进行。
【项目实施方案】详见教学文本P34～35 【相关知识点】
有机物的生物降解
一、农药的生物降解
（一）农药概述
从上世纪40年代开始，合成农药崭露头角，相继 出现了六六六(BHC)、滴滴涕(DDT)、艾氏剂、硫 丹有机氯杀虫剂以及三氯杀螨砜、三氯杀螨醇等 有机氯杀螨剂等。随后出现了有机磷农药，如对 硫磷、内吸磷、马拉硫磷、敌百虫、二嗪磷、乐 果、甲拌磷等。
许多好氧微生物均可以降解2,4-D。其中一种 好氧生物降解2,4-D的途径见图6.1-5。
几乎所有的氯代苯氧羧酸类除草剂均可以在 厌氧条件下还原性脱卤。在厌氧微生物的作用下， 2,4-D和2,4,5-T脱氯原子和醚键裂解产生氯酚(图 6.1-6)。
二、重金属的生物转化
被污染的土壤和水体的有毒元素主要来自工 业废水，废渣和垃圾。冶炼和采矿工业是向环境 中释放有毒元素的主要污染源。
对人、畜毒害最大的污染元素有汞，镉，铅三种 金属和砷，硒两种非金属，具中等毒性的有铬， 镍，钼、锌等金属元素。
重金属进入机体后，不易排泄逐渐富积，可 以导致机体中毒，主要有：①慢性中毒，如汞污 染引起的水俣病、镉污染引起的骨痛病等；②致 癌作用，如铬酸盐烟雾引起肺癌，使用高砷水引 起皮肤癌、肺癌和肝癌；③致畸作用，如汞和铅 可引起胎儿先天畸形；④变态反应，如铬可引起 眼结膜炎、支气管哮喘和接触性皮炎；
(二)甲基化作用
洗涤剂污染的废水会存在大量不易消失的泡沫， 废水一般偏碱性。洗涤剂在水中的分解速度，主 要取决于微生物的作用条件和洗涤剂中表面活性 剂的化学结构。阴性表面活性剂中，高级脂肪链 最易被微生物分解。其途径是，最初高级脂肪链 经微生物作用形成高级醇类，然后进一步氧化为 羧酸，再在微生物的作用下分解为CO2和H2O。 整个过程在有氧的条件下进行。
【项目实施方案】详见教学文本P34～35 【相关知识点】
有机物的生物降解
一、农药的生物降解
（一）农药概述
从上世纪40年代开始，合成农药崭露头角，相继 出现了六六六(BHC)、滴滴涕(DDT)、艾氏剂、硫 丹有机氯杀虫剂以及三氯杀螨砜、三氯杀螨醇等 有机氯杀螨剂等。随后出现了有机磷农药，如对 硫磷、内吸磷、马拉硫磷、敌百虫、二嗪磷、乐 果、甲拌磷等。
许多好氧微生物均可以降解2,4-D。其中一种 好氧生物降解2,4-D的途径见图6.1-5。
几乎所有的氯代苯氧羧酸类除草剂均可以在 厌氧条件下还原性脱卤。在厌氧微生物的作用下， 2,4-D和2,4,5-T脱氯原子和醚键裂解产生氯酚(图 6.1-6)。
微生物对污染物的降解和转化
（3）酶的分类
❖ 根据酶蛋白分子的特点又可将酶分为三类 单体酶 (monomericenzyme)：只有一条多肽链。 寡聚酶 (oligomericenzyme)：由几个甚至几十
个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链， 也可以是不同的多肽链。 多酶体系 (multienzyme system)：是由几种酶 彼此嵌合形成的复合体。
•1.酶和一般催化剂比较
（1）用量少而催化效率高； （2）不改变化学反应的平衡点 （3）可降低反应的活化能
•2.酶作为生物催化剂的特性
催化效率高： 反应速度是无酶 催化或普通人造 催化剂催化反应 速度的10的6次 方至10的16次方 倍。
（三）酶的催化特性
酶催化的专一性
一种酶仅能作用于某一种物质或一类结构相似的物质并催化某 种类型的反应，这种特性称为酶的专一性。
4.影响酶活的因素
米歇里斯－门坦公式（酶促反应速度方程）
ν = K3[E][S]
Km+[S]
( Km=
K2+K3 K1
)
米氏常数Km表示反应速度为最大速度一半时的底物 浓度（又称为半速度常数）。
Km值越小，表示酶与底物的反应越趋于完全；Km值 越大，表明酶与底物的反应越不完全。
（1）酶浓度对酶促反应速度的影响
（一）什么是酶？
酉每
与发酵有关的过程，酒、醋、酱等。
（一）什么是酶？
酶是生物体内产生的一类具有特殊催 化作用的蛋白质。
1)离体的酶同样具有高效催化作用； 2)通过各种理化方法分离提取生物体合
成的酶所得到的酶制品称为“酶制剂”。
酿酒行业：酵母（酶催化大麦芽发酵成酒） 造纸行业：脂肪酶，纤维素酶，半纤维素酶，淀粉酶
（3）温度对酶反应速度的影响
微生物对污染物的降解与转化
在自然界，各种转化作用很少是孤立地发生的。通常， 光解或水解反应使化合物分子变小，从而使生物降解容 易进行。
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.
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.
有机物污染物的生物转化和分解
亚硝酸 细菌
NO2--N
硝酸 细菌
NO3--N
硝化作用有O2
反硝化 细菌
反硝化 作用无O2
N2、NO2
最终完成生物脱氮
污水中的含氮有机物，在生物处理过程中被异养型微生物氧化分解，转化为氨氮，然后由自养型硝化细菌将其转化为NO3-，最后再由反硝化细菌将NO3-还原为N2。
活性污泥法传统脱氮工艺（3级）流程示意图
第三节 不含氮有机物的生物分解
基本概念： 不含氮有机物： 碳水化合物、脂肪、酚、醛、酮、某些有机酸、 烃和合成洗涤剂等。 碳水化合物是由碳、氢和氧3种元素组成。占到生活污水中有机物的40－50%。
单糖：葡萄糖 二糖：蔗糖、乳糖、麦芽糖 多糖：淀粉、纤维素、半纤维素
碳水化合物
碳水化合物的分解
三阶段4类群理论
（3）特性：
*
第一节 微生物对有机物的分解作用
CO2、CH3COO CH3NH2、CH3OH
CH4
（2）参加的微生物
产甲烷细菌群
产甲烷杆菌属 产甲烷短杆菌属 产甲烷球菌属
▲严格厌氧菌 ▲中温菌对温度敏感 ▲ pH 适宜6.8~7.2 ▲增殖速率慢
2 有机磷化物 磷酸盐
解磷大芽孢杆菌 蜡质芽孢杆菌 霉状芽孢杆菌
生物除磷原理
01
聚磷菌一类的细菌，可以过量地、超出其生理需要地从外部摄取磷，并将其以聚合形态储存在体内，形成高磷污泥。将高磷污泥排出系统，就可以实现污水除磷。 生物除磷分两步进行： 聚磷菌的放磷（厌氧条件） 聚磷菌的磷过量摄取（好氧条件）
好氧分解最终产物是稳定而无臭的物质，包括二氧化碳、水、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等。
厌氧分解最终产物主要是甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等。
生态毒理学中环境污染物的生物转化和分解机制
生态毒理学中环境污染物的生物转化和分解机制环境污染是一个全球性问题，人类对现代化生活的追求大大增加了环境污染的风险。
许多污染物都被确认为人类健康和生态系统健康的威胁。
为了减少环境污染的危害，了解环境污染物的生物转化和分解机制，成为生态毒理学和环境科学领域的重要研究方向。
一、生物转化机制生物转化是指有机污染物在生物体内与生物组织接触后，被微生物、植物、动物或微生物群体转化成其它物质的过程。
生物转化过程中，有机污染物在生物体内形成多种有机化合物原料和最终产物，如无毒化物和低毒化物。
而有机污染物的生物转化机制主要可以分为化学转化和生化转化两个方面，有机污染物的化学和微生物转化主要通过两类反应进行：氧化还原反应和水解反应。
1.氧化还原反应有机化合物的氧化还原过程，可以使分子发生化学性质的变化及其它生化反应。
在环境中，生物有机污染物必须被氧化还原以使其更好地被生物体生物代谢，这可能是化学和微生物转化的第一个步骤。
在微生物和植物等生物体内，有机物被氧化还原可以通过一些特殊的酶系统和其它的微生物群体的作用进行，对生物转化的影响很大。
2.水解反应水解反应是指有机化合物分解为小分子化合物，使化合物使化合物发生化学性质的变化和其他可能的生化反应。
水解反应是有机化合物的最初分解步骤，对于环境中的有机污染物具有重要作用。
同时，水解反应在环境污染物的生物转化方面也具有重要意义。
二、分解机制污染物的分解通常由微生物和植物的生长可以拆分成有机物。
微生物在分解有机污染物方面起着非常重要的作用，它们能够寻找，接受和代谢这些有机化合物。
微生物通过重构其出现在环境中的化合物结构，使环境中的有机化合物保持平衡，这些化合物可能是有害的，对人类健康或环境造成损害。
1.微生物分解微生物的分解能力广泛，它们可以分解有机污染物和污染物的混合物，其中一些化合物涉及到有毒代谢物。
这些微生物包括绝大多数厌氧细菌、好氧细菌和放线菌等，这些微生物通过分解有机化合物的碳-碳和碳-氧化学键，可将其转换为有机酸、醇和少量的甲烷。
终稿微生物对污染物的降解与转化
B．无支链环烷烃的降解
以环己烷为例
OH
+O2 +2H
－2H
－H2O
O +O2 +2H
－H2O
O
OH
-2H HOOC-（CH2）4-COOH
ω氧化
HOOC-（CH2）4-CH2OH
+ H2O
CO2 + H2O
通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将 环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，两类以上微生物的协同作
u杀虫剂二嗪哝的降解
二嗪哝
Arthrobacter sp. Streptomyces sp.
Arthrobacter sp.
链霉菌属
Streptomyces sp.
节细菌属
被降解
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。
n相对耗氧速率－－有外源物质存在时，单位生物量 在单位时间内的耗氧量与内源呼吸的耗氧速率之比。
a.底物无毒，但不能被微生物所 利用。
b.底物无毒，能被微生物所利用
c.底物有毒，可被微生物利用， 但在浓度较高的情况下对微生物 发生抑制作用。
d.底物有毒，不能被微生物所利 用。
2、降解实验
接种微生物后，通过一定时间的培养，培养液中污染物
微生物没有直接水解碳-卤素键的酶系
微生物对卤代芳香烃的降解
好 （1）脱卤优于开环
氧
条
初期，通过还原、水解或氧化分解机理消除卤素。
07微生物对污染物的降解与转化
DDT:
功
臣
还
是 灾
自DDT问世以来，各种化学合成农药不断被合成和应用、化学农药的种类和产
难 量不断增加。到20世纪70年代中期，世界农药产品已达1300种，年产量达
5000t(按100％纯度计)的大吨位产品达30—40个，农药产量达200万t(按100
％纯度计)。
Organic Pollutants - DDT
1940年，瑞士的嘉基公司成功地开发了DDT杀虫剂产品， 从此DDT在世界范围内得到了广泛地应用。
DDT的杀虫功效
DDT具有很好的广普杀虫作用。能够有效地消灭森林害虫、棉花害虫、蔬菜害虫 等、在防治棉花蕾期害虫、越冬红蛉虫、果树害虫和粘虫等效果尤为突出。作 为有机合成农药，DDT的效率高、用量少，易于使用。DDT还能有效地消灭蚊、 蝇、蚤、虱、臭虫等卫生害虫，在防治致命的传染病如斑疹伤寒和疟疾中屡建 奇功。
由于DDT的神奇作用、使用的范围和场所越来越广，在20世纪40年代DDT的使用量达 到了顶峰。我国在1946年开始小规模地生产DDT，新中国成立后，农药工业开始快速 地发展、1951年首次用飞机喷洒DDT，消灭蚊子。
功 臣 还 是 灾 难
DDT:
根据联合国粮农组织(FAO)统计资料表明，全世界由于使用农药防治病虫害挽 回的农产品的损失占世界粮食总产量的30％左右。我国粮食作物由于使用化学 农药，每年挽回的粮食损失占总产量的7％左右、以1987年粮食总产量4019 亿kg计算，其中281亿kg是农药的贡献，对我国这样一个在世界上人口最多， 人均耕地最少的人口大国、农药对缓解人口与粮食的矛盾中发挥了重要作用。
第4章 微生物对污染物 的降解与转化
第一节 概述
1
一、生物降解与生物转化
污染物的生物降解和转化PPT课件
R-O-CH3+O
R-OH+HCHO
R1
R1
CH-NH2+O
C=NOH+H2O
R2
R2
R-S-CH3+O
RSH+HCHO
R1
R1
CH-NH2+O
C=O+NH3
R2
R2
2.碳双键环氧化
碳双键在混合功能氧化酶的作用下，能被环氧化。
R1CH=CHR2+O
R1CH-CHR2
O o
三、碳羟基化
混合功能氧化酶利用细胞内分子氧，将其中一个氧原子与有机 底物结合，使之氧化，而另一个氧原子与氢原子结合形成羟基。
• 研究生物降解性的意义： （1）数十万种环境污染物中绝大多数是有机物，这些物质的生物
可降解性研究是控制物质生产、排放和生物处理工艺设计的 重要依据；
（2）有助于深入认识污染物在环境中的迁移转化规律和了解这 些染物对自然界物质转化循环的影响，为控制污染、保护 环境提供理论依据；
（3）与保护人类健康和自然界生态平衡有密切关系；
致突变物 急性毒物
缓慢矿化
植物毒物 抗菌素
持久性
图4-5 无毒物的活化作用
例如： 脱卤作用，三氯乙烯（TCE）在厌氧环境中会发生脱
卤，形成1,1-二氯乙烯、1,2-二氯乙烯和氯乙 烯，降解物均为致癌物； 硫醚的氧化，含有硫醚键（C-S-C）杀虫剂会被氧化成 相应的亚砜和砜，毒性比硫醚更大； N-亚硝化作用，在土壤中仲胺通过N-亚硝化作用形成 “三致”毒物——亚硝胺；
C. 酶的专一性与抑制作用
卤代二羟基苯与催化芳香核加氧作用的酶活性中心的铁离子发 生螯合作用，抑制了酶系统的活性。
微生物对污染物的分解与转化ppt课件
微生物对污染物的分解与转化
l第一节 氧循环 l第二节 碳循环 l第三节 氮循环 l第四节 硫循环 l第五节 磷循环 l第六节 铁、锰循环
第一节氧循环
大气中氧含量丰富，占空气21%。人和动物呼吸、微生物 分解有机物都需要氧。
人、动物和 微生物呼吸
植物及藻类 光合作用
第二节碳循环
主要含碳的物质：二氧化碳、碳水化合物、脂肪、蛋白质等
木质素是构成植物细胞壁的成分之一，具有使细胞相连 的作用。
在自然界中 ，木质素的储量仅次于纤维素 ，而且每年都 以500 亿吨的速度再生。制浆造纸工业每年要从植物中分离出 大约 1.4 亿吨纤维素 ，同时得到 5000万吨左右的木质素副产 品,但迄今为止 ，超过95 %的木质素仍以“黑液”直接排入江河 或浓缩后烧掉 ，很少得到有效利用。
1moL FADH2经呼吸链氧化产生
2 molATP
1moL NADH2经呼吸链氧化产生
3molATP
开始激活硬脂酸消耗
- 1molATP
总的ATP=16+17×7+12=147molATP
16molATP
六、木质素的转化
木质素是由四种醇单体(对香豆醇、松柏醇、 5-羟基松 柏醇、芥子醇)形成的一种复杂酚类聚合物。
(2)许多放线菌能够分解纤维素。土壤放线菌有 2.0%~4.4% 能分解纤维素，其中包括白色链霉菌、灰色链霉菌、红色链霉 菌等。放线菌的纤维素分解能力较弱，不及细菌和真菌。
三、果胶质的转化
果胶质是构成高等植物细胞质的物质并使相邻近的细 胞壁相连。天然的果胶质又称为原果胶。天然果胶质的主 要组成是由D-半乳糖醛酸以d- 1.4糖苷键相连形成的直链高 分子化合物，其中大部分羧基已形成甲基酯，而不含甲基 酯的称为果胶酸。
l第一节 氧循环 l第二节 碳循环 l第三节 氮循环 l第四节 硫循环 l第五节 磷循环 l第六节 铁、锰循环
第一节氧循环
大气中氧含量丰富，占空气21%。人和动物呼吸、微生物 分解有机物都需要氧。
人、动物和 微生物呼吸
植物及藻类 光合作用
第二节碳循环
主要含碳的物质：二氧化碳、碳水化合物、脂肪、蛋白质等
木质素是构成植物细胞壁的成分之一，具有使细胞相连 的作用。
在自然界中 ，木质素的储量仅次于纤维素 ，而且每年都 以500 亿吨的速度再生。制浆造纸工业每年要从植物中分离出 大约 1.4 亿吨纤维素 ，同时得到 5000万吨左右的木质素副产 品,但迄今为止 ，超过95 %的木质素仍以“黑液”直接排入江河 或浓缩后烧掉 ，很少得到有效利用。
1moL FADH2经呼吸链氧化产生
2 molATP
1moL NADH2经呼吸链氧化产生
3molATP
开始激活硬脂酸消耗
- 1molATP
总的ATP=16+17×7+12=147molATP
16molATP
六、木质素的转化
木质素是由四种醇单体(对香豆醇、松柏醇、 5-羟基松 柏醇、芥子醇)形成的一种复杂酚类聚合物。
(2)许多放线菌能够分解纤维素。土壤放线菌有 2.0%~4.4% 能分解纤维素，其中包括白色链霉菌、灰色链霉菌、红色链霉 菌等。放线菌的纤维素分解能力较弱，不及细菌和真菌。
三、果胶质的转化
果胶质是构成高等植物细胞质的物质并使相邻近的细 胞壁相连。天然的果胶质又称为原果胶。天然果胶质的主 要组成是由D-半乳糖醛酸以d- 1.4糖苷键相连形成的直链高 分子化合物，其中大部分羧基已形成甲基酯，而不含甲基 酯的称为果胶酸。
环境微生物学教案4-微生物对污染物的降解与转化
环境微生物学课程教学实施方案
授课知识模块（教学章、节或主题）：
第三部分 第四章微生物对污染物的降解与转化
课时安排
学时4
授课时间
教学第13、14周
基本情况
(请打√)
教学方式
教学资源
理论授课□双语□研讨□实验□习题课□指导□其他□
多媒体□模型□实物□
挂图□音像□其他□
教学目的和要求
1．掌握：
生物降解、终极降解、生物转化、可生物降解、基质呼吸线、矿化作用、共代谢、等基本概念；
（五）石油降解微生物的实际应用
第三节 微生物对重金属及类金属的转化
一、汞
（一）甲基化作用
（二）还原作用
2学时
3
4
5
6
7
8
9
10
其中重点包括1）生物降解、终极降解、生物转化、可生物降解、基质呼吸线、矿化作用、共代谢、等基本概念；
2）可生物降解性的分类、基质生化呼吸曲线的确定。
讨论、思考题、作业：
讨论：
（一）矿化作用
（二）共代谢作用
（三）微生物去毒作用
(四）激活作用
五、影响微生物降解转化生态学因素
（一）物质的化学结构
（二）共代谢作用
（三）环境物理化学因素
（四）中间体或终产物
2学时
2
第二节 微生物对有机污染物的降解
一、石油
（一）石油污染
（二）微生物对石油的降解能力
（三）石油降解微生物
（四）影响石油降解的生态因素
一、生物降解与生物转化
二、微生物降解转化污染物的巨大潜力
三、有机污染物的可生物降解性
（一）可生物降解性
（二）生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ降解性的分类
授课知识模块（教学章、节或主题）：
第三部分 第四章微生物对污染物的降解与转化
课时安排
学时4
授课时间
教学第13、14周
基本情况
(请打√)
教学方式
教学资源
理论授课□双语□研讨□实验□习题课□指导□其他□
多媒体□模型□实物□
挂图□音像□其他□
教学目的和要求
1．掌握：
生物降解、终极降解、生物转化、可生物降解、基质呼吸线、矿化作用、共代谢、等基本概念；
（五）石油降解微生物的实际应用
第三节 微生物对重金属及类金属的转化
一、汞
（一）甲基化作用
（二）还原作用
2学时
3
4
5
6
7
8
9
10
其中重点包括1）生物降解、终极降解、生物转化、可生物降解、基质呼吸线、矿化作用、共代谢、等基本概念；
2）可生物降解性的分类、基质生化呼吸曲线的确定。
讨论、思考题、作业：
讨论：
（一）矿化作用
（二）共代谢作用
（三）微生物去毒作用
(四）激活作用
五、影响微生物降解转化生态学因素
（一）物质的化学结构
（二）共代谢作用
（三）环境物理化学因素
（四）中间体或终产物
2学时
2
第二节 微生物对有机污染物的降解
一、石油
（一）石油污染
（二）微生物对石油的降解能力
（三）石油降解微生物
（四）影响石油降解的生态因素
一、生物降解与生物转化
二、微生物降解转化污染物的巨大潜力
三、有机污染物的可生物降解性
（一）可生物降解性
（二）生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ降解性的分类
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
微生物不能在某种基质上生长的原因并不是由于微生物无法分 解代谢这种物质，而是由于微生物本身缺乏吸收、同化其氧化 产物的能力。
B. 有毒产物的积累
该机制仅能应用于芳香烃化合物。如：2,3,6-三氯甲苯的共代谢 会导致3,5-二氯儿茶酚的积累，最终形成对细胞有毒害的环境。
C. 酶的专一性与抑制作用
卤代二羟基苯与催化芳香核加氧作用的酶活性中心的铁离子发 生螯合作用，抑制了酶系统的活性。
细菌能降解萘、菲、蒽，变成相应的酸。
图4-14 某些含酯和酰胺的基质及代谢产物
图4-15 多环芳香化合物的前几步降解过程
图4-16 PAHs的基质及代谢产物
3. 醚键裂解
许多醚可以被裂解，如： RONO2 R(ONO2)3 ROH HOR(ONO2)2 (HO)2RONO2 (HO)3R
ROSO3H
图4-13
四、还原
2. 氮化物还原
硝基还原酶使硝基化合物还原，生成相应的胺。偶氮还原酶使 偶氮化合物还原成相应的胺。
图4-14
图4-15 某些氨基还原的基质及其代谢产物
五、裂解
1. 氨基化合物裂解
许多杀虫剂、除草剂是氨基甲酸酯，酰胺是常见的化学品，这 些化合物可被转化为相应的羧酸和胺。
2. 环裂解（PAHs）
G. 醚草通脱氨基，变为无毒物；
H. 卤代苯氧羧酸类除草剂在植物体内断裂醚键，降解成相应的 酚，消除其对植物的毒害； I. 将腈转化为酰胺，降低毒性； J. 轭合作用，利用植物体内的中间代谢产物和异生素的反应合成 无毒产物
2. 微生物的激活作用
（1）定义
：无害的前体物质通过微生物的作用转化成有毒产物的过程。 致癌物
酸、磷酸盐等可以络合溶解金属离子；
（b）细胞表面富集 富集往往发生在细胞壁的表面，主要是由于金属离子与细胞表
面活性基团络合用于交换以及以络合基团为晶核进行吸附沉淀。
4. 有机污染物的阈值
痕量有机物的生物降解及阈值问题受到重视（三致毒物、生物
富集与放大等毒害）； 当有机基质的浓度低于某一值时，基质虽然仍能被代谢，但不 能获得充分的能量供细胞生长，该基质浓度称为阈值。 各种细菌不能生长繁殖的阈值差异很大，碳源、氮源、磷源及
（2）双末端氧化
链烷烃氧化可以在两端同时发生，常发生在支链烷烃中。
（3）次末端氧化
微生物对烷烃末端的第二个碳的氧化，生成仲醇；然后再依次
氧化成酮和酯，酯被水解为伯醇和乙酸；然后进一步分解。
（4）直接脱氢
脂肪烷烃在厌氧条件下脱氢，使烷烃变为烯烃，进一步转化为 仲醇、醛和酸。 R-CH2-CH3 R-CH2-CHO R-CH=CH2 R-CH2-COOH R-CHOH-CH3
导出特定的完整酶系统，成为十分关注的问题；
• 研究生物降解性的意义： （1）数十万种环境污染物中绝大多数是有机物，这些物质的生物 可降解性研究是控制物质生产、排放和生物处理工艺设计的 重要依据；
（2）有助于深入认识污染物在环境中的迁移转化规律和了解这 些染物对自然界物质转化循环的影响，为控制污染、保护 环境提供理论依据； （3）与保护人类健康和自然界生态平衡有密切关系；
3. 微生物的吸着作用
（1）定义
：指固液两相中的某些化合物在液相中的浓度降低，而在固相中 的浓度升高的现象，包括吸收和吸附，但两者在概念上没有明
显的界限。
很多中微生物都能结合金属，作用机理有胞外吸附、细胞表面 富集等； （a）胞外吸附 活性污泥和细菌产生胞外多糖，主要是中性多糖，但含有糖醛
致畸物
无毒化合物 活化 致突变物 急性毒物 植物毒物 抗菌素
迅速矿化 缓慢矿化 持久性
图4-5
无毒物的活化作用
例如： 脱卤作用，三氯乙烯（TCE）在厌氧环境中会发生脱
卤，形成1,1-二氯乙烯、1,2-二氯乙烯和氯乙 烯，降解物均为致癌物； 硫醚的氧化，含有硫醚键（C-S-C）杀虫剂会被氧化成 相应的亚砜和砜，毒性比硫醚更大； N-亚硝化作用，在土壤中仲胺通过N-亚硝化作用形成 “三致”毒物——亚硝胺；
不易降解的基团：-CH3、-NH2、-OCH3、-Cl、-SO3H、-Br、
-CN、-CF3等；
2. 取代基数目的影响
羟基、羧基数目越多，越容易降解； 胺基、卤代基、硝基、磺酸基、甲基、偶氮基越多，越难降解。
3. 取代基位臵的影响
芳香烃及苯胺中，羟基、羧基、-Cl易降解的顺序：邻位>间位>
对位；
烷基、脂肪酸基、苯磺酸基与烷烃端基位连接比中间连接降解
第四章
污染物的生物降解和转化 陈云鹏
上海交通大学农业与生物学院资环系 2011.10
Contents
第一节 第二节
微生物对污染物的作用 影响生物降解的因素
第三节
第四节
污染物的生物降解反应及其中间产物
典型有机污染物的生物降解
第一节
微生物对污染物的作用
一、有机污染物的生物降解性
• 地球上所有天然合成的有机物都可被微生物不同程度地降解，在 漫长的生物进化过程中，微生物被这些物质诱导产生分解酶； • 人工合成的一些复杂大分子聚合物（如有机氯农药、洗涤剂、多 氯联苯、塑料、尼龙等），由于微生物与之接触时间短，尚未诱
• 脂肪烃分子上支链越多，生物可降解性越低
例如：活性污泥与葡萄糖、木糖、麦芽糖混合经曝气处理后能立
即去除；
DDT在土壤中残留期4年；艾氏剂，3年；氯丹，5年
图4-8
某些物质的生物可降解性
二、化学结构对生物降解的影响
• 主要是取代基的影响，包括取代基种类、数目及位臵；
1. 取代基种类的影响
促进降解的基团：-OH、-COOH、酰胺基、酯类或酰酐基等；
图4-2
某些基因工程菌的降解活性
（4）其他微生物与植物 • 包括藻类、微型生物、植物等对污染物具有作用，可用于环境 修复； 如：污染水体中的藻类的放氧；微型动物对病原菌和过多藻类 的吞噬 • 采用凤眼莲为主的污水处理系统去除水体中的氮磷；
• 利用芦苇田处理污水可杀死大肠杆菌，去除某些金属离子，减
1. 微生物的共代谢作用
（1）定义
：某些有机物在其生物降解过程中不能作为微生物的
惟一碳源，而只能依靠另一种有机物作为碳源与能
源的前提下才能被降解的现象。 （2）共代谢基质与微生物 见图4-3
图4-3
纯培养中的一些共代谢基质及其产物
（2）共代谢的原因 提出了各种假设，但都有局限性，主要原因有： A. 微生物的吸收与同化能力
• 基因工程菌环境释放后的安全性控制
方法：遗传缺陷、自杀基因
• 理想的基因工程菌特征
（a）对自然界的微生物和高等生物不构成威胁；
（b）基因工程菌有一定的寿命；
（c）基因工程菌进入净化系统之后，其适应期比土著种的驯化 期要短得多； （d）基因工程菌降解污染物功能下降时，可以重新接种； （e）基因工程菌易适应生存，不会被目标污染物杀死
RNH-CH3+O CH3(CH2)nCH3+O RCH2NH2+O R-O-CH3+O R1
RNH2+HCHO CH3(CH2)nCH2OH RCHO+2H R-OH+HCHO R1
CH-NH2+O
R2 R2
C=NOH+H2O
R-S-CH3+O R1 CH-NH2+O R2
RSH+HCHO R1 C=O+NH3 R2
2. 微生物的解毒作用
（1）定义
：通过微生物对污染物的转化、降解、矿化等作用，使污染物的 分子结构发生改变，从而降低或去除污染物的毒性的过程。
（2）解毒产物的去处
A. 解毒产物直接分泌到细胞外；
B. 经酶反应进入正常代谢途径，碳以CO2的形式释放；
C. 经酶反应进入正常代谢途径，以有机废物的形碳双键在混合功能氧化酶的作用下，能被环氧化。
R1CH=CHR2+O o R1CH-CHR2 O
三、碳羟基化
混合功能氧化酶利用细胞内分子氧，将其中一个氧原子与有机 底物结合，使之氧化，而另一个氧原子与氢原子结合形成羟基。
图4-12
四、还原
1. 单环芳烃还原
单环芳烃的苯环在厌氧微生物作用下，其中一个双键和多个双 键断裂。
例1：光合细菌多为红螺菌科光合细菌的复合菌群，已商业化。
例2：美国CBS公司开发的复合菌剂，内含光合细菌、酵母菌、 放线菌、硝化菌等，在成都府南河、重庆桃花溪等河道应用；
例3：玉垒环境技术公司生产的高温放线菌为主的复合菌剂
（YL活性生物复合剂H15）用于苏州河程家桥河段污水处理，
180天内对底泥中有机物降解率为20%左右，促进了底泥的矿 化 （3）基因工程菌——将具有降解性的质粒转移到一些能在污水 和污染土壤中生存的菌体内，定向构建高效降解污染的工程菌
• 细菌的降解能力由质粒控制，目前已发现降解性质粒30多种；
如：假单胞菌属中的石油降解质粒
• 目前，世界上已构建出多种降解难降解化合物的工程菌；
例：超级细菌——Chapracarty等将假单胞菌属中不同菌株的
CAM、OCT、SAL、NAH四种降解性质粒结合转移到同一个
菌株中，构建成一株能同时降解芳香烃、多环芳烃和脂肪烃的 “超级细菌”，用于海上溢油污染消除。该菌能将天然菌要花 一年以上才能消除的浮油缩短为几个小时，被誉为在污染治理 工程菌的构建上的第一块里程碑。
2. pH
3. 水分
4. 盐分
5. 压强 有些油污密度比海水大，会沉积到海底。由于海底是高
静水压和低温环境，微生物活性很低，有机物降解十分 缓慢。
第三节
污染物的生物降解反应及其中间产物
一、水解
R1COOCH2R2+H2O R1COOH+HOCH2R2
B. 有毒产物的积累
该机制仅能应用于芳香烃化合物。如：2,3,6-三氯甲苯的共代谢 会导致3,5-二氯儿茶酚的积累，最终形成对细胞有毒害的环境。
C. 酶的专一性与抑制作用
卤代二羟基苯与催化芳香核加氧作用的酶活性中心的铁离子发 生螯合作用，抑制了酶系统的活性。
细菌能降解萘、菲、蒽，变成相应的酸。
图4-14 某些含酯和酰胺的基质及代谢产物
图4-15 多环芳香化合物的前几步降解过程
图4-16 PAHs的基质及代谢产物
3. 醚键裂解
许多醚可以被裂解，如： RONO2 R(ONO2)3 ROH HOR(ONO2)2 (HO)2RONO2 (HO)3R
ROSO3H
图4-13
四、还原
2. 氮化物还原
硝基还原酶使硝基化合物还原，生成相应的胺。偶氮还原酶使 偶氮化合物还原成相应的胺。
图4-14
图4-15 某些氨基还原的基质及其代谢产物
五、裂解
1. 氨基化合物裂解
许多杀虫剂、除草剂是氨基甲酸酯，酰胺是常见的化学品，这 些化合物可被转化为相应的羧酸和胺。
2. 环裂解（PAHs）
G. 醚草通脱氨基，变为无毒物；
H. 卤代苯氧羧酸类除草剂在植物体内断裂醚键，降解成相应的 酚，消除其对植物的毒害； I. 将腈转化为酰胺，降低毒性； J. 轭合作用，利用植物体内的中间代谢产物和异生素的反应合成 无毒产物
2. 微生物的激活作用
（1）定义
：无害的前体物质通过微生物的作用转化成有毒产物的过程。 致癌物
酸、磷酸盐等可以络合溶解金属离子；
（b）细胞表面富集 富集往往发生在细胞壁的表面，主要是由于金属离子与细胞表
面活性基团络合用于交换以及以络合基团为晶核进行吸附沉淀。
4. 有机污染物的阈值
痕量有机物的生物降解及阈值问题受到重视（三致毒物、生物
富集与放大等毒害）； 当有机基质的浓度低于某一值时，基质虽然仍能被代谢，但不 能获得充分的能量供细胞生长，该基质浓度称为阈值。 各种细菌不能生长繁殖的阈值差异很大，碳源、氮源、磷源及
（2）双末端氧化
链烷烃氧化可以在两端同时发生，常发生在支链烷烃中。
（3）次末端氧化
微生物对烷烃末端的第二个碳的氧化，生成仲醇；然后再依次
氧化成酮和酯，酯被水解为伯醇和乙酸；然后进一步分解。
（4）直接脱氢
脂肪烷烃在厌氧条件下脱氢，使烷烃变为烯烃，进一步转化为 仲醇、醛和酸。 R-CH2-CH3 R-CH2-CHO R-CH=CH2 R-CH2-COOH R-CHOH-CH3
导出特定的完整酶系统，成为十分关注的问题；
• 研究生物降解性的意义： （1）数十万种环境污染物中绝大多数是有机物，这些物质的生物 可降解性研究是控制物质生产、排放和生物处理工艺设计的 重要依据；
（2）有助于深入认识污染物在环境中的迁移转化规律和了解这 些染物对自然界物质转化循环的影响，为控制污染、保护 环境提供理论依据； （3）与保护人类健康和自然界生态平衡有密切关系；
3. 微生物的吸着作用
（1）定义
：指固液两相中的某些化合物在液相中的浓度降低，而在固相中 的浓度升高的现象，包括吸收和吸附，但两者在概念上没有明
显的界限。
很多中微生物都能结合金属，作用机理有胞外吸附、细胞表面 富集等； （a）胞外吸附 活性污泥和细菌产生胞外多糖，主要是中性多糖，但含有糖醛
致畸物
无毒化合物 活化 致突变物 急性毒物 植物毒物 抗菌素
迅速矿化 缓慢矿化 持久性
图4-5
无毒物的活化作用
例如： 脱卤作用，三氯乙烯（TCE）在厌氧环境中会发生脱
卤，形成1,1-二氯乙烯、1,2-二氯乙烯和氯乙 烯，降解物均为致癌物； 硫醚的氧化，含有硫醚键（C-S-C）杀虫剂会被氧化成 相应的亚砜和砜，毒性比硫醚更大； N-亚硝化作用，在土壤中仲胺通过N-亚硝化作用形成 “三致”毒物——亚硝胺；
不易降解的基团：-CH3、-NH2、-OCH3、-Cl、-SO3H、-Br、
-CN、-CF3等；
2. 取代基数目的影响
羟基、羧基数目越多，越容易降解； 胺基、卤代基、硝基、磺酸基、甲基、偶氮基越多，越难降解。
3. 取代基位臵的影响
芳香烃及苯胺中，羟基、羧基、-Cl易降解的顺序：邻位>间位>
对位；
烷基、脂肪酸基、苯磺酸基与烷烃端基位连接比中间连接降解
第四章
污染物的生物降解和转化 陈云鹏
上海交通大学农业与生物学院资环系 2011.10
Contents
第一节 第二节
微生物对污染物的作用 影响生物降解的因素
第三节
第四节
污染物的生物降解反应及其中间产物
典型有机污染物的生物降解
第一节
微生物对污染物的作用
一、有机污染物的生物降解性
• 地球上所有天然合成的有机物都可被微生物不同程度地降解，在 漫长的生物进化过程中，微生物被这些物质诱导产生分解酶； • 人工合成的一些复杂大分子聚合物（如有机氯农药、洗涤剂、多 氯联苯、塑料、尼龙等），由于微生物与之接触时间短，尚未诱
• 脂肪烃分子上支链越多，生物可降解性越低
例如：活性污泥与葡萄糖、木糖、麦芽糖混合经曝气处理后能立
即去除；
DDT在土壤中残留期4年；艾氏剂，3年；氯丹，5年
图4-8
某些物质的生物可降解性
二、化学结构对生物降解的影响
• 主要是取代基的影响，包括取代基种类、数目及位臵；
1. 取代基种类的影响
促进降解的基团：-OH、-COOH、酰胺基、酯类或酰酐基等；
图4-2
某些基因工程菌的降解活性
（4）其他微生物与植物 • 包括藻类、微型生物、植物等对污染物具有作用，可用于环境 修复； 如：污染水体中的藻类的放氧；微型动物对病原菌和过多藻类 的吞噬 • 采用凤眼莲为主的污水处理系统去除水体中的氮磷；
• 利用芦苇田处理污水可杀死大肠杆菌，去除某些金属离子，减
1. 微生物的共代谢作用
（1）定义
：某些有机物在其生物降解过程中不能作为微生物的
惟一碳源，而只能依靠另一种有机物作为碳源与能
源的前提下才能被降解的现象。 （2）共代谢基质与微生物 见图4-3
图4-3
纯培养中的一些共代谢基质及其产物
（2）共代谢的原因 提出了各种假设，但都有局限性，主要原因有： A. 微生物的吸收与同化能力
• 基因工程菌环境释放后的安全性控制
方法：遗传缺陷、自杀基因
• 理想的基因工程菌特征
（a）对自然界的微生物和高等生物不构成威胁；
（b）基因工程菌有一定的寿命；
（c）基因工程菌进入净化系统之后，其适应期比土著种的驯化 期要短得多； （d）基因工程菌降解污染物功能下降时，可以重新接种； （e）基因工程菌易适应生存，不会被目标污染物杀死
RNH-CH3+O CH3(CH2)nCH3+O RCH2NH2+O R-O-CH3+O R1
RNH2+HCHO CH3(CH2)nCH2OH RCHO+2H R-OH+HCHO R1
CH-NH2+O
R2 R2
C=NOH+H2O
R-S-CH3+O R1 CH-NH2+O R2
RSH+HCHO R1 C=O+NH3 R2
2. 微生物的解毒作用
（1）定义
：通过微生物对污染物的转化、降解、矿化等作用，使污染物的 分子结构发生改变，从而降低或去除污染物的毒性的过程。
（2）解毒产物的去处
A. 解毒产物直接分泌到细胞外；
B. 经酶反应进入正常代谢途径，碳以CO2的形式释放；
C. 经酶反应进入正常代谢途径，以有机废物的形碳双键在混合功能氧化酶的作用下，能被环氧化。
R1CH=CHR2+O o R1CH-CHR2 O
三、碳羟基化
混合功能氧化酶利用细胞内分子氧，将其中一个氧原子与有机 底物结合，使之氧化，而另一个氧原子与氢原子结合形成羟基。
图4-12
四、还原
1. 单环芳烃还原
单环芳烃的苯环在厌氧微生物作用下，其中一个双键和多个双 键断裂。
例1：光合细菌多为红螺菌科光合细菌的复合菌群，已商业化。
例2：美国CBS公司开发的复合菌剂，内含光合细菌、酵母菌、 放线菌、硝化菌等，在成都府南河、重庆桃花溪等河道应用；
例3：玉垒环境技术公司生产的高温放线菌为主的复合菌剂
（YL活性生物复合剂H15）用于苏州河程家桥河段污水处理，
180天内对底泥中有机物降解率为20%左右，促进了底泥的矿 化 （3）基因工程菌——将具有降解性的质粒转移到一些能在污水 和污染土壤中生存的菌体内，定向构建高效降解污染的工程菌
• 细菌的降解能力由质粒控制，目前已发现降解性质粒30多种；
如：假单胞菌属中的石油降解质粒
• 目前，世界上已构建出多种降解难降解化合物的工程菌；
例：超级细菌——Chapracarty等将假单胞菌属中不同菌株的
CAM、OCT、SAL、NAH四种降解性质粒结合转移到同一个
菌株中，构建成一株能同时降解芳香烃、多环芳烃和脂肪烃的 “超级细菌”，用于海上溢油污染消除。该菌能将天然菌要花 一年以上才能消除的浮油缩短为几个小时，被誉为在污染治理 工程菌的构建上的第一块里程碑。
2. pH
3. 水分
4. 盐分
5. 压强 有些油污密度比海水大，会沉积到海底。由于海底是高
静水压和低温环境，微生物活性很低，有机物降解十分 缓慢。
第三节
污染物的生物降解反应及其中间产物
一、水解
R1COOCH2R2+H2O R1COOH+HOCH2R2