環(huán)境微生物學(xué)教學(xué)課件-15-1對(duì)污染物的降解轉(zhuǎn)化

1、微生物對(duì)污染物的降解與轉(zhuǎn)化,有機(jī)污染物生物凈化 天然物質(zhì)、人工合成物質(zhì) 無機(jī)污染物生物凈化,第一節(jié) 有機(jī)污染物的生物凈化機(jī)理,凈化本質(zhì)微生物轉(zhuǎn)化有機(jī)物為無機(jī)物 依靠好氧分解與厭氧分解 一、好氧分解 細(xì)菌是其中的主力軍 原理：好氧有機(jī)物呼吸,C CO2 + 碳酸鹽和重碳酸鹽 H H2O N NH3 HNO2 HNO3 S H2SO4 P H3PO4,二、厭氧分解 厭氧細(xì)菌 原理：發(fā)酵、厭氧無機(jī)鹽呼吸,無毒無臭,C RCOOH（有機(jī)酸）CH4 + CO2 N RCHNH2COOH NH3（臭味） + 有機(jī)酸（臭味） S H2S（臭味） P PO43- 水體自凈的天然過程中,厭氧分解（開始） 好氧分

2、解（后續(xù),第二節(jié) 各類有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化,一、碳源污染物的轉(zhuǎn)化 包括糖類、蛋白質(zhì)、脂類、石油和人工合成的有機(jī)化合物等,一）糖類污染物 提問：哪些糖類會(huì)成為污染物？ 難溶的多糖，且當(dāng)一些難溶解的多糖數(shù)量較大時(shí)才會(huì)使自凈時(shí)間大大增加，從而對(duì)環(huán)境造成污染。這類多糖主要是纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、淀粉,1纖維素的轉(zhuǎn)化 葡萄糖高聚物，每個(gè)纖維素分子含140010000個(gè)葡萄糖基（1-4糖苷鍵）。 來源：棉紡印染廢水、造紙廢水、人造纖維廢水及城市垃圾等，其中均含有大量纖維素。 A微生物分解途徑,B分解纖維素的微生物,好氧細(xì)菌粘細(xì)菌、鐮狀纖維菌和纖維弧菌 厭氧細(xì)菌產(chǎn)纖維二糖芽孢梭菌、無芽孢厭氧分解菌及

3、嗜熱纖維芽孢梭菌。 放 線 菌鏈霉菌屬。 真 菌青霉菌、曲霉、鐮刀霉、木霉及毛霉。 需要時(shí)可以向有菌種庫的研究機(jī)構(gòu)購買或自行篩選,2半纖維素的轉(zhuǎn)化,存在于植物細(xì)胞壁的雜多糖。造紙廢水和人造纖維廢水中含半纖維素。 分解過程 TCA循環(huán) 聚糖酶 CO2 + H2O 半纖維素 單糖 + 糖醛酸 H2O 各種發(fā)酵產(chǎn)物 厭氧分解 分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素。 許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細(xì)菌及放線菌能分解半纖維素。霉菌有根霉、曲霉、小克銀漢霉、青霉及鐮刀霉,自然界中哪些微生物能夠進(jìn)行木質(zhì)素的降解呢,確證的只有真菌中的黃孢原毛平革菌，疑似的有軟腐菌,黃孢原平毛革菌(Phanerochaete c

4、hrysosprium)是白腐真菌的一種，隸屬于擔(dān)子菌綱、同擔(dān)子菌亞綱、非褶菌目、絲核菌科。 白腐樹皮上木質(zhì)素被該菌分解后漏出白色的纖維素部分,木質(zhì)素降解的意義何在呢,3木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化,二）油脂的轉(zhuǎn)化,水中來源：毛紡、毛條廠廢水、油脂廠廢水、肉聯(lián)廠廢水、制革廠廢水含有大量油脂 降解油脂較快的微生物： 細(xì) 菌 熒光桿菌、綠膿桿菌、靈桿菌 絲狀菌 放線菌、分支桿菌 真 菌 青霉、乳霉、曲霉 途徑：水解+氧化,三）石油的轉(zhuǎn)化,提問：什么是石油？ 石油是含有烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴及少量非烴化合物的復(fù)雜混合物。石油污染主要出現(xiàn)在采油區(qū)和石油運(yùn)輸事故現(xiàn)場以及石化行業(yè)的工業(yè)廢水中,1石油成分的生物降解性 與分子

5、結(jié)構(gòu)有關(guān),A鏈長度 鏈中等長度（C10C24）鏈很長的（C24以上）短鏈 （*？） B鏈結(jié)構(gòu) 直鏈 ? 支鏈 不飽和 ? 飽和 烷烴 ? 芳烴,鏈末端有季碳原子（四周都與C相連）的烴以及多環(huán)芳烴極難降解,2降解石油的微生物,降解石油的微生物很多，據(jù)報(bào)道有200多種 細(xì) 菌 假單胞菌、棒桿菌屬、微球菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬放線菌 諾卡氏菌 酵母菌 假絲酵母 霉 菌 青霉屬、曲霉屬 藻 類 藍(lán)藻和綠藻,3石油的降解機(jī)理,A鏈烷烴的降解 + O2 R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH -氧化 CO2 + H2O CH2-COOH + R-COOH,B無支鏈環(huán)烷烴的降解 以環(huán)己烷為例,

6、通常一些微生物只能將環(huán)烷變?yōu)榄h(huán)己酮，另一些微生物只能將環(huán)己酮氧化開鏈而不能氧化環(huán)己烷，兩類以上微生物的協(xié)同作用下將污染物 徹底降解共代謝,C芳香烴,芳香烴普遍具有生物毒性，但在低濃度范圍內(nèi)它們可以不同程度的被微生物分解,已知降解不同芳香烴的細(xì)菌類別,苯和酚的代謝,苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示 苯的代謝,萘的代謝,菲的代謝,蒽的代謝,酚也是先被氧化為鄰苯二酚，這樣各類芳香烴在降解的后半段是相同的，可表示如下,提問：為什么這些有機(jī)物難于生物降解？ 微生物缺乏相應(yīng)的水解酶,四） 人工合成的難降解有機(jī)化合 物的生物降解,難對(duì)于自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),如果一種化合物滯留可達(dá)幾個(gè)月或幾年之久,或在人工生物處

7、理系統(tǒng), 幾小時(shí)或幾天之內(nèi)還未能被分解或消除,種類：穩(wěn)定劑、表面活性劑、人工合成的聚合物、殺蟲劑、除草劑以及各種工藝流程中的廢品等,1. 氯苯類,用 途：穩(wěn)定劑（潤滑油、絕緣油、增塑劑、油漆、熱載體、油墨等都含有） 危 害：急性中毒，是一種致癌因子（米糠油事件） 降 解 菌：產(chǎn)堿桿菌、不動(dòng)桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌以及沙雷氏菌的突變體 通過共代謝完成氯苯的完全降解,2洗滌劑,可分為陰離子型、陽離子型、非離子型、兩性電解質(zhì)四類。 我國目前生產(chǎn)的洗滌劑屬于陰離子型烷基苯磺酸鈉。較早開發(fā)的是非線性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸鹽（ABS,ABS,甲基分支干擾生物降解，鏈末端與4個(gè)碳原子相連的季碳原子抗攻擊的

8、能力更強(qiáng),危害：ABS可以在天然水體中存留800h以上，使這得接納他的水體長時(shí)間保持，產(chǎn)生大量泡沫，引起水體缺氧。 為使洗滌劑易于生物降解，人們將ABS的結(jié)構(gòu)改變?yōu)榫€性的直鏈烷基苯磺酸鹽（LAS,由于減少了分支，它的生物分解速度大為提高,ABS,A降解洗滌劑的微生物,細(xì) 菌假單胞菌、鄰單胞菌、黃單胞菌、產(chǎn)堿單胞菌、產(chǎn)堿桿菌、微球菌、大多數(shù)固氮菌 放線菌諾卡氏菌 由于這些微生物的作用，雖然每年排放入環(huán)境中的洗滌劑數(shù)量逐年遞增，但環(huán)境中并沒有發(fā)生洗滌劑的明顯增加。因而洗滌劑一般不會(huì)引起環(huán)境的有機(jī)污染。洗滌劑目前存在的問題主要是洗滌劑中的添加劑聚磷酸鹽造成的水體富營養(yǎng)化問題,B洗滌劑的降解機(jī)理,對(duì)微

9、生物無影響 （1）.土地板結(jié) （2）. 被海鳥及海洋哺乳動(dòng)物誤食，致使這些動(dòng)物消化系統(tǒng)停滯，引起死亡。具報(bào)道每年海洋中死于廢棄塑料的海鳥和海洋哺乳動(dòng)物，數(shù)目之多令人觸目驚心。 （3）.影響景觀 目前發(fā)現(xiàn)能降解塑料的微生物，種類很少，而且降解速度緩慢。他們主要是細(xì)菌、放線菌、曲霉中的某些成員,3.塑料,塑料在環(huán)境中積累有哪些危害？ 危害：白色污染,提問：如何解決塑料的難降解問題？ （1）限制使用不可降解塑料 （2）開發(fā)可降解塑料 光降解、高填充碳酸鈣、填充淀粉、淀粉改性塑料、 化學(xué)合成或用微生物、轉(zhuǎn)基因植物直接生產(chǎn)可生物降解的塑料,如何制造完全生物可降解塑料？有哪些種類？發(fā)展前景如何,4.農(nóng)藥,

10、如殺蟲劑、除草劑等 化學(xué)成分：有鹵素、磷酸基、氨基、硝基、羥基及其它取代物的簡單烴骨架（有機(jī)磷、有機(jī)錫、有機(jī)氯等）。 相比較其它取代基團(tuán)而言，微生物對(duì)鹵素取代基往往不適應(yīng)，因而隨著鹵素取代基數(shù)量的增多，農(nóng)藥的生物可降解性大幅度下降。水中來源：農(nóng)田土壤的灌溉水或雨水,危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸變） 最典型的一個(gè)例子就是殺蟲劑DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯代基數(shù)量大，在自然界的半衰期長達(dá)半年以上，由于DDT不溶于水而易溶于脂肪，因而可在動(dòng)物脂肪組織中堆積，并沿著食物鏈在逐級(jí)向上不斷積累，引起生物各種急慢性中毒,降解農(nóng)藥的微生物： 細(xì) 菌 假單胞菌、芽孢桿菌、產(chǎn)堿桿菌、黃桿菌 放線菌

11、 諾卡氏菌 真 菌 曲霉 這些微生物往往需共代謝將農(nóng)藥逐級(jí)降解,二、氮源有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化,蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、胺類、腈化物、硝基化合物等,一）蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化 水中來源： 生活污水、屠宰廢水、罐頭食品加工廢水、制革廢水等 1降解蛋白質(zhì)的微生物 種類很多 好 氧 細(xì) 菌 鏈球菌和葡萄球菌 好氧芽孢細(xì)菌枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌及馬鈴薯芽孢桿菌 兼 性 厭 氧 菌變形桿菌、假單胞菌 厭 氧 菌腐敗梭狀芽孢桿菌、生孢梭狀芽孢桿菌 此外，還有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及鏈霉菌(放線菌,2降解機(jī)理,N2,3.典型含氮有機(jī)物的轉(zhuǎn)化,氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈類化合物及硝基化合物 水中來源：化工腈綸廢水、國防工業(yè)廢水、電鍍廢水等。 危 害：生物毒害 、環(huán)境積累 A降解這些物質(zhì)的微生物 細(xì) 菌紫色桿菌、假單胞菌 放線菌諾