第九章微生物與環(huán)境

1、 微生物在環(huán)境保護中的應用微生物在環(huán)境保護中的應用 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 一、微生物對生物組分大分子有機物的降解 （一）微生物對多糖類有機物的生物降解 多糖類有機物是異養(yǎng)微生物的主要能源，也是生物細胞重要的結構物質和儲藏物質。這類有機物廣泛存在于動物尸體和植物殘體及廢料中，如纖維素、半纖維素、淀粉、果膠質等。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 1微生物對纖維素的降解 纖維素是植物細胞壁的主要成份，在植物殘體和有機肥料中的含量約占干重的35%60%。土壤中含有大量的纖維素，印染廠由于洗布和上漿，造紙廠和人造纖維廠由于用木材做原料，其排出的廢水中均含有大量纖維素

2、。此外，城市垃圾中也含有大量纖維素。在天然存在的有機物中，纖維素是數(shù)量最大的一類環(huán)境污染物。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 纖維素是葡萄糖的高分子聚合物，不溶于水，在環(huán)境中比較穩(wěn)定。在有氧條件下，經(jīng)微生物的纖維素酶作用，先將纖維素降解為纖維二糖，然后在纖維二糖酶的作用下，降解為葡萄糖，進入三羧酸循環(huán)徹底降解為CO2和H2O；在無氧條件下經(jīng)微生物厭氧發(fā)酵，其降解產(chǎn)物為小分子有機物（丙酮、丁醇、丁酸、乙酸等）和無機物（CO2、H2）。微生物分解纖維素的途徑見圖9-1。 微生物降解污染物的途徑 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 分解纖維素的微生物種類很多，有細菌、放線菌和

3、真菌。需氧細菌中有噬纖維菌屬、生孢噬纖維菌屬、纖維弧菌屬、纖維單胞菌屬等，厭氧菌以梭狀芽孢菌為主。常見的高溫厭氧菌為嗜熱纖維芽孢梭菌。真菌中分解纖維素的有青霉、曲霉、鐮刀霉、根霉、木霉及毛霉。放線菌中的鏈霉屬、諾卡氏菌屬及小單孢菌屬中的某些種。 2微生物對淀粉的降解 淀粉是葡萄糖通過糖苷鍵連接而成的一種大分子物質，廣泛存在于植物的種子和果實之中。凡以上述物質作原料的工業(yè)廢水，如糧食加工廠、食品廠、酒廠廢水以及紡織、印染廢水、抗生素發(fā)酵廢水及生活污水等均含有大量淀粉。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 微生物能產(chǎn)生水解淀粉的各種酶類，在有氧條件下，這些酶可以將淀粉水解為葡萄糖，然后進

4、入三羧酸循環(huán)被徹底分解為CO2和H2O。在無氧條件下，微生物進行厭氧發(fā)酵，將淀粉分解為小分子有機物（丙酮、丁醇、丁酸、乙酸等）和無機物（CO2、H2）。微生物分解淀粉的途徑見圖9-2。在有氧條件下，淀粉沿著途徑分解成葡萄糖，進而酵解成丙酮酸，再經(jīng)三羧酸循環(huán)完全氧化為CO2和H2O。在無氧條件下，淀粉沿著途徑轉化，產(chǎn)生乙醇和CO2。在專性厭氧菌作用下，沿途徑和進行。 微生物降解污染物的途徑 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 分解淀粉的微生物在細菌、放線菌、真菌中都存在。細菌中主要有芽孢桿菌屬的某些種，如枯草芽孢桿菌、馬鈴薯芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌等；真菌中有根霉、曲霉、鐮孢霉、層孔菌等

5、屬的某些種類；放線菌分解淀粉的能力比前二者要差一些，但放線菌中的小單孢菌、卡諾氏菌、及鏈霉菌等屬的某些種類具有分解淀粉的能力。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 3微生物對半纖維素的降解 半纖維素存在于植物的細胞壁中，其含量僅次于纖維素。半纖維素的組成中含有聚戊糖、聚己糖及聚糖醛酸，在微生物酶的作用下，半纖維素的降解途徑如圖9-3所示。 分解半纖維素的微生物在細菌、放線菌、真菌中都存在。分解纖維素的微生物大多都能分解半纖維素。細菌中許多芽孢桿菌、假單胞菌、節(jié)細菌及放線菌中的一些種類，真菌中根霉、曲霉、小克銀漢霉、青霉及鐮刀霉等，都能分解半纖維素。 微生物降解污染物的途徑 微生物降解

6、污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 4微生物對果膠質的降解 天然的果膠質不溶于水，稱為原果膠，是高等植物細胞間質和細胞壁的主要成分。果膠質由D半乳糖醛酸以1，4糖苷鍵構成的直鏈高分子化合物，其羧基與甲基酯化形成甲基脂。在微生物酶的作用下進行水解： 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 果膠質能被多種微生物分解，如好氧的枯草芽孢桿菌、多粘芽孢桿菌、浸軟芽孢桿菌及不生芽孢的軟腐歐氏桿菌；厭氧的有蝕果膠梭菌和費新尼亞浸麻梭菌；真菌有青霉、曲霉、木霉、小克銀漢霉、芽枝孢霉、根霉、毛霉，還有放線菌中的某些種類等。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 （二）微生物對木質素的降解 木質素在

7、植物細胞中的含量僅次于纖維素和半纖維素，但其化學結構比纖維素和半纖維素復雜得多，是由苯丙烷亞基組成的不規(guī)則的近似球狀的多聚體，不溶于酸性、中性溶劑中，只溶于堿性溶劑中，是植物組分中最難分解的部分。木質素的微生物降解過程十分緩慢，玉米秸桿進入土壤后6個月，木質素僅減少1/3，在厭氧的條件下降解得更慢。真菌降解木質素的速度比細菌要快。真菌中擔子菌降解木質素的能力最強，如干朽菌、多孔菌、傘菌等的一些種，另外木霉、曲霉、鐮孢霉的某些種能分解木質素。細菌中假單胞菌、節(jié)桿菌、黃桿菌和小球菌中的一些菌株能分解木質素。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 （三）微生物對脂類的生物降解 生物體內(nèi)的脂類

8、物質主要有脂肪、類脂和蠟質。它們都不溶于水，但能溶于非極性有機溶劑。它們存在于生物體內(nèi)，以生物殘體為原料的生產(chǎn)過程如毛紡廠、油脂廠、肉類加工廠、食品加工廠、制革廠廢水及生活污水中含有大量的脂類。 脂肪是由高級脂肪酸和甘油合成的酯，在環(huán)境中微生物脂肪酶的作用下分解較快。類脂包括磷脂、糖脂和固醇。蠟質由高級脂肪酸和高級單元醇化合而成，這二者必須有特殊的脂酶才能降解，所以在環(huán)境中分解較慢。脂類的降解途徑可以簡化為下圖： 微生物降解污染物的途徑 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 水解產(chǎn)物甘油可以被環(huán)境中的大多數(shù)微生物通過三羧酸循環(huán)降解為CO2，脂肪酸較難氧化。在有氧的條件下經(jīng)過氧化途徑氧化

9、分解為H2O和CO2，在缺氧的條件下容易累積。 降解脂類的微生物主要是需氧的種類，細菌中的熒光假單胞菌、銅綠假單胞菌等是較活躍的菌種，真菌中的青霉、曲霉、枝孢霉和粉孢霉等，放線菌中有些種類也有分解脂類的能力。親脂微生物在環(huán)境污染治理中得到了廣泛的應用，如表9-1。 微生物降解污染物的途徑 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 二、石油的微生物降解 （一）微生物對石油的降解能力 石油是古代未能進行降解的有機物質積累，經(jīng)地質變遷而成的。在石油開采、運輸、加工過程中都可能對環(huán)境產(chǎn)生污染。微生物學領域內(nèi)50多年的研究表明，在自然界凈化石油污染的過程中，微生物降解起著重要作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)細菌、真菌

10、中有70個屬的200多個種可以生活在石油中，并通過生物氧化降解石油。我國沈（陽）撫（順）灌區(qū)20余萬畝水稻田，主要以煉油廠含油廢水灌溉，歷時40余年，未發(fā)現(xiàn)石油顯著積累和經(jīng)常性的損害，主要得益于在石油污灌區(qū)形成的微生物生態(tài)系的降解作用。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 石油是鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴以及少量非烴化合物的復雜混合物。石油的生物降解性因其所含烴分子的類型和大小而異。C10C18范圍的化合物較易分解，烯烴最易分解，烷烴次之，芳烴難降解，多環(huán)芳烴更難，脂環(huán)烴類對微生物的作用最不敏感。烷烴中C1C3化合物如甲烷、乙烷、丙烷只能被少數(shù)專一性微生物所降解，直鏈烴容易降解，支鏈烴抗

11、性較強。芳香烴常與沉積物結合降解較為復雜。所以石油含有的烴類物質組成不同，其降解的速度和過程有較大的差異。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 據(jù)計算，一個細菌細胞平均氧化油量為51012mg/h，在含油的海水中降解石油細菌可達800萬個/mL。因油型和環(huán)境溫度不同，在油污染海域，微生物降油率為35350g/m3a。當原油接觸天然水體后，微生物可在12周內(nèi)形成細菌群落，分解水面上擴展的薄層石油，在23個月內(nèi)將石油分解消失。每年流入海洋的石油，主要都是被微生物凈化的。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 （二）降解石油的微生物 能夠降解石油的微生物種類很多。目前已了解到，細菌

12、、放線菌、酵母菌、霉菌中，有100多屬的200多種，能生活在石油中，并通過生物氧化降解石油。細菌以假單胞菌、棒狀桿菌、節(jié)桿菌、黃桿菌、無色桿菌、小球菌屬、弧菌屬等較常見，最常見的是假單胞菌，可使多種烷烴徹底降解；放線菌有鏈霉菌和諾卡氏菌，但它們對烴類的降解常不徹底，有中間產(chǎn)物積累；真菌是石油降解微生物的主要類群，酵母菌中有假絲酵母、紅酵母、球擬酵母等，以假絲酵母最為多見，它對營養(yǎng)要求不高，只需要有NH4+或NO3等無機氮素類物質，且在分解石油的同時可生產(chǎn)酵母蛋白質；霉菌中的枝胞霉被認為是主要的解烴真菌，還常見曲霉、青霉，它們在pH6、DO0.5mg/L、含氮量低的環(huán)境中也能降解石油，在土壤中的

13、降解作用遠大于水體中；此外，發(fā)現(xiàn)有些藍細菌也能降解石油。自然界中石油烴類的降解常以混合菌株聯(lián)合作用為強。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 （三）影響石油降解的環(huán)境因素 烴類物質的溶解度是微生物降解石油的重要限制性因素之一，因為微生物的分解作用需要在含水的情況下進行。此外，還有氧氣、營養(yǎng)物質和溫度等環(huán)境因子對微生物降解石油也具有較大的影響。 1氧氣 石油中各種組分完全生物氧化，需消耗大量的氧。據(jù)測算，1g石油被微生物礦化需34g氧，即需消耗2.1L以上的氧。所以，在石油嚴重污染的海域，氧成為石油降解的限制性因素。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 2營養(yǎng)物質 海水中N、

14、P常是微生物增殖的限制性因素，如果N、P缺乏，石油分解菌不能大量繁殖而造成降解速度緩慢。在污染區(qū)域，可適當投放油溶性石蠟化尿素和磷酸三辛酯等，作為N、P營養(yǎng)物供石油降解菌利用，以增加降解效率。 3溫度 在070環(huán)境中，均可分離得到石油降解菌。一般情況下，微生物降解烴類的速度與溫度呈正相關。在040范圍內(nèi)，溫度每升高10，微生物生化反應速度增加23倍。不同微生物對環(huán)境溫度要求不同。溫度還影響烴類的溶解度。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 三、微生物對人工合成有機物的生物降解 人工合成的有機化合物形形色色，多種多樣，其中大多與天然存在的化合物結構極其類似，但它們是外源性化學物質，如穩(wěn)

15、定劑、表面活性劑、合成聚合物、農(nóng)藥以及各工藝過程中的廢棄物等，它們有些可以通過生物的或非生物的途徑進行降解，有些則抗微生物降解或被不完全降解，因為微生物已有的降解酶不能識別這些物質的分子結構。這里介紹幾種常見的人工合成有機物的降解過程。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 （一）農(nóng)藥的生物降解 人工合成的殺蟲劑、除草劑、殺菌劑等物質的出現(xiàn)，確實給人類的生活帶來了許多的方便。這些物質有的能迅速降解，有的則在環(huán)境中長期存留。各種化學農(nóng)藥進入環(huán)境后，有它們共同的危害特性：a.有毒性，對侵染農(nóng)作物的病、蟲、菌、草有殺滅或抑制作用；b.多數(shù)在自然界中比較穩(wěn)定，不易分解，如有機氯農(nóng)藥，具有足夠長

16、的有效期；c.具有脂溶性，易被病、蟲、菌、草吸收并在體內(nèi)累積，沿食物鏈傳遞到人和其他生物體內(nèi)，在脂肪、肝、腎等部位累積。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 1微生物對農(nóng)藥的降解能力 農(nóng)藥進入環(huán)境后主要靠微生物降解。其最直接的證據(jù)是，當將土壤經(jīng)高壓滅菌或加入微生物抑制劑時，其中農(nóng)藥的降解速度便會大大降低甚至不被降解。利用微生物降解農(nóng)藥已成為消除農(nóng)藥對環(huán)境污染的一個重要技術。 農(nóng)藥的化學結構決定了它被微生物降解的速率，例如2，4，5T僅比2，4D多一個氯原子，在土壤和水體中的降解時間就由14d增加到200d。不同化學結構的農(nóng)藥，生物降解性由易到難依次為：脂肪酸類、有機磷酸鹽類、長鏈苯氧

17、基脂肪酸類、短鏈苯氧基脂肪酸類、單基取代苯氧基脂肪酸類、三基取代苯氧基脂肪酸類、二硝基苯類、氯代烴類。微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 降解農(nóng)藥的微生物，細菌主要有假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、產(chǎn)堿菌屬、黃桿菌屬、節(jié)桿菌屬等；放線菌有諾卡氏菌屬、鏈霉菌屬等；真菌有木霉屬、曲霉屬、青霉屬、酵母屬等，以曲霉屬為代表(表9-2)。能夠直接降解農(nóng)藥的微生物種類和數(shù)目在自然界還為數(shù)不多，主要途徑是對農(nóng)藥進行轉化，通過產(chǎn)生適應性酶、利用降解性質粒、組建超級菌株、共代謝等方式將農(nóng)藥轉化，再經(jīng)聯(lián)合代謝的方式進行降解。例如2，4-D（2，4-二氯苯氧乙酸）是高效低殘留的除草劑，在土壤中降解相當迅速，半衰期

18、僅幾天或幾周，有10多種細菌可使其降解。 DDT（4，4-二氯二苯三氯乙烷）是眾所周知的在環(huán)境中長期殘留的一種農(nóng)藥，半衰期在半年以上。已有證據(jù)表明產(chǎn)氣桿菌和一種氫單胞菌可通過共代謝作用，將DDT轉變?yōu)閷β缺揭宜?，后者可被土壤和水中其他微生物通過聯(lián)合代謝繼續(xù)降解。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 目前使用的農(nóng)藥主要是有機磷、有機氮和有機氯農(nóng)藥。有機氯農(nóng)藥不易降解，最具危險性。有機磷農(nóng)藥和有機氮農(nóng)藥一般都具有水溶性，因此在環(huán)境中容易被降解，在土壤中殘留的時間只有幾天或幾周。但據(jù)有關資料顯示，有機磷和有機氮農(nóng)藥被微生物轉化的中間產(chǎn)物可以在環(huán)境中長期殘留，其中有些種類具有致畸、致癌、致突

19、變的作用。如殺蟲脒，它的代謝產(chǎn)物4氯鄰甲苯胺的致癌閾值，比親體化合物強10倍左右，而另一類殺蟲劑代森胺其有效成分在無氧條件下會轉化為已撐硫胺，具有致畸、致突變的作用，其親體無這種作用。 微生物降解污染物的途徑 2影響農(nóng)藥生物降解的因素 一般來說，農(nóng)藥都會有約80殘留在土壤中。殘留時間由一周到數(shù)年不等。殘留期間，農(nóng)藥的生物降解受環(huán)境因素、農(nóng)藥本身性質、農(nóng)藥間的相互作用、農(nóng)業(yè)措施等的影響。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 （1）環(huán)境因素 包括氣候條件（溫度、降水、風、光照等）、土壤特性（好氧厭氧狀態(tài)、有機質含量、pH、礦物質等）、生物群落（植物、動物、微生物）。 （2）農(nóng)藥本身性質

20、農(nóng)藥的組分、劑型等。農(nóng)藥進入土壤后都會對微生物及土壤的理化性質產(chǎn)生影響，從而間接影響農(nóng)藥的轉化。這些組分同樣會影響到農(nóng)藥的揮發(fā)性和移動性，進而影響到農(nóng)藥的轉化和光降解。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 （3）農(nóng)藥間的相互作用 由于同時或先后使用多種農(nóng)藥，有時則是將幾種農(nóng)藥混合配用，就必然存在農(nóng)藥間的相互作用。這種相互作用會產(chǎn)生以下三種影響：增加降解速率；增加持久性；農(nóng)藥間或其殘留物間結合形成混合物。 （4）農(nóng)業(yè)措施 農(nóng)藥的施用方法、栽培技術及農(nóng)作物本身都可影響到農(nóng)藥在土壤中的持久性。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 （二）多氯聯(lián)苯的生物降解 多氯聯(lián)苯（PCBs）是人

21、工合成的有機氯化物，作為穩(wěn)定劑，用途很廣（潤滑油、絕緣油、增塑劑、熱載體、油漆、油墨等都含有）。PCBs有毒，對皮膚、肝臟、神經(jīng)、骨骼等都有不良影響，且是一種致癌因子。1968年日本的“米糠油事件”即是由于食用了PCBs污染的米糠油而引起的。PCBs化學性質極其穩(wěn)定，在環(huán)境中很難分解，由于它是脂溶性的，很容易在脂肪中大量累積。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 已有充分證據(jù)表明，微生物能降解頑抗性污染物多氯聯(lián)苯。日本科學家從湖泊污泥中分離到兩種能降解多氯聯(lián)苯的細菌，它們是產(chǎn)堿桿菌和不動桿菌。它們都能分泌一種特殊的酶，把PCBs轉化為聯(lián)苯或對氯聯(lián)苯，然后吸收這些分解產(chǎn)物，排出苯甲酸或

22、取代苯甲酸，再由環(huán)境中其他微生物繼續(xù)降解?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)厭氧細菌可以進行有氧條件下不能進行的特殊脫毒反應，而且厭氧微生物降解方法已經(jīng)被發(fā)展用于混合培養(yǎng)體系中去除有毒有機物。第二節(jié)第二節(jié) 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 通過共代謝作用、降解性質粒以及微生物之間的互生關系等途徑，也可使多氯聯(lián)苯降解、轉化。PCBs作為一種自然選擇因子，能誘導微生物群落的結構和機能發(fā)生變化。有的微生物學家對假單胞菌、沙雷氏菌、芽孢桿菌等的野生型菌株進行誘變處理，獲得了能把PCBs礦化為CO2和水的突變菌株。有研究者已從降解PCBs的細菌分離到了編碼降解酶的質粒。以往對PCBs降解菌的研究，集中于革蘭氏陰性細菌

23、。目前研究發(fā)現(xiàn)了一株降解PCBs的革蘭氏陽性的紅球菌，該菌具有更強、更獨特的PCBs轉化活性。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 （三）合成洗滌劑的生物降解 合成洗滌劑的基本成分是人工合成的表面活性劑。合成洗滌劑使用后大部分以乳化膠體狀廢水排入自然界。根據(jù)表面活性劑在水中的電離性狀，可分為陰離子型、陽離子型、非離子型和兩性電解質四大類，以陰離子型洗滌劑的應用最為普遍，其中又以軟型烷基苯磺酸鹽（LAS）的使用最為廣泛。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 洗滌劑污染的廢水會存在大量不易消失的泡沫，廢水一般偏堿性。洗滌劑在水中的分解速度，主要取決于微生物的作用條件和洗滌劑中表

24、面活性劑的化學結構。陰性表面活性劑中，高級脂肪鏈最易被微生物分解。其途徑是，最初高級脂肪鏈經(jīng)微生物作用形成高級醇類，然后進一步氧化為羧酸，再在微生物的作用下分解為CO2和H2O。整個過程在有氧的條件下進行。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 現(xiàn)已分離到能以表面活性劑為唯一碳源和能源的微生物，主要是假單胞菌屬、鄰單胞菌屬的革蘭氏陰性桿菌、黃單胞菌屬的革蘭氏陰性桿菌、產(chǎn)堿桿菌、微球菌、諾卡氏菌等，固氮菌屬除拜氏固氮菌外，都是表面活性劑的積極分解者。在含洗滌劑的污水中培養(yǎng)固氮菌是很有意義的，因為它們固定了大氣中的氮，水中含有機氮化物，就可促進其他微生物生長，從而提高洗滌劑的降解速率。 微生物對洗滌劑的降解能力還依賴于共代謝途徑和降解性質粒的存在，與LAS降解有關的酶如脫磺基酶和芳香環(huán)裂解酶的編碼基因均位于質粒上。 微生物降解污染物的途徑微生物降解污染物的途徑 （四）塑料的生物降解 石油工業(yè)的興起，使得石油化工合成塑料在人類生活中扮演著重要的角色。20世紀70年代以來，塑料工業(yè)得到迅猛的發(fā)展，無論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)，還是人們的日常生活，無不與塑料密切相關。但目前所使用的化學合成塑料在自然環(huán)境中很難分解，也不會被腐蝕，燃燒處理又會產(chǎn)生有害氣體，所以越來越多的塑料垃圾對環(huán)境造