微生物在水体自净中的作用
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它取代物的简单烃骨架（有机磷、有机锡、有机氯 等）。
• 相比较其它取代基团而言，微生物对卤素取代基往往不适应，因 而随着卤素取代基数量的增多，农药的生物可降解性大幅度下降。
水中来源：农田土壤的灌溉水或雨水
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微生物在水体自净中的作用
• 危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸变）
• 最典型的一个例子就是杀虫剂DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯 代基数量大，在自然界的半衰期长达半年以上，由于DDT不溶于水 而易溶于脂肪，因而可在动物脂肪组织中堆积，并沿着食物链在逐 级向上不断积累，引起生物各种急慢性中毒。
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微生物在水体自净中的作用
2．降解机理
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•N2↑
•反硝 化
微生物在水体自净中的作用
3.典型含氮有机物的转化
• 氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及 硝基化合物
• 水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。 • 危 害：生物毒害 、环境积累 A．降解这些物质的微生物 • 细 菌——紫色杆菌、假单胞菌 • 放线菌——诺卡氏菌 • 真 菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀
• 提问：为什么这些有机物难于生物降解？
• 微生物缺乏相应的水解酶
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微生物在水体自净中的作用
1. 氯苯类
• 用 途：稳定剂（润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热 载体、油墨等都含有）
• 危 害：急性中毒，是一种致癌因子（米糠油事件） • 降 解 菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以
微生物在水体自净中的作用
• 酚也是先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解 的后半段是相同的，可表示如下
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微生物在水体自净中的作用
（四） 人工合成的难降解有机化合 物的生物降解
• 难———对于自然生态环境系统,如果一种化合
物滞留可达几个月或几年之久,或在人工生物处理 系统, 几小时或几天之内还未能被分解或消除 • 种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、 杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。
• 水中来源： 生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、 制革废水等
• 1．降解蛋白质的微生物
• 种类很多
• 好 氧 细 菌—— 链球菌和葡萄球菌 • 好氧芽孢细菌——枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯
芽孢杆菌 • 兼 性 厌 氧 菌——变形杆菌、假单胞菌 • 厌 氧 菌——腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌 • 此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌)。
解自木然质界素中呢哪？些微生物能够进行木质素的降解呢？
• 确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的 只有软腐菌。
•黄孢原平毛革菌
(Phanerochaete
•
chrysosprium)是白腐真菌
的一种，隶属于担子菌纲、
同担子菌亚纲、非褶菌目、
丝核菌科。
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•白腐—树皮上木质素被该菌分 解后漏出白色的纤维素部分。
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微生物在水体自净中的作用
•木质素模式图
•3香．豆木醇 质素的转•化松柏醇
•芥子醇
•木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，由松
柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。
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•Lignin 木质素 •聚合 交联
•木质素 空腔 纤维素 微生物在水体自净中的作用
•*木质素降解的意义何在呢？如何实现工业化白腐菌降
• 提问：如何解决塑料的难降解问题？ • （1）限制使用不可降解塑料 • （2）开发可降解塑料 • 光降解、高填充碳酸钙、填充淀粉、淀粉改性塑
料、 化学合成或用微生物、转基因植物直接生产 可生物降解的塑料；
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微生物在水体自净中的作用
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微生物在水体自净中的作用
4.农药
• 如杀虫剂、除草剂等 • 化学成分：有卤素、磷酸基、氨基、硝基、羟基及其
• 细菌是其中的主力军
• 原理：好氧有机物呼吸
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微生物在水体自净中的作用
•
C → CO2 + 碳酸盐和重碳酸盐
•
H → H2O
•
N → NH3 → HNO2 → HNO3
•→ 矿化盐
•
S → H2SO4
•
P → H3PO4
•无毒无臭 ！
• 二、厌氧分解
• 厌氧细菌 • 原理：发酵、厌氧无机盐呼吸
•已知降解不同芳香烃的细菌类别
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微生物在水体自净中的作用
苯和酚的代谢
• 苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示 苯的代谢
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微生物在水体自净中的作用
•萘 的 代 谢
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微生物在水体自净中的作用
菲的代谢
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微生物在水体自净中的作用
•蒽的代谢
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B．链结构
• 直链 ? 支链 • 不饱和 ? 饱和 • 烷烃 ? 芳烃
>
• 链末端有季碳原子（四周都与C相连）的烃以及多环 芳烃极难降解
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微生物在水体自净中的作用
2．降解石油的微生物
• 降解石油的微生物很多，据报道有200多种 • 细 菌 —— 假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属
放线菌 —— 诺卡氏菌 • 酵母菌 —— 假丝酵母 • 霉 菌 —— 青霉属、曲霉属 • 藻 类 —— 蓝藻和绿藻
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微生物在水体自净中的作用
3．石油的降解机理
A．链烷烃的降解
+ O2
R-CH2- CH2-CH3
R- CH2-CH2-COOH β-氧化
CO2 + H2O
CH2-COOH + R-COOH
第二节 各类有机污染物的转化
一、碳源污染物的转化
• 包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化 合物等。
• （一）糖类污染物
• 提问：哪些糖类会成为污染物？ • 难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会
使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多 糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。
的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体富营养化问 题。
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微生物在水体自净中的作用
B．洗涤剂的降解机理
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微生物在水体自净中的作用
3.塑料
• 塑料在环境中积累有哪些危害？ • 危害：白色污染
• 对微生物无影响 • （1）.土地板结 • （2）. 被海鸟及海洋哺乳动物误食，致使这些动物消化系统停滞，
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微生物在水体自净中的作用
1．纤维素的转化
• β葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含 1400~10000个葡萄糖基（β1-4糖苷键）。
• 来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废 水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。
A．微生物分解途径
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微生物在水体自净中的作用
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微生物在水体自净中的作用
B．分解纤维素的微生物
• 好氧细菌——粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌 • 厌氧细菌——产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌
及嗜热纤维芽孢梭菌。 • 放 线 菌——链霉菌属。 • 真 菌——青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。 • 需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。
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微生物在水体自净中的作用
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微生物在水体自净中的作用
2．半纤维素的转化
• 存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水 中含半纤维素。
• 分解过程
TCA循环
聚糖酶
半纤维素
单糖 + 糖醛酸
CO2 + H2O
H2O
各种发酵产物
厌氧分解
• 分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。
• 许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌 有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。
引起死亡。具报道每年海洋中死于废弃塑料的海鸟和海洋哺乳动 物，数目之多令人触目惊心。 • （3）.影响景观
• 目前发现能降解塑料的微生物，种类很少，而且降解 速度缓慢。他们主要是细菌、放线菌、曲霉中的某些 成员。
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微生物在水体自净中的作用
•* 如何制造完全生物可降解塑 料？有哪些种类？发展前景如何 ？
微生物在水体自净中的 作用
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2020/11/14
微生物在水体自净中的作用
• 有机污染物生物净化
• 天然物质、人工合成物质
• 无机污染物生物净化
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微生物在水体自净中的作用
第一节 有机污染物的生物净化机理
• 净化本质——微生物转化为无机物 • 依靠——好氧分解与厌氧分解
一、好氧分解
•ABS
•甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的季 碳原子抗攻击的能力更强。
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微生物在水体自净中的作用
• 危害：ABS可以在天然水体中存留800h以上，使这得接 纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫，引起水体缺氧。
• 为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线 性的直链烷基苯磺酸盐（LAS）：
• 由于减少了分支，它的生•A物B分S 解速度大为提高。
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微生物在水体自净中的作用
A．降解洗涤剂的微生物
• 细 菌
• 放线菌——诺卡氏菌
• 由于这些微生物的作用，虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐
年递增，但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加。因而洗涤 剂一般不会引起环境的有机污染。洗涤剂目前存在
微生物在水体自净中的作用
（二）油脂的转化
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• 水中来源：毛纺、毛条厂废水、 油脂厂废水、肉联厂废水、制革 厂废水含有大量油脂
• 降解油脂较快的微生物： • 细 菌 —— 荧光杆菌、绿脓杆菌、
灵杆菌 • 丝状菌 —— 放线菌、分支杆菌 • 真 菌 —— 青霉、乳霉、曲霉 • 途径：水解+β氧化
微生物在水体自净中的作用
（三）石油的转化
• 提问：什么是石油？ • 石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的
复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事 故现场以及石化行业的工业废水中。
• 1．石油成分的生物降解性
• 与分子结构有关
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微生物在水体自净中的作用
A．链长度
链中等长度（C10~C24）＞链很长的（C24以上）＞短链 （*？）
• 降解农药的微生物： • 细 菌 —— 假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌 • 放线菌 —— 诺卡氏菌 • 真 菌 —— 曲霉 • 这些微生物往往需共代谢将农药逐级降解。
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微生物在水体自净中的作用
二、氮源有机污染物的转化
• 蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。
• （一）蛋白质的转化
及沙雷氏菌的突变体
• 通过共代谢完成氯苯的完全降解。
• *共代谢研究进展及其成果对环保的应用现 状？
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微生物在水体自净中的作用
2．洗涤剂
• 可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。 • 我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠。较早
开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：
霉)、木霉及担子菌等
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微生物在水体自净中的作用
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2020/11/14
微生物在水体自净中的作用
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微生物在水体自净中的作用
B．无支链环烷烃的降解
• 以环己烷为例
•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
作用下将污染物 彻底降解——共代谢。
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微生物在水体自净中的作用
C．芳香烃
• 芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可 以不同程度的被微生物分解。
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微生物在水体自净中的作用
• C → RCOOH（有机酸）→CH4 + CO2 • N → RCHNH2COOH → NH3（臭味） + 有机酸（臭味） • S → H2S（臭味） • P → PO43• 水体自净的天然过程中
•厌氧分解（开始）→ 好氧分解（后续）
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微生物在水体自净中的作用
• 相比较其它取代基团而言，微生物对卤素取代基往往不适应，因 而随着卤素取代基数量的增多，农药的生物可降解性大幅度下降。
水中来源：农田土壤的灌溉水或雨水
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微生物在水体自净中的作用
• 危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸变）
• 最典型的一个例子就是杀虫剂DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯 代基数量大，在自然界的半衰期长达半年以上，由于DDT不溶于水 而易溶于脂肪，因而可在动物脂肪组织中堆积，并沿着食物链在逐 级向上不断积累，引起生物各种急慢性中毒。
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微生物在水体自净中的作用
2．降解机理
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•N2↑
•反硝 化
微生物在水体自净中的作用
3.典型含氮有机物的转化
• 氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及 硝基化合物
• 水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。 • 危 害：生物毒害 、环境积累 A．降解这些物质的微生物 • 细 菌——紫色杆菌、假单胞菌 • 放线菌——诺卡氏菌 • 真 菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀
• 提问：为什么这些有机物难于生物降解？
• 微生物缺乏相应的水解酶
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微生物在水体自净中的作用
1. 氯苯类
• 用 途：稳定剂（润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热 载体、油墨等都含有）
• 危 害：急性中毒，是一种致癌因子（米糠油事件） • 降 解 菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以
微生物在水体自净中的作用
• 酚也是先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解 的后半段是相同的，可表示如下
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微生物在水体自净中的作用
（四） 人工合成的难降解有机化合 物的生物降解
• 难———对于自然生态环境系统,如果一种化合
物滞留可达几个月或几年之久,或在人工生物处理 系统, 几小时或几天之内还未能被分解或消除 • 种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、 杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。
• 水中来源： 生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、 制革废水等
• 1．降解蛋白质的微生物
• 种类很多
• 好 氧 细 菌—— 链球菌和葡萄球菌 • 好氧芽孢细菌——枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯
芽孢杆菌 • 兼 性 厌 氧 菌——变形杆菌、假单胞菌 • 厌 氧 菌——腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌 • 此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌)。
解自木然质界素中呢哪？些微生物能够进行木质素的降解呢？
• 确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的 只有软腐菌。
•黄孢原平毛革菌
(Phanerochaete
•
chrysosprium)是白腐真菌
的一种，隶属于担子菌纲、
同担子菌亚纲、非褶菌目、
丝核菌科。
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•白腐—树皮上木质素被该菌分 解后漏出白色的纤维素部分。
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微生物在水体自净中的作用
•木质素模式图
•3香．豆木醇 质素的转•化松柏醇
•芥子醇
•木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，由松
柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。
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•Lignin 木质素 •聚合 交联
•木质素 空腔 纤维素 微生物在水体自净中的作用
•*木质素降解的意义何在呢？如何实现工业化白腐菌降
• 提问：如何解决塑料的难降解问题？ • （1）限制使用不可降解塑料 • （2）开发可降解塑料 • 光降解、高填充碳酸钙、填充淀粉、淀粉改性塑
料、 化学合成或用微生物、转基因植物直接生产 可生物降解的塑料；
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微生物在水体自净中的作用
4.农药
• 如杀虫剂、除草剂等 • 化学成分：有卤素、磷酸基、氨基、硝基、羟基及其
• 细菌是其中的主力军
• 原理：好氧有机物呼吸
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微生物在水体自净中的作用
•
C → CO2 + 碳酸盐和重碳酸盐
•
H → H2O
•
N → NH3 → HNO2 → HNO3
•→ 矿化盐
•
S → H2SO4
•
P → H3PO4
•无毒无臭 ！
• 二、厌氧分解
• 厌氧细菌 • 原理：发酵、厌氧无机盐呼吸
•已知降解不同芳香烃的细菌类别
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微生物在水体自净中的作用
苯和酚的代谢
• 苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示 苯的代谢
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微生物在水体自净中的作用
•萘 的 代 谢
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微生物在水体自净中的作用
菲的代谢
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微生物在水体自净中的作用
•蒽的代谢
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B．链结构
• 直链 ? 支链 • 不饱和 ? 饱和 • 烷烃 ? 芳烃
>
• 链末端有季碳原子（四周都与C相连）的烃以及多环 芳烃极难降解
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2．降解石油的微生物
• 降解石油的微生物很多，据报道有200多种 • 细 菌 —— 假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属
放线菌 —— 诺卡氏菌 • 酵母菌 —— 假丝酵母 • 霉 菌 —— 青霉属、曲霉属 • 藻 类 —— 蓝藻和绿藻
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3．石油的降解机理
A．链烷烃的降解
+ O2
R-CH2- CH2-CH3
R- CH2-CH2-COOH β-氧化
CO2 + H2O
CH2-COOH + R-COOH
第二节 各类有机污染物的转化
一、碳源污染物的转化
• 包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化 合物等。
• （一）糖类污染物
• 提问：哪些糖类会成为污染物？ • 难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会
使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多 糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。
的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体富营养化问 题。
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B．洗涤剂的降解机理
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3.塑料
• 塑料在环境中积累有哪些危害？ • 危害：白色污染
• 对微生物无影响 • （1）.土地板结 • （2）. 被海鸟及海洋哺乳动物误食，致使这些动物消化系统停滞，
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1．纤维素的转化
• β葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含 1400~10000个葡萄糖基（β1-4糖苷键）。
• 来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废 水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。
A．微生物分解途径
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微生物在水体自净中的作用
B．分解纤维素的微生物
• 好氧细菌——粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌 • 厌氧细菌——产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌
及嗜热纤维芽孢梭菌。 • 放 线 菌——链霉菌属。 • 真 菌——青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。 • 需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。
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微生物在水体自净中的作用
2．半纤维素的转化
• 存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水 中含半纤维素。
• 分解过程
TCA循环
聚糖酶
半纤维素
单糖 + 糖醛酸
CO2 + H2O
H2O
各种发酵产物
厌氧分解
• 分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。
• 许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌 有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。
引起死亡。具报道每年海洋中死于废弃塑料的海鸟和海洋哺乳动 物，数目之多令人触目惊心。 • （3）.影响景观
• 目前发现能降解塑料的微生物，种类很少，而且降解 速度缓慢。他们主要是细菌、放线菌、曲霉中的某些 成员。
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•* 如何制造完全生物可降解塑 料？有哪些种类？发展前景如何 ？
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微生物在水体自净中的作用
• 有机污染物生物净化
• 天然物质、人工合成物质
• 无机污染物生物净化
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第一节 有机污染物的生物净化机理
• 净化本质——微生物转化为无机物 • 依靠——好氧分解与厌氧分解
一、好氧分解
•ABS
•甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的季 碳原子抗攻击的能力更强。
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微生物在水体自净中的作用
• 危害：ABS可以在天然水体中存留800h以上，使这得接 纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫，引起水体缺氧。
• 为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线 性的直链烷基苯磺酸盐（LAS）：
• 由于减少了分支，它的生•A物B分S 解速度大为提高。
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A．降解洗涤剂的微生物
• 细 菌
• 放线菌——诺卡氏菌
• 由于这些微生物的作用，虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐
年递增，但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加。因而洗涤 剂一般不会引起环境的有机污染。洗涤剂目前存在
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（二）油脂的转化
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• 水中来源：毛纺、毛条厂废水、 油脂厂废水、肉联厂废水、制革 厂废水含有大量油脂
• 降解油脂较快的微生物： • 细 菌 —— 荧光杆菌、绿脓杆菌、
灵杆菌 • 丝状菌 —— 放线菌、分支杆菌 • 真 菌 —— 青霉、乳霉、曲霉 • 途径：水解+β氧化
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（三）石油的转化
• 提问：什么是石油？ • 石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的
复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事 故现场以及石化行业的工业废水中。
• 1．石油成分的生物降解性
• 与分子结构有关
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A．链长度
链中等长度（C10~C24）＞链很长的（C24以上）＞短链 （*？）
• 降解农药的微生物： • 细 菌 —— 假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌 • 放线菌 —— 诺卡氏菌 • 真 菌 —— 曲霉 • 这些微生物往往需共代谢将农药逐级降解。
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二、氮源有机污染物的转化
• 蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。
• （一）蛋白质的转化
及沙雷氏菌的突变体
• 通过共代谢完成氯苯的完全降解。
• *共代谢研究进展及其成果对环保的应用现 状？
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2．洗涤剂
• 可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。 • 我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠。较早
开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：
霉)、木霉及担子菌等
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B．无支链环烷烃的降解
• 以环己烷为例
•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
作用下将污染物 彻底降解——共代谢。
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C．芳香烃
• 芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可 以不同程度的被微生物分解。
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微生物在水体自净中的作用
• C → RCOOH（有机酸）→CH4 + CO2 • N → RCHNH2COOH → NH3（臭味） + 有机酸（臭味） • S → H2S（臭味） • P → PO43• 水体自净的天然过程中
•厌氧分解（开始）→ 好氧分解（后续）
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