关于水环境中的微生物化学过程课件
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水处理微生物过程
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内源呼吸
微生物在利用外部基质进行生理代谢获取能量及 营养质同时，细胞物质同时也在进行自身的氧化分 解，即内源代谢或内源呼吸。
外源有机物充足时，消耗的细胞组分会被持续更 新，微生物自身的氧化分解并不明显；而在外源基 质不足时，微生物的内源呼吸作用则成为向微生物 提供能量、维持其生命活动的主要方式。
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7
1.生物降解的一般概念
矿化(mineralization)
矿化是将有机物完全无机化并获取能源和小分子 营养质的过程，是与微生物生长相关的过程。
共代谢(co-metabolism)
共代谢是需要有另一种基质的代谢提供能源和营 养质，由非专一性酶促反应完成的复杂污染物降解 过程，一般仅使有机物分子得到修饰或转化，但不 能使其完全分解。
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Alkene monooxygenase/EaCoMT
30
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氯烃降解的典型放线菌
FEMS Microbiol Rev 34 (2010)34145–475
VC、cDEC好氧降解途径
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FEMS Microbiol Rev 34 (2010) 445–475
(2) PCB好氧降解途径
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Stuart E Strand 33
构建微生物功能菌群；
营造适合作用的代谢环境；
工程技术方法的发展促进相关微生物工艺 。
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二、有机污染物的降解
有机污染物的生物净化一般被称为生物降解；
微生物分解有机物的能力是巨大的； 依据微生物对有机物的降解能力大小可分为易
生物降解的、难生物降解的和不可生物降解的 ；
生物降解过程是以微生物的代谢为核心，污染物 在分解过程中则遵循物理化学原理，其危害和暴 露过程对环境的影响是环境毒理学关心的内容。
水环境化学-6 水环境中的微生物化学过程
根据催化反应类型，酶可分成六大类：
③ 水解酶（催化水解反应）
酯酶：是一种水解酶，可在水分子的参与下，经由水解作用， 将酯类切割成酸类与醇类。此类酶参与多种生物化学反应，依 其专属受质、蛋白质结构，以及功能而有所不同。
根据催化反应类型，酶可分成六大类： ④ 裂解酶（催化底物分子某些键非水解性断裂反应）
处理水质的优劣，它是一种指示性生物。原生物摄食水中的游离细菌，是 细菌的首次捕食者。
4）后生动物：主要是轮虫，它在活性污泥中的不经常出现，轮虫的出 现是水性稳定的标志。后生动物是细菌的第二捕食者。
由于温度、pH值、氧气浓度等因素影响微生物群 落的组成、生长速率和酶含量，这些环境条件不仅 能影响微生物参与的转化速率，有时还能成为这些 反应能否进行的控制因素。
1、浮游微生物群落 2、底栖微生物群落
1、浮游微生物群落
浮游植物：包括真核生物（藻类）和原核生物 （蓝细菌（蓝藻））两类生物在内的光自养生物。 浮游细菌
原生动物
2. 底栖微生物群落
海（河、湖）底是水体与地表之间的一个过渡区， 是含有有机物、矿物颗粒物质以及水的一个扩散和 松散型的复合体。
铁卟啉
⑤ 辅酶A
辅酶A是泛酸的一个衍生物，简写为CoASH,是 一种转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形成硫 酯，在酶促反应中起着传递酰基的功能。
巯基
乙酰基
酰基 硫脂
2、有机物的生物降解性
① 易生物降解的有机物
来源于动、植物残体及生物代谢过程中产生的 物质和排泄物。如碳水化合物、蛋白质、脂肪、核 酸等。这些物质，通过微生物所产生的酶，很容易 被分解成糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等简单的有机 物，并最终分解为CO2、H2O、NH3等。 ② 难生物降解的有机物
天然水体中的微生物生境优秀课件
（三）数量多 因为繁殖速度快，所以数量多 凡有微生物生存的地方，它们通常都拥有巨大的数量。 例如： （1）土壤是微生物的“大本营”，其中细菌数量达数亿个／g， 放线菌孢子达数千万个／g，霉菌孢子达数百万个／g，酵母菌达 数十万个／g; (2) 全世界海洋中微生物的总重量约280亿吨 (3) 人体肠道内菌体总数达100万亿个左右。 (4) 新鲜叶子表面微生物数量达100多万个／g (5) 每张纸币上的细菌数平均多达900万个，大肠杆菌检出率达 87．9％。 (6) 一个喷嚏约含菌4，500—150，000个，感冒患者的一个喷嚏 含细菌多达8，500万个。 一系列的调查数据表明，我们是生活在一个被大量微生物包围着 的环境中，只是因为肉眼不可见而常常“身在菌中不知菌”。
(四)适应外界环境能力强，易变异 提问：为什么微生物较其他生物容易变异呢？ 各种生物自发变异频率一样——十分低保护能 力差、数量大 多数微生物为单细胞，结构简单，整个细胞直接 与环境接触，易受环境因素影响，引起遗传物 质DNA的改变而发生变异； 由于数量庞大，可以在短时间内出现大量变异 后代，当环境变化时，微生物会大量死亡，活下 来的微生物往往会发生结构和生理特性的变异以 适应变化了的环境。
• 代表性生物：藻类的水花束丝藻、变异直链硅藻、短 棘盘星藻、舟形藻、梭裸藻 ；原生动物的草履虫、聚 缩虫；微型后生动物的腔轮虫、水蚤。
• 微生物在不同的环境中特征是不同的 • 生境：指生物生活的空间和其中全部生态因子的
总和
• 1、浮游生物环境 • 浮游生物：在海洋、湖泊及河川等水域生物钟，
自身完全没有移动能力、或者有也非常弱，因而 不能逆水流而运动，而是浮在水面生活，这类生 物总称为浮游生物。
中污带
• 在多污带下游，有机物量略减少，BOD下降，河水依 然灰暗，溶解氧低，水面上可有浮沫和浮泥。生物 种类增加，细菌数减少，但每毫升仍有几千万个。
《水环境化学》PPT课件
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2、石油的降解 （P126）
石油是由烷烃、环烷烃、烯烃、芳香烃 和杂环化合物等组成。
石油在水中可光化学降解或生物降解。
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（1）光化学降解：
在阳光照射下，石油中的烷烃及侧链芳烃受激发 活化进行光化学氧化。
据测，油浓度为2000kg/km3的水面，油膜厚度 2.5μm，由于光化学氧化，几天光照即能把油膜清除。
氧化)
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4
不易被氧化的：饱和的脂肪烃、含有苯环
结构的芳香烃、含氮的脂肪胺类化合物等 ；
容易被氧化的：醛、芳香胺、不饱和的烯
烃和炔烃、醇及含硫化合物(如硫醇、硫醚)等。
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5
② 还原反应 ： 在有机物分子中加氢或脱氧的反应称为有机
物的还原反应。例如：
HCHO (甲醛) + H2→ CH3OH (甲醇 ) (加氢
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③ 芳香烃的降解： 石油中苯、苯的同系物、萘等在微生物
作用下先是氧化成二酚，然后苯环分裂成 有机酸，再经有关生化反应，最终分解为 二氧化碳和水。
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④ 环烷烃降解：环烷烃最稳定，只有少
数微生物能使它降解。如环己烷在微生物作用下
缓慢氧化：
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课堂作业
教材P80 习题3、4、5、7、13、14
进行，最后分解为CO2和H2O。
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② 烯烃的降解
当双键在中间位置时，主要的降解途径与饱和 烷烃相似。
当双键位在碳1和碳2位时，在不同微生物的 作用下，主要降解途径有三种：即烯烃的不饱和 端氧化成环氧化物、不饱和末端氧化成醇、饱和 末端氧化成醇。
第6章 水环境中的微生物化学过程1
一、关于微生物的一些重要概念 1、微生物生态学及相互作用 、 （1）环境条件的影响 ） 虽然微生物普遍存在， 但在特定环境中， 虽然微生物普遍存在 ， 但在特定环境中 ， 只有一小 部分微生物的代谢是活跃的。 部分微生物的代谢是活跃的。 由于温度、 值 由于温度、pH值、氧气浓度等因素影响微生物群落 的组成、 生长速率和酶含量， 的组成 、 生长速率和酶含量 ， 这些环境条件不仅能 影响微生物参与的转化速率， 影响微生物参与的转化速率 ， 有时还能成为这些反 应能否进行的控制因素。 应能否进行的控制因素。
与普通的DNA在细胞增殖过程中由细胞到子细胞的 在细胞增殖过程中由细胞到子细胞的 与普通的 垂直” 传递不同，质粒DNA可以在不同子细胞微生 “ 垂直 ” 传递不同 ， 质粒 可以在不同子细胞微生 物间“水平”交换。 物间“水平”交换。
细菌遗传性的改变主要由基因突变或基因重组所致。 细菌遗传性的改变主要由基因突变或基因重组所致。 基因突变 所致 基因重组是指两个不同性状个体内的遗传物质在一个 细胞内经重新组合形成新基因型个体的过程。 细菌的基因重组有转化、转导和接合3种方式。
根据微生物对有机物的降解能力大小， 根据微生物对有机物的降解能力大小，可 将有机物分为： 将有机物分为： 1）易生物降解的有机物； ）易生物降解的有机物； 2）难生物降解的有机物； ）难生物降解的有机物； 3）不可生物降解的有机物。 ）不可生物降解的有机物。
根据微生物对有机物的降解能力大小， 根据微生物对有机物的降解能力大小，可 将有机物分为： 将有机物分为： 1）易生物降解的有机物； ）易生物降解的有机物； 来源于动、 来源于动、植物残体及生物代谢过程中产 生的物质和排泄物。如碳水化合物、蛋白质、 生的物质和排泄物。如碳水化合物、蛋白质、 脂肪、核酸等。这些物质， 脂肪、核酸等。这些物质，通过微生物所产 生的酶，很容易被分解成糖、氨基酸、甘油、 生的酶，很容易被分解成糖、氨基酸、甘油、 脂肪酸等简单的有机物， 脂肪酸等简单的有机物，并最终分解为 CO2,H2O,NH3等。
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1、糖类的微生物降解 糖类Cx(H2O)y
A、多糖水解成单糖
多糖
二糖 细胞外水解酶
细胞内水解酶
单糖
B、单糖酵解成丙酮酸
4、细胞色素酶系的辅酶
细胞色素酶系是催化底物氧化的一类酶系，
主要有细胞色素b1、c1、c、a、a3等几种。 它们的酶蛋白部分不同，但辅酶都是铁卟
啉。
+e
cytnFe3+ -e
cytnFe2+
cyt—细胞色素酶系 n —b1、c1、c、a、a3
5、辅酶A（简写为CoASH）
转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形成硫 酯，而在酶促反应中起着传递酰基的功能。 反应式如下：
CH3CHO 一系列酶 （乙醛）
乙醇脱氢酶
CH3CH2OH （乙醇）
促反应
中间代谢产物作为受氢体
2H
葡萄糖
NADH+H+ NAD+
CH3COCOOH
CH3CH(OH)COOH
（丙酮酸） 乳酸脱氢酶
（乳酸）
4.无氧氧化中某些无机含氧化合物 做受氢体的递氢过程
10[H]+2NO3-+2H+
兼性厌氧 反硝化菌
1、有氧氧化中以分子氧为直接受氢体的递氢过程 分子氧作为直接受氢体的氢传递过程
2、有氧氧化中分子氧为间接受体的递氢过程
分子氧作为间接受氢体的氢传递过程
生物去氢氧化中各反应的电极电位
电对 NAD+/(NADH+
H+)
FMN/FMNH2
E/V -0.32
-0.12
电对 2cytc1(2Fe3+/2Fe2+)
6.1 有机污染物质的微生物降解 （P158)
微生物是一切肉眼看不见或看不清、个体 微小、构造简单的低等生物的统称
微生物分类：
原核生物（细菌、古细菌、放线菌、立克次氏 体、支原体、衣原体） 真核生物（原生动物、真菌、藻类） 非细胞生物（噬菌体、病毒）
种类多
生理代谢类型多 代谢产物种类多 微生物种数多
CoASH+CH3CO+
CH3CO-SCoA + H+
三、生物氧化中的氢传递过程 （hydrogen transfer）
生物氧化指有机质在机体细胞内的氧化，并伴 随能量的释放。一般多为去氢氧化。所脱落的 氢（H++e）以原子或电子的形式，由相应的氧 化还原酶按一定顺序传递至受氢体。这一氢原 子或电子的传递过程称为氢传递或电子传递过 程，其受体称为受氢体或电子受体。受氢体如 果为细胞内的分子氧就是有氧氧化；若为非分 子氧的化合物则是无氧氧化。
2、酶催化作用的特点
催化专一性高。一种酶只能对一种底物或 一类底物起催化作用，生成一定的代谢产 物。 酶催化效率高。一般酶催化反应的速率比 化学催化剂高107～1013倍。 酶催化需要温和的外界条件，如常温、常 压、接近中性的酸碱度。
3、酶的分类 2,000多种
a、根据作用场所 • 胞内酶 • 胞外酶
N2+6H2O
24[H]*S+12H2O
厌氧甲烷菌
8[H]+CO2
CH4+2H2O
最常见的受氢体： 硝酸根、硫酸根和二氧化碳
四、耗氧有机污染物质的微生物降 解
是生物残体、排放废水和废弃物中的糖类、 脂肪和蛋白质等较易生物降解的有机物质
有机物质通过生物氧化以及其他的生物转 化，可以变成更小、更简单的分子。如果 有机物质降解成二氧化碳、水等简单无机 化合物，则为彻底降解，矿化 （mineralization）；否则为不彻底降解。
关于水环境中的微 生物化学过程
• 物质在生物作用下经受的化学变化，称为 生物转化或代谢。
三大转化类型：
微生物作用：
生物转化 化学转化 光化学转化
自然界自净 废水处理 污染场址修复
生物转化、化学转化和光化学转化构成了污 染物质在环境中的三大主要转化类型。
6.1 有机污染物质的微生物降解 6.2 有毒有机污染物质生物转化类型 6.3 水体中金属的微生物转化 6.4 污染物质的生物转化速率
c、根据成分 • 单成分酶(只含有蛋白质) • 双成分酶(酶蛋白和辅酶或
辅基)
b、根据催化反应类型 • 氧化还原酶 • 转移酶 • 水解酶 • 裂解酶 • 异构酶 • 合成酶
二、若干重要辅酶的功能
1、FMN和FAD
一些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中具有传 递氢原子的功能。
F：黄素flavin M：单mono N：核苷酸nucleotide A：腺嘌呤adenine D：二核苷酸di nucleotide
微生物的微观性 研究手段的限制 分离培养的局限
地球上的微生物： 估计有100万种以上
已发现的微生物： 约有10万种
已开发利用的微生物： 约1000种
水里的微生物“夜光藻”
活性污泥中的丝状菌
水蚤
有机化合物的生物降解
水环境中有机物的生物降解依赖于微生物
通过
催化反应分解有机物，其
本质是
促反应。
一、生物转化中的酶 Enzyme
FMN
FAD
+2H -2H
（氧化型FMN/FAD） FMN/FAD
（还原型FMN/FAD） FMNH2/FADH2
R——FMN/FAD的其余部分
2、NAD＋和NADP＋
( 分别称为辅酶Ⅰ辅酶Ⅱ)某些氧化还原酶 的辅酶，在酶促反应中具有传递氢的作用。
腺嘌呤
NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸） NADP+（烟酰胺膘嘌呤二核苷酸）磷酸
2cytc(2Fe3+/2Fe2+)
E/V +0.22
+0.26
CoQ/CoQH2 +0.10 2cytaa3(2Fe3+/2Fe2+) +0.28
2cytb(2Fe3+/2Fe2+) +0.05
O2/H2O
+0.82
3、无氧氧化中有机底物转化中间产物受氢体的递 氢过程
2H
NADH+H+
NAD+
葡萄糖
（大多数生物转化是在酶的参与和控制下进行的）
1、几个概念
酶(enzyme)：一种由细胞制造和分泌的、以蛋 白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化 剂。 底物（或基质）(substrate)：在酶催化下发生 转化的物质。 酶促反应(enzymatic reaction)：底物在酶催化 下发生的转化反应。
+ 2H
+ H+
NAD+/NADP＋ （氧化型NAD+/NADP＋）
NADH/NADPH （还原型NAD+/NADP＋）
R——NAD+/NADP+的其余部分
3、辅酶Q（又称泛醌）
是某些氧化还原酶的辅酶，在酶促反应中 具有传递氢的作用。
+2H -2H
CoQ（氧化型CoQ）
（n=6~10）
CoQH2（还原型CoQ）