第二章 微生物对污染物的降解与转化1教程文件

2.微生物对各类有机污染物的分解
包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机 化合物等。
（1）碳源(不含氮）污染物的分解 糖类污染物
难溶的多糖，主要是纤维素、半纤维素、果胶质、 木质素、淀粉
纤维素的分解
＋ 纤维素
H2O 纤维二糖
➢ 共代谢特点
不导致细胞质量或能量的增加，不促进其本 身的生长。
使有机物得到修饰或转化，但不能使其分子 完全分解。
➢ 共代谢原理
靠降解其它有机物提供能源或碳源； 依靠其他微生物的协同作用； 相似物诱导产生相应的诱导酶，被转化为不完全氧化产物。
E1
E2 E3
A ——> B ——> C ——> D ——> E ——> CO2+能量
1.微生物分解有机物的作用
净化本质——微生物转化有机物为无机物 依靠——好氧分解与厌氧分解
➢ 微生物分解有机物的作用可总括成如下图式：
好氧生物分解
需氧微生物 胞内酶 CO2、H2O
微生物
复杂有机物
简单有机物
胞外酶
CO2、H2O、H2、CH4、 厌氧微生物 H2S及有机酸、醇、
厌氧生物分解
胞内酶
酮、醛等未完全 氧化产物
第一节 微生物降解理论基础
第二节 微生物对常见污染物的降解与转化 第三节 有机物的结构与生物降解性
第二节 微生物对常见污染物的降解与转化
1.微生物分解有机物的作用
有机物的 净化过程 的三阶段
第一阶段 化学氧化分解，历时数小时。 第二阶段 生物化学氧化分解一般要延续数日。 第三阶段 含氮有机物的硝化过程，延续一月左右。
➢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。
2.目标化合物特征
有机物的结构与生物降解性的关系
3.环境因素
营养 温度 pH
溶解氧
实际应用中，可根据需要调
控某些非生物因子，使生物 降解或矿化反应达到最佳。
第三章 微生物对污染物的降解与转化
（4）共代谢和混合菌株作用意义
大大拓展对难降解有机污染物的作用范围 提高复杂有机污染物的降解率
污染处理时，可以通过诱导共代谢作用的发 生，降解难降解污染物。
——给微生物生态系统添加可支持微生物生长 的、化学结构与污染物类似的物质，进而诱导 共代谢作用的发生。
二、微生物群落的代谢机制(P280)
1.提供特殊营养物质
苔黑酚 假单孢菌
中间代谢产物
扩展短杆菌、 短小杆菌
其他代谢物
4.对底物的协调利用
单个微生物对某种物质无降解能力，但混合后则 能够降解该物质。
除草剂茅草枯的降解
混合菌株的降解率比单个菌株的降解率高20%。
杀虫剂二嗪哝的降解
二嗪哝
Arthrobacter sp. Streptomyces sp.
Arthrobacter sp. Streptomyces sp.
矿化
也称终极生物降解，指有机物生物降解为二氧化碳 和水的过程。
有机物的转化广义上可以定义为两种：
矿化作用和共代谢作用
➢混合菌株作用的机制
互生机制
单独均可降解，混合培养增加效率 不同微生物产生的酶有差异，共同的作用提高了降解效率
共生机制
单独不能降解，共同培养可降解 彼此之间为对方提供：生长因子，能利用的碳源，消 除有毒中间产物，保持pH平衡，消除反馈抑制等。
（1源自文库 降解性质粒
降解难降解化合物的酶类大多是由质粒控制的， 这类质粒被称为降解质粒。
（2）共代谢 P282
石油—— 多环芳烃化合物
双环或三环 四环或多环
假单胞菌
×
假单胞菌 + 四环或多环芳烃化合物 + 双环或三环芳烃化合物
OK
微生物在利用生长基质A时（从中获得能量、碳源）， 同时非生长基质B（不能从中获得能量、碳源或其他任 何营养）也伴随着发生氧化或其它反应——共代谢
脲)的微生物群落，包括3种Corynforms菌、 1种假单孢菌和一种产碱菌(Alicaligenes
sp.)，它们均能够单独降解Fermon。混合培 养菌株的降解能力大大高于单个菌株的纯培 养。
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
第二章 微生物对污染物的降解 与转化1
第一节 微生物降解理论基础
一、微生物对污染物降解与转化的特点
1.微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大 2.种类繁多，分布广泛，代谢类型多样 3.微生物具有多种降解酶 4.微生物繁殖快，易变异，适应性强 5.微生物具有巨大的降解能力
5.微生物具有巨大的降解能力
（1）好氧分解
细菌是其中的主力军 原理：好氧有机物呼吸
C → CO2 + 碳酸盐和重碳酸盐 H → H2O N → NH3 → HNO2 → HNO3 S → H2SO4 P → H3PO4
→ 矿化盐
（2）厌氧分解
厌氧细菌 原理：发酵、厌氧无机盐呼吸
C → RCOOH（有机酸）→CH4 + CO2 N → RCHNH2COOH → NH3（臭味） + 有机酸（臭味） S → H2S（臭味） P → PO43-
被降解
5.共代谢 6.电子转移
两种紧密结合的产甲烷菌群落
（methanobacillus omelianski）：
产氢产乙酸菌
CH3CH2OH
CH3COOH + H2
产甲烷菌
CO2 + H2
CH4
7. 提供一种以上初级底物利用者
有一种以上初始利用者存在，每个初始利 用者都能完全代谢底物。
一类降解除草剂Fermon(N,N-二甲基-N-苯基
主要是生长因子类物质
假单孢菌属(Pseudomonas)
产生出生物素
诺卡氏菌属(Nocadia sp.)
Nocadia sp.才具备降解环己烷的能力
2.去除生长抑制物质
CH3OH
抑制
假单孢菌 氧化
该群落中的其他菌
CH4
该群落中的其他菌为：黄杆菌、不动小杆菌
3.改善单个微生物的基本生长参数
微生物之间构成了类似食物链的关系 如降解苔黑酚的3种细菌之间的情况
E1
E2
A’——>B’——>×
本质：最初的酶系作用的底物专一性较低（ E1），后面酶系作 用的底物专一性较高（ E2 ），无法识别前面酶系的产物( B’)。
（3）混合菌株作用（混合培养）P278/322
在自然界，第一个菌株的共代谢产物可在第 二个菌株的作用下继续共代谢或完全矿化。
混合培养菌株的降解能力大大高于单个菌株的纯培养。