CChapter2-生物降解的微生物基础

环 Auxoautotroph：生长素自养型
境 Auxoheterotroph：生长素异养型
生
物
工
程环 境
生
物
工
5
程
FEL,bio-vax
Mineral salts：
微生物生长需要多种矿质元素：
Macroelements常量元素：构成生物分子成
分，如磷是核酸、细胞膜的重要成分，硫是
蛋氨酸、硫胺素的成分，这些元素有P、S、
境 生
3、有机污染环境中，N源是微生物种群的生
物 长限制因子。
工 程环
污染物完全降解的碳氮比范围：
境
生 物 工
200:1～10:1
4
程
FEL,bio-vax
Growth factors:
主要是氨基酸amino acid、嘌呤purine、 嘧啶pyridine、维生素vitamin
需要的量少，但有些微生物不能自身合成， 必需依赖外源提供，如乳酸菌必需提供多 种维生素的供应。
境
生
物
工
程环 境
生
物
工
11
程
FEL,bio-vax
2）真菌 酵母、霉菌、大型真菌对污染物都有降解。
种类 酵母
环
境 霉菌 生
物
工
程环
境
生
物 工
白腐菌
程
种属
Candida Saccharomyces Trichosporon Rhodotorula Aspergillus Botrytis Cladosporium Cunninghamella 平革菌 云芝
环境工程的微生物学基础
Chapter 2
微生物生态及其对污染物的作用
2.1 微生物多样性
2.4 微生物的驯化
2.2 微生物的营养
2.5 常见污染物治理的微生
物操作技术
2.3 微生物对污染物的作用
环
境
生
物
1
工
程
FEL,bio-vax
第二节 微生物的营养
营养：生物体从外界摄取物质和能量，满足自身 生长和繁殖需要的一种生理功能。
水活度值和细菌繁殖
aw = 0.91…0.95 细菌最多
aw = 0.88
酵母最多
环 aw = 0.80
境
生 aw = 0.75
霉菌最多 喜盐细菌
物 工

aw
=
0.70
osmiophile某些酵母
程环 境

aw
=
0.65
xerophile
某些霉菌
生
物
工
9
程
FEL,bio-vax
程
FEL,bio-vax
（3）环氧化作用：微生物可以使一些带双键的化 合物形成环氧化物，使得产物对动物更有毒性
胞外酶活动失效的原因：
1）酶被吸附；
2）变性；
环 3）被生物降解；
境 生
4）分解产物被竞争生物利用。
物
工
程环 境
生
物
工
16
程
FEL,bio-vax
细胞内代谢
异生素进入细胞后，可以通过周边代谢途径 被降解。
初始代谢产物通常汇集到少数中央代谢途径， 参与细胞成分构建。
副反应产物：代谢产生的副反应产物可能产
工 仅仅利用CO2和少数C1和C2化合物。
程环
境
生
物
工
3
程
FEL,bio-vax
Nitrogen source：
蛋白质合成和核酸合成的必需物质。
1. 环境中N的存在形式：氮气、铵盐、硝酸 盐、尿素、有机含氮化合物等；
2. 微生物可以利用多种形式的氮源：
肺炎克雷伯氏菌：利用农药溴苯腈→氨
环
假单胞菌：二硝基苯酚→硝酸盐→氨
环 境
RC2HCHC'LRRCHCH'RHCl
生 （4）去甲基or去烷基：许多杀虫剂中与N、S、O相连的甲
物 基或烷基脱去后，变成无毒。
工 （5）甲基化：有毒酚类加入甲基钝化。
程环
境 生 物
ROHROC3H
工
25
程
FEL,bio-vax
（6）硝基还原：硝基化合物对各种高等or低等生 物都是有害的，还原后毒性减轻：
产物一般无毒性。
26
程
4.激活作用
激活作用及其特点：
致癌物
无 活化 环毒 境化 生合 物物
工
程环 境 生 物 工 程
致畸物 致突变物 急性毒物 毒植物素
抗菌素
FEL,bio-vax
迅速矿 化
缓慢矿化
持久性
27
FEL,bio-vax
激活作用的起始研究：某些农药本身不对靶标生物 有害，只有进入体内以后分子结构发生改变，才会 对生物体引起伤害和死亡。
RNO2→RNH2 （7）去氨基：
如：有毒杀草剂醚草通脱氨形成对植物无毒害的 产物。
（8）醚键断裂：
环 如：卤代苯氧羧酸类除草剂醚键断裂消除对植物
境 毒性。
生 物
（9）腈转化为酰胺
工 （10）轭合作用（conjugation）：生物体中间代
程环 境
Байду номын сангаас
谢产物和异生素可进行合成反应，称为轭合作用。
生
物 工
类别 生物降解快
生物降解较快
环
境
生物降解慢
生
物
工
抗生物降解
程环 境 生 物 工 程
半衰期 1~7天 7~28天 4~24周 6~12月
18
2.共代谢
FEL,bio-vax
现象：1960s，一氯乙酸上生长的假单胞 菌使三氯乙酸脱卤，却不能利用三氯乙酸
微生物不能从共代谢中受益，在纯培养中， 共代谢→终死转化
生终死产物和致死性产物。终死产物本身
环 境
就是持久性的，若无其他生物代谢，将是
生 有害的；致死性产物就是代谢过程中产生
物 工
的产物抑制生物体生命循环的关键步骤使
程环 得细胞死亡。如：氟代乙酸盐是由氟取代 境
生 物
的基质降解形成，抑制 TCA循环。
工
17
程
FEL,bio-vax
测定出不同基质条件下有机化合物的半衰期，这 些与环境因素关系很大。
很强的致癌、致畸、和致突变物。
通过仲胺的N-亚硝化作用形成。
a.仲胺和叔胺：工业大量应用，河水、废水、土 壤普遍存在。叔胺经过脱烷基形成仲胺。
b.亚硝酸盐形成：自然界含量低，经过氨氧化成
环 硝酸盐，再经反硝化作用形成亚硝酸盐。
境 生 物
c.亚硝胺形成：环境中极低的亚硝酸盐足以激活 反应：
工 程环
R
N H +N O2-
R
NNO+ HO 2
境 生
R
R
物
工
29
程
FEL,bio-vax
凡是合成的就是危险的，凡是天然的就是安全的。
植物和鱼体中都含有仲胺、叔胺
消化道内微生物转化使叔胺→仲胺，并使饮水和蔬
环 菜中的硝酸盐→NO2-
境 微生物作用or在低pH值的胃内经非生物作用形成
生 亚硝胺
物
工
程环 境
生
物
工
30
生 氧化、去硝基、去氨基、水解、酰化等作用。
物
工
程环 境
生
物
工
20
程
共代谢的原因
FEL,bio-vax
（1）缺少进一步降解的酶系
A a B b C c D C 2 O E ce C l A ' a B '
（2）中间产物的抑制作用
一般要求碳磷比的范围：1000:1~100:1
用C/N和C/P来评判环境的营养状况要谨慎！
环
境
生
物
工
程环 境
生
物
工
7
程
FEL,bio-vax
水：
一po般ten用ti水al，活ψ度）（来W表at示er 微act生iv物ity可，利Aw用)或的水水势。（water
水活度
水活度事实上与平衡相对湿度含义一致，但它不是 以0…100%RH标志,而是以0….1.0 Aw标志。平衡湿 度定义为没有了物质与空气中水的交换情况下，由 周围空气获取的湿度值。
境 能力。
生
物
工
程环 境
生
物
工
13
程
FEL,bio-vax
2.基质代谢的生理过程
微生物降解基质过程和其他化合物的代谢 相似：
向基质接近
↓
对固体基质吸附
环
↓
境
分泌胞外酶
生 物
↓
工
可渗透物质的吸收和胞内代谢
程环
境
生
物
工
14
程
FEL,bio-vax
向基质接近
接近的意思：微生物处在这种物质的可扩散 范围内，或者胞外酶处于这种范围内。
环
境
生
物
工
程环 境
生
物
工
19
程
FEL,bio-vax
共代谢基质与共代谢微生物
许多化合物在培养物中行共代谢。如：环己
烷、氯酚、二氯苯胺、三硝基苯、甲草胺、 禾草敌、2，4－D。
微生物：无色杆菌属、节杆菌属、假单胞菌
属、黄杆菌属、产碱菌属、诺卡氏菌属、芽
孢杆菌属；青霉属、丝核菌属等
环 境
共代谢转化涉及单个或多种酶，进行羟基化、
K、Mg、Ca、Na、Fe，浓度10－4～10－
3mol/L；
环 境
Microelements微量元素：Cu、Zn、Mn、
生 Co、Mo，浓度10－8～10－6mol/L；酶代谢
物 工
中起作用。
程环 境
生
物
工
6
程
FEL,bio-vax
自然环境中矿质元素含量较高，但是少数难 溶的矿质如磷，成为水环境和土壤环境中的 限制因子。
环 最初的转化产物抑制了后续酶的活性。
境 生
例如：恶臭假单胞菌共代谢形成3-氯儿茶酚，
物 抑制了后续酶系活性导致不能降解。
工
程环 境
生
物
工
21
程
FEL,bio-vax
（3）需要另外的基质 需要第二种基质因为：可提供电子供体或者 起诱导作用。 如：铜绿假单胞菌要经过正庚烷诱导产生羟 化酶系，使链烷烃转化为相应的醇。
微生物的营养要求
六大要素：C、N、Energy、GF、H2O、 Mineral salts
Carbon source: “细胞骨架”，能生物降 解的菌可以利用多种有机物作为碳源。但
利用的能力不同：
环
境 eg：Pseudomonas cepacia可以利用90
生 物
种不同的有机物，而Methanobacterium
激活反应：
（1）脱卤作用：三氯乙烯（TCE）在微生物降解过
程中发生激活，产生强致癌物——氯乙烯。厌氧代
环 谢还可形成1，1－二氯乙烯和反-1，2-二氯乙烯。
境
生
物 工
C 2 C l CH C Cl lH C2C H
程环 境
生
物
工
28
程
FEL,bio-vax
（2）亚硝胺的形成：
R
亚硝胺类化合物的基本结构为： N N O R
细菌和其他微生物表现出向基质的趋向性。
如：丝状真菌向基质生长，担子菌的探查环 境行为。
环 对固体基质的吸附
境 生
微生物和固体基质间有非常紧密地结合
物 如：纤维素分解菌吸附纤维素，沥青降解菌
工 程环
牢固附着。
境
生
物
工
15
程
FEL,bio-vax
胞外酶的分泌
天然和人工合成的大分子物质都难降解，生 物采取分泌胞外酶来达到降解作用。
第三节 微生物对污染物的作用
微生物对污染物的作用是多方面的。包括： 降解作用，共代谢作用，去毒作用，激活 作用。
环
境
生
物
工
程环 境
生
物
工
10
程
1.微生物的降解作用
FEL,bio-vax
降解微生物
种类繁多，细菌、真菌、藻类
1）细菌
降解污染物的主力军，29类，广泛对污染
环 物产生降解，包括真细菌、蓝细菌和古菌
去毒作用：污染物分子结构改变，降低或 去除对敏感物种的有害性。
去毒的酶反应通常在细胞内进行，形成的 产物通常有三种转归：
环 a.直接分泌到胞外；
境 b.经过一步或多步反应，进入正常代谢途径，
生 物
然后以有机废物的形式分泌或：
工 程环
c.最后碳以CO2的形式释放出来。
境
生
物
工
24
程
FEL,bio-vax
代表污染物
石油烃
石油烃，克菌丹等
石油烃
石油烃
石油烃，敌百虫
石油烃、扑草净
石油烃、扑草净
石油烃、甲霜灵
PAHs/TCDD
PCP
12
FEL,bio-vax
藻类
自然界藻类和菌类共栖，降解有机物。如氧 化塘。
藻类降解：
A、多种酚类化合物（苯酚、邻甲酚、苯三酚 等）、萘。
环 B、偶氮染料：小球藻对33种偶氮染料脱色
类型
环
境 光能自养菌
生 光能异养菌
物
工 化能自养菌
程环 境
化能异养菌
生
物
工
程
碳源
CO2 有机物 CO2 有机物
能源
微生物举例
光能 光能 无机还原物 有机物
蓝细菌、紫/绿硫细菌、藻 类
紫色非硫细菌（红螺菌科细 菌）
硝化细菌、硫化细菌、铁细 菌、氢细菌
绝大多数细菌和全部的真核
微生物
2
FEL,bio-vax
环
境
生
物
工
程环 境
生
物
工
22
程
FEL,bio-vax
共代谢的环境意义
共代谢是微生物转化的一种特殊类型，会造 成不良的环境影响：
a.进行共代谢的微生物数量在环境中不增加， 物质转化率降低。
b.共代谢使有机产物持久积累，母体的毒性
环 不能消除。
境
生
物
工
程环 境
生
物
工
23
程
3.去毒作用
FEL,bio-vax
典型反应：
（1）水解反应：酯键或酰胺键水解使得毒物脱毒
RC' O H 2O O R RC O HO 'OH R
（2）羟基化作用：在苯环或脂肪链上羟基化，使毒物失去 毒性
RHROH
（3）脱卤作用：脱卤酶使工业废物含卤化合物转化为无毒
产物。
RC l H 2OROH HCl
RC l H2RHHCl
环 水势
境 某一系统中水的化学势与处于相同温度和压力的纯
生 物 工
水的化学势之差，除以水的偏摩尔体积所得的商。 它是水分转移本领大小的指标。
程环 水总是从水势高的一方流向水势低的一方。 境
生
物
工
8
程
FEL,bio-vax
一般微生物需要水活度在0.900～1.000范 围内存活，除了极少数菌体如Halobacter外。