微生物的有机物降解

微生物 细胞增长
CO2、H2O、SO42－、NH3、 ＋能量 PO43－等
随水排出
热能释出
1、有机物氧化和细胞物质合成的反应：
CXHYOZ＋(X＋0.25Y－0.5Z）O2
XC O2 ＋0.5H2O＋Q
2、细胞物质的合成（包括有机物的氧化，并以 NH3作氮源）
3、细胞物质的氧化（内源呼吸）
在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分 是相当稳定的，一般可用下列实验式表示： 细菌，C5H17NO2；真菌，C10H17NO6；藻 类，C5H8NO2；原生动物，C7H14NO3。
2. 抑制作用（拮抗）：分解产物抑制其他微生物 3. 捕食作用
（五）生物去毒作用与激活作用
• 生物分解和转化过程中，有机物的毒性往往发生变化。 • 生物分解产物的毒性低于原化合物时的生物分解作用，称
去毒作用（Detoxication • 生物分解产物的毒性大于原化合物时的生物分解作用，称
激活作用（activation）。常见的激活反应有：脱卤作用、 亚硝胺的形成、环氧化作用、硫醚的氧化、甲基化等。
根据分解 条件分类
好氧分解：在好氧条件下进行的分解 厌氧分解：在厌氧条件下进行的分解
好氧呼吸 厌氧呼吸 发酵
微生 物的 分类
好氧微生物（aerobe）：只能在有氧条件下生长， 没有氧气无法生存.
厌氧微生物（anaerobe）：只能在没有氧气的环境 下生长，有氧气反而不能生长。
兼性微生物（facultative aerobe）：即可在有氧条 件下，也可在无氧条件下生长。在自然 界中，大多数微生物属于这一类。
生物分解 性试验
生物分解潜能试验 生物分解模拟试验
易生物分解试验 本质性生物分解试验 污水生物处理系统试验（好氧、厌氧） 河流、湖泊模拟试验 河口模拟试验 海洋模拟试验 土壤模拟试验
• （一）生物分解潜能试验
• 目的：评价有机物是否具有被生物分解的潜在性。 根据评价的目的不同，可分为易生物分解试验和 本质性分解试验。
2） 所 产 生 的 细 胞 物 质 未 表 示 在 图 中
图 2厌氧反应的三阶段理论和四类群理论
第二Biblioteka Baidu 有机物的生物分解性
一、有机物的生物分解性评价 1、意义：正确评价有机物的生物分解难易程度，即生 物分解性，对于评价有机污染物在环境中的迁移转化 规律及其生态与健康风险，预测其在污水生物处理和 生物净化装置中的去处效果等具有重要的意义。 2、关键和难点：如何确定科学、合理的微生物种类和 浓度，环境条件（温度、PH值等）和受试化合物的浓 度等试验条件。 3、方法：生物分解潜能实验和生物分解模拟试验。
原因：1）缺少进一步降解的酶系；e.g. 2, 4-D （二氯苯氧乙酸） 2）中间产物的抑制作用； 3）浓度低，不能维持生命代谢。
（三）有机物间的相互作用 互不影响、促进作用、抑制作用（顺次利用）
1. 多基质同时被利用 2. 一种基质促进第二种基质的降解
• 甲苯促进假单胞菌对苯、二甲苯的降解 • 易降解物质的添加增加微生物浓度 3. 一种基质阻碍另一基质的降解
第十章 微生物对污染物的分解与转化
第一节 微生物对有机物的分解作用
一、生物分解的一般特点 （一）有机物生物分解的一般特点 1、概念：微生物对有机物的分解作用（或降解作用） 常简称为“生物分解”或“生物降解”。 2、特点：有机物经逐步分解后，产生能进入TCA途径 或能作为合成代谢原料的中间代谢产物，继而被转化 为小分子有机物、无机物等分解产物和微生物细胞。
良好 生物分解模拟试验
在环境中难生物分解
二、有机物的生物分解性与分子结构的关系
（一般规律，但例外较多）
1）增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性。
A : C l , N O 2 , S O 3 H , B r , C N , C F 3 , C H 3 , N H 2
污 泥
回流污泥
剩余污泥
• 三、有机物的厌氧生物分解
有机物+微生物
细胞物质
有机酸、醇 + 微生物
CO2、NH3、HS、P O
3 4
等 + 能量
细胞物质
CO2、CH4 + 能量
产酸细菌的作用
甲烷细菌的作用
有机物的厌氧分解
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不溶性有机物
水解胞外酶
酸
可溶性有机物
性
胞内酶产酸菌
发
酵
细菌细 胞
脂肪酸、醇类、 其它产物
a和b的值可通过试验确定如下： 将式两侧各除去X，得：
△X/X= a △S/X-b
△S/X为横坐标， △X/X为纵坐标作图，可得一直线，其斜率即
a，纵轴上的截距为（-b）
就活性污泥来说，可用其挥发部分代表微生物、 曝气池内挥发性污泥量可作为X代入式中；此外，池 中所增加的微生物细胞的量可假定大致等于所排放的 剩余污泥挥发性部分的量。
• 抑制作用
• 顺次利用（sequential use )：一种基质的分解只发生在另
一种基质大部分或全部降解之后。
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（四）微生物间的相互作用
1. 协同作用（共生关系） 类型： 单一不能降解
混合能降解
单一降解慢
混合能降解快
作用机理： • 提供生长因子：提供维生素B、氨基酸等 • 分解中间代谢产物 • 分解共代谢产物 • 分解有毒产物
（二）生物分解模拟试验 目的：评价有机物在特定的环境条件下，如
污水生物处理系统、河流、湖泊、土壤中 的生物分解性。 关键：尽可能地在接近自然环境条件下进行 分解试验。
（三）有机物生物分解性评价的一般步骤
受试有机化合物
易生物分解试验
良好 分解性
不良 本质性生物分解试验
在环境中易生物分解
不良 分解性
有机物的生物分解类型及其特点
生物分解类型
生物去除 （Bioelimination）
初级分解（Primary biodegradation）
环境可接收的分解 （Environmentally acceptable biodegradation）
完全分解 （Ultimate biodegradation）
阶
H 2、 C O 2
段
内源呼 吸产物
胞内酶产甲烷菌
碱
性
发
细菌细胞
C O 2、 C H 4
酵
图 1厌氧反应的两阶段理论图示
阶
段
有机物
I
发酵性细菌
脂肪酸、醇类
II
产氢产乙酸菌
IV
乙酸
H 2+ C O 2
同型产乙酸菌
III
产甲烷菌
CH4
说 明 ： 1） I、 II、 III 为 三 阶 段 理 论 ， I、 II、 III、 IV 为 四 类 群 理 论 ；
O
O
B : N H 2 , O C H 3 , O H , C O H , C O
能使降解性降低的基团称异源基团。（xenophore）
2）异源基团数目增加，降解性越差。
OH Cl
OH Cl
OH
Cl Cl
Cl
Cl
3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。
OH Cl 加速
OH
OH Cl
减慢
4）甲基分支越多越不易降解
2、本质性生物分解试验 目的：评价有机物是否具有被生物分解的性质。
方法：通常在最有利于受试化合物分解的条件下 进行。使用的微生物通常讲过事先的充分驯化， 接种浓度较高，试验周期长，尽可能的添加各 种必须的营养物质等。因此在试验中得到良好 分解效果的化合物，在实际环境中不一定能够 分解。但是，在该试验中不能被生物分解的化 合物，可以认为其在实际的环境条件下也不能 被生物。
1、易生物分解试验
目的：评价有机物是否很容易地被生物完全分解， 一般在不利于生物分解的条件性进行。
方法：以受试化合物作为唯一碳源，接种的微生物 浓度较低，且微生物事先不经过驯化。在易生物 分解试验中得到良好分解效果的化合物，可以认 为在一般环境中也很容易被生物分解。但是，在 易生物分解试验中分解效果较差的化合物，并不 能判断其在环境中不能被生物分解。
第二节 有机物的生物分解性
三、值得注意的几个问题
（一）生物分解性与浓度的关系 有些有机物在浓度低时可以降解，高于某一浓度时不 能降解（产生抑制作用）。
－
－
s z 抑制浓度
S
S
毒性较大的污染物的生物降解需稀释。
（二）共代谢现象
单独存在时不能被降解，只有在其它物质被降解时才能被 降解的现象。（不能作为能源或碳源的化合物的代谢）
4、一般情况下，生物处理构筑物内新生长（增加）的细胞物 质等于所合成的细胞物质减去由于内源呼吸而耗去的细胞物 质，可用于下列算式表示：
△X=a △S-Bx
△X表示新生长的细胞物质（Kg/d） △S表示所利用的食料（基质），即去除的BOD5（Kg/d） X表示构筑物内原有的细胞物质（Kg） a表示合成系数 b表示细胞自身氧化率或衰减系数。
特点
分解对象有机物 的分析方法
由于微生物细胞、活性污泥等的吸附作用使 化学物质浓度降低的一种现象。这里所说的 “生物去除”不是真正意义上的分解，而是 一种表观现象，也可称为“表观生物分解”。
各种色谱分析 有机碳分析
在分解过程中，化学物质的分子结构发生变 化，从而失去原化学物质特征的分解。
经过生物分解，化学物质的物理化学性质和 毒性达到环境安全要求的程度。
－CH3 >
H －C－CH3 >
CH3
CH3 －C－CH3
CH3
5）脂肪族：分子量越大越不易降解
6）芳香族<脂肪族（小分子）
7）复环芳烃中环越多越难降解 8）好氧条件下的降解规律与厌氧有时不同
polycyclic
9）化学品的生物降解性预测
物理化学性质～生物降解性/QSBR (Quantitative Structure Biodegradability Relationship)
1. 去毒作用（Detoxication）
CO2
有毒物
钝化产物
去毒作用
代谢产物
在毒理学上：活性物质无活性物质
去毒作用机制：
O
1) 水解作用（hudrolysis R－C－O－R’
2) 羟基化作用（hyolroxylation）
各种色谱分析 官能团分析 毒性测试
各种色谱分析 官能团分析 毒性测试
有机化合物被分解成稳定无机物（CO2、H2O 等）的分解
总有机碳分析 产生的CO2分析
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2、根据是否在有氧气存在的条件下，可分为 好氧分解和厌氧分解两种类型。与厌氧生 物分解相比，好氧分解往往具有分解速率 快、分解程度彻底、能量利用率高、转化 为细胞的比例大等特点。
（2）小分子的脱氢氧化：产生可进入TCA循环的乙酰－CoA。
（3）乙酰－CoA进入TCA循环和呼吸链被氧化成CO2和H2O
好氧分解的产物： 有机物CHONP
CO2、 H2O、 （NH3＋NO2＋NO3－）
H2SO4 、H3PO4
反应中的亚硝酸、硝酸、硫酸和磷酸可与水中的 碱性物质作用，形成相应的盐类。
对于生活污水和性质与之接近的工业废水，a一 般可取0.05~0.1，b可取0.05~0.1；污泥泥龄长，a值 取小，b值取大；污泥泥龄短，a值取大，b值取小。
生物处理构筑物内所增加的细胞物质也可约略 地以投入的有机物（以BOD5）的50%左右估算。
活性污泥法
空气
初次沉 淀池
曝气池 再生池
二次沉 淀池
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• 兼性微生物的代谢：DO>0.2~0.3mg/L条件下：好氧代谢 DO<0.2~0.3mg/L条件下：厌氧代谢
• 一些好氧微生物（好氧细菌，球衣细菌、真菌等）能在微氧 环境（DO接近于零）中生长。因此在微氧环境中占优势的 微生物常常是好氧微生物。
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3、 有机物的好氧生物分解
好氧分解过程：
（1）消化：由胞外酶把大分子分解为可以被细胞吸收的小分子。
细胞物质（微生物的生长）
生物分解后的去向 分解产物（CO2、小分子有机物等）
有机污染 物的生物 分解过程
污染物、细胞构成物 C、H、O、N、P、S、 矿物元素、维生素等
能源 化学能(污染物等)、光能
受氢体 O2、CO2、SO42-、NO3-等
有机体分解(内源呼吸)
微生物体 生
微 合成
生物污泥
物 不 可
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4、厌氧反应概括如下： • 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）
• 二、有机物的好氧生物分解
有机质＋ 微生物＋氧
生
降 解
残
物 分解
留 物
能+
分 解产物
热能
CO2、H2O、 NH4+、 NO2- NO3- 、 SO42-、 PO43-、H2、N2、H2S、 CH4、乙醇、有机酸、 硫醇等简单化合物
随水排出 3
二、生物分解的分类
1、根据生物分解的程度和最终产物的不同， 有机物的生物分解可分为生物去除（表观分 解）、初级分解、环境可接收的分解和完全分 解（矿化）等不同类型。