第10章 微生物对污染物的分解与转化 水处理生物学教学课件

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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纤维素酶
纤维二糖酶
纤维素
纤维二糖
葡萄糖
糖酵解 厌
氧
ATP
发
三羧酸
H2O
酵
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• 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 微生物对有机污染物的分解作用
一、生物分解的一般特点 • 净化本质——微生物将有机物转化为无机物 • 依靠——好氧分解与厌氧分解（分类） • 分解程度：去除、初级分解、环境可接受分
解、完全分解（P190）
2．发酵阶段
• 梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化 合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧 化碳、氢气、氨等
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3．产乙酸阶段
• 上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细
胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐 时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。 4．产甲烷阶段
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废水或污泥 中不溶态大 分子有机物
发 蛋白质 酵
菌 多糖
脂类
发 氨基酸 酵
菌 C 6H 12O 6
甘油
脂肪酸
I 甲酸 类 甲醇 产 甲胺 物 乙酸等
II 丙 酸
产氢 产乙
类 丁酸 酸菌
产 乳酸
物 乙醇等
C O 2 、［ H ］ 和乙酸
甲 烷
通过不同
菌 途径转化
为 CH4、 CO2 等
水解阶段
酸化阶段
气化阶段
酸化 I
酸 化 II
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不 完 全 厌 氧 消 化 (酸 发 酵 )
厌氧发酵的几个阶段
厌氧活性污泥净化废水的作用机理
• 复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段水解阶段、发 酵阶段（又称酸化阶段）、 产乙酸阶段、产甲烷阶 段
1．水解阶段
• 在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物
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 （*？
）
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 R-CH2- CH2-CH3
• 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
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
SO3-
COOH
苯甲酸 CH2COOH 开环分解 CO2 + H2O
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苯乙酸
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
，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
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二、分解性与分子结构的关系
• 一般规律：P198 增加异源基团降解性变差，甲基多变差，
脂肪族分子大不易分解，芳香族、苯环 量大不易分解，好氧、厌氧分解规律不 同 • QSBR模型：降解性与物理化学性质的 关系
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三、几个问题
1、降解性与浓度的关系－过犹不及 2、共代谢现象：单独不分解，加入其它化
• 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
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
C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C 末端氧化 β-氧化、脱磺基
• 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。
二、油脂的转化
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+ H2O
CO2 + H2O
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。
已知降解不同芳香烃的细菌类别
• 微生物缺乏相应的水解酶
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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
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
。水中来源：农田土壤的灌溉水或雨水
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• 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。
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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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
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
合物促进分解 3、有机物的相互作用：
1）不影响 2）促进作用 3）阻碍作用
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4、微生物之间作用 协同、拮抗、捕食、竞争等
5、生物去毒与激活作用 6、污水中有机污染物的生物分解性评价 BOD5/CODcr：0.4-0.6 生物降解性好
0.2-0.4 一般 <0.2 难生物降解
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循环
CO2
葡萄糖 丙酮丁醇发酵
丁酸发酵
丙酮 + 丁醇 + CO2 + H2 丁酸 + 乙酸 + CO2 + H2
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好氧分解 厌氧发酵
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。 • 究机构购买或自行筛选。
• 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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第二节 有机物的生物分解性
一、分解性评价方法： 1、生物分解潜能试验：是否能分解 1）易生物分解试验：不利生物分解条件下 2）本质性生物分解：最有利条件下 2、生物分解模拟试验：特定条件下是否分
解 3、步骤：P198：
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）：
NaSO3
CH3 | C CH2
| CH3
ABS
CH3 |
CH3 |
CHCH2 C CH3
|
CH3 3
第三节 不含氮有机物的生物分解
• 包括糖类、芬、醛、酮、醇、有机酸和油脂的 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。
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• 乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷
和以及甲烷菌细胞物质。
• 经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢 气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。
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复杂有机物
1水解 2发酵
脂肪酸
3产乙酸
H2 + CO2
乙酸
4产甲烷