微生物对污染物的降解与转化
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.
5.微生物具有巨大的降解能力
（1） 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
n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
1.提供特殊营养物质
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
CHห้องสมุดไป่ตู้OH
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
.
（4）共代谢和混合菌株作用意义
n大大拓展对难降解有机污染物的作用范围 n提高复杂有机污染物的降解率
n 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)
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
.
（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
.
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
Ø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
n营养 n温度 npH n溶解氧
.
→ 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-
.
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。
Arthrobacter sp. Streptomyces sp.
Arthrobacter sp. Streptomyces sp.
被降解
.
5.共代谢 6.电子转移
n两种紧密结合的产甲烷菌群落
（methanobacillus omelianski）：
产氢产乙酸菌
CH3CH2OH
CH3COOH + H2
n 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。
n 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
.
Ø混合菌株作用的机制
n 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
n 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。
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。
.
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
.
Ø 共代谢特点
n 不导致细胞质量或能量的增加，不促进其本 身的生长。
n 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
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
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
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
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
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
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。
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。
n 混合培养菌株的降解能力大大高于单个菌株的纯培养。
第二章 微生物对污染物的降解与转化
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） 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
n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
1.提供特殊营养物质
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
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2.去除生长抑制物质
CHห้องสมุดไป่ตู้OH
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
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3.改善单个微生物的基本生长参数
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（4）共代谢和混合菌株作用意义
n大大拓展对难降解有机污染物的作用范围 n提高复杂有机污染物的降解率
n 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。
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二、微生物群落的代谢机制(P280)
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
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（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
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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
Ø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。
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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
n营养 n温度 npH n溶解氧
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→ 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-
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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。
Arthrobacter sp. Streptomyces sp.
Arthrobacter sp. Streptomyces sp.
被降解
.
5.共代谢 6.电子转移
n两种紧密结合的产甲烷菌群落
（methanobacillus omelianski）：
产氢产乙酸菌
CH3CH2OH
CH3COOH + H2
n 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。
n 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
.
Ø混合菌株作用的机制
n 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
n 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。
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。
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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
.
Ø 共代谢特点
n 不导致细胞质量或能量的增加，不促进其本 身的生长。
n 使有机物得到修饰或转化，但不能使其分子完 全分解。
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➢ 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
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
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
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
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
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
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。
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’)。
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（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。
n 混合培养菌株的降解能力大大高于单个菌株的纯培养。
第二章 微生物对污染物的降解与转化
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
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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