水环境化学-6 水环境中的微生物化学过程

湿地是地球生态环境的重要组成部分，与森林、海洋并 称为全球三大生态系统。
《湿地公约》对湿地的定义为“湿地是指天然或人工、 长久或暂时的沼泽地、泥炭地、静止或流动的淡水、半 咸水、咸水水域，包括低潮时水深不超过6米的海水区。”
湿地——大自然的“肾”
人工湿地：指用人工筑成水池或沟槽，底面铺设防渗漏 隔水层，充填一定深度的基质层，种植水生植物，利用 基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用 使污水得到净化。按照污水流动方式，分为表面流人工 湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。
糖类的微生物降解
糖(carbohydrates)即碳水化合物，其化学本质为 多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物。
中华人民共和国国家环境保护标准《人工湿地污水处理 工程技术规范 HJ2005-2010》，环境保护部发布。
活性污泥法生化处理池
活性污泥法处理污水，是利用活性污泥在废水中的凝聚、吸附、氧化、 分解和沉淀等作用，去除废水中有机污染物的一种废水处理方法。
活性污泥基本概念是由1912年英国人Clark and Cage发现对废水进行 长时间曝气会产生污泥并使水质明显改善，其后Arden and Lackett 进一步研究，发现由于实验容器洗不干净，瓶壁留下残渣反而使处理 效果提高，从而发现活性微生物菌胶团，定名为活性污泥而来。
主要是工农业生产中排出的有机污染物，如农 药、烃类等。
DDT
杀虫剂DDT能让人产生心醉神迷似的感受。20世纪50年代一 种流行的鸡尾酒――名叫“Mickey Slim”，据悉是将少量的 DDT加入杜公子酒中制成的。此图为二名女士在飘飘欲仙地 “喝”DDT。
DDT
DDT在自然环境中可通过生物过程转化为DDD 和DDE，两种产物更难于进一步被生物降解。 DDT的微生物分解主要是在厌氧条件下通过脱 氯作用形成DDD的过程中而发生的。
根据催化反应类型，酶可分成六大类： ⑥ 合成酶（与高能磷酸化合物分解相耦联，催化两种
底物结合的反应）
谷氨酰胺合成酶：是一种控制氮代谢的酶，催化铵离子和谷 氨酸合成谷氨酰胺，同时消耗ATP(三磷酸腺苷)。 这个反应分成两步进行：酶先让ATP和谷氨酸反应，生成γ谷氨酰磷酸；接着铵离子上来，替换掉磷酸。
80年代初发现了具有催化功能的RNA——核酶 (ribozyme)，这一发现打破了酶是蛋白质的传统观念， 开辟了酶学研究的新领域。
酶与一般催化剂的共同点:
➢ 在反应前后没有质和量的变化； ➢ 只能催化热力学允许的化学反应； ➢ 只能加速可逆反应的进程，而不改变反
应的平衡点。
酶促反应具有极高的效率:
铁卟啉
⑤ 辅酶A
辅酶A是泛酸的一个衍生物，简写为CoASH,是 一种转移酶的辅酶，所含的巯基与酰基形成硫 酯，在酶促反应中起着传递酰基的功能。
巯基
乙酰基
酰基 硫脂
2、有机物的生物降解性
① 易生物降解的有机物
来源于动、植物残体及生物代谢过程中产生的 物质和排泄物。如碳水化合物、蛋白质、脂肪、核 酸等。这些物质，通过微生物所产生的酶，很容易 被分解成糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等简单的有机 物，并最终分解为CO2、H2O、NH3等。 ② 难生物降解的有机物
6.2.2 主要有机污染物的微生物降解途径
6.2.2.1 天然大分子有机物的降解 6.2.2.2 有毒有机污染物质的降解
6.2.2.1 天然大分子有机物的生物氧化
生物氧化是指有机物质在机体细胞内的氧化， 并伴随有能量的释放。
生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失 电子，遵循氧化还原反应的一般规律。
微生物能否利用环境中的污染物，取决于其 能否合成降解污染物的酶。
细菌对有机物的氧化分解作用往往超过一般 的化学氧化作用，在反应进行的速度和深度 方面胜过强的化学氧化剂。
细菌对有机物新陈代谢过程的各种反应都是 依靠称为酶的一种生物催化剂来完成的。
1、酶 (Enzyme)
酶是一类由细胞制 造和分泌的、以蛋白质 为主要成分的、具有催 化活性的生物催化剂。
烟酰胺
辅酶Ⅰ
腺嘌呤
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辅酶Ⅱ
③ 辅酶Q
辅酶Q又称泛醌，简写CoQ, 是一些氧化还原酶 的辅酶，在酶促反应中具有传递氢原子的功能。
共轭环己二烯二酮
④ 细胞色素酶系的辅酶
细胞色素酶系是催化底物氧化的一类酶系，主 要有细胞色素b,c1,c,a 和a3等几种。它们的酶蛋 白部分各不相同，但是辅酶都是铁卟啉。 在酶 促反应时辅酶铁卟啉中的铁不断地进行氧化还 原，起到传递电子的作用。
异咯嗪基
异咯嗪基
黄素单核苷酸(FMN)
腺嘌呤
黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)
异咯嗪基
异咯嗪基
黄素单核苷酸(FMN)
腺嘌呤
黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)
② NAD+和NADP+
辅酶NAD+和NADP+分别称为辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ ， 依次是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和烟酰胺腺嘌呤 二核苷酸磷的缩写，是一些氧化还原酶的辅酶， 在酶促反应中具有传递氢原子的功能。
同一辅酶可以结合不同的酶蛋白，构成许多 种双成分酶，可对不同底物进行相同反应。
若干重要辅酶的功能
① FMN 和 FAD
黄素单核苷酸 黄素腺嘌呤二核苷酸
② NAD+和NADP+ ③ 辅酶Q
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷
④ 细胞色素酶系的辅酶
⑤ 辅酶A
① FMN 和FAD
辅酶FMN和 FAD分别是黄素单核苷酸和黄素腺 嘌呤二核苷酸的缩写，是一些氧化还原酶的辅 酶，在酶促反应中具有传递氢原子的功能。
谷丙转氨酶：是一种转氨酶，存在于血浆及多种身体组织中， 但最常见与肝脏关联。也叫血清谷氨酸丙酮酸转氨酶（serum glutamate pyruvate transaminase，简称SGPT）或丙氨酸转氨酶 （alanine aminotransferase，简称ALAT）。
α-酮戊二酸 + 丙氨酸 ⇌ 谷氨酸 + 丙酮酸
根据催化反应类型，酶可分成六大类：
③ 水解酶（催化水解反应）
酯酶：是一种水解酶，可在水分子的参与下，经由水解作用， 将酯类切割成酸类与醇类。此类酶参与多种生物化学反应，依 其专属受质、蛋白质结构，以及功能而有所不同。
根据催化反应类型，酶可分成六大类： ④ 裂解酶（催化底物分子某些键非水解性断裂反应）
许多烃类在好氧条件下可生物降解，但在缺氧条件 下的存在要持久得多。
在高度还原条件下可观察到某些有机氯溶剂（如 CCl4）的生物转化，而在有氧条件下，这些化合物 却是持久性的。
6.2 有机污染物在水体中的 生物降解过程
6.2.1 有机化合物的生物降解
水环境中有机物的生物降解依赖于微生物通 过酶催化反应分解有机物，其本质是酶促反 应。
底物结合的反应）
根据催化反应类型，酶可分成六大类： ① 氧化还原酶（催化氧化还原反应）
过氧化氢酶：是一种广泛存在于各类生物体中的酶，它是一类 抗氧化剂，其作用是催化过氧化氢转化为水和氧气的反应。
2 H2O2 → 2 H2O + O2
根据催化反应类型，酶可分成六大类：
② 转移酶（催化化学基团转移反应）
在沉积物的下部，微生物数量由于氧的消耗而下降， 利用硝酸盐、硫酸盐和铁作为末端电子受体的厌氧 微生物过程显示了较深的沉积物层特征。
活性污泥微生物的分类 1）细菌： 异养型原核细菌（107～108个/mL） 动胶杆菌属 假单胞菌属（在含糖类、烃类污水中占优势） 产碱杆菌属（在含蛋白质多的污水中占优势） 黄杆菌属 大肠埃希式杆菌 2）真菌：微小的腐生或寄生丝状菌 3）原生动物：鞭毛虫，纤毛虫等。通过辨认原生物的种类，能够判断
处理水质的优劣，它是一种指示性生物。原生物摄食水中的游离细菌，是 细菌的首次捕食者。
4）后生动物：主要是轮虫，它在活性污泥中的不经常出现，轮虫的出 现是水性稳定的标志。后生动物是细菌的第二捕食者。
由于温度、pH值、氧气浓度等因素影响微生物群 落的组成、生长速率和酶含量，这些环境条件不仅 能影响微生物参与的转化速率，有时还能成为这些 反应能否进行的控制因素。
1、浮游微生物群落 2、底栖微生物群落
1、浮游微生物群落
浮游植物：包括真核生物（藻类）和原核生物 （蓝细菌（蓝藻））两类生物在内的光自养生物。 浮游细菌
原生动物
2. 底栖微生物群落
海（河、湖）底是水体与地表之间的一个过渡区， 是含有有机物、矿物颗粒物质以及水的一个扩散和 松散型的复合体。
第6章 水环境中的微生物化学过程
物质在生物作用下经受的化学变化，称为生 物转化或代谢。
生物转化、化学转化和光化学转化构成了污 染物质在环境中的三大主要转化类型。
物质在环境中的生物转化，微生物起着关键 作用。由于微生物大量存在于自然界，生物 转化呈多样性，又具有大的表面/体积值，繁 殖非常迅速，对环境条件适应性强等特点。
谷氨酸 + NH3 → 谷氨酰胺
酶按照成分，分为单成分酶和双成分酶两大类。
单成分酶只含有蛋白质，如脲酶、蛋白酶。
双成分酶除含蛋白质外，还含有非蛋白质部分， 前者称酶蛋白，后者称辅基、辅酶。
辅基同酶蛋白的结合比较牢固，不易分离。辅 酶与酶蛋白结合松弛，易于分离。两者区别仅 在于同酶蛋白结合的牢固程度不同，而无严格 的界线。为了简便，均称为辅酶。
谷氨酸脱羧酶(GAD)：是一个催化谷氨酸脱羧为γ-氨基丁酸 并释放CO2的酶。此反应以如下方式进行：
HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH → CO2 + HOOC-CH2-CH2-CH2NH2
根据催化反应类型，酶可分成六大类：
⑤ 异构酶（催化异构反应）
异构酶：是一种催化同分异构体转换的酶。 葡萄糖-6-磷酸异构酶：D-葡萄糖-6-磷酸⇔D-果糖-6-磷酸
能 量
一般催化剂催 化反应的活化能
底物
非催化反应活化能
酶促反应 活化能
反应总能量改变
产物 反应过程
酶促反应活化能的改变
生物技术的四大支柱
生 物技术 （ 生物工程）
基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程
根据催化反应类型，酶可分成六大类： ① 氧化还原酶（催化氧化还原反应） ② 转移酶（催化化学基团转移反应） ③ 水解酶（催化水解反应） ④ 裂解酶（催化底物分子某些键非水解性断裂反应） ⑤ 异构酶（催化异构反应） ⑥ 合成酶（与高能磷酸化合物分解相耦联，催化两种
活性污泥法处理污水的原理形象说法：微生物“吃掉”了污水中的有 机物，这样污水变成了干净的水。它本质上与自然界水体自净过程相 似，只是经过人工强化，污水净化的效果更好。
6.1 天然水体中的微生物环境 6.2 有机污染物在水体中的生物降解过程 6.3 水体中金属的微生物转化
6.1 天然水体中的微生物环境
去氢氧化
在生物氧化中有机物质的氧化大多为去氢氧 化，所脱落的氢由相应氧化还原酶按一定顺 序传递至受氢体。
生物氧化中的氢传递过程
① 有氧氧化中以分子氧为直接或间接受氢体的氢传递过程 ② 无氧氧化中有机底物转化中间产物作受氢体的氢传递过
程 ③ 无氧氧化中某些无机含氧化合物作受氢体的氢传递过程
这类氢传递过程中最常见的受氢体是硝酸根、硫酸 根和二氧化碳。它们接受来源于有机底物由酶传递来的 氢，而被分别被还原为分子氮（或一氧化二氮）、硫化 氢和甲烷。
酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020 倍，比一般催化剂高107～1013倍;
酶加速反应的机理是降低反应的活化能
(activation energy)。
活化能:又被称为阈能,用来定义一个化学反应的发生所需要克服 的能量障碍,表示一个化学反应发生所需要的最小能量。
活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。
在双成分酶催化反应时，一般是辅酶起着传 递电子、原子或某些化学基团的功能，酶蛋 白起着决定催化专一性和催化高效率的功能。
只有双成分酶的整体才具有酶的催化活性， 而当酶蛋白与辅酶经分离后各自单独存在时 则均失去相应作用。
辅酶的成分是金属离子、含金属的有机化合 物或小分子的复杂有机化合物。已经发现的 辅酶有30余种。
微生物一词并非生物分类学(种、属、科、目、 纲、门、界)的专门名词。
微生物是一切肉眼看不见或看不清、个体微小、 构造简单的低等生物的统称，它包括原核生物 （细菌、古细菌、放线菌、立克次氏体、支原 体、衣原体）、真核生物（原生动物、真菌、 藻类）、非细胞生物（噬菌体、病毒）等个体 微小，必须借助光学显微镜或电子显微镜才能 看清其形态构造及测量其大小的生物。