微生物对污染物的降解和转化
北科大环境工程微生物学课件第4章 微生物对污染物的降解和转化
被动扩散： 营养物质顺浓度梯度，以扩散方式进 入细胞的过程。 特点： 1)微生物的细胞膜不是半透膜，是差异 膜，影响物质进出细胞的速度；2)微生物中的 部分细胞具有将营养物质转移功能或及时在酶系 统作用下转化功能，避免积累，保持内外的物质 浓度梯度，保证了物质运输的不断进行。 被动扩散分类： 包括简单扩散(不需要载体)和 促进扩散(需要载体)。
本章要点：
酶催化进行的反应称为酶促反应(Enzymatic reaction)，发生化学反 应的物质称为底物 (Substrate)物质称为产物(Product)。
酶(Enzyme)---在活 细胞内合成的具有高 度专一性和催化效率 的蛋白质，具有催化 生物化学反应的功 能，并传递电子、原 子和化学基团，又称 为生物催化剂。
( 1 )微生物酶的定义、分类、组成、固定化及影响酶活力的因素 (2)营养物质进入微生物细胞的方式和原理 (3)含碳、氮、硫、磷各自化合物以及难降解物质的微生物降解转化机理 (4)微生物降解动力学过程及其影响因素 (5)微生物的合成代谢过程和机制
第四章 微生物对污染物的降解转化
(Biological catalyst)
一、 基本概念：
反应生成的
二、 酶的催化特点：
按酶促反应的类型分类氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、合成酶类 按酶在细胞的部位分类按酶在细胞的不同部位，分为胞内酶、胞外酶和表面酶 按酶蛋白结构的特点分类多酶复合体系、寡聚酶、单体酶 按酶生成与底物是否存在的关系分类组成酶(Constitutive enzymes)和诱导酶(Inducible enzymes)
活性中心：酶蛋白分子发生化学反应的小部分氨基酸微区
酶活性中心与底物作用
微生物对环境中有机污染物的降解机制
微生物对环境中有机污染物的降解机制有机污染物是指由碳和氢等元素组成的化合物，常见的有机污染物包括石油类、农药、工业废水等。
这些有机污染物对人类和生态系统的健康产生严重威胁，因此寻找有效的降解方法成为了迫切的需求。
在此背景下，微生物降解成为了一种受到广泛研究的方法，微生物通过各种机制参与有机污染物的降解过程。
微生物降解有机污染物的机制主要分为生物吸附、生物转化和代谢三个方面。
首先，微生物可以通过生物吸附作用降解有机污染物。
微生物表面具有许多吸附结构，如细菌细胞壁上的膜蛋白、菌丝的纤毛等。
这些结构可以吸附并固定有机污染物，阻止其进一步扩散。
同时，微生物还可以通过表面吸附结构上的酶活性，进一步促进有机污染物的分解。
其次，微生物通过生物转化作用将有机污染物转化为较简单的化合物。
微生物体内的代谢酶可以催化有机污染物的化学反应，使其分解为更小的分子。
例如，石油类污染物中的芳香烃可以被微生物转化为酚、醛等低毒性物质。
这种生物转化作用具有高效、选择性强的特点。
最后，微生物通过代谢作用将有机污染物降解为无害的物质。
微生物能够利用有机污染物作为能量源进行代谢反应，将其转化为水、二氧化碳等无害物质。
这种代谢作用在自然界中广泛存在，为环境中有机污染物的彻底降解提供了有效途径。
微生物对环境中有机污染物的降解机制受到多种因素的影响，包括环境条件、微生物种类和污染物特性等。
首先，环境条件的酸碱度、温度、氧气浓度等因素会影响微生物的生长和代谢活性，进而影响微生物对有机污染物的降解效率。
其次，不同种类的微生物对不同类型的有机污染物具有不同的降解能力，这取决于微生物体内的代谢途径和代谢酶的种类。
此外，有机污染物的化学结构和性质也会影响微生物对其的降解速率和效果。
总的来说，微生物对环境中有机污染物的降解机制是多样而复杂的。
微生物通过吸附、转化和代谢等过程参与有机污染物的降解，有效净化环境。
然而，为了提高微生物降解的效率和速度，还需要深入研究微生物的特性和环境因素对其的影响，以及开发相应的技术手段来促进微生物降解的应用。
微生物治理污染的原理
微生物治理污染的原理
微生物治理污染的原理是利用微生物对污染物进行降解、转化或吸附，从而减少或去除污染物。
微生物是一类高度适应环境的生物，它们能够利用多种有机物和无机物为能源和营养源，通过代谢活动对污染物进行降解。
微生物治理可以分为两种类型：生物辅助治理和生物修复。
生物辅助治理是指利用微生物来转化或降解污染物，以达到减少或去除污染的目的。
生物修复则是指引入特定的微生物来修复受到污染的环境，使其恢复到原有的健康状态。
微生物治理污染的原理包括以下几个方面：
1. 吸附作用：一些微生物表面存在着吸附剂，可以吸附污染物，从而将其从环境中去除或减少其浓度。
2. 生物降解：微生物通过各种代谢途径，将有机污染物分解成无害的物质，如二氧化碳和水。
这可以通过微生物合成特定的酶来实现，这些酶可以将有机物转化成更小的分子。
3. 生物转化：微生物可以将一些有毒物质转化为相对无害的物质。
例如，某些微生物可以将重金属离子还原成零价态的金属，从而减少其毒性。
4. 生物吸收和富集：一些微生物可以通过吸收和富集污染物来减少其在环境中的浓度。
这些微生物可以在富集了污染物后被收集和处理。
微生物治理污染的原理在环境治理中具有广泛应用，例如在水体污染治理、土壤修复和废物处理中都有一定的应用。
但需要注意的是，微生物治理并非适用于所
有类型的污染物，对于一些特定的污染物可能需要结合其他方法来进行治理。
此外，在微生物治理中还需要考虑微生物的选择性、适应性和生态位等因素，以确保治理效果的稳定和持久。
微生物对难降解物质的降解与转化污染控制微生物
污染物的生物降解
其原因在于：①在微生物混合群落中污染物的加入实际上是在定向地选择那些能够吸收和降 解污染物基质的微生物种属；这时滞后期是由于特定降解微生物的指数生长特性；同时，微 生物对污染物也有一个选择过程，所谓巴斯德效应。②微生物对污染物的适应要通过诱导酶 的合成，而且需要合成必需的辅酶或中间代谢产物。
（1）β-1,4葡聚糖酶又叫Cx酶，它不能水解天然纤维素，只能切割部分降解的多糖。它广泛分布在 细菌、放线菌和真菌中，可作用于包括很多葡萄糖单位的多糖分子，也可作用于寡糖分子，如纤维四糖 、纤维三糖。但它对寡糖比对多聚糖的水解作用 ①内切β-1，4葡聚糖酶，能随机切断β-1，4苷键，提供许多可供反应的末端，②外切β-1，4葡聚糖 酶，该酶又可分为从非还原性末端开始切下一个β-葡萄糖和切下一个β-葡聚二糖(纤维二糖)的两种
2020/11/26
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微生物对难降解物质的降解与转化污染控制微生物
1
有机污染物的生物降解性
生物降解度 根据污染物生物降解进行的程度，可将其分为三种（或3个阶段）。
1）初级生物降解是指有机污染物在微生物的作用下，母体化合物的化学结构发生变化 ，并改变了原污染物分子的完整性，即有机污染物本来的结构发生部分变化。
污染物的生物降解
前3种有机污污染物的生物降解 过程如图
污染物的生物降解
1）可以立即被微生物利用作为营养和能量来源的，包括糖、Pr(AA)、脂肪酸和一些涉及典型代 谢途径的污染物。
2)能够逐步被微生物分解利用的，此类污染物的生物降解需要一个驯化期，在些期间有机污染物 很少或根本不发生生物降解，故随时间的变化曲线中明显地有一个滞后期，它表示微生物对有机污染 物的适应过程所需要的时间。一般将微生物从开始接触有机化合物到有机化合物被明显分解的这段时 间称为化合物生物降解的驯化期。
微生物对污染物的降解与转化
在自然界，完全的生物降解可能是由于混合种群的 作用而非单一菌种的活性。必须注意，在实验室条 件下可降解的化合物，在自然环境中未必能降解， 反之亦然。
生物降解过程可能产生顽固的中间体，在环境中长 期滞留，有的可能有致癌、致畸、致突变作用，威 胁人体健康，尽管这种情况是例外而不是规律。
Bacteria have evolved over millions of years to be able to get energy and nutrients from chemicals, in a process called biodegradation.
Bacteria grow by breaking down chemicals into smaller compounds, nutrients and water.
卤代作用能抗生物降解，卤素取代基愈多，抗性 愈强。
官能团的位置也影响化合物的降解性，如两个取 代基的苯化物，间位异构体往住最能抵抗微生物 的攻击，降解最慢。
（三）、温度
温度支配着酶反应动力学、微生物生长速度以及化 合物的溶解度等，因而对控制污染物的降解转化起 着关键作用。
在自然环境中地理和季节的变化能对微生物降解转 化污染物的速度和程度起支配作用。
It is nature's way of getting rid of wastes by breaking down organic matter into nutrients that can be used by other organisms.
As a result, the ability of a chemical to biodegrade is an indispensable element in the understanding of any risk posed by that chemical on the environment.
第二章 微生物对污染物质的降解1
速度 =
kc − dc = 1 dt k2 + c
第二节 微生物降解动力学
二、双曲线速度模型
速度直接取决于浓度，同时取决于浓度与它项之和。 速度直接取决于浓度，同时取决于浓度与它项之和。 双曲线速度模型适用于通过表面吸附或表面与催化分子复 合而进行的催化反应。 合而进行的催化反应。
第二节 微生物降解动力学
第三节 石油的微生物降解
一、降解机理 （一）烷烃 （二）烯烃 （三）脂环烃类 （四）芳香烃 （五）多环芳烃 二、影响石油降解的因素
第三节 石油的微生物降解 降解机理
（一）烷烃 微生物对烷烃分解的一般过程是逐步氧化，生成相应的醇、 微生物对烷烃分解的一般过程是逐步氧化，生成相应的醇、 醛和酸，而后经β 氧化进入三羧酸循环，最终分解成CO 醛和酸，而后经β-氧化进入三羧酸循环，最终分解成CO2 最常见的氧化是烷烃末端甲基氧化； 和H2O。最常见的氧化是烷烃末端甲基氧化；此外还有两 端甲基氧化形成二羧酸，次末端氧化生成酮类。 端甲基氧化形成二羧酸，次末端氧化生成酮类。
第一节 微生物降解转化物质的巨大潜力
四、微生物繁殖快，易变异，适应性强 微生物繁殖快，易变异， 繁殖快 由于微生物繁殖快，数量多， 由于微生物繁殖快，数量多，可在短时间内产生大量 变异的后代，对进入环境的“陌生”污染物， 变异的后代，对进入环境的“陌生”污染物，微生物可通 过突变，改变原来的代谢类型而适应、降解之。最为人所 过突变，改变原来的代谢类型而适应、降解之。 熟知的例子，是微生物产与赖药性的变异，当微 生物经常与次致死剂量的抑菌或杀菌物质接触后， 生物经常与次致死剂量的抑菌或杀菌物质接触后，先是经 过自然突变改变了代谢类型，对该药物产生了抗性， 过自然突变改变了代谢类型，对该药物产生了抗性，进而 可能对该药物完全产生依赖性，本来对菌体有毒的药物， 可能对该药物完全产生依赖性，本来对菌体有毒的药物， 却变为该菌所不可缺少的营养物质， 却变为该菌所不可缺少的营养物质，例如野生型的大肠埃 希氏菌变为链霉素依赖突变型
微生物对污染物的降解和转化
微生物对污染物的落解和转化•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第一节有机污染物的生物净化机理•净化实质——微生物转化有机物为无机物•依靠——好氧分解与厌氧分解一、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•二、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→PO3-4•水体自净的天然过程中厌氧分解〔开始〕→好氧分解〔后续〕第二节各类有机污染物的转化一、碳源污染物的转化•包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等。
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、人造纤维废水及都市垃圾等，其中均含有大量纤维素。
A．微生物分解途径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。
•真菌——青霉菌、曲曲折折曲曲折折折折霉、镰刀霉、木霉及毛霉。
•需要时能够向有菌种库的研究机构购置或自行筛选。
2．半纤维素的转化•存在于植物细胞壁的杂多糖。
造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。
•分解过程•分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。
•许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。
霉菌有根霉、曲曲折折曲曲折折折折霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。
3．木质素的转化自然界中哪些微生物能够进行木质素的落解呢？•确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的有软腐菌。
黄孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)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。
微生物对环境中有物质的降解与去除
微生物对环境中有物质的降解与去除微生物在自然界中起着至关重要的作用。
它们是地球生态系统不可或缺的一部分，可以对环境中的有害物质进行降解与去除。
在这篇文章中，我们将探讨微生物在环境中降解与去除有害物质的机制以及其应用。
一、微生物降解有害物质的机制1.1 水解作用微生物通过分泌水解酶来降解有机物。
这些酶可以将复杂的有机物分解为简单的可供微生物吸收和利用的物质。
例如，细菌可以分解油污，将其分解为较小的碳链和水。
对于水中的有机废弃物，微生物也可以通过水解作用将其降解为无害的成分。
1.2 氧化还原作用微生物可以通过氧化还原作用将有害物质转化为无害物质。
在这个过程中，微生物利用有机物或无机物作为电子受体来氧化有害物质，从而使其降解。
例如，硝化细菌可以将氨氮转化为硝酸盐，从而降低水体中的氨氮浓度。
还有一些微生物可以利用氯离子还原有机氯化合物，从而将其降解为无害的物质。
1.3 吸附作用微生物表面的菌体或细胞外多糖可以吸附有害物质，将其从环境中去除。
这种吸附作用可以提高微生物对有机物和重金属离子的去除能力。
一些微生物具有高度选择性的吸附能力，可以将重金属离子从废水中吸附并固定下来，起到净化水体的作用。
二、微生物降解与去除有害物质的应用2.1 废水处理微生物在废水处理中具有广泛的应用。
在生活污水处理中，微生物可以通过降解有机物、吸附重金属离子和氮磷去除等方式来净化废水。
此外，微生物在工业废水处理中也发挥着重要作用，可以降解有机废弃物、去除重金属和毒性物质，保护水环境的安全。
2.2 土壤修复土壤中的有机和无机污染物对环境和人类健康造成了潜在的威胁。
微生物通过降解有机物和稳定无机物的方式，可以修复受到污染的土壤。
微生物源于土壤是土壤中重要的有机物降解者和污染物转化者，通过活化土壤中生物、化学和物理过程来修复污染土壤。
2.3 油污处理微生物可以降解和去除油污，对防止油污滋生和保护海洋生态环境具有重要意义。
微生物能够分解石油中的碳链，并将其转化为无害的物质。
环境微生物-污染物的降解与转化
3、测定相对耗氧速率曲线 耗氧速率就是单位微生物量在单位时间内的耗氧量。
相对耗氧速率是指活性污泥对某浓度有机物的耗氧速率与 该浓度的内源耗氧速率之比。生物量可用微生物的重量、 浓度或含氮量来表示，如果测定时生物量不变，改变底物 浓度，便可测定某种有机物在不同浓度下的耗氧速率，把 它们与内源呼吸耗氧速率相比较，就可得出相应浓度下的 相对耗氧速率，据此可作出相对耗氧速率曲线。
已知降解不同芳香烃的细菌类别
微生物 名称
苯类 酚类
萘
菲
蒽
荧光假单胞 铜 绿 色 假 单 胞 菲 杆 荧光假单胞
菌 、 铜 绿 色 菌、溶条假单胞 菌、菲 菌和铜绿色
假 单 胞 菌 及 菌、诺卡氏菌、 芽孢杆 假单胞菌、
苯杆菌
球形小球菌、无 菌
小球菌及大
色杆菌及分枝杆
肠埃希氏菌
菌
苯和酚的代谢
• 苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示 苯的代谢
（2）生化呼吸线与内源呼吸线几乎重叠平行，这 说明该有机物不能被微生物氧化分解，因为微生物 只进行内源呼吸，没有利用基质，同时也说明该有 机物基质对微生物的生命活动无抑制作用。
（3）生化呼吸线位于内源呼吸线以下，说明该 有机物不仅难于生物降解，而且对微生物产生了 抑制作用，使微生物的内源呼吸受到了影响，生 化呼吸线越接近横坐标，抑制作用就越大。
5、测COD30 取一定量的待测废水，接种少量活性污泥，
连续曝气，测起始CODcr（即COD0）和第30天 的CODcr（即COD30）。废水经生化处理后COD 的最高去除率大致为：
COD去除率（%） COD0 COD30 100% COD0
据此可推测废水的可生化性，及估计用生化 法处理可能得到的最高CODcr去除率。
微生物对污染物的降解与转化
微生物对污染物的降解与转化微生物的一大特点，是代谢类型的多样性，自然界存在的各种物质，特别是有机化合物，几乎都可找到使之降解或转化的微生物。
就是随着工业发展，排入环境引起环境污染的许多人工合成物，由于微生物繁殖迅速，个体微小，比表面大等特点，它们较其他生物更易适应环境，已有不少证据表明，微生物“正学着”对付众多的“陌生的”人造化合物。
可见微生物对污染物的降解和转化具有巨大的潜力。
（1）微生物对无毒有机物的降解无毒有机物主要是生活废弃物。
很多微生物都有能力降解这为在污染物。
微生物通过好氧分解或厌氧分解来分解有机物。
（2）微生物对有毒有机物的降解有毒有机物一般属于难生物降解性物质和不可生物降解性物质。
研究这些有机物的可溶解性，从环境保护角度来看，具有重要的实践意义。
①农药农药是除草剂、杀虫剂、杀菌剂等化学药剂的总称。
由于农药对粮食生产的重要，目前全世界农药的总产量已达200多万吨，品种约有500余种，常用的也有100种。
而当前使用的农药多是有机氯制剂、有机磷制剂和有机汞制剂。
这些有毒化合物在环境中的存留时间一般较长。
因此，大量农药累积于自然环境中，对人和动物具有严重的危害。
微生物与农药之间的关系可概括成两个方面。
一方面农药抑制土著种群的数量和作用可用于杀害和抑制某些有害种类；另一方面，几乎全部现代农药都是有机的，因而可以想象微生物可以代谢这些药物，改变和破坏它们的毒性。
现已了解，环境中有机农药的消失，主要是由于微生物的降解作用。
并已从土壤、水体、污泥、污水中分离到能降解农药的细菌、放线菌、真菌等微生物。
由此，可利用微生物降解有机污染物。
微生物以两种方式降解农药，一种方式是以农药作为生长的唯一碳源和能源，有时还作为唯一的氮源，而使农药降解，具有这种能力的微生物很多，其中假单胞菌属、诺卡氏菌属及曲霉属中的一些种类最为突出；另一种方式是通过共代谢作用，即微生物从其它化合物获得碳源和能源后，才能使农药转化甚至完全降解。
微生物对食品中污染物的降解与清除
微生物对食品中污染物的降解与清除食品安全一直是人们关注的焦点之一，而食品中的污染物也是影响食品安全的一个重要因素。
微生物，作为一类重要的生物资源，具有许多优秀的降解和清除污染物的能力。
本文将探讨微生物在食品中污染物降解和清除方面的应用，以及一些常见的微生物降解污染物的例子。
一、微生物对食品中污染物的降解微生物在食品中降解污染物的过程中起到了关键作用。
它们可以分解和转化食品中的有机污染物，将其转化为无毒的物质，从而保护食品的质量和安全。
1. 微生物对农药的降解农药在农田使用过程中往往会残留在农产品中，给人们的健康带来潜在威胁。
许多微生物，如细菌、真菌和放线菌等，具有对农药进行降解的能力。
它们可以通过酶的作用将农药分解为无毒的物质，或通过吸附和转化过程将农药从食品中清除。
2. 微生物对重金属的降解重金属在食品中的积累对人体健康有潜在的危害。
许多微生物，如铜绿微囊藻、蓝绿藻和微生物泥球等，具有对重金属进行降解的能力。
它们可以通过吸附和转化的方式将重金属离子从食品中去除，减少对人体的损害。
3. 微生物对致病菌的降解食品中的致病菌是食品安全的一个重要威胁。
许多微生物，如乳酸菌和产生抗菌物质的细菌等，具有对致病菌进行降解的能力。
它们可以通过产生抑制物质或竞争性生长的方式，抑制或清除食品中的致病菌，保证食品的安全性。
二、微生物对食品中污染物的清除除了直接降解污染物，微生物还可以通过其他方式清除食品中的污染物，从而提高食品的质量和安全。
1. 微生物的降解代谢产物微生物在降解食品中有机污染物的过程中，会产生一些代谢产物。
这些代谢产物对原有的有毒物质进行进一步的转化和分解，从而清除食品中的污染物。
例如，一些细菌在降解乙醛时会产生乙酸，乙酸对人体无毒，可以有效地清除乙醛对人体健康的影响。
2. 微生物的吸附作用微生物表面具有一些特殊的吸附结构，可以吸附食品中的污染物。
这些微生物可以通过与食品中的污染物结合，从而将污染物固定在微生物上，并随微生物一同被排出体外，实现清除污染物的效果。
第4章 污染物的生物降解和转化(共108张PPT)
二、微生物对污染物的作用
• 微生物通过氧化（β-氧化、环氧化、硫氧化、甲基氧化等）、 还原（硫酸盐还原、双键还原、三键还原）、水解、脱基（脱卤、 脱氨基、脱羧基）、羟基化反应、酯化反应以及代谢（氨代谢、 肟代谢、腈氨代谢）等一种或多种生理生化反应，使有机物发生
转化、分解或降解。
• 微生物与污染物间会发生共代谢、激活、去毒、吸着作用； • 污染物在被微生物降解时存在着阈值现象；
如：假单胞菌属中的石油降解质粒
• 目前，世界上已构建出多种降解难降解化合物的工程菌；
例：超级细菌——Chapracarty等将假单胞菌属中不同菌株的CAM、 OCT、SAL、NAH四种降解性质粒结合转移到同一个菌株中，构建成一
株能同时降解芳香烃、多环芳烃和脂肪烃的 “超级细菌”，用于海上 溢油污染消除。该菌能将天然菌要花一年以上才能消除的浮油缩短为几 个小时，被誉为在污染治理工程菌的构建上的第一块里程碑。
污染物在被微生物降解时存在着阈值现象；
见图4-3 后生成硫化氢的过程；
农药对于农业是十分重要的。
图4-3 纯培养中的一些共代谢基质及其产物
（2）共代谢的原因
❖ 提出了各种假设，但都有局限性，主要原因有：
A. 微生物的吸收与同化能力
B.
微生物不能在某种基质上生长的原因并不是由于微生物无法分解代
谢这种物质，而是由于微生物本身缺乏吸收、同化其氧化产物的能力。
RNH-CH3+O
RNH2+HCHO
CH3(CH2)nCH3+O
CH3(CH2)nCH2OH
RCH2NH2+O
RCHO+2H
R-O-CH3+O
R-OH+HCHO
微生物对污染物的降解和转化
•3、氧化反应
• 有机毒物在水环境中所常遇见的氧化剂有单重态氧 (1O2)，烷基过氧自由基(RO2·)，烷氧自由基(RO·)或羟 自由基(OH·)。这些自由基虽然是光化学的产物，但它 们是与基态的有机物起作用的，所以把它们放在光化学 反应以外，单独作为氧化反应这一类。
二、微生物的生物化学转化作用
（1）酶浓度对酶促反应速度的影响
在酶促反应中，如果底物浓度足够 大，足以使酶饱和，则反应速度与酶浓 度成正比。
底物分子浓度足够时，酶分子越多 ，底物转化的速度越快。
•（2）底物浓度对酶促反应速度的影响
当底物浓度很低时 ，有多余的酶没与底物 结合，随着底物浓度的 增加，中间络合物的浓 度不断增高。反应速度 也迅速增加。
•生物降解（biodegradation）•主要是 微生物降 •微生解物的代谢活动主要体现在以下几个方面：
1.氧化作用 （失电子，自身被氧化，化合价升高）
•Fe2+
Fe3+
•氧化亚铁硫杆菌
S
SO42-
•氧化硫硫杆菌
•NH3
NO2-
NO3•-亚硝化单胞菌属
•硝化杆菌属
•醇（糖类 C-OH） ）
醛（-CHO）
•二、微生物的生物化学转化作用
8. 缩合反应 两个或多个有机分子相互作用后以共价键结合 成一个大分子，同时失化反应
•
-C=O
-CH-NH2 （酮基发生氨化）
• 丙酮酸转化为丙氨酸：
•
CH3COCOOH－CH3CHNH2COOH
•二、微生物的生物化学转化作用
•1、直接光解
•光化学反应的先决条件应该是污染物的吸收光谱要与太阳 发射光谱在水环境中可利用的部分相适应。
微生物与环境污染物的相互作用
微生物与环境污染物的相互作用微生物是地球上广泛存在的生物体，它们在环境中发挥着重要的作用。
同时，环境污染物也对微生物产生了深远的影响。
本文将探讨微生物与环境污染物之间的相互作用，并对这种作用的影响进行分析。
1. 微生物对环境污染物的降解微生物在自然界中扮演着环境修复的重要角色。
它们具有许多酶系统，能够高效地降解多种有机和无机物质，包括石油、农药、重金属等环境污染物。
通过微生物代谢产物的作用，环境污染物可以被转化为无害的物质，从而减轻了对生态系统的破坏。
2. 环境污染物对微生物的影响环境污染物对微生物的生存和活动产生了负面影响。
有些化学物质具有毒性，可以直接杀死微生物，导致微生物数量的减少。
此外，部分环境污染物对微生物的生长和代谢产生了抑制作用，阻碍了微生物对其他环境物质的降解能力。
3. 微生物与重金属的相互作用重金属是一类常见的环境污染物，对生物体有毒性。
微生物通过多种机制对重金属起到一定的稳定和解毒作用。
其中，微生物能够通过吸附、沉淀、还原、离子交换等方式，促进重金属的转化和迁移，减少其在环境中的富集。
此外，一些微生物还能够通过产生特定的配体物质，与重金属形成络合物，降低重金属的毒性。
4. 微生物与有机污染物的相互作用有机污染物包括石油、农药、塑料等物质，对环境和生物体都具有潜在的危害。
微生物通过降解有机污染物的能力，在环境修复中发挥着重要作用。
它们通过产生酶类，将复杂的有机分子分解为较简单的化合物，进而实现有机污染物的降解和转化。
5. 微生物与污水处理的相互作用污水处理是一项重要的环境保护工作。
微生物在这个过程中扮演着关键的角色。
它们通过吸附、降解和沉淀等方式，将污水中的有机物质和氮、磷等污染物转化为无害的产物，并去除水体中的污染物。
同时，微生物还能够改善水体的生物降解能力，促进水体中其他微生物和生物体的生长。
综上所述，微生物与环境污染物之间存在着密切的相互作用。
微生物通过降解环境污染物发挥环境修复的作用，同时也受到环境污染物的影响。
微生物对环境污染物的降解
微生物对环境污染物的降解随着工业化的快速发展和人口的增加，在我们的周围产生了大量的环境污染物。
这些污染物对于我们的健康和生态系统都产生了极大的威胁。
然而，我们幸运的是，自然界中存在着一些微生物，它们具有降解环境污染物的能力。
本文将探讨微生物对环境污染物的降解过程以及其在环境保护中的重要性。
一、微生物降解污染物的原理微生物降解环境污染物的过程是一种生物转化过程，涉及到微生物代谢功能和酶催化反应。
微生物通过吸收和利用环境中的有机物质作为营养源，将其转化为无机物质，并释放出能量。
微生物通过自身代谢过程中产生的酶，将有机物质分解为更简单的化合物，进而降解环境污染物。
二、微生物降解污染物的类型微生物能够降解的环境污染物种类繁多，包括但不限于以下几种：1. 石油类污染物：石油及其衍生物是常见的环境污染物之一，包括原油、汽油、柴油等。
油烃类污染物通常会对土壤和水体造成污染。
某些细菌和真菌能够利用石油类化合物，通过生物降解将其分解为无毒化合物，如二氧化碳和水。
2. 农药类污染物：农药是用于农田和园艺作物防治害虫、杂草和病虫害的化学物质。
遗留的农药残留物会对土壤和水体造成污染。
部分细菌和真菌能够通过降解代谢途径，将农药降解为无害的化合物。
3. 有机废弃物：包括食品废弃物、纺织废弃物、木材废弃物等。
微生物如细菌和真菌可以分解废弃物中的有机物质，通过代谢途径将其转化为有机质、二氧化碳和水。
三、微生物降解污染物的应用微生物降解环境污染物的应用领域广泛，可用于工业废水处理、土壤修复和环境污染防治等方面。
1. 工业废水处理：工业生产过程中产生的废水含有大量有机物和其他污染物。
利用微生物的降解能力，可以将废水中的有机物质降解为无害的物质，减少对水资源的污染。
2. 土壤修复：某些地区受到重金属、石油类和其他有机物污染。
通过注入适宜的微生物及其营养物质，可以促进微生物在土壤中的生物降解过程，降低污染物浓度，实现土壤修复。
3. 环境污染防治：在工业区或重金属污染地区，通过利用微生物降解能力，可以降低环境污染物的浓度，提高环境质量。
环境污染的生物净化原理
环境污染的生物净化原理
环境污染的生物净化原理是指利用生物体的活动来去除或降低环境中的污染物质。
生物净化主要依靠微生物、植物和动物等生物体的代谢活动来进行。
1. 微生物净化：微生物是自然界中最具代谢能力的生物体，它们通过吸附、吸收、分解等方式将污染物废物降解成无害的物质。
例如，生物降解污泥处理系统中使用的微生物能分解有机物质，将其转化为二氧化碳、水等无害物质。
2. 植物净化：植物对环境中的污染物质具有吸收、解毒和分解能力。
植物的根系可以吸收土壤中的重金属离子和有机物质，将其转化为不易挥发的化合物，减少其毒性。
植物的叶片可以通过光合作用将二氧化碳转化为氧气，改善大气污染。
3. 动物净化：一些动物对环境中的污染物质具有吸附、吃食和分解能力。
例如，活性炭是一种常用的吸附剂，在水处理中常用于去除水中的有机污染物。
一些食草动物可以通过吃食植物来摄取其中的污染物质，将其排泄出体外。
生物净化的原理在实际应用中被广泛使用，例如生物处理污水、植物修复受污染土壤等。
然而，生物净化能力受到环境条件、污染物质的种类和浓度等因素的限制，需要进行合理的工程设计和管理来提高净化效果。
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按照酶所催化的化学反应类型分类
（1）水解酶类 （2）氧化还原酶类 （3）异构酶类 （4）转移酶类 （5）裂解酶类 （6）合成酶类
其他分类
酶在细胞的不同部位：可分为胞外酶、胞内 酶和表面酶。
按酶作用的底物不同，可分为淀粉酶、蛋白 酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。 一种酶可以有多个名字，如： 淀粉酶也属于水解酶，还属胞外酶
（3）酶的分类
根据酶蛋白分子的特点又可将酶分为三类
单体酶 (monomericenzyme)：只有一条多肽链。 寡聚酶 (oligomericenzyme)：由几个甚至几十 个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链， 也可以是不同的多肽链。 多酶体系 (multienzyme system)：是由几种酶 彼此嵌合形成的复合体。
具有生 物活性的 生物大分 子 蛋白质 核酸
生物酶简介
酶在日常生活中无处不有 蛋白质分为两类：结构蛋白和生物活性蛋白 蛋白质是构成人体的基础物质——结构蛋白 酶是生物活性蛋白——酶是蛋白质，但蛋白质不一定都是酶。 酶由长链氨基酸组成 酶是三维结构 氨基酸的排列顺序决定酶的功能 酶的活性部位——取决于三维结构
（一）什么是酶？
酉每
与发酵有关的过程，酒、醋、酱等。
（一）什么是酶？
酶是生物体内产生的一类具有特殊催 化作用的蛋白质。
1)离体的酶同样具有高效催化作用；
2)通过各种理化方法分离提取生物体合 成的酶所得到的酶制品称为“酶制剂”。
酿酒行业：酵母（酶催化大麦芽发酵成酒） 造纸行业：脂肪酶，纤维素酶，半纤维素酶，淀粉酶
10. 乙酰化作用
氨基转化为酰胺 -NH2 ―NH-CO-CH3
小结：以上各种微生物的化学作用，实质上是微生物代谢过程 中的酶反应！（在化学条件下也能够发生上述反应，但是条件 苛刻，经常是高温、高压等，但是酶的反应一般在常温常压下 进行。）
第二节 酶的催化作用
一、概述
生命的基本特征之一是 新陈代谢。 全部生命活动和生物化学变化均在温和条件下，在 酶的催化作用下迅速地进行的。
1、直接光解
光化学反应的先决条件应该是污染物的吸收光谱要与太阳发 射光谱在水环境中可利用的部分相适应。
水环境中污染物光吸收作用仅来自太阳辐射可利用的能量， 太阳发射几乎恒定强度的辐射和光谱分布，但是在地球表面 上的气体和颗粒物通过散射和吸收作用，改变了太阳的辐射 强度。阳光与大气相互作用改变了太阳辐射的谱线分布。 太阳辐射到水体表面的光强随波长而变化，特别是近紫外 (290—320nm)区光强变化很大，而这部分紫外光往往使许多 有机物发生光解作用。其次，光强随太阳射角高度的降低而 降低。
烯烃发生加氢 还原，变成烷
大肠杆菌
具有特色的是硝酸的还原反应： NO3NH3
二、微生物的生物化学转化作用
3. 脱羧作用： 羧酸分子中失去羧基放出二氧化碳的反应叫做脱羧 反应。
4. 脱氨基作用：
微生物的特色反应
-CH-NH2
-CH2 + NH3
二、微生物的生物化学转化作用
5. 水解作用 （酯类水解反应生成醇+羧酸） 酯的水解 油脂经加碱水解可得高碳脂肪酸钠(肥皂) 和甘油；制脂肪酸要用加酸乳化水解。低碳烯烃与 浓硫酸作用所得烷基硫酸酯，经加酸水解可得低碳 醇。 淀粉水解； C6H22O11(麦芽糖) 5H2O＋C6H12O6
(6) 反应条件温和：常温、常压、中性。
•3.酶的化学本质
（1）酶的蛋白质本质
所有的酶都是蛋白质。有的是简单蛋白质， 有的是结合蛋白质。 酶同其他蛋白质一样，由氨基酸组成。
不能说所有蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋 白质，才能称为酶
（2）酶的组成
根据组成成分可分为两类：
简单蛋白质酶 结合蛋白质酶（结合非蛋白组分后才表现出酶的活 性） 酶蛋白结合非蛋白组分后形成的复合物称“全 酶”，全酶=酶蛋白+辅助因子。
主要是
微生物降解
微生物的代谢活动主要体现在以下几个方面：
1.氧化作用 （失电子，自身被氧化，化合价升高）
Fe2+
NH3
Fe3+
NO2-
S
氧化亚铁硫杆菌
氧化硫硫杆菌
SO42-
亚硝化单胞菌属
硝化杆菌属
NO3-
醇（糖类 C-OH）
醛（-CHO）
酸（-COOH）
二、微生物的生物化学转化作用
2. 还原作用（得电子，自身被还原，化合价降低）
二、微生物的生物化学转化作用
6. 酯化作用 （醇+羧酸发生酯化反应） 醇跟羧酸或含氧无机酸生成酯和水，这种反应叫酯 化反应
7. 脱水反应：指有水分子析出的反应过程 ①醇的脱水 一元醇脱水时，根据反应温度的不同， 生成烯烃或醚。 ②酸的脱水 一元羧酸脱水可生成酐，但通常不用其 作为制酐的方法。 ③酰胺脱水 酰胺脱水可得饱和腈(或氢氰酸)
第二章 微生物对污染物 的降解和转化
第一节 有机污染物的生物降解
一、有机污染物的降解途径
1.光降解（光解作用）
（具有紫外线吸收峰的化合物）
2.化学降解
（由于温度、氧气、pH、金属离子等发生化学降解或转化）
3.生物降解
（通过动物、植物和微生物的代谢活动来分解各种有机物）
自然界化学物质的降解主要通过上述三种途径交叉 进行，其中与微生物降解作用的关系最大。
Байду номын сангаас
4.影响酶活的因素
米歇里斯－门坦公式（酶促反应速度方程） ν =
K3[E][S] Km+[S] ( K m= K2+K3 K1 )
米氏常数Km表示反应速度为最大速度一半时的底物 浓度（又称为半速度常数）。 Km值越小，表示酶与底物的反应越趋于完全；Km值 越大，表明酶与底物的反应越不完全。
酶催化的专一性
一种酶仅能作用于某一种物质或一类结构相似的物质并催化某
种类型的反应，这种特性称为酶的专一性。
相对专一性（催化具有相同化学键或基团的一类物质 ）
R-COO-R’＋H2O R-COOH＋R’OH
脂肪酶
绝对专一性（仅催化一种化合物 ）
（NH2）2CO＋H2O
脲酶 CO2+2NH3
二、微生物的生物化学转化作用
8. 缩合反应 两个或多个有机分子相互作用后以共价键结合成 一个大分子，同时失去水或其他比较简单的无机 或有机分子的反应。
9. 氨化反应
-C=O -CH-NH2
（酮基发生氨化）
丙酮酸转化为丙氨酸： CH3COCOOH－CH3CHNH2COOH
二、微生物的生物化学转化作用
2、敏化光解(间接光解)
除了直接光解外，光还可以用其他方法使水中有机污染 物降解。一个光吸收分子可能将它的过剩能量转移到一个接 受体分子，导致接受体反应，这种反应就是光敏化作用。2， 5—二甲基呋喃就是可被光敏化作用降解的一个化合物，在 蒸馏水中将其暴露于阳光中没有反应，但是它在含有天然腐 殖质的水中降解很快，这是由于腐殖质可以强烈地吸收波长 小于500nm的光，并将部分能量转移给它，从而导致它的降 解反应。
•辅助因子本身无催化作用，它的主要作用是：
弥补氨基酸基团催化 强度的不足，改变并 稳定活性中心或改变 底物化学键稳定性 （底物—酶的催化对 象）。 例如：羧肽酶中的锌离 子：可稳定活性中心 使肽键失稳、吸附羧 氧原子。
•辅助因子本身无催化作用，它的主要作用是：
在酶促反应中运输转移电子、原子或某些 功能基，如参与氧化还原或运载酰基的 作用，协助活性中心基团快速转移。
光降解作用
光解过程可分为三类： 第一类称为直接光解，这是化合物本身直接吸收了太
阳能而进行分解反应；
第二类称为敏化光解，水体中存在的天然物质(如腐殖 质等)被阳光激发，又将其激发态的能量转移给化合物 而导致的分解反应； 第三类是氧化反应，天然物质被辐照而产生自由基或 纯态氧(又称单一氧)等中间体，这些中间体又与化合 物作用而生成转化的产物。
当底物浓度很高时，溶液中的酶全部与底物结合成 中间产物，虽增加底物浓度也不会有更多的中间产物生 成。反应速度的增加也减缓。
（3）温度对酶反应速度的影响
温度对酶促反应速度的 影响有两方面：
一方面是当温度升高 时，反应速度也加快。
另一方面，随温度升高而使酶逐步变性，即通过减 少有活性的酶而降低酶的反应速度，酶的最适温度就 是这两种过程平衡的结果。
立体异构专一性
(3) 敏感性：对环境条件极为敏感，酶容易失活 (4) 酶活力的调节控制：如抑制剂调节、共价修饰调 节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。调整的 本质是酶的活性中心的改变（有或无、优或劣） (5) 酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关，有 些酶是复合蛋白质，其中的小分子物质(辅酶、辅 基及金属离子)与酶的催化活性密切相关。若将它 们除去，酶就失去活性。
思考题
1 有机污染物的降解途径有哪些？ 2 什么是酶？ 3 酶的化学本质和催化反应特性有哪些？
3、氧化反应
有机毒物在水环境中所常遇见的氧化剂有单重态氧 (1O2)，烷基过氧自由基(RO2· )，烷氧自由基(RO· )或羟自 由基(OH· )。这些自由基虽然是光化学的产物，但它们是
与基态的有机物起作用的，所以把它们放在光化学反应 以外，单独作为氧化反应这一类。
二、微生物的生物化学转化作用
生物降解（biodegradation）
酶的活性部位决定了其作用于什么样的底物
•1.酶和一般催化剂比较
（1）用量少而催化效率高； （2）不改变化学反应的平衡点
（3）可降低反应的活化能