微生物对污染物的降解和转化

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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。

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。



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。
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。
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
(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
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。

(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。
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)
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
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
(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。
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
•2.酶作为生物催化剂的特性
催化效率高: 反应速度是无酶 催化或普通人造 催化剂催化反应 速度的10的6次 方至10的16次方 倍。
(三)酶的催化特性

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。
(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。
•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。
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
思考题
1 有机污染物的降解途径有哪些? 2 什么是酶? 3 wk.baidu.com的化学本质和催化反应特性有哪些?
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)
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)

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。
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。
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