污染物生物降解的影响因素

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5. 取代基的位置、种类、数量及碳链长短
影响化合物的生物降解性
• 二. 有机物结构影响生物降解性的原因 1. 空间阻碍： 胞外酶难以接触到易降解部分 2. 毒性抑制
不同取代基团具有不同毒性
3. 增加反应步骤
支链的增加会降低化合物的生物降解
4. 有机物吸收、运输到细胞内方式
• 三. 微生物混合培养与生物降解 1. 混合菌株之间的协同作用 好氧菌之间、厌氧菌之间、细菌之间 细菌与真菌之间 工业废水污染物成分复杂
缺少过氧化物酶和超氧化物歧化酶（SOD） 产甲烷细菌
厌氧条件降解废水有机物产生甲烷
4. 酸碱度 不同 pH 环境存在不同类型的微生物物 酸性环境: 真菌 中性和碱性环境: 细菌和放线菌 pH 不同影响有机污染物的溶解状态 5. 盐度 嗜盐菌和耐盐菌，不同环境微生物的适应性 6. 吸附作用和沉积物 污染物被其他物质所吸附形成络和物 影响降解
提高复杂有机污染物的降解率
对多种污染物进行降解
1. 互生机制
单独均可降解 混合培养增加效率
芳环类化合物的降解需要多种酶
不同微生物产生的酶有差异
共同的作用提高了降解效率
• 2. 共生机制
单独不能降解，共同培养可降解
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
• 五. 影响微生物生物降解的环境因素
2. 湿度
在土壤中湿度是一个重要的环境因素
1）微生物的生命活动需要水
2）湿度可控制氧的水平
水充满土壤微孔的80~90%时 土壤从好氧条件转变为厌氧条件
3. 溶解氧
好氧细菌：有氧呼吸的电子受体
好氧性异养菌：以有机污染物为底物
好氧性自养菌：以还原态的无机物为底物
活性污泥法、生物膜法：好氧微生物降解
好氧生物处理
污染物降解的生化过程
3. 测试和分析方法：精确判断修复程度
4. 生物毒性：微生物代谢产物毒性分析
有毒污染物降解、转化过程中毒性问题
三. 生物修复技术的原理 1. 用于生物修复的微生物 1）土著微生物（native microorganisms） 降解污染物的潜力最大 外来微生物在环境中难以保持较高的代谢活性 工程菌的应用受到严格的限制 化学物品的降解是分步进行的 需要多种酶和多种微生物的参与
几小时内能降解海上溢油的2/3的烃类
而自然消除需要一年多的时间
超级质粒的构建过程 在选择性培养基上 通过接合使质粒从一个细菌转移到另一细菌 2. 降解性质粒DNA的体外重组 从供体细胞基因组中分离目的基因 目的基因与载体连接 重组质粒转移到受体菌 目的基因表达
E. coli是广泛使用的受体菌
遗传背景最基础、致病性弱、容易培养
2）外来微生物（foreign microorganisms） 向污染环境接种一些降解污染物的高效菌 受到土著微生物的竞争 大量接种形成优势
3）基因工程菌（ gene engineering microorganism）
降解基因能有效地降解污染物
将甲苯降解基因从Pseudomonas putida中转移
第九节 生物降解的遗传基础及工程菌
一. 生物降解与降解质粒
抗药性质粒、降解性质粒和载体质粒
70年代，从许多具有特殊降解能力的
细菌中发现降解质粒
降解质粒编码降解酶
许多可诱导生物降解酶系均是由质粒编码
降解质粒的种类与特征
二. 降解性质粒（根据功能可分为四类） 1.石油降解质粒（ Pseudomonas ） 编码降解石油、及衍生物如樟脑、辛烷、 奈、水杨酸盐、甲苯和二甲苯等 2. 农药降解质粒，如降解2,4-D，六六六等 3. 工业化工污染物的降解质粒 氯联苯和尼龙低聚体降解质粒 4. 抗重金属离子的质粒 有些降解质粒具有结合转移的特性 在实际应用中具有意义
氧化速率高，必须满足微生物对氧的需要
兼性厌氧细菌： 有氧时有氧呼吸 无氧时进行发酵 电子受体：氧 电子受体：有机物
反硝化细菌（硝酸盐还原细菌） 有氧时将有机物氧化为无机物
当缺氧时无氧呼吸氧化葡萄糖等
NO3-本身被还原为分子氮，污水除碳与脱氮
厌氧细菌 不需要氧 有氧条件产生阴离子自由基，对细胞有毒害
三. 工程菌的构建 针对某些特定的污染物构建基因工程菌 直接分离的菌种降解活性水平一般较低 遗传改造，定向选育超级工程菌 利用降解性质粒的相容性 把降解不同底物的质粒组合到一个菌株中 使之能够降解多种污染物
1. 构建带有多个质粒的新菌株 将降解萘（NAH)、水杨酸（SAL） 辛烷（OCT）和樟脑（CAM）的质粒组合 到一个Pseudomonas sp.， 构建降解脂肪烃、芳烃、萜和多环芳烃菌株 超级细菌降解石油的速度快、效率高
一. 生物修复技术的优点 欧美发达国家从80年代中期开始研究 治理大面积污染的一种有价值方法 1. 环境影响小，不会造成二次污染 2. 最大限度地降低污染物浓度 3. 应用范围有独特优势，地下，建筑物下等地 4. 可同时处理污染的土壤和地下水 5. 费用低
二. 综合科学 1. 工程科学：为微生物提供最合适微环境 并促进污染物与微生物之间相互接触 2. 微生物学：微生物对污染物的降解作用
鼓气、翻土、向土壤中添加产氧剂 （如双氧水、固体过氧化物）
3）共代谢基质 一株 Pseudomonas sp. 以甲苯作为生长基质时， 可以对三氯已烯共代谢降解
4）有毒有害有机污染物的物理化学性质
淋失与吸附、溶解性、挥发、生物降解
化学反应等方面
5）污染现场和土壤板结 土壤空隙大小、连续度、气水比例 影响污染物的迁移 土壤特性和污染物的理化性质 影响污染物在气水两相的相对活性 无机颗粒能吸附有机污染物 提供一个反应表面 有机固体能吸附阻留在土壤中的有机污染物
1. 温度 影响微生物的生长繁殖、代谢速率
嗜冷菌（psychrophiles）最适温度15 °C以下
耐冷菌（psychrotroph）最适温度15~20 °C
中温菌（mesophiles）最适温度20~40 °C
嗜热菌（ thermophiles ）最适温度45 °C以上 超嗜热菌（hyperthermophiles）最适温度80 °C 影响有机物的物理状态：固相液，溶解度
给受体菌，使之在0 °C 能降解甲苯
2. 生物修复的影响因素 1）微生物营养盐 微生物生长繁殖营养要求 而污染物只是其中的一种或几种 土壤、地下水，氮、磷限制因素 添加营养物：合适的形式（能够利用） 适合的比例
2） 电子受体 种类和浓度 主要有三类电子受体 氧 有机物分解的中间产物 无机酸根如硝酸根和硫酸根
混合菌更具价值
• 2. 单一微生物容易产生有毒的末端产物
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这种毒物对微生物的生长具有抑制作用
氧化甲烷的微生物群落由四种菌组成
• Pseudomonas sp 将甲烷氧化甲醇 (抑制生长)
• 生丝微菌属成员利用甲醇作为生长基质
• 其他两种微生物的作用还不清楚
• 这四种类型的微生物必须保持生态平衡
• 四.混合菌培养的机制
四. 生物修复应用实例 1989年4.2104原油泄漏在阿拉斯加海岸 在受污染海滩添加两种亲油的微生物营养成分
分析效果
结果：异养菌、石油降解菌增加1~2个数量级
石油污染物降解速度提高了2~3倍
净化过程加快了两个月
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第八节 影响污染物生物降解的因素 被降解化合物的种类及浓度
微生物群体的活性，如群体的相互作用 直接控制反应速度的环境因素
• 一. 有机物结构与生物可降解性 • 1.源自文库链烃比环烃易生物降解 • • 2. 不饱和烃比饱和烃易分解 3. 主链上个别碳原子被其他元素所取代
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会增加对生物氧化的抵抗力
4. 碳支链对代谢作用有一定影响
容易在环境中检测、适宜作为污水处理菌 将尼龙降解质粒（pOAD2）和pBR322 分别用Hind III酶切后连接 将重组质粒转移到 E.coli
第十节
生物修复技术（Bioremediation）
利用微生物及其他生物将污染物现场降解转化 为无害物质的工程技术 天然微生物自然降解转化过程很慢 自然条件下: 溶解氧不足，营养盐缺乏 缺乏高效降解微生物 这些微生物生长缓慢等因素