环境微生物微生物对化学物质的降解与转化共59页
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
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
对于高浓度有机物废水
5.测COD30：
推测废水可生化降解性能和经生化 处理后的最高COD去除率。
6.培养法：
通过模拟生物处理实验，评价可生化降解性。
思考题
1 污染控制工程中常用的可生化降解性能评价
方法有哪些？ 2 什么是微生物的内源呼吸和生化呼吸？ 3 如何通过检测BOD5与CODcr之比来评价有
2.测呼吸线：
测定基质的好氧曲线，把微生物对基质的生化呼吸 线与其内源呼吸线相比较来评价机制的生物降解性。 内呼吸线与生化呼吸线： 活性污泥微生物处于内源呼吸时，以微生物自身 细胞物质为基质，耗氧量与时间呈直线关系，称 “内呼吸线”； 当存在外源物质作为微生物代谢基质时，耗氧量 与时间关系为特征曲线，称“生化呼吸线”
第四节 有机污染物生物降解 性的测定方法
1.测定生物氧化率：
以活性污泥为测定用微生物，以单一被测定有机物为底 物，在瓦氏呼吸仪上检测其耗氧量，与该底物完全氧化的 理论需氧量之比，为被测定化合物的生物氧化率。 生物氧化率高，则该化合物易于生化降解。
有机物 甲苯 醋酸乙烯酯 苯 乙二胺 生物氧化率（％） 53 34 24 24 有机物 二甘醇 二癸基苯二甲酸 乙基－己基丙烯盐 生物氧化率（％） 5 1 0
4.官能团的数量和性质：
苯（难）与苯酚、苯胺； 五氯酚、间氯酚（难）与一氯酚、邻氯酚、对氯 酚；（卤代作用，间位取代） 一级醇、二级醇与三级醇（难）。
5.分子量的影响
大分子比小分子抗生物降解能力强
〔例〕硬型烷基苯磺酸钠（ABS）减少支链、去除4级碳原子，变 为软型烷基苯磺酸钠（LAS），可生物降解性能提高（前者1个 月降解20-30%，后者1周去除90%）
微生物对污染物的降解与转化
| CH3
NaSO3
CH3 | CHCH2 3
CH3 | C CH3
|
CH3
ABS
甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的季碳 原子抗攻击的能力更强。
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危害：ABS可以在天然水体中存留800h以上，使这得接 纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫，引起水体缺氧。 为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线 性的直链烷基苯磺酸盐（LAS）：
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相对耗氧速率－－有外源物质存在时，单位生物量 在单位时间内的耗氧量与内源呼吸的耗氧速率之比。
a.底物无毒，但不能被微生物所利用。 b.底物无毒，能被微生物所利用。 c.底物有毒，可被微生物利用， 但在浓度较高的情况下对微生物发生 抑制作用。 d.底物有毒，不能被微生物所利用。
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5.共代谢
※※共代谢――微生物处在能生长的基质 中时，同时能将原来不能利用的物质氧化 的现象。 共代谢的方式：①依靠其他物质提供能量； ②依靠其他微生物的协同作用；③先经相 似物诱导产生诱导酶，使污染物得以降解。
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（二）影响微生物降解与转化的因素
化学结构：链长、官能团、取代基、异构体。 共代谢： 环境理化因素：微生物的生长条件（温度、水 分、光照、有害物）；污染物的溶解度。 中间产物或终产物：结构变化、毒性改变。
来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废
水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。
A．微生物分解途径
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纤维素酶 纤维二糖酶 纤维素 纤维二糖 葡萄糖 糖酵解 厌 氧 发 三羧酸 酵 循 环 葡萄糖 丙酮丁醇发酵 丙酮 + 丁醇 + CO2 + H2 丁酸发酵 丁酸 + 乙酸 + CO2 + H2
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微生物对污染物的降解和转化•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、人造纤维废水及城市垃圾等，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、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。
•需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。
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降解呢？•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(Phanerochaete chrysosprium)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。
微生物对污染物的降解与转化
• 确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的 只有软腐菌。
黄孢原平毛革菌 (Phanerochaete chrysosprium)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。
白腐—树皮上木质素被该菌分 解后漏出白色的纤维素部分。
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（二）油脂的转化
水中来源：毛纺、毛条厂废水、
CH3 | C CH2
| CH3
NaSO3
CH3 | CHCH2 3
CH3 | C CH3
|
CH3
ABS
甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的季碳 原子抗攻击的能力更强。
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危害：ABS可以在天然水体中存留800h以上，使这得接 纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫，引起水体缺氧。 为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线 性的直链烷基苯磺酸盐（LAS）：
微生物对污染物的降 解与转化
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自然界中物质的降解有三种方式：光降解、 化学降解、生物降解。
生物降解——指由生物对污染物进行的分解或降 解。 降解――将复杂有机物分解为简单物质的过程。 终极降解――微生物把有机物分解产生无机物 CO2和H2O的过程。
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第一节 有机污染物的生物降解
故现场以及石化行业的工业废水中。
1．石油成分的生物降解性
与分子结构有关
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A．链长度 链中等长度（C10~C24）＞链很长的（C24以上）＞短链 （*？） B．链结构 直链 ? 支链 不饱和 ? 饱和 烷烃 ? 芳烃
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环境微生物-污染物的降解与转化
• 3、每个碳原子上至少保持一个氢碳键的有机物，其支 链对生物降解的阻抗较弱，当碳原子上的氢全部被烷基 或芳基取代时，就会产生很强的阻抗作用；
4、相对质量的大小是影响有机物生物降解的重要因素，对聚合 和复合而成的高分子化合物，由于微生物及其酶系统不能触及 化合物的内部，袭击其敏感化学键，可生物降解性降低；
如果除底物不同外，其他测定条件完全相同，则测 定的生物氧化率的大小在一定程度上可反映这些化合物 的可生物降解性。
2、基质生化呼吸线 基质生化呼吸线也称基质的耗氧曲线，是指微生物
分解基质的耗氧量随时间的变化曲线。把微生物对污染 物基质的生化呼吸线与其内源呼吸线相比较，可作为基 质可生物降解性的评价手段。
二、石油降解的生化途径 微生物降解石油中各种烃类的生化过程因烃类
不同而各异，但起始反应十分相似，即在加氧酶的 催化下，将分子氧（O2）组入基质中，形成一种含 氧的中间产物，然后转化成其它物质参加代谢过程。
乙烷、丙烷、丁烷可通过某些靠甲烷生长的细菌进行共代 谢，即利用甲烷作为碳源和能源，同时把乙烷、丙烷、丁烷转 变成相应的酸类或酮类，它们可进一步被多种微生物降解。
三、影响微生物降解与转化的主要因素
（一）污染物的化学结构
有机污染物生物降解的难易程度不仅 与生物特性有关，同时也与有机物的特性 有关。有机污染物化学结构的复杂程度、 基团的性质与位置均可影响微生物的酶解 活动。一般结构简单的有机物先降解，结 构复杂的后降解，分子量小的有机物比分 子量大的易降解。
• 1、对于烃类化合物，一般链烃比环烃易降解，直链烃 比支链烃易降解，不饱和烃比饱和烃易降解；
微生物对环境污染物降解和转化的研究进展
微生物对环境污染物降解和转化的研究进展人类的工业活动、农业生产和生活污水排放等都会导致环境污染，这些污染物会对环境、生态系统和人类健康造成不可逆的影响。
然而，微生物作为一种天然的生物降解剂，有着广泛的降解和转化污染物的能力。
在生物科学领域中，越来越多的研究者开始借助微生物来探究环境污染问题，为环境污染治理提供新的思路和方法。
本文将对微生物对环境污染物降解和转化的研究进展进行探讨。
一、微生物对常见环境污染物的降解微生物在自然界中广泛存在，包括细菌、真菌、放线菌、藻类等。
这些微生物可以利用环境中的污染物作为能量来源并将其转化成无害物质，从而减缓或消除环境污染。
下面我们将重点讨论微生物对常见环境污染物的降解。
1. 石油类化合物的降解由于石油的开采、运输、储存和使用等过程中往往伴随着泄露和溢漏事件，石油类化合物就成为一类常见的环境污染物。
研究表明，细菌能够利用石油类化合物作为碳源、能源和维生素，将其转化成二氧化碳和水等无害物质。
例如，石油脱氮菌、石油脱硫菌和石油酸性物质降解细菌等都能够有效地降解石油类化合物。
此外，真菌也被发现具有降解石油类化合物的能力，特别是白腐真菌和土壤放线菌等。
2. 氯化有机物的降解氯化有机物是一类广泛应用的化学物质，例如农药、染料、溶剂等。
然而，氯化有机物具有较强的毒性和耐久性，对环境和人类健康造成潜在的风险。
不过，许多微生物促进了氯化有机物的降解。
许多细菌和真菌都能降解氯代烷烃、氯化芳香烃和氯代丙烯酸酯等。
其中，脱氯菌是一类具有特殊能力的细菌，能够催化氯代烷烃的脱氯反应。
3. 难降解有机物的降解环境中还存在许多难降解的有机物，如多环芳香烃、半挥发性有机物和化学需氧量高等。
这些有机物可导致污染土壤、空气和水体，对生态系统和人健康造成重大危害。
幸运的是，细菌和真菌具有对这些难降解有机物进行降解的能力。
许多研究者利用这些微生物开发了一系列生物技术来降解这些有机物，例如生物滴滤池、生物氧化沟以及土壤生物修复等。
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环境微生物微生物对化学物质的降解与转 化
31、园日涉以成趣，门虽设而常关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月 扬明辉 ，冬岭 秀孤松 。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
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