10第十章 微生物对难降解物质的降解与转化污染控制微生物

微生物对合成有机物的分解与转化
微生物对农药的作用方式是多种多样，可以归 纳为六种作用类型： 去毒作用 农药分子被微生物作用后变有毒 将复杂的农药化合物转变为简单
为无毒。
降解作用
化合物，或者彻底分解为CO2和H2O及NH3、
Cl - 。如果完全被分解成无机化合物，即称为 农药的矿化。
微生物对合成有机物的分解与转化
活化作用 将无毒的物质转化为有毒的农药。 如除草剂2，4-D丁酸 、杀虫剂甲拌磷，是经土 壤中微生物作用后的代谢产物，对杂草及昆虫有
毒害作用。
失去活性 本来是一个无毒的有机分子，在微
生物作用下可以成为农药，但有的微生物能将这
样的分子转化为另一无毒分子，使其再不能被活 化成为农药。
微生物对合成有机物的分解与转化
对这类物质可以通过其他方式使其转化为可
生物降解的物质，如 O 3 氧化，给水处理中 的O3-GAC或O3-BAC法即依据此原理。
污染物的生物降解
4) 可以通过共代谢作用分解的，共代谢，又 称共氧化、联合氧化，有的称为辅助代谢， 是指微生物在它有可利用的唯一碳源存在时
，对原来不能利用的物质也能分解代谢的现
象。是由美国德克萨大学的二位学者发现， 如甲烷假单胞菌唯一能利用的碳源是 CH 4 ， 但如果有 CH 4 存在时加入 C 3H 8 、 C 4 H 10 时， 则该菌也能将这些烃类部分氧化为乙酸，丙
酸和丁酸。
微生物降解有机污染物的潜能
在自然界中有巨大数量的微生物种群，这些微生
物种群对有机物的降解能力也存在着极大差别。 微生物降解有机物质能力的多样性，给利用微生 物处理不同的工业废水提供了可能性。 微生物分解有机污染物的能力很强，如果能把这
微生物对无机污染物的转化
汞的生物学转化
在自然界中，有些微生物可转化汞，可把元素汞和 离子汞转化为甲基汞和二甲基汞。 Hg0→Hg2＋→CH3Hg＋或Hg→Hg2＋→CH3HgCH3 二甲基汞在酸性条件下能转化为甲基汞。汞的转化 一般是通过细菌的作用。微生物利用底物中的维生素、 甲基维生素 B 12 ，在细胞内的甲基转移酶作用下，促使 甲基转移而形成甲基汞。 产甲烷细菌具有将元素汞和离子汞转化为甲基汞的 能力。由于甲基汞对生物毒性很强，而产甲烷细菌又常 存在于含无机汞较多的水体底部淤泥中，因此，产甲烷 细菌的活动使受汞污染的水域汞害大大加剧。
汞循环降解与转化
污染物的生物降解
研究有机污染物的生物降解性，有助于深入认 识污染物在环境中的迁移转化规律和了解这些污染物 对自然界物质转化循环的影响程度，从而为控制污染
，保护环境提供理论上的依据。此外，这项研究与保 护人类健康和自然界生态平衡有密切关系
有机污染物的生物降解性
•
（2）β-葡萄糖苷酶可水解纤维二糖、纤 维三糖及低分子量的寡糖成葡萄糖。这种 酶过去被称为纤维二糖酶，这显然不合适 ，因为它的作用底物不只是纤维二糖。
微生物对自然界中难降解物质的分解与转化
纤维素分解过程
第三节 微生物对石油化工废水中烃 类化合物的分解与转化
烃类化合物的分解
芳香族化合物的分解 在芳香族与杂环化合物分解过程中起重 要作用的微生物有假单胞菌、无色杆菌、节杆
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。
污染物的生物降解
污染物的生物降解
3) 生物降解十分缓慢或者根本就不能降解
的，
它包括一些天然高分子物质以及许多
人类起源的有机化合物，如有机氯化化物。
结合、复合或加成作用 微生物的细胞代谢产 物与农药结合，形成更为复杂的物质。如将氨 基酸、有机酸、甲基或者其它基团加在作用的
底物上。这些作用过程也常常是解毒作用。
改变毒性谱 某些农药对一类有机体有毒，但
是它们被微生物代谢后，得到的产物能抑制完
全不同的另一类有机体，毒性谱发生了改变。 如5-氯苯甲醇转化为4-氯苯甲酸。
汞的化学转化
汞能在中性水溶液内，用甲基钴氨素作为甲基供体 ，完全以非生物反应进行甲基化。这一反应可快速且定 量进行，而且在好氧和厌氧条件下都能进行。有人曾用 一种产甲烷细菌的无细胞抽提液进行试验，由于有这类 菌合成的甲基钴氨素作为甲基供体，并在ATP和一种酶 还原剂存在的条件下，甲基钴氨素中的甲基向二价汞转 移，形成甲基汞和二甲基汞，同时甲基钴氨素转化成羟 基钴氨素。以后又进一步发现，在无还原剂和细胞抽提 液的情况下，只要给以甲基供体 ——甲基钴氨素，也能 发生完全是非生物学汞的甲基化过程。此外，在有氯化 汞和乙酸存在时，在甲基锡化合物作用下，也能发生汞 的非酶甲基化作用。
菌、棒杆菌、诺卡氏菌、分枝杆菌、曲霉、青
霉等，这些微生物都能不同程度地使芳香族与
杂环化合物分解。
微生物对烃类化合物的分解与转化
微生物分解芳香族化合物的方式有两种：
在酶的作用下直接将分子中的环状结构打开
芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉环
上的侧链基团，使之转变成儿茶酚或原儿茶
酸，
微生物对合成有机物的分解与转化
降解。
3) 最终生物降解是指有机污染物向无机 物转化，完全被降解成CO2、H2O和其他无机 物，并被同化为微生物的一部分。
污染物的生物降解
根据有机污染物与微生物的相互关系可
以将有机污染物分为4类。
可以立即被微生物利用作为营养和能量来
源的
能够逐步被微生物分解利用的 生物降解十分缓慢或者根本就不能降解的 可以通过共代谢作用分解的
种潜力发掘出来，对环境保护工作有巨大贡献。
第二节 微生物对自然界中难降解物质的分解与转化
自然界中的纤维素主要来源于稻草， 树木、蔗渣、芦苇、野生植物等。我国仅非 木材纤维年产量就超过 1 × 10 12kg 。这些非 木材纤维以及大量的木材加工剩余物，都是 取之不尽的天然高分子原料和能源。由于纤 维素具有水不溶性的高结晶构造 ,其外围又被 木质素层包围着,要把它水解成可利用的葡萄 糖相当困难,所以到目前为止仍没有得到很好 地利用.
合成洗涤剂的降解 洗涤剂是人工合成的高分子聚合物。合成洗涤剂的主要 成分是表面活性剂。 化学农药的降解 过去使用农药在提高农产品产量、保护秧苗、保 护森林资源、农产品贮存等方面也起过积极作用。但是 就在农药为人类造福的同时，也污染了人类生存的环境 ，又给人类带来严重的危害。因为农药的毒性很强，又 很稳定，很难被微生物降解。年复一年，大量的农药倾 入环境，所以在环境中有大量的农药积累。 农药还可以从土壤中进入大气和水体，通过食物链 进入人体。尤其是那些化学性质稳定，在环境中不易分 解的有机氯农药。
第五节 微生物对无机污染物的转化
重金属--汞污染与转化
由于汞在工业上的广泛应用，自然界汞的 开采量逐年增多。如生产电池、路灯、继电器 等工业都需要汞；生产氯乙烯塑料和乙醛也都 要用氯化汞作催化剂；很多化学农药中亦含有
无机汞或有机汞。因此，含汞污染物质不断地
排入环境，从而造成了汞的污染。
微生物对无机污染物的转化
纤维素的结构
纤维素是一种复杂的多糖，由β —1.4葡萄 糖苷键形成的长链，每个纤维素分子大约有 8000–10000个葡萄糖残基组成。链与链之间以 氢键连接起来。植物纤维素外围还包裹着其他高 分子物质。
植物纤维素的结构图
微生物对自然界中难降解物质的分解与转化
（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
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。
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
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
2) 环境容许的生物降解是指可去除有机 污染物的毒性或人们所不希望的特性，如表面 活性剂的降解过程中那种使其失去起泡作用的
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