有机污染物生物降解途径
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第二章 微生物对污染物 的降解和转化
第五节 有机污染物生物降解途径
自然界物质循环中微生物的作用
有机质
CO2
一、生物组分的大分子有机物降解
1.多糖类的生物降解
纤维素的降解
纤维素――植物结构多糖 生物降解必须在产纤维素酶的微生物作用下分解成单糖。 纤维素酶包括：C1酶和Cx酶（β-1,4-葡聚糖酶）、β－葡 萄糖苷酶
半纤维素的分解
五碳糖、六碳糖及糖醛酸的组成的多糖
分解半纤维素的微生物：
真菌（双孢蘑菇） 放线菌（青铜色小单孢菌） 细菌（枯草杆菌） 原生动物 藻 类
一、生物组分的大分子有机物降解
2.木质素的生物降解
微生物不可以直接将木素作为碳源来利用； 可降解木素的酶：Mn过氧化物酶、漆酶、木素降解酶； 木素一般是先被降解成芳香族化合物，再由多种微生物继续 进行分解。
1.农药的环境污染
目前使用的农药主要有有机氯、有机磷、有机 氮和有机硫类；其中有机氯类最具危险性。
有机氯类农药为脂溶性的，易进入生物体内， 富集于内脏中。
2.微生物对农药的降解和转化
都是先被降解成双酚结构，再被其他微生物继续降解。
2,4-D（2,4-二氯苯氧乙酸）、草芽苹和2,4,5-T的降解、 DDT的降解（仅能通过微生物的共代谢得到降解）
（三）反硝化作用
3、环境对反硝化作用的影响
① 水分及通气状况
② pH值 ③ 有机质与NO-3含量
水稻土长期的干湿交替的状况
思 考 题
1 简要说明多糖类化合物（纤维素、半纤维 素、淀粉、原果胶）的生物代谢途径。 2 芳香族化合物的生化降解途径有何特点？
H2O2 MnP Mn3+ Mn3+ 丙二酸盐 丙二酸盐 螯合物
2+ MnP+ Mn
木素
H2O
氧化态木素 图 1-3 MnP降 解 木 素 机 制
一、生物组分的大分子有机物降解
3.脂类生物降解
脂质或称脂类（lipids）是由脂肪酸与醇缩合生成的酯及其衍生 物，根据脂类的主要成分分类，可将脂类分为单脂和复脂。 单脂是由各种高级脂肪酸和醇构成的酯，如常说的油脂，仅含 有脂肪酸和醇；复脂是除含有脂肪酸和各种醇以外还含有其它 成分的酯，如结合磷酸的称为“磷脂（phopholipids）等。 显著特点是一般不溶于水，而溶于乙醚、氯仿、苯等有机溶剂， 这种溶于有机溶剂而不溶于水的特性称为“脂溶性”。 酯类物质一般先通过脂肪酶降解成甘油和脂肪酸。甘油能被大 多数微生物所利用；脂肪酸通过β－氧化，分解成多个乙酸。
（二）硝化作用
铵氧化形成硝酸的微生物学过程
硝化作用 化能自养型 异 养 型
1、硝化细菌和硝化作用的过程 NH4+ 亚硝酸细菌 NO2硝酸细菌 NO3-
六、氮素循环中微生物的作用
（二）硝化作用
2、影响硝化作用的环境因素
(1)pH值：适宜微碱性
(2)温度：4-40℃，最适：25-35℃ (3)通气：需氧
微生物分解纤维素的生化机制 纤维素 纤维素复合酶
内切葡萄糖酶 外切葡萄糖酶 β -葡萄糖苷酶
单糖
纤维素复合酶的类型（按作用场所分）：
表面酶：分布于细胞表面,不能在其细胞培养液中起作用的酶（食纤维菌） 外 酶：分泌到胞外,在细胞生活环境中起作用的酶（真菌的纤维素酶）。
分解纤维素的微生物 (1)有氧、中温条件 a.真菌(木霉属) 木材腐朽： 棕色腐朽（褐腐）：真菌分解纤维素剩下木质素 白 腐：真菌分解木质素剩下纤维素 b.细菌（食纤维菌属) c.放线菌
2.烯烃类的微生物降解
根据双键位置不同（中部或C1-C2之间），氧化途径 不同。（图2-5有三种可能）
3.芳烃类的微生物降解
如有侧链，一般先从侧链开始分解；各种芳烃类化合 物虽然最终的步骤可能不同，但他们都有共同的中间 产物——双酚类化合物。
4.脂环烃类的微生物降解
烃类中，此类的抗生物降解性最强。
二、烃类化合物的微生物降解
1.烷烃类的微生物降解
（1）甲烷的氧化
CH4――CH3OH――HCHO――HCOOH――CO2
（2）乙烷、丙烷、丁烷的氧化
在甲烷菌的共代谢作用下，生成相应的酮，进一步 被微生物降解；
（3）高级烷烃类的氧化
高级烷烃低级化，低级形成相应的醛、酸、酮等。
二、烃类化合物的微生物降解
二、烃类化合物的微生物降解
5.海洋油污的微生物降解及其生态学特征
（1）海洋中石油污染物的迁移途径
主要由于石油降解微生物作用得以净化。
（2）海洋石油降解微生物的特点
分布上在近海，不在远海；石油降解菌的生长位置在水油交 界处，而不是在油液中。
（3）环境因子的影响
温度、氧和N、P
三、农药的微生物降解与转化
六、 氮素循环中微生物的作用
（一）氨化作用
（1）蛋白质分解 （2）核酸的分解的氨化
六、 氮素循环中微生物的作用
（一）氨化作用
(3)尿素的氨化 尿素细菌：
1、球菌：尿素生孢八叠球菌
2、芽孢杆菌：巴斯德尿素芽孢杆菌
（一）氨化作用
(3)尿素的氨化 尿素细菌的生理特点：
① 喜好碱性条件。
②以尿素、铵盐为N源，以有机C为C源、能源。
一、生物组分的大分子有机物降解
1.多糖类的生物降解
原果胶：半乳糖醛酸以α-1，4糖苷键连成 的多糖
由原果胶酶分解成可溶性果胶，再进一步 降解成果胶酸、半乳糖醛酸。
分解果胶的微生物 细 菌：芽孢杆菌、梭菌、假单孢菌等 放线菌：链霉菌、小单孢菌、游动放线菌等 真 菌：青霉、曲霉、木霉、根霉等
果胶分解的应用---麻类脱胶 水浸法：把麻类物质浸入水中，利用厌气微生 物分解其中的果胶。 露浸法：把麻类物质堆置并保持一定的湿度， 利用好氧微生物分解果胶。
(2)无氧中Fra Baidu bibliotek条件
细菌：纤维分解梭菌。
真菌：木朽菌、层孔菌 放线菌： (3)高温条件：在60—70℃条件下生长，并分解纤维素 细 菌：热纤维菌 放线菌：链霉菌属、小单孢菌属
一、生物组分的大分子有机物降解
1.多糖类的生物降解
淀粉――植物的贮存多糖
由产淀粉酶的微生物将淀粉水解成麦芽糖， 在进 入细胞内被微生物分解、利用。
(4)湿度：过量影响通气，不足引起细胞缺水。
3、硝化作用的农业意义 淋溶 硝化作用的化学抑制
（三）反硝化作用
微生物还原硝酸为亚硝酸、氨和N2的作用 1、反硝化作用的过程 NH3 合成性硝酸还原作用
HNO3 N2O 或 N2
硝酸盐的异化还原作用 （脱氮）
（三）反硝化作用 2、反硝化作用微生物 大多数：异养兼厌气性 极少数：化能自养型（脱氮硫杆菌）
（1）2,4-D（2,4-二氯苯氧乙酸）
真菌中黑曲霉，仅能将-OH基引入芳香环，
（2）草芽苹和2,4,5-T的降解
四、其它合成有机物的微生物降解 与转化
1.合成洗涤剂的降解和转化
LAS经末端氧化、β－氧化、脱磺基等作用产生苯甲酸或苯 乙酸，产生邻苯二酚降解 广泛应用于化工、电气、橡胶和塑料工业； 氯含量与降解难易程度相关； 光降解作用有利于脱氯，提高多氯联苯可生物降解性能 PEG400易降解，PEG1500降解速度下降，PEG4000难降解
2.多氯联苯（Polychlorobiphenyl，PCB）的降解
3.聚乙二醇（Polyethylenglycol，PEG）的降解
4.增塑剂的降解
光降解作用使塑料粉末化，相对分子量降至5000以下，利用微生 物利用。
五、有机汞的微生物分解、转化
抗汞微生物将有机汞还原为无机汞化物或金属汞。
第五节 有机污染物生物降解途径
自然界物质循环中微生物的作用
有机质
CO2
一、生物组分的大分子有机物降解
1.多糖类的生物降解
纤维素的降解
纤维素――植物结构多糖 生物降解必须在产纤维素酶的微生物作用下分解成单糖。 纤维素酶包括：C1酶和Cx酶（β-1,4-葡聚糖酶）、β－葡 萄糖苷酶
半纤维素的分解
五碳糖、六碳糖及糖醛酸的组成的多糖
分解半纤维素的微生物：
真菌（双孢蘑菇） 放线菌（青铜色小单孢菌） 细菌（枯草杆菌） 原生动物 藻 类
一、生物组分的大分子有机物降解
2.木质素的生物降解
微生物不可以直接将木素作为碳源来利用； 可降解木素的酶：Mn过氧化物酶、漆酶、木素降解酶； 木素一般是先被降解成芳香族化合物，再由多种微生物继续 进行分解。
1.农药的环境污染
目前使用的农药主要有有机氯、有机磷、有机 氮和有机硫类；其中有机氯类最具危险性。
有机氯类农药为脂溶性的，易进入生物体内， 富集于内脏中。
2.微生物对农药的降解和转化
都是先被降解成双酚结构，再被其他微生物继续降解。
2,4-D（2,4-二氯苯氧乙酸）、草芽苹和2,4,5-T的降解、 DDT的降解（仅能通过微生物的共代谢得到降解）
（三）反硝化作用
3、环境对反硝化作用的影响
① 水分及通气状况
② pH值 ③ 有机质与NO-3含量
水稻土长期的干湿交替的状况
思 考 题
1 简要说明多糖类化合物（纤维素、半纤维 素、淀粉、原果胶）的生物代谢途径。 2 芳香族化合物的生化降解途径有何特点？
H2O2 MnP Mn3+ Mn3+ 丙二酸盐 丙二酸盐 螯合物
2+ MnP+ Mn
木素
H2O
氧化态木素 图 1-3 MnP降 解 木 素 机 制
一、生物组分的大分子有机物降解
3.脂类生物降解
脂质或称脂类（lipids）是由脂肪酸与醇缩合生成的酯及其衍生 物，根据脂类的主要成分分类，可将脂类分为单脂和复脂。 单脂是由各种高级脂肪酸和醇构成的酯，如常说的油脂，仅含 有脂肪酸和醇；复脂是除含有脂肪酸和各种醇以外还含有其它 成分的酯，如结合磷酸的称为“磷脂（phopholipids）等。 显著特点是一般不溶于水，而溶于乙醚、氯仿、苯等有机溶剂， 这种溶于有机溶剂而不溶于水的特性称为“脂溶性”。 酯类物质一般先通过脂肪酶降解成甘油和脂肪酸。甘油能被大 多数微生物所利用；脂肪酸通过β－氧化，分解成多个乙酸。
（二）硝化作用
铵氧化形成硝酸的微生物学过程
硝化作用 化能自养型 异 养 型
1、硝化细菌和硝化作用的过程 NH4+ 亚硝酸细菌 NO2硝酸细菌 NO3-
六、氮素循环中微生物的作用
（二）硝化作用
2、影响硝化作用的环境因素
(1)pH值：适宜微碱性
(2)温度：4-40℃，最适：25-35℃ (3)通气：需氧
微生物分解纤维素的生化机制 纤维素 纤维素复合酶
内切葡萄糖酶 外切葡萄糖酶 β -葡萄糖苷酶
单糖
纤维素复合酶的类型（按作用场所分）：
表面酶：分布于细胞表面,不能在其细胞培养液中起作用的酶（食纤维菌） 外 酶：分泌到胞外,在细胞生活环境中起作用的酶（真菌的纤维素酶）。
分解纤维素的微生物 (1)有氧、中温条件 a.真菌(木霉属) 木材腐朽： 棕色腐朽（褐腐）：真菌分解纤维素剩下木质素 白 腐：真菌分解木质素剩下纤维素 b.细菌（食纤维菌属) c.放线菌
2.烯烃类的微生物降解
根据双键位置不同（中部或C1-C2之间），氧化途径 不同。（图2-5有三种可能）
3.芳烃类的微生物降解
如有侧链，一般先从侧链开始分解；各种芳烃类化合 物虽然最终的步骤可能不同，但他们都有共同的中间 产物——双酚类化合物。
4.脂环烃类的微生物降解
烃类中，此类的抗生物降解性最强。
二、烃类化合物的微生物降解
1.烷烃类的微生物降解
（1）甲烷的氧化
CH4――CH3OH――HCHO――HCOOH――CO2
（2）乙烷、丙烷、丁烷的氧化
在甲烷菌的共代谢作用下，生成相应的酮，进一步 被微生物降解；
（3）高级烷烃类的氧化
高级烷烃低级化，低级形成相应的醛、酸、酮等。
二、烃类化合物的微生物降解
二、烃类化合物的微生物降解
5.海洋油污的微生物降解及其生态学特征
（1）海洋中石油污染物的迁移途径
主要由于石油降解微生物作用得以净化。
（2）海洋石油降解微生物的特点
分布上在近海，不在远海；石油降解菌的生长位置在水油交 界处，而不是在油液中。
（3）环境因子的影响
温度、氧和N、P
三、农药的微生物降解与转化
六、 氮素循环中微生物的作用
（一）氨化作用
（1）蛋白质分解 （2）核酸的分解的氨化
六、 氮素循环中微生物的作用
（一）氨化作用
(3)尿素的氨化 尿素细菌：
1、球菌：尿素生孢八叠球菌
2、芽孢杆菌：巴斯德尿素芽孢杆菌
（一）氨化作用
(3)尿素的氨化 尿素细菌的生理特点：
① 喜好碱性条件。
②以尿素、铵盐为N源，以有机C为C源、能源。
一、生物组分的大分子有机物降解
1.多糖类的生物降解
原果胶：半乳糖醛酸以α-1，4糖苷键连成 的多糖
由原果胶酶分解成可溶性果胶，再进一步 降解成果胶酸、半乳糖醛酸。
分解果胶的微生物 细 菌：芽孢杆菌、梭菌、假单孢菌等 放线菌：链霉菌、小单孢菌、游动放线菌等 真 菌：青霉、曲霉、木霉、根霉等
果胶分解的应用---麻类脱胶 水浸法：把麻类物质浸入水中，利用厌气微生 物分解其中的果胶。 露浸法：把麻类物质堆置并保持一定的湿度， 利用好氧微生物分解果胶。
(2)无氧中Fra Baidu bibliotek条件
细菌：纤维分解梭菌。
真菌：木朽菌、层孔菌 放线菌： (3)高温条件：在60—70℃条件下生长，并分解纤维素 细 菌：热纤维菌 放线菌：链霉菌属、小单孢菌属
一、生物组分的大分子有机物降解
1.多糖类的生物降解
淀粉――植物的贮存多糖
由产淀粉酶的微生物将淀粉水解成麦芽糖， 在进 入细胞内被微生物分解、利用。
(4)湿度：过量影响通气，不足引起细胞缺水。
3、硝化作用的农业意义 淋溶 硝化作用的化学抑制
（三）反硝化作用
微生物还原硝酸为亚硝酸、氨和N2的作用 1、反硝化作用的过程 NH3 合成性硝酸还原作用
HNO3 N2O 或 N2
硝酸盐的异化还原作用 （脱氮）
（三）反硝化作用 2、反硝化作用微生物 大多数：异养兼厌气性 极少数：化能自养型（脱氮硫杆菌）
（1）2,4-D（2,4-二氯苯氧乙酸）
真菌中黑曲霉，仅能将-OH基引入芳香环，
（2）草芽苹和2,4,5-T的降解
四、其它合成有机物的微生物降解 与转化
1.合成洗涤剂的降解和转化
LAS经末端氧化、β－氧化、脱磺基等作用产生苯甲酸或苯 乙酸，产生邻苯二酚降解 广泛应用于化工、电气、橡胶和塑料工业； 氯含量与降解难易程度相关； 光降解作用有利于脱氯，提高多氯联苯可生物降解性能 PEG400易降解，PEG1500降解速度下降，PEG4000难降解
2.多氯联苯（Polychlorobiphenyl，PCB）的降解
3.聚乙二醇（Polyethylenglycol，PEG）的降解
4.增塑剂的降解
光降解作用使塑料粉末化，相对分子量降至5000以下，利用微生 物利用。
五、有机汞的微生物分解、转化
抗汞微生物将有机汞还原为无机汞化物或金属汞。