第十章微生物的有机物降解..

微 生 物
有机污染 物的生物 分解过程
化学能(污染物等)、光能 受 氢 体 O2、CO2、SO42-、NO3-等
生 物 不 可 降 解 残 留 物
热能
随水排出 3
二、生物分解的分类 1、根据生物分解的程度和最终产物的不同， 有机物的生物分解可分为生物去除（表观分 解）、初级分解、环境可接收的分解和完全分 解（矿化）等不同类型。
初级分解（Primary biodegradation）
环境可接收的分解 （Environmentally acceptable biodegradation） 完全分解 （Ultimate biodegradation）
在分解过程中，化学物质的分子结构发生变 化，从而失去原化学物质特征的分解。
经过生物分解，化学物质的物理化学性质和 毒性达到环境安全要求的程度。
根据分解 条件分类
好氧分解：在好氧条件下进行的分解
好氧呼吸 厌氧呼吸
厌氧分解：在厌氧条件下进行的分解 发酵 好氧微生物（aerobe）：只能在有氧条件下生长，
没有氧气无法生存.
微生 物的 分类 厌氧微生物（anaerobe）：只能在没有氧气的环境 下生长，有氧气反而不能生长。
兼性微生物（facultative aerobe）：即可在有氧条
• （一）生物分解潜能试验 • 目的：评价有机物是否具有被生物分解的潜在性。 根据评价的目的不同，可分为易生物分解试验和 本质性分解试验。 1、易生物分解试验 目的：评价有机物是否很容易地被生物完全分解， 一般在不利于生物分解的条件性进行。 方法：以受试化合物作为唯一碳源，接种的微生物 浓度较低，且微生物事先不经过驯化。在易生物 分解试验中得到良好分解效果的化合物，可以认 为在一般环境中也很容易被生物分解。但是，在 易生物分解试验中分解效果较差的化合物，并不 能判断其在环境中不能被生物分解。
3. 捕食作用
（五）生物去毒作用与激活作用
• 生物分解和转化过程中，有机物的毒性往往发生变化。 • 生物分解产物的毒性低于原化合物时的生物分解作用，称 去毒作用（Detoxication
• 生物分解产物的毒性大于原化合物时的生物分解作用，称
激活作用（activation）。常见的激活反应有：脱卤作用、 亚硝胺的形成、环氧化作用、硫醚的氧化、甲基化等。 1. 去毒作用（Detoxication） 有毒物
一种基质大部分或全部降解之后。
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（四）微生物间的相互作用 1. 协同作用（共生关系） 类型： 单一不能降解 单一降解慢 混合能降解 混合能降解快
作用机理： • 提供生长因子：提供维生素B、氨基酸等
• 分解中间代谢产物
• 分解共代谢产物 • 分解有毒产物 2. 抑制作用（拮抗）：分解产物抑制其他微生物
各种色谱分析 官能团分析 毒性测试
各种色谱分析 官能团分析 毒性测试
有机化合物被分解成稳定无机物（CO2、H2O 等）的分解
总有机碳分析 产生的CO2分析
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2、根据是否在有氧气存在的条件下，可分为
好氧分解和厌氧分解两种类型。与厌氧生 物分解相比，好氧分解往往具有分解速率 快、分解程度彻底、能量利用率高、转化 为细胞的比例大等特点。
3、细胞物质的氧化（内源呼吸）
在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分 是相当稳定的，一般可用下列实验式表示：
细菌，C5H17NO2；真菌，C10H17NO6；藻
类，C5H8NO2；原生动物，C7H14NO3。
4、一般情况下，生物处理构筑物内新生长（增加）的细胞物 质等于所合成的细胞物质减去由于内源呼吸而耗去的细胞物 质，可用于下列算式表示：
不良 本质性生物分解试验 分解性 良好 不良 在环境中难生物分解
生物分解模拟试验
二、有机物的生物分解性与分子结构的关系
（一般规律，但例外较多）
1）增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性。
A : Cl, NO2 , SO3 H , Br, CN , CF3 , CH3 , NH2
生物净化装置中的去处效果等具有重要的意义。
2、关键和难点：如何确定科学、合理的微生物种类和
浓度，环境条件（温度、 PH 值等）和受试化合物的浓
度等试验条件。 3、方法：生物分解潜能实验和生物分解模拟试验。
易生物分解试验 生物分解潜能试验 生物分解 性试验 本质性生物分解试验 污水生物处理系统试验（好氧、厌氧） 河流、湖泊模拟试验 河口模拟试验 生物分解模拟试验 海洋模拟试验 土壤模拟试验
去毒作用
钝化产物
CO2 代谢产物
在毒理学上：活性物质无活性物质
去毒作用机制：
1) 2) 3) 4) O 水解作用（hudrolysis R－C－O－R’ RH 羟基化作用（hyolroxylation） RCl ROH 脱卤作用（dehalogenation） RNO2 甲基化（methylation） O R－C－OH ROH RH ROCH3 RNH2 O R－C＝N R－C－NH2
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3、 有机物的好氧生物分解
好氧分解过程： （1）消化：由胞外酶把大分子分解为可以被细胞吸收的小分子。
（2）小分子的脱氢氧化：产生可进入TCA循环的乙酰－CoA。
（3）乙酰－CoA进入TCA循环和呼吸链被氧化成CO2和H2O 好氧分解的产物： CO2、 H2O、 有机物CHONP （NH3＋NO2＋NO3－） H2SO4 、H3PO4
生物处理构筑物内所增加的细胞物质也可约略 地以投入的有机物（以BOD5）的50%左右估算。
活性污泥法
空气
初次沉 淀池
曝气池
二次沉 淀池
污 泥
再生池
回流污泥
剩余污泥
• 三、有机物的厌氧生物分解
细胞物质
有机物+微生物
细胞物质 有机酸、醇 + 微生物 3 CO2、NH3、HS、PO4 等 + 能量 CO2、CH4 + 能量
有机物的生物分解类型及其特点
生物分解类型 生物去除 （Bioelimination） 特点 由于微生物细胞、活性污泥等的吸附作用使 化学物质浓度降低的一种现象。这里所说的 “生物去除”不是真正意义上的分解，而是 一种表观现象，也可称为“表观生物分解”。 分解对象有机物 的分析方法 各种色谱分析 有机碳分析
II
乙酸
产氢产乙酸菌
IV
同型产乙酸菌
H2+CO2
III CH4
产甲烷菌
说明：1）I、II、III 为三阶段理论，I、II、III、 IV 为四类群理论； 2）所产生的细胞物质未表示在图中 图 2 厌氧反应的三阶段理论和四类群理论
第二节 有机物的生物分解性
一、有机物的生物分解性评价 1、意义：正确评价有机物的生物分解难易程度，即生 物分解性，对于评价有机污染物在环境中的迁移转化 规律及其生态与健康风险，预测其在污水生物处理和
第十章 微生物对污染物的分解与转化
第一节
微生物对有机物的分解作用
一、生物分解的一般特点 （一）有机物生物分解的一般特点
1、概念：微生物对有机物的分解作用（或降解作用）
常简称为“生物分解”或“生物降解”。
2、特点：有机物经逐步分解后，产生能进入TCA途径
或能作为合成代谢原料的中间代谢产物，继而被转化
原因：1）缺少进一步降解的酶系；e.g. 2, 4-D （二Hale Waihona Puke Baidu苯氧乙酸） 2）中间产物的抑制作用； 3）浓度低，不能维持生命代谢。
（三）有机物间的相互作用 互不影响、促进作用、抑制作用（顺次利用）
1. 多基质同时被利用 2. 一种基质促进第二种基质的降解 • 甲苯促进假单胞菌对苯、二甲苯的降解 • 易降解物质的添加增加微生物浓度 3. 一种基质阻碍另一基质的降解 • 抑制作用 • 顺次利用（sequential use )：一种基质的分解只发生在另
第二节 有机物的生物分解性
三、值得注意的几个问题
（一）生物分解性与浓度的关系 有些有机物在浓度低时可以降解，高于某一浓度时不 能降解（产生抑制作用）。
－
S
－
sz
S
毒性较大的污染物的生物降解需稀释。
抑制浓度
（二）共代谢现象
单独存在时不能被降解，只有在其它物质被降解时才能被
降解的现象。（不能作为能源或碳源的化合物的代谢）
减慢 Cl
4）甲基分支越多越不易降解 H －CH3 > －C－CH3 > CH3 CH3 －C－CH3 CH3
5）脂肪族：分子量越大越不易降解 6）芳香族<脂肪族（小分子） 7）复环芳烃中环越多越难降解 polycyclic
8）好氧条件下的降解规律与厌氧有时不同
9）化学品的生物降解性预测
物理化学性质～生物降解性/QSBR (Quantitative Structure Biodegradability Relationship)
为小分子有机物、无机物等分解产物和微生物细胞。
细胞物质（微生物的生长） 生物分解后的去向 分解产物（CO2、小分子有机物等）
污染物、细胞构成物 C、H、O、N、P、S、 矿物元素、维生素等 能 源 有机体分解(内源呼吸) 微生物体 合成 生物污泥 分解 能 + 分 解 产 物
CO2、H2O、 NH4+、 NO2- NO3- 、 SO42-、 PO43-、H2、N2、H2S、 CH4、乙醇、有机酸、 硫醇等简单化合物
反应中的亚硝酸、硝酸、硫酸和磷酸可与水中的 碱性物质作用，形成相应的盐类。 9
4、厌氧反应概括如下： • C → RCOOH（有机酸）→CH4 + CO2
• N → RCHNH2COOH → NH3（臭味） + 有机
酸（臭味）
• S → H2S（臭味）
• P → PO43• 水体自净的天然过程中 厌氧分解（开始）→ 好氧分解（后续）
2、本质性生物分解试验
目的：评价有机物是否具有被生物分解的性质。
方法：通常在最有利于受试化合物分解的条件下 接种浓度较高，试验周期长，尽可能的添加各 种必须的营养物质等。因此在试验中得到良好 分解效果的化合物，在实际环境中不一定能够
进行。使用的微生物通常讲过事先的充分驯化，
分解。但是，在该试验中不能被生物分解的化
件下，也可在无氧条件下生长。在自然 界中，大多数微生物属于这一类。
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• 兼性微生物的代谢：DO>0.2~0.3mg/L条件下：好氧代谢 DO<0.2~0.3mg/L条件下：厌氧代谢 • 一些好氧微生物（好氧细菌，球衣细菌、真菌等）能在微氧 环境（DO接近于零）中生长。因此在微氧环境中占优势的 微生物常常是好氧微生物。
• 二、有机物的好氧生物分解
微生物 细胞增长 有机质＋ 微生物＋氧 CO2、H2O、SO42－、NH3、 PO43－等 ＋能量
随水排出
热能释出
1、有机物氧化和细胞物质合成的反应：
CXHYOZ＋(X＋0.25Y－0.5Z）O2 XC O2 ＋0.5H2O＋Q
2、细胞物质的合成（包括有机物的氧化，并以 NH3作氮源）
O
O
B : NH2 , OCH3 , OH , C OH , C O
能使降解性降低的基团称异源基团。（xenophore） 2）异源基团数目增加，降解性越差。 OH OH OH Cl Cl Cl Cl
Cl
Cl
3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。 OH OH OH Cl 加速
△X=a △S-Bx
△X表示新生长的细胞物质（Kg/d） △S表示所利用的食料（基质），即去除的BOD5（Kg/d） X表示构筑物内原有的细胞物质（Kg） a表示合成系数 b表示细胞自身氧化率或衰减系数。 a和b的值可通过试验确定如下： 将式两侧各除去X，得：
△X/X= a △S/X-b △S/X为横坐标， △X/X为纵坐标作图，可得一直线，其斜率即
合物，可以认为其在实际的环境条件下也不能
被生物。
（二）生物分解模拟试验 目的：评价有机物在特定的环境条件下，如 污水生物处理系统、河流、湖泊、土壤中 的生物分解性。 关键：尽可能地在接近自然环境条件下进行 分解试验。
（三）有机物生物分解性评价的一般步骤
受试有机化合物
易生物分解试验 分解性 良好 在环境中易生物分解
a，纵轴上的截距为（-b）
就活性污泥来说，可用其挥发部分代表微生物、 曝气池内挥发性污泥量可作为X代入式中；此外，池 中所增加的微生物细胞的量可假定大致等于所排放的 剩余污泥挥发性部分的量。 对于生活污水和性质与之接近的工业废水，a一 般可取0.05~0.1，b可取0.05~0.1；污泥泥龄长，a值 取小，b值取大；污泥泥龄短，a值取大，b值取小。
产酸细菌的作用
甲烷细菌的作用
有机物的厌氧分解
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不溶性有机物 水解胞外酶 可溶性有机物 胞内酶产酸菌
酸 性 发 酵 阶 段
细菌细 胞
脂肪酸、醇类、 H2、CO2
其它产物
内源呼 吸产物 细菌细胞
胞内酶产甲烷菌
CO2、CH4
碱 性 发 酵 阶 段
图 1 厌氧反应的两阶段理论图示
有机物
I
发酵性细菌
脂肪酸、醇类