环境生物学第五章

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E1 E1 E2 E2
A B
C D
微生物对污染物降解与转化的途径
自然界中化学物质的降解的3种方式:这三种方式往 往综合交叉进行。
光降解 化学降解 生物降解(Biodegradation):指由于生物的作用,把污染 物大分子转会为小分子,实现污染物的分解或降解。其中微 生物所起的降解作用最大,故也称为微生物降解。
共代谢(Co-Metabolism)
微生物在利用生长基质A时(从中获得能量、碳源或其他任何营 养),同时非生长基质B(不能从中获得能量或营养)也伴随着发 生氧化或其它反应。 在纯培养下,共代谢只是一种截止式转化,但在混合培养和自然 环境条件下,转化可为其它微生物进行的共代谢或其他生物对某 种物质的降解铺平道路,使其代谢产物可继续降解,故污染物在 有合适的底物和环境条件下可通过共代谢作用而降解。
固体废弃物的处理方法
工业废弃物
物理与化学法:覆盖法、化学反应剂法 生物法:栽种永久性植物
城市垃圾
填埋法 堆肥法 制取沼气 焚烧法
二、废水的污染与净化指标
BOD5 COD TOD TOC 固体物质 含氮化合物 pH值 生物污染指标
细菌总数 大肠菌群总数
1、生化需氧量BOD 、生化需氧量
生化需氧量BOD(Biological Oxygen Demand)
二、废水生物处理的原理 水体自净作用
什么是水体自净作用(water self-cleansing,self- purification)
水体自净作用指天然水体受到污染后,在无人为处理条件下, 借助水体自身的能力使之得到净化的过程。 该过程中包括稀释、沉降等物理作用,氧化、还原、分解、 凝聚等化学作用,还有更重要的生物作用,即生物对无机物 和有机物的同化和异化作用。 生物中最活跃的是细菌,捕食细菌的原生动物和微型生物亦 起很大作用。
总氮:包括有机氮和无机氮化合物的测定。 凯氏氮:指以凯氏法测得的氮量,包括了氨氮和在此条件下 能被转化为铵盐的而测定的有机氮化合物。此类有机氮化合 物主要指蛋白质、氨基酸、核酸、尿素以及氮为负三价的有 机氮化合物,由于一般水中存在的有机氮化合物多为这些, 故,在测定凯氏氮和氨氮之后,两者的差值即有机氮。 氨氮 亚硝酸盐氮 硝酸盐氮
3、总需氧量TOD和总有机碳 、总需氧量 和总有机碳TOC 和总有机碳
总需氧量TOD (Total Oxygen Demand)
有机物和少量无机物在铂催化下,在燃烧炉900℃高温燃烧 成稳定的最终产物所消耗的氧的量。
总有机碳TOC(Total Organic Carbon)
是以碳的含量表示水体中有机物质总量的综合指标。 它的测定采用燃烧法:在950 ℃和铂催化下,测定排出气体 中二氧化碳的含量,并扣除150 ℃燃烧测得的碳酸盐等无机 碳元素的含量。
微生物代谢活动中的化学作用(实质是酶反应)
氧化作用 还原作用 脱羧作用 水解作用 脱氨基作用等
影响微生物对物质降解转化作用的因素( ) 影响微生物对物质降解转化作用的因素(1)
微生物的代谢活性
不同种类微生物对同一底物的反应不同; 微生物在不同的生长时期的活性是不相同的,在对数期代谢最旺盛, 活性最强。 微生物的种类组成决定化合物降解的方向和速度,同时微生物的种类 组成又与环境中的化学物质有关。
化合物的结构
烃类:链烃的易降解性大于环烃,直链烃大于支链烃,不饱和烃 大于饱和烃,支链烷基越多,越不易被降解 当主链上的C被S、N、O取代时,对生物氧化的阻抗上升 当C原子上的H被烷基或芳基取代时,会生成生物氧化的阻抗物。 官能团的性质和数量 分子量大小
环境因素
温度 酸碱度 营养 氧 底物浓度
微生物分解有机物的作用
需氧微生物 胞内酶 微生物 淀粉 淀粉酶 厌氧微生物 胞内酶 图5-5 淀粉分解途径示意图 CO2、H2、有机酸等 葡萄糖 CO2、H2O
烃类 石油类 人工合成有机物
农药 合成洗涤剂 增塑剂 多氯联苯
危险性化合物
危险性化合物(Hazardous Chemicals)的概念
微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制,从而促 使地球有机碳平衡,而在自然界具有新颖结构的合成化合物 (异型生物质,又称非生物性物质,xenobiotics)往往对微生 物的降解表现出抗逆性,其原因可能是这些化合物进入自然界 的时间比较短,微生物界还未进化出降解此类难降解化合物的 代谢机制。这些化合物大多数对环境具有毒害作用,故称之危
水体自净过程的三个阶段和三个变化
三个阶段
阶段一:有机物进入河流,有机物浓度↑,异养菌数量↑, DO ↓; 阶段二:有机物浓度↓,异养菌数量↓ ,原生动物数量↑ , DO ↑; 阶段三:有机物浓度↓,异养菌数量↓ ,原生动物数量↑ , 藻类数量↑ ,DO ↑;
三个变化
变化一:有机污染物浓度由高降至低; 变化二:生物相发生一系列变化:异养菌↑ ⇒ 原生动物数量 ↑ ⇒藻类↑ ; 变化三:DO的变化: DO ↓ ⇒ DO ↑ ⇒恢复原有水平
BOD曲线 曲线
BOD曲线的七个阶段: (1)微生物增殖的迟缓期 (2)细菌的对数生长期 (3)耗氧平缓阶段 (4)原生动物耗氧峰 (5)耗氧再次平缓阶段 (6)硝化细菌耗氧峰 (7)所有的微生物继续减少, 有机物最终转化为CO2和H2O。
1 t/cl 2 BOD 3 4 TOD UOD 7 5 6
糖类:以纤维素和淀粉的分解为例, 见图5-4,5-5 脂肪 蛋白质
脂肪+H2O 脂肪酶 甘油+高级脂肪酸
蛋白质
蛋白酶

肽酶
氨基酸
需氧微生物 胞内酶 纤维素 + H2O 纤维二糖 + H2O 纤维素酶 厌氧微生物 胞内酶 丁酸、CO2、H2等 葡萄糖 CO2、H2O
纤维素酶
图5-4 纤维素分解途径示意图
概念:在20℃条件下,微生物好氧分解水样(废水或受污染 ℃ 溶解氧量。以每升水中溶解氧 的天然水)中有机物所消耗的溶解氧量 溶解氧量 的mg数表示,mg/L。 mg mg/L BOD5:微生物5天好氧分解有机物所消耗的溶解氧量 溶解氧量。 天 溶解氧量
有机物生化耗氧过程的两个阶段
碳化阶段:将有机物分解成CO2、H2O、NH3,碳化作用消 耗的氧量称为碳化需百度文库量。 硝化阶段: NH3被转化为亚硝酸盐和硝酸盐,硝化作用消耗 的氧量称为硝化需氧量。
氧垂曲线( 氧垂曲线(Oxygen-sag Curve) - )
微生物的适应性
驯化( 驯化(Domestication):是一种定向选育微生物的方法与过程,通 ) 过人工措施使微生物逐步适应某特定条件,最后获得具有较高耐受力 和代谢活性的菌株。
在环境生物学中常通过驯化,获取对污染物具有较高降解效能的菌株, 用于废水、废物的净化处理或有关科学实验中。
影响微生物对物质降解转化作用的因素( ) 影响微生物对物质降解转化作用的因素(2)
BOD 和COD的比较 的比较
BOD:反映的是微生物能够降解的那部分有机物的数量,基本 上反映出水体中生物氧化分解有机物所消耗的氧量。
比较符合实际; 检出时间过长,不能迅速及时指导生产实践,而且毒性大的废 水可抑制微生物的作用而影响结果,甚至无法测定。
COD:一般表示废水中有机污染物重量的98%,几乎可以表 示出有机物全部氧化所需氧量。
耗氧量(mg/g) )
生化呼吸线 内呼吸线 时间(h) ②
耗氧量(mg/g) )
内呼吸线 生化呼吸线 时间(h) ③
图5-6 生化呼吸线与内呼吸线比较
相对耗氧速度 ( (以内呼吸的%表示)
B、无毒,能被利用
100%
A、无毒,不能被利用 C、有毒,能被利用
D、有毒,不能被利用 底物浓度
图5-7 相对耗氧速率曲线
第二篇 环境污染的 生物净化
第五章 环境污染生物净化的原理 第六章 环境污染的生物净化方法 第七章 现代生物技术与环境污染治理 第八章 污染环境的生物修复
第五章 环境污染生物净化的原理
本章将讨论以下内容: 环境污染净化概述 生物对污染净化原理
第一节 环境污染净化概述
一、环境污染治理方法
污水处理方法
第二节 生物对污染净化原理
一、微生物对污染物降解与转化
微生物对物质降解与转化的特点 微生物对污染物降解与转化的途径 影响微生物对物质降解转化作用的因素 微生物对常见污染物的降解与转化 有机污染物的生物可降解性及其评价方法
微生物对物质降解与转化的特点: 微生物对物质降解与转化的特点
微生物个体微小,比表面积大,代谢速率大; 种类繁多,分布广泛,代谢类型多样; 微生物具有多种降解酶; 微生物繁殖快,易变异,适应性强; 微生物具有巨大的降解能力;
质粒(Plasmid):染色体外遗传物质,是在原核微生物中除染色 体外,还存在的一种较小的携带少量遗传基因的环状DNA分子。 质粒可用来培育优良菌种,或用作基因工程中基因转移的载体。 例如:多功能超级细菌的构建
1
A
2
B
A
B
3
C 注: A B C 细胞的染色体 质粒
图5-2 多质粒超级菌的构建示意简图
有机污染物的生物可降解性及其 评价方法
什么是生物可降解性? 所有化合物根据微生物对它们的降解性可分成可生物 降解、难生物降解和不可生物降解。 评价生物可降解性的方法:
测定生物氧化率 测呼吸线 测定相对耗氧速度曲线 测BOD5与COD Cr之比 测COD30 培养法
耗氧量(mg/g)
a 生化呼吸线 b c t 内呼吸线 时间(h)
险性化合物。
危险性化合物来源
人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等
危险性化合物的降解特点和研究
尽管其在自然界可能会有部分缓慢降解,微生物有可能通过多 种途径来改变自身的结构信息以获得对这类化合物的降解能力, 但这需要一个漫长的过程来实现,依靠微生物的自然进化过程 远不能满足要求,而且长此以往将会造成生态系统的失衡。因 此,研究一些可以使微生物群体在较短时间内获得最大的降解 该物质能力的方法显得愈加重要和迫切。 近年来科学工作者做了大量工作,包括:通过长时间的驯化来 得到具有一定降解能力的微生物群体;通过基因工程手段来改 造微生物使其具有特定的降解能力,如多质粒超级菌的构建。
测定不受水质限制,并可在数小时内完成; 不能反映微生物能够降解的那部分有机物的数量。
BOD 和COD的关系:可以认为COD包括两部分:一部分为能 够被微生物降解的有机物的耗氧量COD B,另一部分为不能够 被微生物降解的有机物的耗氧量CODN B。
BOD u ≠COD B = 0. 87 COD B BOD 5 = 0.58 COD B
物理法:沉淀法、过滤法、离心分离法、浮选法、吸附法、 萃取法、吹脱法、蒸发结晶法、反渗透法 化学法:化学凝聚法、中和法、氧化还原法、离子交换法 物化法:电解法、电渗析法 生物法:好氧法、厌氧法等
大气污染物净化方法
气溶胶状态污染物的控制方法 重力沉降 旋风除尘 静电除尘 过滤式除尘 气体状态污染物的吸附与净化 气体吸收法 气体吸附法 大气污染物的生物净化方法 生物吸收法 生物洗涤法 生物过滤法
4、固体物质 、
总固体(TS) 悬浮固体(SS)与溶解性固体(DS) 挥发性固体(VS)与非挥发性固体(FS)
5、含氮化合物 、
含氮化合物的几种化学形态
有机氮:蛋白质、氨基酸、尿素等物质中所含的氮 无机氮:包括氨氮:NH3-N、NH4+-N和硝态氮:NO2-- N、 NO3--N。
常用水质测定指标
微生物分解有机物的作用可总括成如下图式:
需氧微生物 胞内酶 微生物 复杂有机物 胞外酶 厌氧微生物 胞内酶 简单有机物 CO2、H2O、H2、 CH4、H2S及有机 酸、醇、酮、醛等 未完全氧化产物 CO2、H2O
图5-3 微生物分解有机物的作用示意图
微生物对常见污染物的降解与转化
生物大分子的降解
图5-1 BOD曲线
2、化学需氧量COD 、化学需氧量 (Chemical Oxygen Demand) )
COD是指在一定条件下,用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂 的量,以氧的毫克/升来表示。 它反映了水中受还原性物质污染的程度,水中还原性物质包括: 有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等。水被有机物污染是很 普遍的,故COD也作为有机物相对含量的指标之一。 在规定条件下,强氧化剂重铬酸钾K2Cr2O7可氧化大多数常见 的有机污染物,故在实际使用中常把COD Cr 的测定值近似地代 表废水中的全部有机物。
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