微生物对环境污染物的降解与转化.ppt

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1、微生物对环境污染物微生物对环境污染物的降解与转化的降解与转化 生物圈中所有的物质皆处于不断分解、生物圈中所有的物质皆处于不断分解、合成及相互转化的动态平衡之中，因此，形合成及相互转化的动态平衡之中，因此，形成了一个自我调节、自我控制的有机整体。成了一个自我调节、自我控制的有机整体。所行的生态系统对进人其中的有害物质。都所行的生态系统对进人其中的有害物质。都有一定的容纳限度，即有一定的容纳限度，即净化能力净化能力。10.1 微生物对环境污染物的降解能微生物对环境污染物的降解能力及影响因素力及影响因素10.1.1 微生物对环境污染物的适应能力及巨大微生物对环境污染物的适应能力及巨大 的降解潜力的降

2、解潜力 生态系统中所有的自然物质持别是有生态系统中所有的自然物质持别是有机物，均可找到使之降解的微生物。因此，机物，均可找到使之降解的微生物。因此，有人将微生物的这一特性称之为有人将微生物的这一特性称之为“绝对可靠性绝对可靠性原理原理”。当然，微生物的种类不同，适应能力各异。当然，微生物的种类不同，适应能力各异。目前，很多难降解的人工合成的化合物属目前，很多难降解的人工合成的化合物属脂溶性脂溶性化合物化合物。这些物质在生物体内不但不能被降解，而。这些物质在生物体内不但不能被降解，而且也无法排出体外，在生物体内贮留，并沿食物链且也无法排出体外，在生物体内贮留，并沿食物链逐级传递。结果较高营养级的

3、生物体内逐级传递。结果较高营养级的生物体内积累积累的污染的污染物很多。物很多。有资料表明，微生物有资料表明，微生物“正学着正学着”对付众多的对付众多的“陌生陌生”人工物质，其降解潜力是很大的。人工物质，其降解潜力是很大的。l0.1.1.1 诱导酶的产生诱导酶的产生 微生物可能有降解某种污染物的基因，微生物可能有降解某种污染物的基因，但当该污染物不存在时，基因处于但当该污染物不存在时，基因处于“关闭关闭”状状态，污染物（诱导物）一旦出现，基因便被态，污染物（诱导物）一旦出现，基因便被“打开打开”，从而合成相应的酶，微生物即可降解，从而合成相应的酶，微生物即可降解这种污染物。这种污染物。例如：例如

4、：增塑剂一直被认为是难以生物降解的有机增塑剂一直被认为是难以生物降解的有机物，但已从环境中分离出了降解此物质的微物，但已从环境中分离出了降解此物质的微生物，其中气单胞菌分解增塑剂的酶正是诱生物，其中气单胞菌分解增塑剂的酶正是诱导酶；导酶；中国科学院水生生物研究所从污水中分离中国科学院水生生物研究所从污水中分离到的对硫磷农药降解菌，就是通过诱导酶降到的对硫磷农药降解菌，就是通过诱导酶降解对硫磷的。解对硫磷的。10.1.1.2 具有降解质粒具有降解质粒 微生物分解某些难降解污染物的能力受细微生物分解某些难降解污染物的能力受细胞内质粒的控制，胞内质粒的控制，质粒上有编码分解某污染质粒上有编码分解某污

5、染物的酶的基因物的酶的基因，降解性质粒的研究具有重大，降解性质粒的研究具有重大的理论和实践意义，特别是利用遗传工程的的理论和实践意义，特别是利用遗传工程的方法组建方法组建“超级菌超级菌”，可大大提高处理效率。，可大大提高处理效率。10.1.1.3 突变体的形成突变体的形成 微生物与其他生物相比，易微生物与其他生物相比，易发生变异发生变异。当环境中存在某些污染物时，当环境中存在某些污染物时，会诱发形成突会诱发形成突变体变体，微生物，微生物分泌相应的酶分泌相应的酶，以降解这些污，以降解这些污染物。然而，在自然状态下，这种突变频率染物。然而，在自然状态下，这种突变频率很低，因此可采用人工诱变或分子遗

6、传的手很低，因此可采用人工诱变或分子遗传的手段构建降解特殊污染物的段构建降解特殊污染物的“工程菌工程菌”，对治理，对治理污染会带来更大的突破。污染会带来更大的突破。10.1.2 微生物降解污染物的影响因素微生物降解污染物的影响因素10.1.2.1 污染物的化学结构污染物的化学结构 一般来讲，一般来讲，小分子和结构简单的物质比小分子和结构简单的物质比大分子结构复杂的物质易被分解大分子结构复杂的物质易被分解，这是因为，这是因为大分子物质必须在胞外酶的作用下降解成小大分子物质必须在胞外酶的作用下降解成小分子物质后方能进人细胞。另外，化合物的分子物质后方能进人细胞。另外，化合物的结构越复杂越难与酶的活

7、性中心接近，因而，结构越复杂越难与酶的活性中心接近，因而，难以被酶降解。难以被酶降解。结构基团的性质、数目及位置直接干扰结构基团的性质、数目及位置直接干扰微生物的降解性。微生物的降解性。如各种羧酸易被生物降解，如各种羧酸易被生物降解，而氯代或溴代羧酸则难以降解；氯苯比苯难而氯代或溴代羧酸则难以降解；氯苯比苯难以降解，且氯原子越多，难度越大；苯酚和以降解，且氯原子越多，难度越大；苯酚和苯胺却比苯易被生物降解。苯胺却比苯易被生物降解。10.1.2.2 环境条件环境条件 所有污染物的降解过程均受到物理、化所有污染物的降解过程均受到物理、化学及生物等环境因素的影响，污染物只有在学及生物等环境因素的影响

8、，污染物只有在适宜的条件下才能得到降解。影响污染物降适宜的条件下才能得到降解。影响污染物降解的因素有解的因素有溶解氧、溶解氧、pH值、温度、光照、营值、温度、光照、营养元素、毒物浓度及污染物的溶解度养元素、毒物浓度及污染物的溶解度等。等。某些污染物只有在适宜的营养条件下才某些污染物只有在适宜的营养条件下才能被微生物分解。能被微生物分解。如石油烃的降解，如石油烃的降解，N、P不足不足时。降解速时。降解速度很慢，当加入硝酸盐和磷酸盐时，降解速度很慢，当加入硝酸盐和磷酸盐时，降解速度加快。度加快。待降解的各种有机物若彼此能发生聚合待降解的各种有机物若彼此能发生聚合反应，形成更为反应，形成更为复杂的化

9、合物复杂的化合物，其生物降解，其生物降解性会大大降低。性会大大降低。有机化合物在有机化合物在水中的溶解度水中的溶解度直接影响其直接影响其可生物降解性。例如。油类难溶于水，采用可生物降解性。例如。油类难溶于水，采用液态生物处理时不易同微生物接触，因而难液态生物处理时不易同微生物接触，因而难以降解；不溶于水的化合物如乙烯、环己烯以降解；不溶于水的化合物如乙烯、环己烯等基本上得不到分解。等基本上得不到分解。污染物经微生物转化后产生的污染物经微生物转化后产生的中间产中间产物或最终产物物或最终产物，在某种情况下，有可能成为，在某种情况下，有可能成为更复杂、毒性更大、更难降解的物质。更复杂、毒性更大、更难

10、降解的物质。10.1.2.3 共代谢共代谢 有些难降解的物质如农药、石油烃等不能作为有些难降解的物质如农药、石油烃等不能作为微生物的生长基质微生物的生长基质,但这些污染物却可以被微生物降但这些污染物却可以被微生物降解并消失，这是共代谢的结果。解并消失，这是共代谢的结果。共代谢共代谢(又称为协同代谢或辅代谢又称为协同代谢或辅代谢)。共代谢是指共代谢是指微生物依赖可利用碳源和能源在正常生长过程中氧微生物依赖可利用碳源和能源在正常生长过程中氧化非生长基质化非生长基质(目标污染物目标污染物)的过程。的过程。即微生物在有即微生物在有它可利用的惟一碳源存在时，对它原来不能利用的它可利用的惟一碳源存在时，对

11、它原来不能利用的物质也能分解代谢的现象。物质也能分解代谢的现象。在微生物共代谢反应中产生在微生物共代谢反应中产生非专一性的酶，非专一性的酶，为关键酶为关键酶。关键酶。关键酶是一种诱导酶是一种诱导酶。共代谢对难降解化合物的分解有很重要共代谢对难降解化合物的分解有很重要的作用，通过共代谢作用可以提高微生物降的作用，通过共代谢作用可以提高微生物降解难降解物质的效率选择到合适的菌种，通解难降解物质的效率选择到合适的菌种，通过共代谢可使多种有机污染物得到彻底降解。过共代谢可使多种有机污染物得到彻底降解。10.2 微生物对污染物的降解微生物对污染物的降解10.2.1 无毒污染物的降解无毒污染物的降解 无毒

12、污染物主要指含有纤维素、半纤无毒污染物主要指含有纤维素、半纤维素、淀粉、果胶、脂类、蛋白质类及木维素、淀粉、果胶、脂类、蛋白质类及木质素等生活废物。质素等生活废物。分解这些物质的微生物种类很多，如假分解这些物质的微生物种类很多，如假单胞菌、无色杆菌、节杆菌及相关霉菌等。单胞菌、无色杆菌、节杆菌及相关霉菌等。10.2.2 有毒有机污染物的降解有毒有机污染物的降解（1）微生物对石油烃的降解机理）微生物对石油烃的降解机理 通常认为，在微生物作用下，通常认为，在微生物作用下，直链烷烃直链烷烃首先被氧化成首先被氧化成醇醇，源于烷烃的醇在醇脱氢，源于烷烃的醇在醇脱氢酶的作用下被氧化为相应的酶的作用下被氧化

13、为相应的醛醛，醛则通过，醛则通过醛脱氢酶的作用氧化成醛脱氢酶的作用氧化成脂肪酸脂肪酸。与正烷烃相比，支链烷烃较难为微生物与正烷烃相比，支链烷烃较难为微生物所降解。支链的存在增强了烷烃的降解难度，所降解。支链的存在增强了烷烃的降解难度，且且支链越大越多，降解难度越大支链越大越多，降解难度越大，支链烷烃，支链烷烃的氧化还会受到正烷烃氧化作用的抑制。的氧化还会受到正烷烃氧化作用的抑制。微生物对芳烃的降解，微生物对芳烃的降解，细菌细菌借助双加氧借助双加氧酶的催化作用把分子氧的两个氧原子结合到酶的催化作用把分子氧的两个氧原子结合到底物中，使芳烃氧化成具有顺式二氢二酚底物中，使芳烃氧化成具有顺式二氢二酚类

14、。类。顺式顺式二氢二酚类进一步氧化成儿茶酚二氢二酚类进一步氧化成儿茶酚类，儿茶酚类在另一种催化芳环裂解的加双类，儿茶酚类在另一种催化芳环裂解的加双氧酶的作用下进氧酶的作用下进步氧化裂解。与细菌相反，步氧化裂解。与细菌相反，真菌真菌则借助于单加氧酶和环水解酶的催化作则借助于单加氧酶和环水解酶的催化作用，把芳烃氧化成用，把芳烃氧化成反式反式二氢二酚类化合物。二氢二酚类化合物。(2)降解石油的微生物种类降解石油的微生物种类 能降解石油的微生物很多，已报道的有能降解石油的微生物很多，已报道的有70多个属多个属200多种，其中多种，其中细菌细菌28个属，个属，酵母酵母菌菌12个属，其余为个属，其余为放线

15、菌和霉菌放线菌和霉菌。土壤中。土壤中真真菌是石油的主要分解者。菌是石油的主要分解者。石油烃降解菌的数量直接反映环境受烃污石油烃降解菌的数量直接反映环境受烃污染的程度，当环境受石油烃污染后，利用烃染的程度，当环境受石油烃污染后，利用烃的微生物的数量相应增加。的微生物的数量相应增加。(3)影响石油降解的因素影响石油降解的因素 石油烃的种类和组成石油烃的种类和组成 环境因素：温度、有氧和无氧、养料等。环境因素：温度、有氧和无氧、养料等。10.2.2.2 农药的降解农药的降解 农药是农药是杀虫剂、杀菌剂、除草剂及灭鼠杀虫剂、杀菌剂、除草剂及灭鼠剂等剂等的总称。目前使用的主要是的总称。目前使用的主要是有

16、机磷、有有机磷、有机氯、有机汞机氯、有机汞等有机农药。等有机农药。(1)降解农药的微生物类别降解农药的微生物类别 已报道的能降解农药的微生物有细菌、已报道的能降解农药的微生物有细菌、真菌、放线菌、藻类等，这些微生物大多来真菌、放线菌、藻类等，这些微生物大多来自土壤。自土壤。(2)微生物降解农药的途径微生物降解农药的途径 微生物对农药的降解有微生物对农药的降解有两种方式两种方式。一种。一种方式是以农药作为方式是以农药作为惟一碳源和能源惟一碳源和能源。有时作。有时作为惟一的氮源，使其得到降解；另一种方式为惟一的氮源，使其得到降解；另一种方式是微生物利用其他化合物作为碳源和能源，是微生物利用其他化合

17、物作为碳源和能源，将农药加以分解将农药加以分解(共代谢作用共代谢作用)。一些难降解的。一些难降解的农药多采用后一种方式降解。农药多采用后一种方式降解。脱卤作用脱卤作用脱烃作用脱烃作用酯和酰胺的水解酯和酰胺的水解氧化作用氧化作用还原作用还原作用环裂解环裂解缩合缩合 10.2.2.3 合成洗涤剂的降解合成洗涤剂的降解 一般来讲，合成表面活性剂对环境并不造一般来讲，合成表面活性剂对环境并不造成严重影响，但应用浓度较高时，也会对某成严重影响，但应用浓度较高时，也会对某些水生动物产生毒害。些水生动物产生毒害。降解机理降解机理 整个表面活性剂的降解过程整个表面活性剂的降解过程一般分为三步：一般分为三步：初

18、级降解初级降解，表面活性剂的母体结构消失，其，表面活性剂的母体结构消失，其特性发生变化；特性发生变化；次级降解次级降解，降解得到的产物不再导致环境污，降解得到的产物不再导致环境污染；染；最终降解最终降解，完全转化为，完全转化为CO2、NH3、H2O等无等无机物。机物。10.2.2.4 塑料的降解塑料的降解 一般认为，以一般认为，以颗粒淀粉颗粒淀粉或或改性胶状淀粉改性胶状淀粉作为添加剂的塑料是较为理想的生物降解塑作为添加剂的塑料是较为理想的生物降解塑料。料。影响塑料降解的因素主要有微生物的种影响塑料降解的因素主要有微生物的种类、温度、类、温度、pH值及养分等。在黑暗、湿度较值及养分等。在黑暗、湿

19、度较大、有效碳源及大量无机盐存在的情况下，大、有效碳源及大量无机盐存在的情况下，塑料的生物降解容易进行。塑料的生物降解容易进行。塑料生物降解性的测定主要依据塑料塑料生物降解性的测定主要依据塑料降解后的物理或化学变化及微生物在塑料降解后的物理或化学变化及微生物在塑料基质上的活性等。目前常用的方法有生长基质上的活性等。目前常用的方法有生长分级法、土埋法和分级法、土埋法和CO2测定法、陪替氏平测定法、陪替氏平皿定量法、净区法等。皿定量法、净区法等。10.2.2.5 多氯联苯的降解多氯联苯的降解 PCBs生物降解的影响因素很多，主要生物降解的影响因素很多，主要有有PCBs的理化特性、的理化特性、pH值

20、、溶解氧浓度、值、溶解氧浓度、养料、土壤对养料、土壤对PCBs的吸附、氯代程度及氯原的吸附、氯代程度及氯原子在芳环上的位置等。其中氯代程度影响最子在芳环上的位置等。其中氯代程度影响最大，氯代程度越大越难分解，超过四个氯原大，氯代程度越大越难分解，超过四个氯原子便易在环境中积累。子便易在环境中积累。(1)PCBs的好氧降解的好氧降解 均为共代谢过程。均为共代谢过程。(2)PCBs的厌氧生物降解的厌氧生物降解 主要是一个还原脱氯过程。主要是一个还原脱氯过程。10.2.2.6 偶氮化合物的降解偶氮化合物的降解 偶氮化合物广泛应用于纺织业和印刷业。偶氮化合物广泛应用于纺织业和印刷业。某些偶氮染料具有致

21、突变和致癌作用。某些偶氮染料具有致突变和致癌作用。偶氮化合物的降解以厌氧降解为主，好偶氮化合物的降解以厌氧降解为主，好氧降解较少。氧降解较少。10.2.2.7 氰和腈的降解氰和腈的降解 随着人造纤维工业和石油化工工业的快随着人造纤维工业和石油化工工业的快速发展，含有机腈速发展，含有机腈(如丙烯腈如丙烯腈)和无机氰的废水和无机氰的废水量日益增大，腈和氰类化台物均属剧毒物。量日益增大，腈和氰类化台物均属剧毒物。微生物能够以脂和氰作为碳源和能源加以微生物能够以脂和氰作为碳源和能源加以降解。降解。10.2.2.8 微生物对重金属的转化微生物对重金属的转化(1)汞的转化汞的转化 自然界中汞以三种状态存在

22、：自然界中汞以三种状态存在：金属汞金属汞、无机汞和有机汞无机汞和有机汞。各种形态的汞都有毒性，。各种形态的汞都有毒性，但毒性大小有所差异，但毒性大小有所差异，对人类来说，其毒性对人类来说，其毒性顺序为：烷基汞汞蒸气无机汞和苯汞。顺序为：烷基汞汞蒸气无机汞和苯汞。甲基汞的毒性比无机汞大甲基汞的毒性比无机汞大50l00倍。倍。微生物参与汞的转化可归纳为三个方面：微生物参与汞的转化可归纳为三个方面：无机汞转化为甲基汞；无机汞转化为单质汞无机汞转化为甲基汞；无机汞转化为单质汞有机汞转化为单质汞。有机汞转化为单质汞。对于微生物来说，汞的毒性大小次序为：对于微生物来说，汞的毒性大小次序为：无机汞烷基汞单质汞。无机汞烷基汞单质汞。(2)砷的转化砷的转化 无机砷转化为甲基砷无机砷转化为甲基砷 亚砷酸盐转化为砷酸盐亚砷酸盐转化为砷酸盐(3)铅的转化铅的转化(4)硒的转化硒的转化(5)锡的转化锡的转化