工业微生物 第9章 微生物在环境保护中的应用.ppt

《工业微生物 第9章 微生物在环境保护中的应用.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工业微生物 第9章 微生物在环境保护中的应用.ppt（71页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、工业微生物工业微生物第九章第九章 微生物在环境保护中的应用微生物在环境保护中的应用 第一节第一节 有机污染物的生物降解性有机污染物的生物降解性 一、产生诱导酶一、产生诱导酶 微生物能合成各种降解酶，酶具有专一性，又有诱导性。在正常代谢的情况下，许多酶以痕量存在于细胞内，但是在有特殊底物（诱导物）存在时，会诱导酶的大量合成，酶的数量至少会增加10倍。脂酶是微生物体内脂类物质转化过程中不可缺少的催化剂，其催化活性和存在量受到底物的诱导。石油开采过程中产生的油泄漏、食品加工过程中产生的含脂废物及饮食业产生的废物，都可以用亲脂微生物进行处理，相关技术已在日本有报道。第一节第一节 有机污染物的生物降解性

2、有机污染物的生物降解性 二、形成突变菌株 在第六章中我们了解了微生物遗传与变异的知识。微生物在生长过程中偶尔会发生遗传物质变化，从而引起个体性状的改变，形成突变菌株。我们可以通过定向驯化或诱变技术获得具有高效降解能力的变种，使得难降解的、不可降解的有机物得到转化。例如印染废水的处理中所利用的微生物多数来自生活污水处理厂的活性污泥。第一节第一节 有机污染物的生物降解性有机污染物的生物降解性 三、利用降解性质粒 微生物的许多降解转化污染物的功能是受其细胞内的质粒所控制的。现已发现许多这类质粒，例如降解直链烷烃质粒（OCT）、降解甲苯质粒(TOL)、降解2，4D质粒（PJP）、降解六六六质粒（BHC

3、）和耐汞质粒（MER）等。降解性质粒能编码生物降解过程中的一些关键酶类，从而能利用一般细菌难以分解的物质作为碳源。如假单胞菌属中存在降解某些特殊有机物的因子；恶臭假单胞菌有分解樟脑的质粒、食油假单胞菌有分解正辛烷的质粒、铜绿假单胞菌有分解萘的质粒等。金属的微生物转化，也是由质粒控制的，主要与质粒所携带的抗性因子有关。第一节第一节 有机污染物的生物降解性有机污染物的生物降解性 降解性质粒被应用于基因工程中，其重组菌株在环境治理方面有着广阔的发展前景。质粒可以转移，因而可以作为基因工程的载体。美国的基因工程技术已将降解2，4二氯苯氧乙酸的基因片段组建到质粒上，将质粒转移到快速生长的受体菌体内，构建

4、具有快速高效降解能力的功能菌，减少土壤中2，4二氯苯氧乙酸的累积量。有人将自然界中可以分解尼龙的三种细菌的质粒提取出来，与大肠杆菌的质粒进行两次重组后，得到了生长繁殖快、含有高效降解尼龙寡聚物6氨基己酸环状二聚体质粒的大肠杆菌。中国科学院武汉病毒所分离到一株在好气条件下能以农药六六六为唯一碳源和能源的菌株，经检测发现，该菌携带一个质粒。凡丧失了该质粒的菌株，对六六六的降解能力随即消失；将该质粒转移到大肠杆菌细胞内，便获得了能降解六六六的大肠杆菌。第一节第一节 有机污染物的生物降解性有机污染物的生物降解性 四、组建超级菌 现代微生物学研究发现，许多有毒化合物，尤其是复杂芳烃类化合物的生物降解，往

5、往需要多种质粒参与。将各供体细胞的不同降解性质粒转移到同一个受体细胞中，可构建多质粒超级菌株。有人将降解芳烃、降解萜烃和降解多环芳烃的质粒，分别移植到一降解脂烃的假单胞菌体内，构成的新菌株只需几个小时就能降解原油中2/3的烃，而天然菌株需一年以上。第一节第一节 有机污染物的生物降解性有机污染物的生物降解性 通过细胞融合技术构建环境工程超级菌已取得了可喜的成果。将两株脱氢双香草醛（与纤维素有关的有机化合物）降解菌进行原生质体融合后，其降解纤维素的能力由混合培养时的30提高到80。将融合细胞原生质体与具有纤维素分解能力的革兰氏阳性白色瘤胃球菌进行融合，获得的革兰氏阳性超级菌株，具有分解纤维素和脱氢

6、双香草醛的能力。产碱假单胞菌Co可以降解苯甲酸酯和3氯苯甲酸酯，但不能利用甲苯。恶臭假单胞菌R53可降解苯甲酸酯和甲苯，但不能利用3氯苯甲酸酯。将两种细胞原生质融合，获得了可以降解以上四种化合物的融合体。第一节第一节 有机污染物的生物降解性有机污染物的生物降解性 将乙二醇降解菌和甲醇降解菌的DNA转移至苯甲酸和苯的降解菌的原生质体中，获得的菌株可以降解苯甲酸、苯、甲醇和乙二醇，降解率分别为100、100、84.2、63.5。这种超级菌株用于化纤废水的处理，对COD的去除率可以达到67，高于三组混合培养时的降解能力。以上结果表明经原生质融合基因工程技术产生的超级菌，可以高效的降解一些难以降解的、

7、不可降解的有机物，为人类解决污染问题开辟了新的途径。第一节第一节 有机污染物的生物降解性有机污染物的生物降解性 五、利用共代谢(co-metabolism)方式 微生物在可用作碳源和能源的基质上生长时，能将另一种非生长基质有机物作为底物进行降解或转化。共代谢通常是由非专一性酶促反应完成的，与完全降解不同，共代谢的有机物本身不能促进微生物的生长，即微生物需要可作为能源和碳源的基质存在，以保证其生长和能量的需要。共代谢使得有机物得到转化，但不能使其分子完全降解。有人通过观察靠石蜡烃生长的诺卡氏菌在加有芳香烃的培养液中对芳香烃的有限氧化作用发现，这种菌靠十六烷作为唯一碳源和能源时能长得很好，但却不一

8、定能利用甲基萘（1，3，5三甲基苯的俗名）。把甲基萘加进含十六烷培养液中，氧化作用就使这二种芳香族化合物分别生成羧酸、萘酸和对异苯丙酸。目前对微生物共代谢的原理尚不是十分清楚。在纯培养情况下，共代谢只是一种截止式转化，局部转化的产物会聚集起来。在混合培养和自然环境条件下，这种转化可以为其他微生物所进行的共代谢或其他生物降解铺平道路，共代谢产物可以继续降解。许多微生物都有共代谢能力，因此，如若微生物不能依靠某种有机污染物生长，并不一定意味着这种污染物抗微生物降解。因为在有合适的底物和环境条件时，该污染物就可通过共代谢作用而降解。一种酶或微生物的共代谢产物，也可以成为另一种酶或微生物的共代谢底物。

9、研究表明，微生物的共代谢作用对于难降解污染物的彻底分解起着重要的作用。例如，甲烷氧化菌产生的单加氧酶是一种非特异性酶，可以通过共代谢降解多种污染物，包括对人体健康有严重威胁的三氯乙稀（TCE）和多氯联苯（PCBs）等。第一节第一节 有机污染物的生物降解性有机污染物的生物降解性第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 一、微生物对生物组分大分子有机物的降解 （一）微生物对多糖类有机物的生物降解 多糖类有机物是异养微生物的主要能源，也是生物细胞重要的结构物质和储藏物质。这类有机物广泛存在于动物尸体和植物残体及废料中，如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶质等。第二节第二节 微生物降解污染

10、物的途径微生物降解污染物的途径 1微生物对纤维素的降解 纤维素是植物细胞壁的主要成份，在植物残体和有机肥料中的含量约占干重的35%60%。土壤中含有大量的纤维素，印染厂由于洗布和上浆，造纸厂和人造纤维厂由于用木材做原料，其排出的废水中均含有大量纤维素。此外，城市垃圾中也含有大量纤维素。在天然存在的有机物中，纤维素是数量最大的一类环境污染物。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，不溶于水，在环境中比较稳定。在有氧条件下，经微生物的纤维素酶作用，先将纤维素降解为纤维二糖，然后在纤维二糖酶的作用下，降解为葡萄糖，进入三羧酸循环彻底降解为CO2和H2

11、O；在无氧条件下经微生物厌氧发酵，其降解产物为小分子有机物（丙酮、丁醇、丁酸、乙酸等）和无机物（CO2、H2）。微生物分解纤维素的途径见图9-1。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 分解纤维素的微生物种类很多，有细菌、放线菌和真菌。需氧细菌中有噬纤维菌属、生孢噬纤维菌属、纤维弧菌属、纤维单胞菌属等，厌氧菌以梭状芽孢菌为主。常见的高温厌氧菌为嗜热纤维芽孢梭菌。真菌中分解纤维素的有青霉、曲霉、镰刀霉、根霉、木霉及毛霉。放线菌中的链霉属、诺卡氏菌属及小单孢菌属中的某些种。2微生物对淀粉的降解 淀粉是葡萄糖通过糖苷键连

12、接而成的一种大分子物质，广泛存在于植物的种子和果实之中。凡以上述物质作原料的工业废水，如粮食加工厂、食品厂、酒厂废水以及纺织、印染废水、抗生素发酵废水及生活污水等均含有大量淀粉。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 微生物能产生水解淀粉的各种酶类，在有氧条件下，这些酶可以将淀粉水解为葡萄糖，然后进入三羧酸循环被彻底分解为CO2和H2O。在无氧条件下，微生物进行厌氧发酵，将淀粉分解为小分子有机物（丙酮、丁醇、丁酸、乙酸等）和无机物（CO2、H2）。微生物分解淀粉的途径见图9-2。在有氧条件下，淀粉沿着途径分解成葡萄糖，进而酵解成丙酮酸，再经三羧酸循环完全氧化为CO2和H2O

13、。在无氧条件下，淀粉沿着途径转化，产生乙醇和CO2。在专性厌氧菌作用下，沿途径和进行。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 分解淀粉的微生物在细菌、放线菌、真菌中都存在。细菌中主要有芽孢杆菌属的某些种，如枯草芽孢杆菌、马铃薯芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌等；真菌中有根霉、曲霉、镰孢霉、层孔菌等属的某些种类；放线菌分解淀粉的能力比前二者要差一些，但放线菌中的小单孢菌、卡诺氏菌、及链霉菌等属的某些种类具有分解淀粉的能力。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 3微生物对半纤维素的降解 半纤维素存在于植物的

14、细胞壁中，其含量仅次于纤维素。半纤维素的组成中含有聚戊糖、聚己糖及聚糖醛酸，在微生物酶的作用下，半纤维素的降解途径如图9-3所示。分解半纤维素的微生物在细菌、放线菌、真菌中都存在。分解纤维素的微生物大多都能分解半纤维素。细菌中许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌中的一些种类，真菌中根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉等，都能分解半纤维素。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 4微生物对果胶质的降解 天然的果胶质不溶于水，称为原果胶，是高等植物细胞间质和细胞壁的主要成分。果胶质由D半乳糖醛酸以1，4糖苷键构成的直

15、链高分子化合物，其羧基与甲基酯化形成甲基脂。在微生物酶的作用下进行水解：第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 果胶质能被多种微生物分解，如好氧的枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌及不生芽孢的软腐欧氏杆菌；厌氧的有蚀果胶梭菌和费新尼亚浸麻梭菌；真菌有青霉、曲霉、木霉、小克银汉霉、芽枝孢霉、根霉、毛霉，还有放线菌中的某些种类等。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （二）微生物对木质素的降解 木质素在植物细胞中的含量仅次于纤维素和半纤维素，但其化学结构比纤维素和半纤维素复杂得多，是由苯丙烷亚基组成的不规则的近似球状的多聚体，不溶于酸性、中性溶剂中，

16、只溶于碱性溶剂中，是植物组分中最难分解的部分。木质素的微生物降解过程十分缓慢，玉米秸杆进入土壤后6个月，木质素仅减少1/3，在厌氧的条件下降解得更慢。真菌降解木质素的速度比细菌要快。真菌中担子菌降解木质素的能力最强，如干朽菌、多孔菌、伞菌等的一些种，另外木霉、曲霉、镰孢霉的某些种能分解木质素。细菌中假单胞菌、节杆菌、黄杆菌和小球菌中的一些菌株能分解木质素。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （三）微生物对脂类的生物降解 生物体内的脂类物质主要有脂肪、类脂和蜡质。它们都不溶于水，但能溶于非极性有机溶剂。它们存在于生物体内，以生物残体为原料的生产过程如毛纺厂、油脂厂、肉类加

17、工厂、食品加工厂、制革厂废水及生活污水中含有大量的脂类。脂肪是由高级脂肪酸和甘油合成的酯，在环境中微生物脂肪酶的作用下分解较快。类脂包括磷脂、糖脂和固醇。蜡质由高级脂肪酸和高级单元醇化合而成，这二者必须有特殊的脂酶才能降解，所以在环境中分解较慢。脂类的降解途径可以简化为下图：第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 水解产物甘油可以被环境中的大多数微生物通过三羧酸循环降解为CO2，脂肪酸较难氧化。在有氧的条件下经过氧化途径氧化分解为H2O和CO2，在缺氧的条件下容易累积。降解脂类的微生物主要是需氧的种类，细菌中的荧光

18、假单胞菌、铜绿假单胞菌等是较活跃的菌种，真菌中的青霉、曲霉、枝孢霉和粉孢霉等，放线菌中有些种类也有分解脂类的能力。亲脂微生物在环境污染治理中得到了广泛的应用，如表9-1。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 二、石油的微生物降解 （一）微生物对石油的降解能力 石油是古代未能进行降解的有机物质积累，经地质变迁而成的。在石油开采、运输、加工过程中都可能对环境产生污染。微生物学领域内50多年的研究表明，在自然界净化石油污染的过程中，微生物降解起着重要作用。已经发现细菌、真菌中有70个属的200多个种可以生活在石油中，并

19、通过生物氧化降解石油。我国沈（阳）抚（顺）灌区20余万亩水稻田，主要以炼油厂含油废水灌溉，历时40余年，未发现石油显著积累和经常性的损害，主要得益于在石油污灌区形成的微生物生态系的降解作用。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 石油是链烷烃、环烷烃、芳香烃以及少量非烃化合物的复杂混合物。石油的生物降解性因其所含烃分子的类型和大小而异。C10C18范围的化合物较易分解，烯烃最易分解，烷烃次之，芳烃难降解，多环芳烃更难，脂环烃类对微生物的作用最不敏感。烷烃中C1C3化合物如甲烷、乙烷、丙烷只能被少数专一性微生物所降解，直链烃容易降解，支链烃抗性较强。芳香烃常与沉积物结合降解较

20、为复杂。所以石油含有的烃类物质组成不同，其降解的速度和过程有较大的差异。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 据计算，一个细菌细胞平均氧化油量为51012mg/h，在含油的海水中降解石油细菌可达800万个/mL。因油型和环境温度不同，在油污染海域，微生物降油率为35350g/m3a。当原油接触天然水体后，微生物可在12周内形成细菌群落，分解水面上扩展的薄层石油，在23个月内将石油分解消失。每年流入海洋的石油，主要都是被微生物净化的。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （二）降解石油的微生物 能够降解石油的微生物种类很多。目前已了解到，细菌、放线菌、

21、酵母菌、霉菌中，有100多属的200多种，能生活在石油中，并通过生物氧化降解石油。细菌以假单胞菌、棒状杆菌、节杆菌、黄杆菌、无色杆菌、小球菌属、弧菌属等较常见，最常见的是假单胞菌，可使多种烷烃彻底降解；放线菌有链霉菌和诺卡氏菌，但它们对烃类的降解常不彻底，有中间产物积累；真菌是石油降解微生物的主要类群，酵母菌中有假丝酵母、红酵母、球拟酵母等，以假丝酵母最为多见，它对营养要求不高，只需要有NH4+或NO3等无机氮素类物质，且在分解石油的同时可生产酵母蛋白质；霉菌中的枝胞霉被认为是主要的解烃真菌，还常见曲霉、青霉，它们在pH6、DO0.5mg/L、含氮量低的环境中也能降解石油，在土壤中的降解作用远

22、大于水体中；此外，发现有些蓝细菌也能降解石油。自然界中石油烃类的降解常以混合菌株联合作用为强。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （三）影响石油降解的环境因素 烃类物质的溶解度是微生物降解石油的重要限制性因素之一，因为微生物的分解作用需要在含水的情况下进行。此外，还有氧气、营养物质和温度等环境因子对微生物降解石油也具有较大的影响。1氧气 石油中各种组分完全生物氧化，需消耗大量的氧。据测算，1g石油被微生物矿化需34g氧，即需消耗2.1L以上的氧。所以，在石油严重污染的海域，氧成为石油降解的限制性因素。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 2营养物质

23、 海水中N、P常是微生物增殖的限制性因素，如果N、P缺乏，石油分解菌不能大量繁殖而造成降解速度缓慢。在污染区域，可适当投放油溶性石蜡化尿素和磷酸三辛酯等，作为N、P营养物供石油降解菌利用，以增加降解效率。3温度 在070环境中，均可分离得到石油降解菌。一般情况下，微生物降解烃类的速度与温度呈正相关。在040范围内，温度每升高10，微生物生化反应速度增加23倍。不同微生物对环境温度要求不同。温度还影响烃类的溶解度。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 三、微生物对人工合成有机物的生物降解 人工合成的有机化合物形形色色，多种多样，其中大多与天然存在的化合物结构极其类似，但它们

24、是外源性化学物质，如稳定剂、表面活性剂、合成聚合物、农药以及各工艺过程中的废弃物等，它们有些可以通过生物的或非生物的途径进行降解，有些则抗微生物降解或被不完全降解，因为微生物已有的降解酶不能识别这些物质的分子结构。这里介绍几种常见的人工合成有机物的降解过程。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （一）农药的生物降解 人工合成的杀虫剂、除草剂、杀菌剂等物质的出现，确实给人类的生活带来了许多的方便。这些物质有的能迅速降解，有的则在环境中长期存留。各种化学农药进入环境后，有它们共同的危害特性：a.有毒性，对侵染农作物的病、虫、菌、草有杀灭或抑制作用；b.多数在自然界中比较稳定，

25、不易分解，如有机氯农药，具有足够长的有效期；c.具有脂溶性，易被病、虫、菌、草吸收并在体内累积，沿食物链传递到人和其他生物体内，在脂肪、肝、肾等部位累积。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 1微生物对农药的降解能力 农药进入环境后主要靠微生物降解。其最直接的证据是，当将土壤经高压灭菌或加入微生物抑制剂时，其中农药的降解速度便会大大降低甚至不被降解。利用微生物降解农药已成为消除农药对环境污染的一个重要技术。农药的化学结构决定了它被微生物降解的速率，例如2，4，5T仅比2，4D多一个氯原子，在土壤和水体中的降解时间就由14d增加到200d。不同化学结构的农药，生物降解性由易

26、到难依次为：脂肪酸类、有机磷酸盐类、长链苯氧基脂肪酸类、短链苯氧基脂肪酸类、单基取代苯氧基脂肪酸类、三基取代苯氧基脂肪酸类、二硝基苯类、氯代烃类。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 降解农药的微生物，细菌主要有假单胞菌属、芽孢杆菌属、产碱菌属、黄杆菌属、节杆菌属等；放线菌有诺卡氏菌属、链霉菌属等；真菌有木霉属、曲霉属、青霉属、酵母属等，以曲霉属为代表(表9-2)。能够直接降解农药的微生物种类和数目在自然界还为数不多，主要途径是对农药进行转化，通过产生适应性酶、利用降解性质粒、组建超级菌株、共代谢等方式将农药转化，再经联合代谢的方式进行降解。例如2，4-D（2，4-二氯苯

27、氧乙酸）是高效低残留的除草剂，在土壤中降解相当迅速，半衰期仅几天或几周，有10多种细菌可使其降解。DDT（4，4-二氯二苯三氯乙烷）是众所周知的在环境中长期残留的一种农药，半衰期在半年以上。已有证据表明产气杆菌和一种氢单胞菌可通过共代谢作用，将DDT转变为对氯苯乙酸，后者可被土壤和水中其他微生物通过联合代谢继续降解。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 目前使用的农药主要是有机磷、有机氮和有机氯农药。有机氯农药不易降解，最具危险性。有机磷农药和有机氮农药一般都具有水溶性，因此在环境中容易被降解，在土壤中残留的时间只有几天或几周。但据有关资料显示，有机磷和有机氮农药被微生物

28、转化的中间产物可以在环境中长期残留，其中有些种类具有致畸、致癌、致突变的作用。如杀虫脒，它的代谢产物4氯邻甲苯胺的致癌阈值，比亲体化合物强10倍左右，而另一类杀虫剂代森胺其有效成分在无氧条件下会转化为已撑硫胺，具有致畸、致突变的作用，其亲体无这种作用。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 2影响农药生物降解的因素 一般来说，农药都会有约80残留在土壤中。残留时间由一周到数年不等。残留期间，农药的生物降解受环境因素、农药本身性质、农药间的相互作用、农业措施等的影响。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （1）环境因素 包括气候条件（温度、降水、风、光照

29、等）、土壤特性（好氧厌氧状态、有机质含量、pH、矿物质等）、生物群落（植物、动物、微生物）。（2）农药本身性质 农药的组分、剂型等。农药进入土壤后都会对微生物及土壤的理化性质产生影响，从而间接影响农药的转化。这些组分同样会影响到农药的挥发性和移动性，进而影响到农药的转化和光降解。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （3）农药间的相互作用 由于同时或先后使用多种农药，有时则是将几种农药混合配用，就必然存在农药间的相互作用。这种相互作用会产生以下三种影响：增加降解速率；增加持久性；农药间或其残留物间结合形成混合物。（4）农业措施 农药的施用方法、栽培技术及农作物本身都可影响

30、到农药在土壤中的持久性。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （二）多氯联苯的生物降解 多氯联苯（PCBs）是人工合成的有机氯化物，作为稳定剂，用途很广（润滑油、绝缘油、增塑剂、热载体、油漆、油墨等都含有）。PCBs有毒，对皮肤、肝脏、神经、骨骼等都有不良影响，且是一种致癌因子。1968年日本的“米糠油事件”即是由于食用了PCBs污染的米糠油而引起的。PCBs化学性质极其稳定，在环境中很难分解，由于它是脂溶性的，很容易在脂肪中大量累积。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 已有充分证据表明，微生物能降解顽抗性污染物多氯联苯。日本科学家从湖泊污泥中分离

31、到两种能降解多氯联苯的细菌，它们是产碱杆菌和不动杆菌。它们都能分泌一种特殊的酶，把PCBs转化为联苯或对氯联苯，然后吸收这些分解产物，排出苯甲酸或取代苯甲酸，再由环境中其他微生物继续降解。现已发现厌氧细菌可以进行有氧条件下不能进行的特殊脱毒反应，而且厌氧微生物降解方法已经被发展用于混合培养体系中去除有毒有机物。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 通过共代谢作用、降解性质粒以及微生物之间的互生关系等途径，也可使多氯联苯降解、转化。PCBs作为一种自然选择因子，能诱导微生物群落的结构和机能发生变化。有的微生物学家对假单胞菌、沙雷氏菌、芽孢杆菌等的野生型菌株进行诱变处理，获得

32、了能把PCBs矿化为CO2和水的突变菌株。有研究者已从降解PCBs的细菌分离到了编码降解酶的质粒。以往对PCBs降解菌的研究，集中于革兰氏阴性细菌。目前研究发现了一株降解PCBs的革兰氏阳性的红球菌，该菌具有更强、更独特的PCBs转化活性。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （三）合成洗涤剂的生物降解 合成洗涤剂的基本成分是人工合成的表面活性剂。合成洗涤剂使用后大部分以乳化胶体状废水排入自然界。根据表面活性剂在水中的电离性状，可分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性电解质四大类，以阴离子型洗涤剂的应用最为普遍，其中又以软型烷基苯磺酸盐（LAS）的使用最为广泛。第二节第二

33、节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 洗涤剂污染的废水会存在大量不易消失的泡沫，废水一般偏碱性。洗涤剂在水中的分解速度，主要取决于微生物的作用条件和洗涤剂中表面活性剂的化学结构。阴性表面活性剂中，高级脂肪链最易被微生物分解。其途径是，最初高级脂肪链经微生物作用形成高级醇类，然后进一步氧化为羧酸，再在微生物的作用下分解为CO2和H2O。整个过程在有氧的条件下进行。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 现已分离到能以表面活性剂为唯一碳源和能源的微生物，主要是假单胞菌属、邻单胞菌属的革兰氏阴性杆菌、黄单胞菌属的革兰氏阴性杆菌、产碱杆菌、微球菌、诺卡氏菌等，固氮菌属除

34、拜氏固氮菌外，都是表面活性剂的积极分解者。在含洗涤剂的污水中培养固氮菌是很有意义的，因为它们固定了大气中的氮，水中含有机氮化物，就可促进其他微生物生长，从而提高洗涤剂的降解速率。微生物对洗涤剂的降解能力还依赖于共代谢途径和降解性质粒的存在，与LAS降解有关的酶如脱磺基酶和芳香环裂解酶的编码基因均位于质粒上。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （四）塑料的生物降解 石油工业的兴起，使得石油化工合成塑料在人类生活中扮演着重要的角色。20世纪70年代以来，塑料工业得到迅猛的发展，无论是工业、农业、建筑业，还是人们的日常生活，无不与塑料密切相关。但目前所使用的化学合成塑料在自然

35、环境中很难分解，也不会被腐蚀，燃烧处理又会产生有害气体，所以越来越多的塑料垃圾对环境造成了严重污染。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 普通塑料是以合成树脂为主的化学材料。对环境的污染具有以下特点。（1）污染范围广 江河湖泊、田野山川无处不受到塑料垃圾污染。（2）污染物增长量快 据统计，全世界每年对塑料的需求量为1亿t，倾入海洋的塑料垃圾达数十万吨，遗弃在陆地上的塑料垃圾量更大。1990年我国农用薄膜为50万t，地膜覆盖面积达2.71010；1995年我国的塑料需求量为600万t，其中地膜为88万t，包装用品为150200万t。由于塑料价格低廉，又易老化且寿命短，导致塑

36、料废弃量迅速增加。美国专家估计，塑料垃圾量每10年增加1倍。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （3）处理难 塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解的特性，埋地处理百年不烂；燃烧时产生大量有毒气体，如HCl、SOx、CO等。（4）回收利用难 塑料制品种类多，其中使用的填料、颜料也多种多样，难以分拣回收再利用。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （5）生态环境危害大 我国地膜回收率低，地膜年均残留率超过20，土壤地膜残留量平均约60kg/hm2，严重改变了土壤物理性质，降低了耕地质量，使农作物植株趣矮、抗病力下降。试验表明，当土壤中残膜量达到374

37、5kg/hm2时，小麦和蔬菜将分别减产7和10。残膜随风飘动，对周围环境、畜牧业、养殖业都有很大的影响。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 微生物主要作用于塑料制品中的增塑剂，而对塑料聚合物的组分本身并无化学性质的改变。塑料聚合物本身需先经光解作用，成为分子量5000以下的粉末，才可被微生物利用，如聚丙烯及聚乙烯塑料经光解后，在土壤微生物的作用下，至少一年后才可完全矿化。就是说，塑料可被微生物分解，但速度极慢，属于极难生物降解的顽固化合物。所以对塑料废弃物的回收利用是从根本上解决塑料对生态环境影响的方法。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 四、重

38、金属的生物转化 在燃料燃烧、采矿、冶金、合成和施用农有机锡比无机锡、烷基锡比芳基锡的毒性大，三烷基锡比四烷基锡毒性更大。在自然界中存在一些微生物，它们对有毒金属具有抗性，可使重金属发生转药等过程中，汞、铅、砷、镉等元素即以各种各样的化学形态存在于环境中，污染空气、水、土壤和生物。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 金属在一定浓度时对生物有毒害作用，重金属在低浓度时，对大多数生物即有明显毒性。金属对生物的毒性强度除与其浓度有关外，也取决于其存在状态，例如六价铬比三价铬毒性大得多；在各种汞化物中，甲基汞的毒性最强；化，即改变环境中的金属状态，从而改变它们的性质，包括生物效应

39、。对微生物本身而言，这是一种解毒过程。微生物对金属的代谢活动由质粒携带的抗性因子控制。微生物对金属的转化，主要是氧化还原作用和甲基化作用。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （一）汞的生物转化 环境中的无机汞可以下列三种价态存在：Hg2+、Hg+、和Hg。微生物参与环境中汞转化的途径可以概括为汞的甲基化和汞的还原作用两大方面。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 1汞的甲基化 无论在好氧或厌氧条件下，都可能存在能使汞甲基化的微生物。据报道，能形成甲基汞的厌氧细菌有产甲烷菌、匙形梭菌；好氧细菌有荧光假单胞菌、草分枝杆菌、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌、巨大

40、芽孢杆菌等；真菌中有粗糙脉孢霉、黑曲霉、短柄帚霉以及酿酒酵母等。汞的生物甲基化往往与甲基钴胺素有关。甲基钴胺素是钴胺素的衍生物，钴胺素是一种维生素，即VB12，它是一种辅酶，许多微生物都含有。甲基钴胺素中的甲基是活性基团，易被亲电子的汞离子夺取而形成甲基汞。甲基钴胺素（或其他产甲基的物质）把甲基转移给汞等金属离子后，本身变为还原态物质。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 环境中的物理、化学因素可以使无机汞甲基化，如在还原环境中汞的甲基化作用即可进行。但环境中汞的甲基化主要是由于生物特别是微生物的作用而引起的。鱼体表面粘液中有许多含甲基钴胺素的微生物，无机汞进入这种粘液后

41、便被微生物甲基化了。动物肠道中的微生物也含有甲基钴胺素。大肠杆菌的甲基化作用最强。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 微生物将无机汞甲基化而生成甲基汞的过程可用下式表示：第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 汞的微生物甲基化过程受多种因素的影响。首先是pH，水体中汞的甲基化类型和速率决定于pH，在碱性或中性条件下，主要生成二甲基汞，二甲基汞不溶于水，易挥发于大气中；在弱酸性条件下，生成的二甲基汞易分解为易溶于水的一甲基汞；酸性条件下则主要生成一甲基汞。因此，酸性水域中的鱼体甲基汞含量较高。其次是氧气条件，富氧条件下，汞的甲基化速率比厌氧条件下高，主

42、要发生在水底污泥的表层。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 2汞的氧化和还原作用 在有氧条件下，某些细菌如枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、柠檬酸细菌可使元素汞氧化，而另一些细菌如铜绿假单胞菌、大肠杆菌、变形杆菌却可使无机或有机汞化合物中的二价汞离子还原为元素汞。酵母菌也有这种还原作用，在含汞的培养基上，酵母菌菌落表面呈现汞的银色金属光泽即源于此。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 微生物对汞还原作用又称抗汞作用，其功能主要由抗汞质粒决定。调查表明：大约3/4的抗药性菌株兼具抗汞性。微生物还原有机汞的反应是在水解酶作用下进行的。其过程是：首先，汞离子从

43、有机汞中释出，然后，汞离子还原为挥发性的元素汞，并生成挥发性有机产物。而无机汞离子则在微生物细胞内的汞还原酶作用下还原为元素汞。其反应式为：第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 在自然界中，形成甲基汞的同时进行着脱甲基作用。在天然水体中的沉积物中，甲基化与脱甲基化过程保持动态平衡，加之在中性条件下，二甲基汞逸出水体，进入大气，因此，在一般情况下，水体中甲基汞浓度维持在低水平。只有在有机污染严重、pH 又较低的环境中才容易形成较多的溶于水的一甲基汞，为鱼贝类吸收而浓缩，对生物产生严重危害。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （二）砷的生物转化 砷是介

44、于金属与非金属之间的两性元素，性质非常活泼，俗称类金属。元素砷毒性极低，而砷化合物均有毒性，三价砷化合物比五价砷化合物毒性更强，俗称砒霜的毒物即是三价砷化物As2O3。有机砷化物又比无机砷化物毒性更强。微生物参与砷的转化如下：第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 1砷的甲基化 砷化物加到颜料中可使色彩特别鲜艳，因而早被采用。许多年前，用含砷颜料墙纸装饰的房间里，曾发生人中毒死亡事件。后经研究证实，致命因子不是颜料本身，而是在墙纸上生长的霉菌的代谢产物三甲基砷一种挥发性的、有大蒜气味的剧毒物质。土壤里也会发生这种砷的转化和挥发作用，所以农田中施用含砷化物的杀虫剂和除草剂，对

45、人体可能存在着潜在的危害。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 细菌中的甲烷杆菌和脱硫弧菌、酵母菌中的假丝酵母、霉菌中的镰刀霉、曲霉、粉红粘帚霉、拟青霉都能转化无机砷为甲基砷。砷甲基化的甲基供体也是甲基钴氨素。由于挥发性的甲基砷有许多生物来源，而这些化合物在一般情况下与大气氧反应缓慢，容易积累到危险浓度，因此对于环境中砷的迁移转化应加强关注。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 2砷的氧化和还原 假单胞菌、黄单胞菌、节杆菌、产碱杆菌等细菌可氧化亚砷酸盐为砷酸盐，后者较前者毒性减弱。微生物的这种作用是湖泊中亚砷酸盐氧化为砷酸盐的主要原因。土壤中也进行着

46、砷的氧化作用，当土壤中施加亚砷酸盐后，三价砷逐渐消失而产生五价砷。海水中三价砷的氧化作用缓慢，所以尽管被认为是热力学上最稳定的形式，海水中As5的实际浓度却很低。而微球菌以及某些酵母菌、小球藻等可使砷酸盐还原为更毒的亚砷酸盐，某些海洋细菌也有这种还原作用。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （三）镉的生物转化 细菌如大肠埃希氏菌、蜡样芽孢杆菌，真菌如黑曲霉在有Cd2的环境中生长时，能积累大量镉。微生物也能使镉甲基化，一株能使锡甲基化的假单胞菌在有VB12时，能把无机Cd2转化成微量的挥发性镉化物，这种甲基化了的镉化物在水体中也可以通过烷基转移作用使汞甲基化生成甲基汞。第

47、二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （四）铅的生物转化 从铅矿表面分离出来的节杆菌和生丝微菌，以及从煤渣中分离出来的一株梭状芽孢杆菌可溶解PbO和PbSO4。铅也可以被细菌甲基化。纯培养的假单胞菌、产碱杆菌、黄杆菌和气单胞菌，能将三甲基醋酸铅转化为四甲基铅，但不能使无机铅化物进行转化。湖泊的“水沉积物”系统在厌氧条件下，也可生成四甲基铅。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 （五）硒的生物转化 硒是细菌、温血动物的必需元素，它又是剧毒元素，需要量与中毒量差距不大。在植物含硒丰富的地方，牛、羊、猪、马等家畜常发生中毒，甚至死亡。微生物通过转化作用可改变

48、元素硒的毒性。光合紫色硫细菌把元素硒氧化为硒酸盐，毒性增强。土壤中大部分细菌、放线菌和真菌都能发生还原作用，如假丝酵母、棒状杆菌、梭状芽孢杆菌、小球菌属、根瘤菌属及氧化亚铁硫杆菌能将硒酸盐还原为元素硒，使其毒性减弱。这种还原成硒的作用很容易鉴别，因为生成的元素硒存于菌体内，呈现鲜明的红色，使菌落为砖红色。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径 微生物能把元素硒和无机或有机硒化物转化成二甲基硒化物，毒性明显降低。具有甲基化作用的真菌有黑曲霉、青霉、短柄帚霉、假丝酵母等，细菌有棒状杆菌、气单胞菌、黄杆菌、假单胞菌等。植物体内的有机硒可被微生物矿化为硒酸盐和亚硒酸盐。微生物通过解毒代谢排出的有机金属化合物，可能比原型态对高等生物具有更大的危害性。但微生物也可以把化合态金属还原为单质，这种转移方式可暂时或永久地将金属从与生物接触的环境中清除出去。第二节第二节 微生物降解污染物的途径微生物降解污染物的途径