第7章典型有机物的生物降解(N)课件.ppt

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1、第七章第七章 典型有机化合物的生物降解典型有机化合物的生物降解第一节第一节 脂肪烃类的降解脂肪烃类的降解一、微生物对脂肪烃类降解的特点一、微生物对脂肪烃类降解的特点 土壤中含有足够的微生物种群进行生物土壤中含有足够的微生物种群进行生物修复修复(Cookson(Cookson，1995)1995)；降解过程需要氧，所以污染环境生物修降解过程需要氧，所以污染环境生物修复需要好氧条件；复需要好氧条件；长链脂肪烃长链脂肪烃(C(C1010-C-C2424)比短链脂肪烃比短链脂肪烃(C(C1010)容易降解，小于容易降解，小于C C1010的脂肪烃大部分要通的脂肪烃大部分要通过共代谢作用降解，大于过共代

2、谢作用降解，大于C C2424的脂肪烃由的脂肪烃由于分子量太大不容易生物降解；于分子量太大不容易生物降解；-链链烃烃比比环环烃烃容容易易降降解解，直直链链烷烷烃烃比比支支链链烷烃容易降解。烷烃容易降解。分分支支降降低低了了烃烃类类的的降降解解速速率率，一一个个碳碳原原子子上上同同时时连连接接两两个个、三三个个或或四四个个碳碳原原子子会会降降低低降降解解速速率率，甚甚至至完完全全阻阻碍碍降降解解(Atlas&Bartha(Atlas&Bartha，1998)1998)；饱和脂肪烃比不饱和脂肪烃容易降解；饱和脂肪烃比不饱和脂肪烃容易降解；水水分分低低于于5050，pHpH高高于于8.58.5时时会

3、会抑抑制制生生物物降解作用。降解作用。-二、链烃的降解二、链烃的降解1.1.链烃生物氧化的方式链烃生物氧化的方式 链烃的最初降解作用有四种氧化方式：链烃的最初降解作用有四种氧化方式：单末端氧化单末端氧化 双末端氧化双末端氧化 次末端氧化次末端氧化 直接脱氢直接脱氢 -单末端氧化单末端氧化(terminal oxidation)(terminal oxidation)在加氧酶的作用下，氧直接结合到碳链在加氧酶的作用下，氧直接结合到碳链末端的碳上，形成对应的伯醇；末端的碳上，形成对应的伯醇；伯醇再依次进一步氧化成为对应的醛和伯醇再依次进一步氧化成为对应的醛和脂肪酸；脂肪酸；脂肪酸再按脂肪酸再按-氧

4、化方式氧化分解，即形氧化方式氧化分解，即形成乙酰成乙酰CoACoA后进人中央代谢途径。后进人中央代谢途径。碳链的长度由碳链的长度由C Cn n变为变为C Cn-2n-2。反应重复进行，。反应重复进行，直至烃类完全氧化。直至烃类完全氧化。-氧化作用需要分子氧存在氧化作用需要分子氧存在 加氧酶有两种类型加氧酶有两种类型 单加氧酶单加氧酶 双加氧酶双加氧酶反应步骤如下：反应步骤如下：-双末端氧化双末端氧化(diterminal oxidation)(diterminal oxidation)双末端氧化经常会在支链烷烃中出现双末端氧化经常会在支链烷烃中出现 当一端的当一端的-氧化受阻时氧化受阻时 另一

5、端氧化另一端氧化(-(-氧化氧化)还可以进行还可以进行 链烷烃氧化可以在两端同时发生链烷烃氧化可以在两端同时发生 氧化的产物为二羧酸。氧化的产物为二羧酸。-次末端氧化次末端氧化(subtermninal oxidation)(subtermninal oxidation)微生物氧化烷烃末端的第二个碳原子，微生物氧化烷烃末端的第二个碳原子，形成仲醇；形成仲醇；再依次氧化成酮和酯；再依次氧化成酮和酯；酯被水解为伯醇和乙酸，然后进一步酯被水解为伯醇和乙酸，然后进一步分解。分解。现已发现甲烷假单胞菌现已发现甲烷假单胞菌(PsPsmethanicamethanica)的甲烷单加氧酶有这种作的甲烷单加氧酶

6、有这种作用。用。-图图7-1 7-1 链烷烃的次末端氧化反应历程链烷烃的次末端氧化反应历程-直接脱氢直接脱氢 脂肪族烷烃在厌氧条件下可以直接脱氢脂肪族烷烃在厌氧条件下可以直接脱氢 以以NONO3 3-作为受氢体，由烷烃变为烯烃；作为受氢体，由烷烃变为烯烃；进一步转变为仲醇、醛和酸。进一步转变为仲醇、醛和酸。主要反应历程如下：主要反应历程如下：-2.2.各类链烃的微生物降解各类链烃的微生物降解（1 1）短链烷烃比长链烷烃难降解）短链烷烃比长链烷烃难降解 小于小于C C1010的短链烷烃由于有较强的溶解性，的短链烷烃由于有较强的溶解性，毒性较强。毒性较强。小于小于C C1010的烷烃由于挥发性强在

7、多数污染的烷烃由于挥发性强在多数污染环境中很少发现。环境中很少发现。短链烃类降解需要有特殊的微生物。短链烃类降解需要有特殊的微生物。除甲烷可以作为唯一碳源供给特有微生除甲烷可以作为唯一碳源供给特有微生物生长外，其他烷类如乙烷、丙烷和丁物生长外，其他烷类如乙烷、丙烷和丁烷需要共代谢。烷需要共代谢。-甲基营养菌甲基营养菌 能够利用甲烷作为唯一碳源和能源供给能够利用甲烷作为唯一碳源和能源供给的细菌。的细菌。包括包括 甲基单胞菌属甲基单胞菌属(Methylomonas)(Methylomonas)甲基球菌属甲基球菌属(Methylococcus)(Methylococcus)等。等。甲基营养菌还可以利

8、用甲醇、甲基胺和甲基营养菌还可以利用甲醇、甲基胺和甲酸盐等。甲酸盐等。甲烷降解的过程甲烷降解的过程-（2 2）长链脂肪烃在好氧条件下易被多种微生）长链脂肪烃在好氧条件下易被多种微生 物降解物降解 土壤中含有大量的以烃类作为唯一碳源和土壤中含有大量的以烃类作为唯一碳源和能源的微生物。能源的微生物。土壤中有高达土壤中有高达2020的微生物群体能够降解的微生物群体能够降解烃类。烃类。有有160160个属的真菌可在烃类中生长。个属的真菌可在烃类中生长。丝状真菌比酵母降解短链烷烃更具多样性，丝状真菌比酵母降解短链烷烃更具多样性，但仍服从长链比短链更容易降解的规律。但仍服从长链比短链更容易降解的规律。能够

9、氧化烃类的微生物也广泛分布于水环能够氧化烃类的微生物也广泛分布于水环境中，包括海水。境中，包括海水。-表表7-1 7-1 氧化脂肪烃的部分细菌和酵母氧化脂肪烃的部分细菌和酵母-（3 3）烯烃降解）烯烃降解 微生物攻击甲基端，或攻击双键。微生物攻击甲基端，或攻击双键。不饱和直链烃一般没有饱和直链烃容易不饱和直链烃一般没有饱和直链烃容易降解。降解。中间代谢物中间代谢物 不饱和醇和不饱和脂肪酸，伯醇或仲醇，不饱和醇和不饱和脂肪酸，伯醇或仲醇，甲基酮类，甲基酮类，1 1，2-2-环氧化物，环氧化物，1 1，2-2-二醇。二醇。典型的烯烃代谢途径典型的烯烃代谢途径 甲基氧化是主要的降解途径甲基氧化是主要

10、的降解途径(Britton(Britton，1984)1984)。-图图7-2 1-7-2 1-烯烃生物降解的可能代谢途径烯烃生物降解的可能代谢途径-（4 4）支链烷烃降解）支链烷烃降解 具具有有支支链链的的烷烷烃烃（如如季季碳碳和和-烷烷基基分分支支化化合物）很难降解，并在生物圈中积累。合物）很难降解，并在生物圈中积累。只只有有很很少少的的微微生生物物可可以以利利用用这这类类烷烷基基分分支支的化合物作为唯一碳源和能源。的化合物作为唯一碳源和能源。例如例如 2,2-2,2-二甲基庚烷在不受阻碍端降解，产二甲基庚烷在不受阻碍端降解，产生生2,2-2,2-二甲基丙酸，但尚未发现有微生物二甲基丙酸，

11、但尚未发现有微生物可以再降解后者。可以再降解后者。这类化合物在环境中只能和化学方法结合这类化合物在环境中只能和化学方法结合使用进行生物修复。使用进行生物修复。-三、环烷烃的降解三、环烷烃的降解1.1.一般环烷烃的降解一般环烷烃的降解 环环烷烷烃烃的的降降解解和和链链烷烷烃烃的的次次末末端端降降解解途途径相似。径相似。许许多多能能氧氧化化非非环环烷烷烃烃的的微微生生物物由由于于专专一一性较宽，也可以水解环烷烃。性较宽，也可以水解环烷烃。羟基化是降解的关键步骤羟基化是降解的关键步骤 环己烷的代谢降解，经历环己醇、环己环己烷的代谢降解，经历环己醇、环己酮和酮和-己酸内酯后，开环形成羟基羧己酸内酯后，

12、开环形成羟基羧酸。酸。-图图7-3 7-3 环己烷的生物降解过程环己烷的生物降解过程-2.2.取代环烷烃的降解取代环烷烃的降解 各类取代环烷烃微生物降解的规律：各类取代环烷烃微生物降解的规律：带羧基的容易降解；带羧基的容易降解；而带氯原子的抗降解；而带氯原子的抗降解；带有长碳侧链的环烷烃抗微生物降解；带有长碳侧链的环烷烃抗微生物降解；有偶数碳原子正烷基侧链的环烷烃，其有偶数碳原子正烷基侧链的环烷烃，其侧链容易户氧化；侧链容易户氧化；有奇数碳原子正烷基侧链的环烷烃，其有奇数碳原子正烷基侧链的环烷烃，其侧链甲基容易羟化，然后被氧化为对应侧链甲基容易羟化，然后被氧化为对应的酸，再行的酸，再行-氧化。

13、氧化。-图图7-4 7-4 恶臭假单孢菌对樟脑的降解恶臭假单孢菌对樟脑的降解-第二节第二节 苯系物的降解苯系物的降解 苯系物（苯系物（BTEXBTEX）包括：）包括：苯苯 甲苯甲苯 乙苯乙苯 同分异构体的二甲苯同分异构体的二甲苯 苯系物的衍生物：苯系物的衍生物：芳香醇、芳香醛、芳香酮、芳香酸类芳香醇、芳香醛、芳香酮、芳香酸类 苯系物的衍生物的化学性质和降解过程苯系物的衍生物的化学性质和降解过程与苯系物相似。与苯系物相似。-苯系物在土壤和地下水体系中容易进苯系物在土壤和地下水体系中容易进行降解反应。行降解反应。邻二甲苯以共代谢方式降解，还没有邻二甲苯以共代谢方式降解，还没有证据表明它可作为惟一碳

14、源。证据表明它可作为惟一碳源。很多真菌可以氧化芳香烃类化合物很多真菌可以氧化芳香烃类化合物 各种厌氧代谢方式，如硝酸盐呼吸、各种厌氧代谢方式，如硝酸盐呼吸、硫酸盐还原、硫酸盐还原、FeFe（IIIIII）还原以及甲烷）还原以及甲烷发酵都可以降解苯系物。发酵都可以降解苯系物。-一、苯的好氧降解一、苯的好氧降解1.1.苯环的氧化过程苯环的氧化过程 苯环上引入两个羟基，形成一种顺式二氢二苯环上引入两个羟基，形成一种顺式二氢二羟化合物。羟化合物。通过脱氢通过脱氢-氧化反应形成儿茶酚。氧化反应形成儿茶酚。儿茶酚裂解方式儿茶酚裂解方式 正位裂解：正位裂解：在两个羟基之间裂解，形成顺，在两个羟基之间裂解，形

15、成顺，顺顺-粘康酸；粘康酸；偏位裂解：偏位裂解：在羟基化碳原子与非羟基化碳原在羟基化碳原子与非羟基化碳原子之间裂解，形成子之间裂解，形成2-2-羟基粘康酸半醛。羟基粘康酸半醛。-图图 7-5 7-5 苯的两种生物降解途径苯的两种生物降解途径-2.2.涉及苯分子氧化的组成酶涉及苯分子氧化的组成酶 在正位裂解过程中在正位裂解过程中 双加氧酶：双加氧酶：由双加氧酶催化，有分子氧由双加氧酶催化，有分子氧掺入。掺入。环化异构酶：环化异构酶：形成的粘康酸在环化异构形成的粘康酸在环化异构酶的作用下形成粘康内酯，再进一步异酶的作用下形成粘康内酯，再进一步异构为烯醇化内酯。构为烯醇化内酯。水解酶：水解酶：在水解

16、酶作用下形成在水解酶作用下形成3-3-氧己二氧己二酸。酸。CoACoA转移酶：转移酶：在在CoACoA转移酶作用下，转移酶作用下，3-3-氧氧已二酸被激活分裂为琥珀酸和乙酰已二酸被激活分裂为琥珀酸和乙酰CoACoA。-在偏位裂解过程中在偏位裂解过程中 双加氧酶：双加氧酶：在双加氧酶催化下，形成的在双加氧酶催化下，形成的2-2-羟基粘康酸。羟基粘康酸。脱氢酶：脱氢酶：在脱氢酶的催化下，氧化为在脱氢酶的催化下，氧化为2-2-羟羟基粘康酸，然后再脱羧形成基粘康酸，然后再脱羧形成2-2-羟基羟基-2,4-2,4-戊戊二烯酸。二烯酸。水解酶：水解酶：在水解酶作用下，去除甲酸直接在水解酶作用下，去除甲酸直

17、接形成形成2-2-羟基羟基-2,4-2,4-戊二烯酸。戊二烯酸。水合酶：水合酶：在水合酶作用下，形成在水合酶作用下，形成4-4-羟基羟基2-2-氧戊酸。氧戊酸。醛缩酶：醛缩酶：在醛缩酶作用下，形成丙酮酸和在醛缩酶作用下，形成丙酮酸和乙醛。乙醛。-二、甲苯、乙苯和二甲苯的好氧降解二、甲苯、乙苯和二甲苯的好氧降解1.1.甲苯、乙苯和二甲苯的降解途径甲苯、乙苯和二甲苯的降解途径 苯环上的甲基或乙基氧化形成羧基，然苯环上的甲基或乙基氧化形成羧基，然后去除羧基，在双加氧酶作用下同时引后去除羧基，在双加氧酶作用下同时引入两个羟基形成儿茶酚。入两个羟基形成儿茶酚。苯环直接加氧连接两个羟基，再进一步苯环直接加

18、氧连接两个羟基，再进一步氧化。氧化。-图图7-6 7-6 甲苯细菌降解两条途径的最初几步甲苯细菌降解两条途径的最初几步-2.2.对二甲苯和间二甲苯对二甲苯和间二甲苯 可以作为细菌的唯一碳源被微生物降可以作为细菌的唯一碳源被微生物降解。解。3.3.邻二甲苯邻二甲苯 只有通过共代谢方式氧化降解。只有通过共代谢方式氧化降解。烷基取代芳烃降解菌：烷基取代芳烃降解菌：几种不同的诺卡氏菌通过共代谢方式几种不同的诺卡氏菌通过共代谢方式氧化烷基取代芳烃氧化烷基取代芳烃(Cookson(Cookson，1995)1995)。-三、苯系物的厌氧降解三、苯系物的厌氧降解 近十几年来大量的研究表明厌氧菌对近十几年来大

19、量的研究表明厌氧菌对苯系物降解具有重要作用。苯系物降解具有重要作用。主要采用富集培养混合菌群的研究方主要采用富集培养混合菌群的研究方法，而很少采用像好氧菌那样的纯培法，而很少采用像好氧菌那样的纯培养研究以精确了解代谢途径。养研究以精确了解代谢途径。-表表7-2 7-2 芳香化合物的厌氧降解芳香化合物的厌氧降解化合物化合物微生物微生物培养条件培养条件苯甲酸苯甲酸施氏假单孢菌施氏假单孢菌巨大脱硫线菌巨大脱硫线菌未鉴定菌未鉴定菌反硝化反硝化硫酸盐还原硫酸盐还原产甲烷产甲烷儿茶酚儿茶酚儿茶酚脱硫杆菌儿茶酚脱硫杆菌未鉴定菌未鉴定菌硫酸盐还原硫酸盐还原产甲烷产甲烷对甲酚对甲酚混合培养物混合培养物未鉴定菌未

20、鉴定菌未鉴定菌未鉴定菌反硝化反硝化硫酸盐还原硫酸盐还原产甲烷产甲烷苯酚苯酚未鉴定菌未鉴定菌未鉴定菌未鉴定菌酚脱硫杆菌酚脱硫杆菌未鉴定菌未鉴定菌反硝化反硝化硫酸盐还原硫酸盐还原硫酸盐还原硫酸盐还原产甲烷产甲烷甲苯甲苯混合培养物混合培养物,未鉴定菌未鉴定菌混合培养物混合培养物反硝化反硝化产甲烷产甲烷邻二甲苯邻二甲苯混合培养物混合培养物反硝化反硝化-芳香化合物的厌氧降解过程芳香化合物的厌氧降解过程 反硝化、硫酸盐还原、产甲烷。反硝化、硫酸盐还原、产甲烷。铁铁氧氧化化物物Fe(III)Fe(III)和和氧氧化化锰锰Mn(IV)Mn(IV)也也可可以以作为有效的电子受体。作为有效的电子受体。厌氧降解的最

21、初几步与好氧降解完全不同。厌氧降解的最初几步与好氧降解完全不同。厌氧降解过程包括：厌氧降解过程包括：苯环的加氢：苯环的加氢：加氢改变了苯环的稳定结构加氢改变了苯环的稳定结构 苯环开裂：苯环开裂：形成脂肪烃形成脂肪烃 -氧化：氧化：通过通过-氧化进入三羧酸循环氧化进入三羧酸循环-图图7-7 7-7 苯甲酸苯甲酸厌氧降解的最厌氧降解的最初几步初几步(a)(a)苯甲酸在厌苯甲酸在厌氧条件下还原氧条件下还原形成对应的环形成对应的环烷烃烷烃(b)(b)苯甲酸在莫苯甲酸在莫拉氏菌作用下拉氏菌作用下的还原作用的还原作用,过过程中有水中的程中有水中的氧参与氧化作氧参与氧化作用用-图图7-8 7-8 甲苯的几条

22、厌氧代谢途径甲苯的几条厌氧代谢途径-第三节第三节 多环芳烃的降解多环芳烃的降解一、多环芳烃一、多环芳烃(PAHs)(PAHs)指分子中含有两个或两个以上苯环的烃类。指分子中含有两个或两个以上苯环的烃类。按照苯环之间的连接方式分为两类按照苯环之间的连接方式分为两类 苯环间没有共用的环内碳原子苯环间没有共用的环内碳原子(如联苯如联苯)。苯环之间发生稠合苯环之间发生稠合(如萘、蒽、菲等如萘、蒽、菲等)。一般一般PAHsPAHs多指稠环芳烃，其化合物中至少多指稠环芳烃，其化合物中至少有有2 2个环，多则个环，多则3 3环、环、4 4环、环、5 5环，甚至环，甚至6 6环。环。许多许多PAHs PAHs

23、 是具有毒性的致瘤、致突变环境是具有毒性的致瘤、致突变环境污染物。污染物。-图图7-9 7-9 典型的多环芳烃典型的多环芳烃-1.PAHs1.PAHs的来源、分布与性质的来源、分布与性质 广泛分布于空气、土壤、水体中。广泛分布于空气、土壤、水体中。PAHs PAHs的来源的来源(1)(1)有机质的不完全燃烧，汽油不完全燃烧产有机质的不完全燃烧，汽油不完全燃烧产生的尾气。生的尾气。(2)(2)炼油和炼焦过程：炼油和炼焦过程：7070的的PAHs PAHs 污染来自污染来自于采油、炼油和石油运输过程。于采油、炼油和石油运输过程。(3)(3)溶剂、杀虫剂、塑料、涂料、树脂和染料溶剂、杀虫剂、塑料、涂

24、料、树脂和染料生产等也会造成生产等也会造成 PAHs PAHs 污染。污染。(4)PAHs(4)PAHs 还可由二萜、三萜、甾族化合物以还可由二萜、三萜、甾族化合物以及植物色素形成。及植物色素形成。-自自然然界界中中的的PAHsPAHs可可以以被被化化学学氧氧化化、光光解解和挥发。和挥发。微微生生物物可可以以降降解解多多种种PAHsPAHs。尽尽管管已已经经分分离离到到可可以以利利用用PAHsPAHs为为惟惟一一碳碳源源的的微微生生物物，但但是是能能够够降降解解4 4环环和和4 4环环以以上上PAHsPAHs的的微微生生物不多，这与其溶解性有关。物不多，这与其溶解性有关。PAHs PAHs的降

25、解取决于其化学结构的复杂性的降解取决于其化学结构的复杂性和降解酶的适应程度。和降解酶的适应程度。现在还很难总结出现在还很难总结出PAHsPAHs生物降解性的一生物降解性的一般规律，但是可以归纳出一些适用于大般规律，但是可以归纳出一些适用于大多数情况的降解特点。多数情况的降解特点。-2.PAHs2.PAHs的降解特点的降解特点(1)(1)降解的难易与降解的难易与PAHsPAHs的溶解度、环的数目、的溶解度、环的数目、取代基种类、取代基的位置、取代基的数取代基种类、取代基的位置、取代基的数目以及杂环原子的性质有关；目以及杂环原子的性质有关；(2)(2)不同种类的微生物对各类不同种类的微生物对各类P

26、AHsPAHs的降解有显的降解有显著差异；著差异；(3)(3)通常通常2 2环、环、3 3环环PAHsPAHs容易被土壤细菌和真菌容易被土壤细菌和真菌降解；降解；(4)4(4)4环以上环以上PAHsPAHs很难降解，及抗生物降解；很难降解，及抗生物降解；(5)(5)在苯环结构中增加了在苯环结构中增加了3 3个甲基后，严重地个甲基后，严重地降低了其生物降解性；降低了其生物降解性；-(6)(6)增加增加PAHsPAHs的饱和程度会显著地降低降解程度；的饱和程度会显著地降低降解程度；(7)4(7)4环、环、5 5环以上的环以上的PAHsPAHs降解要依赖共代谢和类似物；降解要依赖共代谢和类似物；(8

27、)(8)微生物种群的协同作用和多样性对生物降解和生微生物种群的协同作用和多样性对生物降解和生物修复有利；物修复有利；(9)(9)初始的环氧化是限速步骤，其后步骤在初始的环氧化是限速步骤，其后步骤在3 3环和环和3 3环环以下进行很迅速；以下进行很迅速；(10)(10)将将PAHsPAHs氧化菌接种到污染区会加速降解速率，有氧化菌接种到污染区会加速降解速率，有利于生物修复；利于生物修复；(11)PAHs(11)PAHs在厌氧条件下的降解尚未广泛地进行研究，在厌氧条件下的降解尚未广泛地进行研究，并未在现场使用；并未在现场使用；(12)2(12)2环、环、3 3环环PAHsPAHs在反硝化、硫酸盐还

28、原、甲烷和发在反硝化、硫酸盐还原、甲烷和发酵条件下转化。酵条件下转化。-二、多环芳烃的降解途径二、多环芳烃的降解途径1.1.萘（最简单的萘（最简单的PAHsPAHs）的降解过程）的降解过程 由双加氧酶催化降解，生成顺由双加氧酶催化降解，生成顺-萘二氢二醇。萘二氢二醇。脱氢形成脱氢形成1,2-1,2-二羟基萘二羟基萘 环氧化裂解环氧化裂解,去除侧链，形成水杨酸。去除侧链，形成水杨酸。进一步转化成儿茶酚或龙胆酸后开环。进一步转化成儿茶酚或龙胆酸后开环。2.2.三环的三环的PAHsPAHs的降解过程的降解过程 双加氧酶催化产生顺双加氧酶催化产生顺-二氢二醇二氢二醇 脱氢形成对应的二醇脱氢形成对应的二

29、醇 环氧化裂解，去除侧链，形成少一个环的二环氧化裂解，去除侧链，形成少一个环的二醇。醇。进一步转化为儿茶酚或龙胆酸，彻底降解进一步转化为儿茶酚或龙胆酸，彻底降解-图图7-10 7-10 萘的细菌生物降解萘的细菌生物降解-图图7-11 7-11 菲的细菌生物降解过程菲的细菌生物降解过程-图图7-12 7-12 蒽的细菌生物降解过程蒽的细菌生物降解过程-三、多环芳烃的好氧微生物代谢三、多环芳烃的好氧微生物代谢 很很多多土土壤壤微微生生物物可可以以好好氧氧氧氧化化2 2环环和和3 3环环化化合合物物。利利用用恶恶臭臭假假单单胞胞菌菌和和黄黄杆杆菌菌对对不不同同结构的结构的PAHsPAHs的降解程度研

30、究发现：的降解程度研究发现：两两种种不不同同的的微微生生物物对对不不同同的的PAHsPAHs有有不不同同的的反反应应。随随着着环环数数目目的的增增加加，降降解解程程度度下下降降。增增加加一一个个甲甲基基可可以以明明显显降降低低降降解解程程度度，其其效效果果因因位位置置而而异异。增增加加三三个个甲甲基基会会严严重重阻阻碍碍降降解解作作用用。增增加加PAHsPAHs的的饱饱和和程程度度(即即在在双双键键之之间间加加氢氢)会会显显著著降降低低降降解解程程度度。如如菲菲在在加加两两个个氢氢以以后后这这两两种种微微生生物物的的降降解解性性分别降低了分别降低了8282和和7777。-表表7-3 PAHs7

31、-3 PAHs的结构对其氧化作用的影响的结构对其氧化作用的影响(以相对降解程度表示以相对降解程度表示)-图图7-13 7-13 节杆菌对芴可能的降解途径节杆菌对芴可能的降解途径-环境中微生物种群的多样性有利于环境中微生物种群的多样性有利于 3 3 环以上环以上PAHsPAHs的降解。的降解。协同有利于协同有利于PAHsPAHs的降解。的降解。例如例如:恶臭假单胞菌不能降解芘，但是有黄恶臭假单胞菌不能降解芘，但是有黄杆菌及其生长基质菲的情况下则能够杆菌及其生长基质菲的情况下则能够降解。降解。从污染河流分离到的混合菌株在有生从污染河流分离到的混合菌株在有生长基质萘或菲存在的情况下，芘和长基质萘或菲

32、存在的情况下，芘和1,2-1,2-苯蒽均可降解。苯蒽均可降解。-真菌也可以氧化真菌也可以氧化PAHsPAHs 85 85的试验真菌种可以氧化萘。的试验真菌种可以氧化萘。雅致小克银汉霉属雅致小克银汉霉属 氧化蒽为反氧化蒽为反-1,2-1,2-羟羟-1,2-1,2-二氢蒽和二氢蒽和1-1-蒽基硫酸盐蒽基硫酸盐 在在 1,2-1,2-位和位和 3,4-3,4-位上氧化菲分位上氧化菲分别形成反别形成反-1,2-1,2-二氢二醇和反二氢二醇和反-3,4-3,4-二氢二醇。二氢二醇。-图图7-14 7-14 拜叶拜叶林克氏菌林克氏菌B-1B-1降解苯并蒽降解苯并蒽的代谢途径的代谢途径左侧左侧:主要代主要代

33、谢途径，第谢途径，第一步在第一步在第1,21,2位上氧化位上氧化-图图7-15 7-15 雅雅致小克银汉致小克银汉霉属对萘的霉属对萘的降解代谢降解代谢-四、多环芳烃的厌氧微生物代谢四、多环芳烃的厌氧微生物代谢 PAHsPAHs可可以以在在反反硝硝化化、硫硫酸酸盐盐还还原原、产产甲甲烷烷发酵等厌氧条件下转化。发酵等厌氧条件下转化。已已经经证证实实萘萘在在反反硝硝化化条条件件下下可可以以降降解解。萘萘在在甲甲烷烷发发酵酵条条件件下下的的降降解解见见图图7-167-16。其其降降解解途途径径与与单单环环烃烃的的代代谢谢途途径径相相似似，在在甲甲烷烷发发酵酵中中苯苯的的主主要要中中间间代代谢谢物物是是

34、酚酚(Grbic-Gallo(Grbic-Gallo，1990)1990)。-图图 7-16 7-16 萘降解的产甲烷代谢途径萘降解的产甲烷代谢途径-在在PAHsPAHs环中间含有氮和硫的杂环化合物在厌氧环中间含有氮和硫的杂环化合物在厌氧条件下比较容易降解。这类化合物有吲哚、喹条件下比较容易降解。这类化合物有吲哚、喹啉、异喹啉、啉、异喹啉、4-4-甲基喹啉、苯并噻吩、二苯并甲基喹啉、苯并噻吩、二苯并噻吩和吡啶。噻吩和吡啶。图图 7-17 7-17 喹啉降解的产甲烷途径喹啉降解的产甲烷途径-第四节第四节 卤代脂肪烃的降解卤代脂肪烃的降解 一、卤代脂肪烃作为生长基质利用一、卤代脂肪烃作为生长基质利

35、用 一些纯培养菌可以利用氯代脂肪烃作为一些纯培养菌可以利用氯代脂肪烃作为生长基质。表生长基质。表5-45-4中列举了一些可以利用氯中列举了一些可以利用氯代脂肪烃化合物作为惟一碳源的微生物代脂肪烃化合物作为惟一碳源的微生物 (Janssen(Janssen，1989)1989)。-表表7-4 利用氯代脂肪烃化合物生长的纯培养菌利用氯代脂肪烃化合物生长的纯培养菌菌株菌株基质基质生长率生长率/h-1生丝微菌属生丝微菌属假单孢菌假单孢菌DM1生丝微菌生丝微菌DM2甲基杆菌甲基杆菌DM4黄色杆菌黄色杆菌GJ10假单孢菌假单孢菌CE1J节杆菌节杆菌HA1分枝杆菌分枝杆菌ml5-3假单孢菌属假单孢菌属分枝杆

36、菌分枝杆菌L1一氯甲烷一氯甲烷二氯甲烷二氯甲烷二氯甲烷二氯甲烷二氯甲烷二氯甲烷1,2-二氯甲烷二氯甲烷2-氯乙醇氯乙醇1-氯己烷氯己烷1-氯丁烷氯丁烷1,6-二氯己烷二氯己烷氯乙烯氯乙烯0.090.110.070.220.120.090.14-0.05-二、卤代脂肪烃的好氧和厌氧降解二、卤代脂肪烃的好氧和厌氧降解 1 1、好氧降解、好氧降解 好氧降解研究最多的是好氧降解研究最多的是TCETCE。甲基营养菌在有。甲基营养菌在有甲烷和天然气存在的情况下可以降解甲烷和天然气存在的情况下可以降解 TCE TCE，国内，国内也有此方面的研究也有此方面的研究(沈润南和李树本，沈润南和李树本，1998)19

37、98)；一株假单胞菌一株假单胞菌(G-4)(G-4)在有苯酚等化合物存在时在有苯酚等化合物存在时可降解可降解 TCE TCE。氨氧化菌欧洲亚硝化单胞菌。氨氧化菌欧洲亚硝化单胞菌 可降解可降解卤代脂肪烃卤代脂肪烃(Baker(Baker，1994)1994)。甲烷营养菌对污染的蓄水层是很有前途的生甲烷营养菌对污染的蓄水层是很有前途的生物修复菌物修复菌(Atlas(Atlas，1998)1998)。-2 2、厌氧降解、厌氧降解 还原性脱卤还原性脱卤 在产甲烷的条件下，以乙酸作为碳源在产甲烷的条件下，以乙酸作为碳源富集微生物同生菌，可以生物转化富集微生物同生菌，可以生物转化C C1 1和和C C2

38、2卤代烃卤代烃(TCE(TCE、四氯化碳和、四氯化碳和1,1,1-TCA1,1,1-TCA即三氯即三氯乙酸乙酸)为二氧化碳和甲烷。为二氧化碳和甲烷。-表表7-5 某些卤代脂肪烃的厌氧生物降解某些卤代脂肪烃的厌氧生物降解-涉及卤代脂肪烃的降解规律及生物修复的要点：涉及卤代脂肪烃的降解规律及生物修复的要点：微生物脱卤方式有好氧产能脱卤、好氧共代谢微生物脱卤方式有好氧产能脱卤、好氧共代谢 脱卤和厌氧还原性脱卤。卤代脂肪烃不会对所脱卤和厌氧还原性脱卤。卤代脂肪烃不会对所 有代谢方式作出反应，这取决于化合物的骨架、有代谢方式作出反应，这取决于化合物的骨架、卤代程度、氧还电位、土水条件和有效电子受体。卤代

39、程度、氧还电位、土水条件和有效电子受体。某些卤代脂肪烃在好氧条件下作为惟一碳源某些卤代脂肪烃在好氧条件下作为惟一碳源 和能源。和能源。某些卤代脂肪烃在好氧条件下以共代谢方式转某些卤代脂肪烃在好氧条件下以共代谢方式转 化。甲烷营养菌已经在现场示范中，共代谢转化。甲烷营养菌已经在现场示范中，共代谢转 化某些卤代脂肪烃。化某些卤代脂肪烃。-许许多多卤卤代代脂脂肪肪烃烃可可在在厌厌氧氧条条件件下下还还原原性性脱脱卤卤。电电子子受受体体(硝硝酸酸盐盐、硫硫酸酸盐盐和和COCO2 2)显显著著地地影影响响着着还还原原性性脱脱卤卤的的程程度度。硝硝酸酸盐盐可可以以阻阻断断某某些些卤卤代代脂脂肪肪烃烃的的厌厌

40、氧氧脱脱卤卤，硫硫酸酸盐也会影响脱卤的程度。盐也会影响脱卤的程度。充充足足对对路路的的电电子子供供体体对对成成功功地地进进行行还还原原性性脱脱卤卤是是必必需需的的条条件件，如如在在产产甲甲烷烷条条件件下下产产生的挥发性脂肪酸可以做电子供体。生的挥发性脂肪酸可以做电子供体。-三、脱卤反应机制三、脱卤反应机制目前在好氧细菌中发现目前在好氧细菌中发现5 5种脱卤机制种脱卤机制 图图7-18 7-18 细菌培养物对卤代烃的脱氯机制细菌培养物对卤代烃的脱氯机制-1 1、亲核置换、亲核置换 有谷胱甘肽转移酶有谷胱甘肽转移酶(GST)(GST)参与，形成谷参与，形成谷胱甘肽和卤代脂肪烃共价结合的中间物，胱甘

41、肽和卤代脂肪烃共价结合的中间物，最后脱卤。最后脱卤。例如例如:生丝微菌生丝微菌(Hyphomicrobium)(Hyphomicrobium)在二氯在二氯甲烷基质中脱氯就是这种方式，脱氯的产甲烷基质中脱氯就是这种方式，脱氯的产物是甲醛。物是甲醛。-2 2、水、水 解解 水解脱卤酶参与氯代脂肪烷烃的脱卤水解脱卤酶参与氯代脂肪烷烃的脱卤反应，其反应产物是对应的醇。反应，其反应产物是对应的醇。这类氯代脂肪烷烃有这类氯代脂肪烷烃有 2-2-氯代羧酸、氯代羧酸、1-1-氯代正烷烃、氯代正烷烃、a,w-a,w-二氯正烷烃、二氯正烷烃、a,w a,w-氯代醇以及其他相关化合物。氯代醇以及其他相关化合物。例如

42、：例如：自养黄色杆菌自养黄色杆菌 以以1,2-1,2-二氯乙烷为惟二氯乙烷为惟一碳源，在两种不同的水解脱卤酶作用下一碳源，在两种不同的水解脱卤酶作用下经过两次水解脱氯作用，生成产物乙醇酸，经过两次水解脱氯作用，生成产物乙醇酸，然后进入中央代谢途径。然后进入中央代谢途径。-图图7-19 7-19 自养黄杆菌对自养黄杆菌对1,2-1,2-二氯乙烷的二氯乙烷的脱卤代谢途径脱卤代谢途径-3 3、氧、氧 化化 由单加氧酶催化，需要还原性辅助因由单加氧酶催化，需要还原性辅助因子或细胞色素，分子氧中的一个氧原子与子或细胞色素，分子氧中的一个氧原子与基质结合，另一个氧原子形成水。基质结合，另一个氧原子形成水。

43、单加氧酶反应在性质上是亲电反应而单加氧酶反应在性质上是亲电反应而不是亲核反应，因此这种氧化反应为结构不是亲核反应，因此这种氧化反应为结构上对亲核取代反应不敏感的化合物的降解上对亲核取代反应不敏感的化合物的降解提供了另一种途径。提供了另一种途径。-4 4、分子内部亲核取代、分子内部亲核取代 由由单单加加氧氧酶酶或或双双加加氧氧酶酶催催化化，形形成成环环氧氧化化物物，然然后后再再脱脱去去氯氯。如如反反-1,2-1,2-氯氯乙乙烯烯在在甲甲基基营营养养细细菌菌作作用用下的降解。下的降解。图图7-20 7-20 反反-1,2-1,2-二氯乙烯在甲基营养细菌作用下的降解二氯乙烯在甲基营养细菌作用下的降解

44、-5 5、水、水 合合 具有不饱和键的卤代烃水合后脱卤。具有不饱和键的卤代烃水合后脱卤。例如，例如，3-3-氯代丙烯酸水合脱氯形成丙醛酸。氯代丙烯酸水合脱氯形成丙醛酸。-四、典型卤代脂肪烃的降解四、典型卤代脂肪烃的降解1 1、氯代烷烃的降解氯代烷烃的降解二二氯氯甲甲烷烷在在好好氧氧条条件件下下可可以以作作为为生生长长基基质质被被利用利用 二氯甲烷的脱氯可以由依靠谷胱甘肽的二氯甲烷的脱氯可以由依靠谷胱甘肽的脱氢酶催化，该酶的脱氢酶催化，该酶的DNADNA已被克隆并进行了已被克隆并进行了序列分析序列分析(La Roche&Leisinger(La Roche&Leisinger，1990)1990

45、)。-三氯甲烷或四氯甲烷是由严格厌氧菌降解三氯甲烷或四氯甲烷是由严格厌氧菌降解厌氧菌降解有两种方式：厌氧菌降解有两种方式：取代脱卤，转化为取代脱卤，转化为COCO2 2，是一种由金属，是一种由金属卟啉催化的非酶过程；卟啉催化的非酶过程；还原性脱卤，三氯甲烷依次转化为二氯还原性脱卤，三氯甲烷依次转化为二氯甲烷、氯甲烷，最后是甲烷。甲烷、氯甲烷，最后是甲烷。同一种菌可以有两种代谢方式。同一种菌可以有两种代谢方式。-二氯乙烷在好氧条件下可以被黄杆菌矿化二氯乙烷在好氧条件下可以被黄杆菌矿化 涉及二次水解脱卤的酶系的三维结构已经清涉及二次水解脱卤的酶系的三维结构已经清楚，并已对其基因进行克隆和序列分析楚

46、，并已对其基因进行克隆和序列分析(Janssen(Janssen，19891989；FrankenFranken，1991)1991)。三氯乙烷可在厌氧梭菌三氯乙烷可在厌氧梭菌(Clostridium)(Clostridium)的作用下脱的作用下脱卤转化为二氯乙烷卤转化为二氯乙烷(Galli&McCarty(Galli&McCarty，1989)1989)。-2 2、氯代烯烃的降解氯代烯烃的降解 三氯乙烯三氯乙烯(TCE)(TCE)的降解已有很多的研究。甲的降解已有很多的研究。甲烷营养菌可以氧化烷营养菌可以氧化TCETCE，因为甲烷单加氧酶是一，因为甲烷单加氧酶是一个特异性很低的氧化酶，可以催

47、化多种有机物的个特异性很低的氧化酶，可以催化多种有机物的氧化。用甲烷营养菌降解氧化。用甲烷营养菌降解TCETCE的研究经过了小试、的研究经过了小试、中试和现场试验中试和现场试验(Anderson(Anderson，1995)1995)，遇到以下问，遇到以下问题：题：-甲烷单加氧酶对甲烷有比对甲烷单加氧酶对甲烷有比对TCETCE较高的亲和较高的亲和 性，甲烷是性，甲烷是TCETCE代谢的竞争性抑制剂。代谢的竞争性抑制剂。在在TCETCE氧化过程中，该酶活性有不可逆的损氧化过程中，该酶活性有不可逆的损 失。失。TCE TCE氧化时需要外部补充能量。甲烷代谢可氧化时需要外部补充能量。甲烷代谢可 提供

48、必要的能量，但是由于和提供必要的能量，但是由于和TCETCE竞争所以竞争所以 不能选作能源。不能选作能源。在实验室内已成功将甲酸选作能源。在实验室内已成功将甲酸选作能源。-除甲烷单加氧酶可以氧化除甲烷单加氧酶可以氧化TCETCE以外，还以外，还有氨单加氧酶、异戊二烯氧化酶、丙烷单有氨单加氧酶、异戊二烯氧化酶、丙烷单加氧酶、甲苯加氧酶、甲苯-邻邻-单加氧酶和甲苯双加氧酶单加氧酶和甲苯双加氧酶等。上述酶系都需要有适当的诱导物存在等。上述酶系都需要有适当的诱导物存在时才合成，但它们可能是有毒有机物。现时才合成，但它们可能是有毒有机物。现已获得一株洋葱假单胞菌已获得一株洋葱假单胞菌(Ps.cepaci

49、a)(Ps.cepacia)的组的组成性突变株，含有甲苯成性突变株，含有甲苯-邻邻-单加氧酶，这个单加氧酶，这个菌株的甲苯单加氧酶不需要诱导物存在就菌株的甲苯单加氧酶不需要诱导物存在就可以起作用可以起作用(Shields(Shields，1991)1991)。-TCETCE的氧化作用产物取决于最初氧化作用的机制的氧化作用产物取决于最初氧化作用的机制单加氧酶作用：单加氧酶作用：由甲烷营养菌氧化，产生由甲烷营养菌氧化，产生TCETCE环氧化物，然后自环氧化物，然后自发地水解为二氯乙酸、乙醛酸、甲酸和发地水解为二氯乙酸、乙醛酸、甲酸和CO(CO(图图7-21)7-21)。最后产物可为其他菌所利用。在

50、这个过程中，有少量最后产物可为其他菌所利用。在这个过程中，有少量副产物三氯乙醛。副产物三氯乙醛。双加氧酶作用：双加氧酶作用：由假单胞菌作用，最初产生由假单胞菌作用，最初产生TCETCE一氧杂环化物和一氧杂环化物和1,2-1,2-二羟基二羟基-TCE-TCE，然后重排形成甲酸和乙醛酸。，然后重排形成甲酸和乙醛酸。两者均不能使四氯乙烯共代谢两者均不能使四氯乙烯共代谢(Gibson et sl(Gibson et sl，1995)1995)。-图图7-21 7-21 甲烷甲烷营养菌对三氯营养菌对三氯乙烯乙烯(TCE)(TCE)的的好氧共代谢好氧共代谢关键反应关键反应:甲甲烷单加氧酶作烷单加氧酶作用形