《《环境微生物》第八章 微生物对化学物质的降解与转化课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《环境微生物》第八章 微生物对化学物质的降解与转化课件（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章微生物对化学物质的降解与转化,Microorganism,Microorganism,Microorganism,Microorganism,本章提要,主要介绍可生物降解性的定义、测定方法及影响微生物降解与转化的生态学因素，微生物降解与转化污染物的巨大潜力，各种天然化学物质和人工合成化合物质包括重金属化合物的降解与转化的途径及影响因素。,随着现代化工业的不断发展，天然物质及人工合成物质的使用量日益增多，必然导致副产品和中间产物的种类更多，因而人类处理废物的工作无疑是巨大而艰难的。 从20世纪60年代中期，发现一些土壤微生物可以降解非自然物质，如除草剂、杀虫剂、合成洗涤剂等开始，人类就致力
2、于研究与开发用微生物清除各种废弃的人工合成物质的技术。 事实证明，微生物的降解与转化，是人类安全、有效、低成本清除有害物质的一条途径。,第一节 微生物降解与转化化学物质的能力,降解作用是微生物将复杂的污染物质分解为简单的小分子物质的过程。在该过程中，污染物分子碳链断裂或碳原子数目减少，同时产生大量的能量。有机物被彻底分解为CO2与H2O时，称为终极降解。 转化作用是微生物将污染物质从一种形式转变为另一种形式的过程。该过程不强调污染物分子碳链的断裂或碳原子数目的减少，所产生的能量也不及降解作用多。 微生物对复杂的有机污染物的代谢方式主要为降解作用。,一、污染物的可生物降解性,1 可生物降解性 所
3、谓可生物降解性，是复杂大分子物质通过微生物的生命活动降解为简单小分子物质的可能性。,根据生物降解性的大小，将所有的污染物分为3种类型：,易生物降解性物质,迅速被降解：如单糖、淀粉、蛋白质、核糖等,难生物降解性物质,能降解，但时间较长：如纤维素、烃类、农药等。,不可生物降解性物质,在相当长的时间内都不能被降解的某些高分子合成有机物：如塑料、尼龙等。,2 可生物降解性的测定,通过间接测定微生物代谢污染物时生理指标的强度变化，可确定污染物的可生物降解性，为确定污染物的处理方法和有关运行参数提供依据。,（1）瓦氏呼吸仪测量法 （2）BOD5与CODCr比值法 （3）微生物降解实验法 （4）其他方法和指
4、标,（1）瓦氏呼吸仪测量法,微生物降解转化污染物时消耗氧，会使气体压力下降，瓦氏呼吸仪可以测量气体压力下降的程度，从而反映微生物活性或污染物被降解转化的强度。 利用瓦氏呼吸仪测量法，可得出以下指标：,基质生物氧化率 呼吸曲线,基质生物氧化率,基质指被微生物（活性污泥）降解转化的单一的有机物。 瓦氏呼吸仪可以测得微生物降解转化基质时的耗氧量， 而根据分子结构，可计算出基质被完全氧化所需的氧的量，即理论需氧量。 耗氧量与理论需氧量之比，即为基质的生物氧化率。 在测定条件完全相同时，不同基质的生物氧化率可反映其生物降解性的差异。（氧化率高降解性强）,经测试，部分有机物的生物氧化率为： 甲苯：53；
5、醋酸乙烯酯：34； 苯：24； 乙二胺：24； 二甘醇：5； 二癸基苯二甲酸：l。,呼吸曲线,所谓呼吸曲线，指耗氧量随时间变化的曲线。 可测得两条呼吸曲线： 一条为微生物处于内源呼吸时的内源呼吸曲线，因微生物呼吸速度恒定，所以该呼吸曲线是直线； 另一条为供给微生物外源基质时的特征曲线，称为生化呼吸曲线。,通过两条曲线的比较，可了解基质的可生物降解性和毒性，见图8l所示。,第一种情况（图8l（a），生化呼吸曲线位于内源呼吸曲线之上，说明该基质可被生物降解。两条呼吸曲线之间的距离越大，该有机物的生物降解性越好，反之亦然。生化呼吸曲线斜率愈大者，降解愈快，其斜率在t 时间内逐步减小，至a点后几乎与内
6、源呼吸曲线平行，说明此时基质的分解已基本完成，微生物进入内源呼吸期。在a点上的两曲线的耗氧量之差就是氧化基质的理论需氧量。,第二种情况（图8l（b），两条曲线基本重合，表明虽然投加了基质，微生物仍进行内源呼吸，说明该基质在测试时间内不可被微生物降解，但该有机物对微生物生命活动无抑制作用。,第三种情况（图81（C），生化呼吸曲线在内源呼吸曲线之下，说明该基质不仅难于被微生物降解，而且对微生物产生了抑制作用，致使其呼吸受到影响。生化呼吸曲线越接近横坐标，说明抑制作用越强。,（2）BOD5与CODCr比值法,BOD（生化需氧量）是在好氧条件下，微生物分解水体中有机物质的生物化学过程中所需溶解氧的量。
7、 BOD5为5日生化需氧量； COD是在规定条件下，使水样中能被氧化的物质氧化所需耗用氧化剂的量； CODCr是采用重铬酸钾法测定的结果，可粗略表示水中有机物的含量，常被近似地当作废水中全部有机物。,根据比值 BOD5CODCr的大小，可推测废水的可生化性，见表 8l所示。,表8l中的内容主要对低浓度有机废水而言。对高浓度废水，即使该比值小于025，BOD的绝对值也较大，意味有较大量的生物降解量。,（3）微生物降解实验法,指在室内模拟生产、工程过程时，研究可生物降解性的一类方法。,土壤消毒试验 培养法,土壤消毒试验,此法适用于新农药的可生物降解性的评定。 将待测农药等量施入一组经高温或适当的药
8、剂灭菌的和一组不灭菌的土壤，将土壤置室温培养，定期检测两组土壤中农药的剩余量，计算其降解速率，以判断可生物降解性。,培养法,在生物处理的小模型中，接种适量的活性污泥和不同浓度的待测废水，进行批式处理试验。 根据进水、出水的CODCr、BOD5等水质指标，活性污泥增长状况和生物种类及数量的镜检，判断废水的可生化性； 还可通过测起始CODCr和第30d的 CODCr（即 COD30），得到最高的 CODCr去除率。,（4）其他方法和指标,库仑仪法、脱氢酶活性测定、ATP量测定、总有机碳测定等也能用于可生物降解性的研究。,3 可生物降解性研究的意义,研究有机污染物的可生物降解性，有助于进一步认识污染
9、物在环境中的迁移转归规律，也有助于了解这些物质对自然界正常物质循环的影响，从而为控制污染、保护环境提供理论依据。 从环境保护实践上看，研究污染物质的可生物降解性，对于保护人类健康有着密切的关系。许多有机污染物进入环境后，如不及时消除，便可通过多种途径直接或间接地危害人体健康。只有弄清了污染物的可生物降解性，才可能有的放矢地采取有效的控制及治理措施。,对于不可生物降解或难生物降解的污染物，首先应当考虑对这些物质排放的控制，继而从改革工艺流程或改变产品的化学结构方面来削减这些物质的排放，多数情况下，最终要通过驯化微生物获得高效菌株，实现降解转化而彻底解决问题；对于可生物降解的污染物，则应尽可能迅速
10、地利用各种生物处理法进行处理；对毒性强而且又难以降解的物质就应该停产、停用，以避免其对人类的危害。,二、影响微生物降解与转化的因素,物质的化学特性 共代谢作用 微生物的生长条件 污染物降解或转化的产物,1 物质的化学特性,（1）分子大小 一般小分子物质比大分子物质易被降解，因为大分子物质须在胞外先被降解为小分子物质才有可能进入细胞内被彻底分解。,分子大小 官能团性质与数量 主链上取代基团,（2）官能团性质与数量 羟基或胺基取代苯环上的氢原子后，苯系物的降解性有所提高；而卤代的结果是生物降解性下降。 （3）主链上取代基团 取代原子可以决定污染物抗生物降解能力的大小。氧原子取代物的抗生物降解能力最
11、强，其次为硫原子取代物和氮原子取代物。,此外，结构简单的化合物比结构复杂的化合物易被降解； 链烃比环烃易被降解； 不饱和烃类比饱和烃类易被降解； 直链化合物比支链化合物易被降解； 支链越多生物降解性越低； 苯环越多越难降解。,2 共代谢作用,所谓共代谢是指在某些特殊的基质中或在其他微生物参与的特定条件下，微生物降解转化原来不能利用的化合物的现象。 共代谢中微生物细胞不增殖。 微生物的共代谢作用有3种情况：,（1）基质有机物提供能源 （2）其他微生物协同作用 （3）相似物诱导产生酶,在实践中，已有某些难降解的有机物，经合适的微生物的一系列共代谢作用而彻底降解。,3 微生物的生长条件,除了有机污染
12、物提供的碳源外，微生物还需要按适当比例供给的氮素、磷素等养分，并在合适的通气、pH值、温度、水分、光照等条件下，在没有有毒物质抑制的情况下，才能很好地发挥降解转化作用。,4 污染物降解或转化的产物,某些污染物的降解或转化的产物，可能是更难降解的物质。,三、微生物降解与转化污染物的巨大潜力,微生物具有易变异的特点，这意味着微生物可以很快地适应环境并降解和转化环境中的污染物质，或者说，微生物具有降解与转化污染物的巨大潜力。,产生诱导酶 形成突变株 降解性质粒 组建超级菌 共代谢方式,1 产生诱导酶,诱导酶是微生物在外界诱导物作用下而产生的酶，这是微生物对外界营养条件变化的普遍适应方式。,2 形成突
13、变株,微生物易受环境因素的影响而产生突变体，这种突变对微生物本身是有益的，它可以促使微生物合成一些新的酶类，赋予微生物新的性状功能，包括降解转化污染物质的功能。 在自然状态下，突变频率相当低，一个突变体的产生需要较长的时间过程。 因此，采用人工诱变育种的方法或通过基因工程组建新的可降解特定污染物的“工程菌”，已成为环境微生物学研究的新内容之一。,3 降解性质粒,微生物的降解转化污染物的功能是受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）和耐汞质粒（MER）等。 筛选具有降解性质粒的高效
14、菌株是环境微生物的重要工作。,4 组建超级菌,由于并非所有的微生物都具有所有的质粒，故人们开始通过遗传工程手段将多个菌中功能不同的质粒转移到同一菌体内，创建含多质粒，具多功能的新菌株，即所谓“超级菌”，这已成为环境微生物学研究的重要方向。,5 共代谢方式,前4种方式中，微生物都直接以污染物为碳源或能源进行生长繁殖，同时将污染物降解转化。当微生物不能直接把有机污染物作为碳源或能源时，我们必需为其提供代谢的条件，使其获得碳源或能源，降解转化有机污染物。,综上所述，微生物具有巨大的降解转化潜力，而我们必须提供最佳的生活条件，让微生物把这种强大潜力充分发挥出来。,第二节 微生物在自然界物质循环中的作用
15、,碳、氮、硫、磷等无机化合物,有机物,生物残体等有机物,有机物,高等绿色植物等生产者,光能,异养型微生物等分解者,动物等消费者,微生物在自然界物质循环中的作用,微生物在自然界物质循环中的作用 1、碳素循环 2、氮素循环 3、硫素循环 4、磷素循环,碳素是生物体最重要的一种元素，它的主要来源是大气中的CO，只有通过生物所推动的碳素循环，特别是微生物的分解作用，使不同形态的碳素相互转化，大气中的CO才不会被耗竭，生命才能维持。 （一）自然界中的碳素循环,一、微生物在碳素循环中的作用,碳素循环包括CO2的固定和CO2的再生,CO的固定: 绿色植物和微生物通过光合作用固定自然界中的CO ，合成有机物碳
16、化物,CO的再生: 动物、植物和微生物进行呼吸作用获得能量，同时放了CO 动、植物和微生物尸体等有机碳化物被微生物分解时，产生大量CO,大气中低含量的CO2只能供绿色植物进行约20年光合作用之需。微生物的作用就是把有机物中的碳元素尽快矿化和释放，从而使生物界处于一种良好的碳平衡环境中。从图中看出，在好氧条件下， CO2和H2O经绿色植物的光合作用就生成O2和CH2O。 CH2O在好氧条件下，可经动、植物和微生物的呼吸作用氧化为CO2 和H2O。在厌氧条件下， CH2O可经发酵而产生醇类、有机酸类、 H2和CO2，这些厌氧发酵产物可通过呼吸而氧化成CO2和H2O，也可通过严格厌氧的产甲烷菌而转化成CH4，还有一种可能途径是埋在地层下面而逐渐变成化石燃料并进一步得到长期保存。,CO2+H2O,O2+CH2O,醇有机酸 H2 + CO2,CH4,
