水環(huán)境中微生物化學(xué)過程

1、第六章水環(huán)境中微生物化學(xué)過程,食物鏈 : 不少魚類以吃小蝦，魚蟲等浮游生物為生，而小蝦魚蟲又以浮游植物為食。浮游生物是食物鏈中的重要一環(huán)，所以我們要保護水生生物的生態(tài)，否則，池塘，江河，湖泊就會失去漁業(yè)上的經(jīng)濟價值。另外，遠古時代海洋、湖泊的浮游生物曾是形成石油的重要基礎(chǔ),2、底棲生物生境 底棲生物（benthos）,生活在江河湖海底部的動植物。 與浮游環(huán)境相比，這個區(qū)域的特征是微生物的濃度顯著增加。 微生物的濃度取決于有機物和氧的可利用性。在界面區(qū)的下部，微生物的數(shù)量下降,6.2天然水環(huán)境中微生物的特征 1、泉 主要存在自養(yǎng)生物，也存在少量的異養(yǎng)生物。 自養(yǎng)生物，也稱為生產(chǎn)者。主要包括綠色植

2、物和許多微生物，它們可以利用陽光、空氣中的二氧化碳、水以及土壤中的無機鹽等，通過光合作用等生物過程制造有機物，為生態(tài)系統(tǒng)中各種生物的生活提供物質(zhì)和能量,異養(yǎng)生物指的是那些只能將外界環(huán)境中現(xiàn)成的有機物作為能量和碳的來源，將這些有機物攝入體內(nèi)，轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì)，并且儲存能量的生物。如：營腐生活和寄生生活的真菌，大多數(shù)種類的細菌,2、河流和溪流 溪流匯入河流，它們又獲得更多的DOM，DOM的增加，限制了光的透過，自養(yǎng)群體減少，異養(yǎng)群體增加。 污水排放區(qū)域明顯的地方，異養(yǎng)群體增加23個數(shù)量級,3、湖泊 （1）生物群落的分布 光合細菌(光線能夠透過水體表層）； 好氧細菌（有氧淺水層） 兼氧細菌（氧氣

3、濃度比較低） 厭氧細菌（深水層和底泥） （2）湖泊中微生物的分類 清水型微生物（潔凈湖泊里，主要是化能自養(yǎng)和光能自養(yǎng)菌的清水型微生物） 腐生型微生物（貧營養(yǎng)湖中，被污染的湖泊,4、河口水環(huán)境 特點： （1）鹽度變化很大，微生物必須適應(yīng)鹽度的劇烈波動。 （2）全年季節(jié)都成為厭氧環(huán)境。 河流帶來大量的有機物，使光穿透量有限，異養(yǎng)活性并不低,5、海水 特點：海水環(huán)境呈現(xiàn)出高度的多樣性，因而存在多樣微生物生境。 近海區(qū)：海洋中含有大量的有機物和無機鹽，總細菌數(shù)細菌含量很高，比比遠海區(qū)高一個數(shù)量級。 遠海區(qū)：含菌數(shù)低。 垂直分布上，距海面0-10m，由于陽光照射，細菌數(shù)量較低，浮游藻類數(shù)量較高。 10-

4、50m，微生物數(shù)量較多。 50m以下，隨深度增加微生物減少,6、地下水 微生物是地下水環(huán)境中唯一的棲息者，細菌是其中的優(yōu)勢類型。 特點：多數(shù)細菌群體被吸附或僅僅短暫的懸浮。活性較低,6、3有機污染物在水體中的生物降解過程 1、有機化合物的生物降解 微生物降解作用：可以除去水體、固體廢物、廢氣等介質(zhì)內(nèi)的有機污染物，達到無害化的目的。 生物降解是有機污染物轉(zhuǎn)化為簡單有機物和無機物的最重要的環(huán)境過程之一，是影響污染物的歸宿和環(huán)境效應(yīng)的最主要因素,有機物生物降解存在兩種代謝模式： （1）生長：微生物代謝時，微生物可對有機物進行較徹底的降解或礦化，是解毒的生長基質(zhì)，對環(huán)境威脅小 。 （2）共代謝 某些有

5、機污染物不能作為微生物的唯一碳源與能源，必須有另外的化合物存在提供微生物碳源或能源時，該有機物才能被降解,根據(jù)微生物對有機物的降解能力大小，有機物的分類 （1）易生物降解的有機物，主要指生物代謝過程中產(chǎn)生的物質(zhì)及生物殘體，如蛋白質(zhì)等，在酶作用下，易被最終分解為CO2、H2O、NH3等。 （2）難生物降解有機物。主要指工農(nóng)業(yè)活動中排出的有機污染物。如農(nóng)藥等，能降解，但降解速度慢。 （3）不可生物降解的有機物。塑料等一些高分子合成有機物。很難分解，嚴(yán)格控制其生產(chǎn)和排放,微生物降解與轉(zhuǎn)化污染物的方式： （1）產(chǎn)生誘導(dǎo)酶：在誘導(dǎo)物存在時，會誘導(dǎo)酶合成。 （2）形成突變菌株：會發(fā)生遺傳物質(zhì)變化，個體性狀

6、改變，形成突變菌株。 （3）利用降解性質(zhì)粒：降解比較難降解的有機物。如六六六。 （4）組建超級菌：將不同降解質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到同一個受體細胞中，可以講解復(fù)雜芳烴化合物。 （5）利用共代謝方式：微生物作為能源和碳源的基質(zhì)存在，以保證其生長和能量的需要。使有機物得到轉(zhuǎn)化，但不能使其分子完全降解,6、3有機污染物在水體中的生物降解過程 1、有機化合物的生物降解 多糖類的生物降解途徑 纖維素、淀粉、半纖維素降解 微生物降解酶，有氧條件下，徹底降解為CO2、H2O。 無氧條件下，微生物進行厭氧發(fā)酵，將淀粉分子分解為小分子有機物和無機物（CO2、H2）。半纖維素厭氧分解為各種發(fā)酵產(chǎn)物。 果膠質(zhì)降解 原果膠可溶性果

7、膠果膠酸半乳糖醛酸,木質(zhì)素的降解 不溶于酸性、中性溶劑中，只溶于堿性溶劑中，是植物組中最難分解的部分。降解十分緩慢，厭氧條件下降解更慢,脂類的生物降解 脂類物質(zhì)不溶于水，但能溶于非極性有機溶劑。 脂肪+ H2O 甘油+高級脂肪酸 類脂質(zhì)+ H2O 甘油+高級脂肪酸+磷酸+有機堿類 蠟質(zhì)+ H2O 高級醇+高級脂肪酸 水解產(chǎn)物的甘油可以被環(huán)境中微生物徹底降解為CO2、H2O，脂肪較難氧化，在有氧條件經(jīng)過氧化分解為CO2、H2O ，在缺氧條件下易累積,脂肪酶,磷脂酶類,脂類類,蛋白質(zhì)的降解 蛋白質(zhì)的分解：蛋白質(zhì)被微生物蛋白酶水解為肽，再經(jīng)肽酶水解為氨基酸。 氨基酸的轉(zhuǎn)化：除了被用來合成微生物中蛋白

8、質(zhì)作用，可代謝成氨和各種代謝中間產(chǎn)物。 微生物分解利用氨基酸的主要3種方式：脫酸作用、脫氨作用、轉(zhuǎn)氨作用,2石油微生物的降解 烯烴最易降解，烷烴次之，芳烴難降解，多環(huán)芳烴更難，脂環(huán)烴對微生物的作用最不敏感。 1）烷烴類微生物降解 微生物攻擊烷烴的末端甲基，酶催化，生成伯醇，再進一步氧化為醛和脂肪酸，脂肪酸過氧化分解為CO2、H2O。 微生物攻擊鏈烷烴的亞末端，在鏈內(nèi)插入氧，生成仲醇，生成酮，代謝為脂，脂鍵斷裂，生成伯醇和脂肪酸,2）脂環(huán)烴類微生物降解：通過共代謝進行降解。 3）芳香烴微生物降解：雙加氧酶作用下為二羥基芳香醇，在形成鄰苯二酚，鄰苯二酚開環(huán)。 4）烯烴類微生物降解 雙鍵在中間，按烷

9、烴類降解，若雙鍵在1,2碳位時，有三種可能 與H2O加成反應(yīng)，生成醇； 受單氧酶作用生成一種環(huán)氧化物，在氧化成一個二醇； 在分子飽和端發(fā)生反應(yīng),3）人工合成微生物降解 1）農(nóng)藥類微生物降解 我國使用的農(nóng)藥主要是有機磷、有機氮和機氯農(nóng)藥。有機氯農(nóng)藥不易降解，最具有危險性。有機磷和有機氮一般都具有水溶性，在環(huán)境中容易被降解，在土壤中殘留時間短。但有機磷和有機氮經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物可長期留于環(huán)境中，有很大危害,2）多氯聯(lián)苯和二噁英的微生物降解 a:多氯聯(lián)苯（PCBs）微生物降解 PCBs有毒，化學(xué)性質(zhì)及其穩(wěn)定，在環(huán)境中很難分解，它是脂溶性的，在脂肪中大量積累。 微生物能降解（產(chǎn)堿桿菌和不動桿菌）

10、b:二噁英微生物降解,多氯二苯并二噁英（PCDD,多氯二苯并呋喃(PCDF,二噁英是對人體最有毒的化合物之一。是生產(chǎn)農(nóng)藥和化工產(chǎn)品的雜質(zhì)和副產(chǎn)品，性質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定，在環(huán)境中很難降解，可穩(wěn)定存在與大氣中、土壤、水體中。 在一定條件下，可被微生物降解，其可降解性隨取代氯的增多而減弱,c:酚類化合物 采用活性污泥法易于分解一元酚和二元酚，三元酚難于分解。 氯代或硝基代一元酚大多容易生物降解，五氯酚降解時間較長。 一般說來，導(dǎo)入甲基，分解性能變得良好。并與甲基的位置相關(guān)，對位最易降解,d:塑料 塑料制品具有生物化學(xué)惰性，在環(huán)境中可長期存留并造成危害。直接以塑料為碳源生長的微生物并不多。分解作用的三種方式,

11、生物物理代謝：引起塑料制品的機械破壞,生物化學(xué)代謝:作用于聚合物,直接酶作用：引起氧化分解,塑料 微生物降解 可降解塑料的開發(fā)研究 增加許多脆弱的化學(xué)鍵； 制造新型塑料，用PHB(脂肪族聚脂酯）作原料。 用微生物生產(chǎn)PHB,曲霉光解,e:合成洗滌劑微生物的降解 洗滌劑的基本成分：表面活性劑。分為陽離子型、陰離子型、非離子型和兩性電解質(zhì)。只要陰離子型洗滌劑。 特點：有大量不消失的泡沫，廢水一般偏堿性。 主要的降級方式,生長：以表面活性劑為唯一碳源和能源的微生物,共代謝,降解性基質(zhì),f:染料的降解 燃料分為：偶氮類染料、蒽醌染料、硫化染料、三芳基甲烷染料和雜環(huán)染料。生產(chǎn)的廢水用常規(guī)方法很難處理。

12、染料生物降解性與燃料結(jié)構(gòu)有關(guān)。 苯環(huán)上的取代基： 羥基、氨基、胺基促進偶氮染料降解； 甲氧基、磺酸基、硝基、甲基、羧基抑制偶氮染料降解。 結(jié)論：促進基團越多，染料易被降解，抑制基團越多，越不易被降解,不同取代基在苯環(huán)上的位置 羧基類偶氮染料脫色順序為鄰位間位對位； 羥基和磺酸基偶氮染料脫色順序?qū)ξ婚g位鄰位； 結(jié)構(gòu)相似，分子量越大，越不易降解,6、4天然水體中的生物自凈過程 1、水體自凈 指受污染的水體由于物理、化學(xué)、生物等方面的作用，使污染物濃度逐漸降低，經(jīng)一段時間后恢復(fù)到受污染前狀態(tài)的過程。 2、自凈作用 物理自凈 ：污染物進入水體后，可沉性固體逐漸沉至水底形成污泥，懸浮物、膠體和性污染物則

13、因混合稀釋而逐漸降低濃度,化學(xué)自凈：污染物進入水體后經(jīng)絡(luò)合、氧化還原、沉淀反應(yīng)等而得到凈化。 生物自凈：在生物的作用下，污染物的數(shù)量減少，濃度下降，毒性減輕或消失,水的凈化及污水處理 水體自凈 水的軟化 水的凈化 城市污水系統(tǒng) 典型工業(yè)污水處理流程,水體自凈 進入水體有機物不多，其耗氧量沒有超過水體中氧的補充量，溶解氧始終保持在一定的水平上，表明水體自凈能力，水體迅速恢復(fù)原狀。分解產(chǎn)物：H2O、CO2 、NO3 、SO42-。 如有機物多，溶解氧來不及補充，水體中溶解氧迅速下降，導(dǎo)致缺氧甚至無解，有機物轉(zhuǎn)而進行厭氧分解。分解產(chǎn)物NH3、H2S、CH4,使水質(zhì)惡化,根據(jù)圖得知： 清潔區(qū)：溶解氧持

14、于平衡狀態(tài)； 分解區(qū)：溶解氧降低，大氣中氧又不能即使補充，氧垂直線開始下降，有好氧分解轉(zhuǎn)化為厭氧分解。 腐化區(qū)：水中溶解氧由小增大（水底中氧化過程結(jié)束，達到有機化，有機物完全分解）。 P值減小，R值增大。 結(jié)論：有機物引起水體污染的兩種效應(yīng)即微生態(tài)學(xué)和溶解氧減低效應(yīng)相互關(guān)聯(lián),6、5水體中金屬微生物轉(zhuǎn)化 1、鐵的氧化還原 （1）鐵的氧化 PH4.5時，F(xiàn)e2+ Fe3+ Fe(OH)3; PH4.5時, Fe2+ 氧化極慢， Fe2+ 的氧化主要是鐵氧化菌的作用。 （2）鐵的還原 1）O2 消耗，造成缺氧環(huán)境， Fe3+接受電子，被還原為Fe2,氧化,OH_,2）存在的NO3-、CO32-、SO

15、42-以及有機酸，使 Fe3+ Fe2+ 2、汞的氧化、還原和甲基化 環(huán)境中汞的三種形式：Hg22+，Hg2+和Hg0。 (1)汞的氧化還原 1）氧化 Hg+O2 Hg2,還原,細菌,2）還原 CH3Hg+ + 2H Hg+CH4+H+ HgCl2 + 2H Hg+2HCl 結(jié)論：使得有機汞和無機汞中的Hg2+還原為元素Hg，形成Hg蒸汽揮發(fā)至大氣減輕Hg在環(huán)境中的毒性,2）汞的甲基化 水體中汞由于微生物的作用，沉積物中的無機汞能轉(zhuǎn)變成劇毒的甲基汞。 中性或堿性條件下，主要是二甲基汞，進入大氣，污染得到擴散。 弱酸條件下，主要分解為甲基汞，溶于水，易為魚吸收，進入人體。酸性水中捕獲的魚含汞較高，反之則低。 日本著名的水俁病就是食用含有甲基汞的魚造成的,微生物除Hg的主要方法： 選育高效抗汞微生物處理含Hg廢水。 采用活性污泥除去Hg。 采用濾池法除去Hg。 使用硫化氫沉淀Hg,3、錳的氧化還原 Mn2+是水溶性的。 PH值較高時，中性水體中表層Mn2+ Mn2+ MnO2 4、砷的氧化、還原的甲基化 As是人體維持生命必須的微量元素，過量有毒性并致癌。元素As幾乎無毒，As的有機、無機有毒，As3+比As5+大,氧化,1）As的氧化還原 湖泊中、土壤中: 亞砷酸鹽 砷