有機物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生物氧化性能的關(guān)系

1、有機物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生物氧化性能的關(guān)系理刀布,碲第29卷第5期哈爾濱建筑大學(xué)1996年10月journalofharbinuniversityoarchitectureandvo129no.5oct】996有機物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生物氧化性能的關(guān)系張自杰緒水排求教研室)7.;摘要本文歸納整理了目前國外已發(fā)表的一些有關(guān)有機物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)對其生物氧化的影響.文章分別對碳?xì)浠嫖?醇,有機酸,碳水化物及表面活性物質(zhì)等常見有機物的生物氧化性能,氧化進程化學(xué)結(jié)構(gòu)的某些特征對其生物氧化性骺的影響以及參與生物氧化作用的微生物種屬等進行了闡述.文章還對上述物質(zhì)中的某些物質(zhì),通過化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變以改進其生物氧化性

2、能的途徑作了闡述.關(guān)鍵詞生物處理;生物氧化性能:有機物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu);生物群集分類號x703十幾年來,一些從事污水生物處理工作的專家,在有機物化學(xué)構(gòu)造與其生物氧化性能(即可生化性)之間關(guān)系方面進行了大量的科學(xué)試駐工作,取得了不少成果,發(fā)表了數(shù)以百計的論文,現(xiàn)綜述如下1烴(碳?xì)浠衔?的生物氧化圖l所示是烷屬烴(rch2-ch3)的生物氧化性能(即可生化性).從圖可見,烷屬烴的生物氧化性能是低的,含有l(wèi)5個碳原子的烷屬烴完全不能被降解,68個碳原子的烷屬烴有毒性反應(yīng),含有8個以上碳原子的烷屬烴,其20生物氧化性能隨碳原子數(shù)的增加譽有所提高,但也比較微弱,而且在一碳原子數(shù)達(dá)到l2以上時,氧化性能就開

3、始下降.能夠?qū)ν閷龠M行氧化的生物污泥(活性柯泥及生物膜),其生物群集主要組成的細(xì)菌是假單孢l蘭蘭:一翌墨些廣rt_廠t一jifif.葉02468101214l618碟原子數(shù)圖】烷屬烴(rci一ch)的生物氧化性能(可生化性)e一在試驗期間的耗氧量.計算的o0d值的%計收稿日期:199607一l9張自杰男教授/哈爾濱建筑大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院(150o08)/,l第5期張自杰:有機物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生物氧化性能的羌系23桿菌屬分枝桿菌屬等.烷屬烴的生物氧化,一般按下列反應(yīng)鏈進行:飽和烴一不飽和烴一醇一+酮類化合物一脂肪酸一cohlo也可能按下列反應(yīng)鏈中之一進行.rch3一rch2一orch20hr

4、cooh或rch2一ch3rchchrcoch3一rcooh或ohrch3一rch20hrchorcooh烷屬烴能夠從二側(cè)進行氧化,并形成單羧酸和二羧酸.首先被氧化的是位于末端的甲基,輔助性的氧化是形成二羧酸的,一氧化,繼之則進行口一氧化.芳香族化合物較脂肪族化合物易于氧化分解.已判明芳香族環(huán)在羥基化的作用下,產(chǎn)生裂解的二項機制.解loha?.h間位裂解使12一二甲苯鄰位裂解的作用細(xì)菌是珊瑚諾卡氏菌:使2,4一二氯苯氧醋酸產(chǎn)生鄰位裂解反應(yīng)的細(xì)菌則是假單孢菌屬.裂解的結(jié)果形成順位牯康酸的衍生物,而在球形微球菌作用下,則形成反位的牯康酸的衍生物.產(chǎn)生間位裂解的作用細(xì)菌是解韌帶假單孢菌,結(jié)果形成牯康

5、酸的取代醛口.對甾族化合物中的11一羥基孕甾酮的氧化就屬于這一類的氧化.牯康酸及其衍生物能夠繼續(xù)氧化到非常簡單的化合物.2醇的生物氧化圖2所示是醇生物氧化的試驗結(jié)”.從圖可見,碳原子數(shù)在10個以下的伯醇易于氧化.但是,當(dāng)碳原子數(shù)在10個以上時,氧化性能即開始低下,而且當(dāng)c時,完全不能氧化.將醇的氧化程度與豐目應(yīng)的烷屬烴相比,則清楚地可見,引人oh根就能夠提高后者的生物氧化性能.從圖2還可見,仲醇的可氧化性低于伯醇.2l<1024581012141618碳原子數(shù)圖2醇生物氧化結(jié)果伯醇rch2一ch2oh;2甲基衍生物roh(oh0一choh3仲醇rchoh一.,4叔醇r-qo(01一ae在

6、試驗過程中的需氧量,以計算cod的%計.一/蘭l_!竺蘭竺蘭查蘭蘭蘭蘭竺蘭-_-_-h_-_-一.將甲基引人仲醇,會大幅度地提高化臺物的阻力但是,如果將甲基引a伯醇,則所產(chǎn)生的影響很小.多數(shù)的細(xì)菌都能夠?qū)Υ歼M行氧化,但是占優(yōu)勢的是假單孢菌屬.醇的生物氧化(脫氫)能夠通過不同的途徑進行,例如:伯醇一醛一酸一+h20伯醇一酮一酸一co2+hp3有機酸的生物氧化對有機酸生物氧化性能的試驗結(jié)果,見圖3.對飽和羧酸已確證,碳原子數(shù)增高,而生物氧化性能卻有所降低,從c開始降低的很快,到即完全不能氧化分解.與上述規(guī)律相反,碳原子數(shù)為c6c的有機酸較c一c更易于氧化.從c開始,進行有機酸的生物氧化,就應(yīng)當(dāng)對微

7、生物進行馴化了當(dāng)在酸中有雙鍵時,生物氧化性能將有所增高,如有二個雙鍵,生物氧化性能將大幅度地提高.在二羧酸中,生物氧化性能高的僅僅是碳原子數(shù)為4的琥珀酸(丁二酸).試驗還確證:碳原子數(shù)為雙數(shù)的有機酸,其生物氧化性能高于碳原子數(shù)為奇數(shù)的有機酸.將雙鍵引人二羧酸,所得結(jié)果與在羧酸產(chǎn)生的結(jié)果相反.l/i;lif1一f1-1f/,.ji,廠jj卜il】u246810121416182022碳原子數(shù)圖3有機酸的生物氧化性能的試驗結(jié)果i飽和一羧酸r一0h,2不飽和一羧酸r一(c一ch:chooh;3一飽和二教酸hooc一0c一co0h;試驗期間的耗氧量.以計算cod值的%表示三羧酸的生物氧化性能低于二羧酸

8、.所有已知的芳香族酸和氨基酸,它們的生物氧化性能都較高j.對脂族酸代謝反應(yīng)進程順序的研究比較深人氧化的第一步是盧氧化.這是由5個連續(xù)反應(yīng)組成的氧化反應(yīng),每一反應(yīng)都由專門的酶進行催化,反應(yīng)結(jié)果酸鏈被打開,形成乙酸的”碎塊.這反應(yīng)是生物重要的能源.脂肪酸生物氧化的作用細(xì)菌,占優(yōu)勢的仍然是假單孢菌屬,其次(按數(shù)量排列)則是4碳水化物的生物氧化所有碳水化物,除纖維外,都是易于生物氧化的.淀粉和纖維有著同樣的分子式(cd)但聚合作用的程度,纖維大于淀粉.此外,纖維的構(gòu)造是由一葡糖苷鍵第5期張自杰:有機物質(zhì)的化學(xué)姑構(gòu)與其生物氧化性能的關(guān)系25所結(jié)合成的,而淀粉則是由口一鍵所結(jié)合.這二種聚合物在構(gòu)造上的不同

9、,以致淀粉易于生物氧化,而纖維則難于生物氧化.5表面活性物質(zhì)的生物氧化表面活性物質(zhì)的生物氧化問題是當(dāng)今污水生物處理領(lǐng)域和水環(huán)境保護領(lǐng)域的熱門課題之一.對此,下列二項因素有著重要意義itj.l高濃度的表面活性物質(zhì)能夠?qū)ξ⑸锂a(chǎn)生抑制作用,甚至能夠加以殺死,但當(dāng)?shù)蜐舛葧r,細(xì)菌能夠?qū)Ρ砻婊钚晕镔|(zhì)加以分解;2.細(xì)菌及生物污泥能夠通過吸附作用而不是氧化分解作用將表面活性物質(zhì)加以去除,在這種情況時,表面活性物質(zhì)的去除與生物污泥的增長呈比例.表面活性物質(zhì)對細(xì)菌的抑制是表面活性物質(zhì)對細(xì)菌細(xì)胞蛋白作用的結(jié)果.表面活性物質(zhì)的生物氧化,是一個由多階段組成的過程,已知有下列各階段氧化機制:1)甲基的氧化,末端的碳原子

10、被氧化,通過氧的鞋結(jié),形成了過氧化氫,繼之,過氧化氫叉連續(xù)地轉(zhuǎn)換為乙醇,醛和羧酸.羧酸則被口一氧化;2)口一氧化,氧化反應(yīng)的結(jié)果使碳鏈縮短2個碳原子,并從羧基的一端開始.由脫氫和水化雙重作用的結(jié)糶,在雙鍵處形成口一酮酸,后者又分解為乙酸和脂肪酸,碳原子數(shù)比原來的酮酸少2個.新形成的酸從新進入一氧化環(huán).醋酸進一步分解的c和h2o;3)芳香族表面活性物質(zhì)的氧化從苯環(huán)破裂形成粘康酸(一已酮二酸),后者則繼之按口一氧化進行氧化.以上為表面活性物質(zhì)生物氧化過程的第一步,也是表面活性物質(zhì)生物降解的共同過程,由于被氧化物質(zhì)的化學(xué)構(gòu)造不同,以上這些共同過程可能有某些變化,例如,陰離子表面活性物質(zhì)可能為微生物所

11、分解,微生物的表面活性物質(zhì)為c源和s源,使芳香環(huán)上的磺酸基分離,并用其取代oh基(見圖4).表面活性物質(zhì)生物氧化過程的第二步是烴基鏈的氧化,從末端的碳原子開始,然后氧化逐步擴展到鏈的整個長度.表面活性物質(zhì)生物氧化過程的第三步是芳香核的分離.烷基苯磺酸鹽烷墓0鏈已確定,芳香環(huán)鞋結(jié)在碳鏈末端的同分異構(gòu)體,其生物氧化速度快于聯(lián)結(jié)在中心部位的同分異構(gòu)體.這一情況適用子碳鏈原子數(shù)在616的同系物.氧化速度快于鄰位同分異構(gòu)體.亞硫酸鹽離子圖4烷基苯磺酸鹽分解途徑之一實驗結(jié)果還證明,對位同分異構(gòu)體的生物26哈爾濱建筑走學(xué)第29卷業(yè)已確證,碳原子數(shù)為l4的磺酸鹽比原子數(shù)為12者更易于生物氧化,而且所有的c的同

12、分異構(gòu)體都較c易于生物氧化.也已確證,碳鏈中的c是易于生物氧化和難于生物氧化的分界點用甲基和芳香基取代所有的氫,將會形成非常穩(wěn)定并難于生物氧化的化合物.具有四元碳原子的烷基苯磺酸鹽最難于生物氧化.非離子化的表面活性物質(zhì),具有由有機物質(zhì)形成的疏水和親水基,原則上能夠從分子的兩端開始氧化.聚羥乙基是最廣泛應(yīng)用的一種非離子化的表面活性物質(zhì),它氧化的第一步是末端ch2oh基的氧化,形成醛,繼之又形成援基.從表i及表2i所列數(shù)據(jù)能夠看到物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化對該物質(zhì)生物氧化速度的影響.如表l所列舉,隨氧乙烯的mol數(shù)的增大,生物氧化性能隨之下降表2所列數(shù)據(jù)說明當(dāng)存在支鏈時,生物氧化受到阻礙.裊1鏈長度對非離

13、子化表面活性物質(zhì)生物氧化性能的影響氧乙烯耗氧量(理論氧乙烯耗氧量(理論的mol數(shù)耗氧量的%)的mol數(shù)耗氧量的%,393i314484584l5l9416973舶29”10l264裊2烴鏈分支對非離子化表面活性物質(zhì)生物氧化性能的影響氧乙烯烷基苯酚理論需氧量的mol數(shù)直鏈支鏈陽離子表面活性物質(zhì)對細(xì)菌有比較強的抑制性能,但是如果濃度較低,對細(xì)菌進行必要適當(dāng)?shù)鸟Z化,這種物質(zhì)是能夠被生物氧化的.能夠?qū)Ρ砻婊钚晕镔|(zhì)進行生物氧化的仍首推假單孢菌屬.6結(jié)論綜合上述,可以就有機物質(zhì)化學(xué)構(gòu)造對其生物氧化性能的影響,作出以下結(jié)論:1.在物質(zhì)的分子上增加碳原子數(shù)目,就會使其生物氧化性能降低2.當(dāng)向直碳鏈引人一個甲基

14、時,支鏈對生物氧化性能的影響還不明顯.如引人第二個甲基,就會使該分子的生物氧化性能大幅度降低具有四個甲基支鏈的有機物質(zhì),生物氧化能力最低.3當(dāng)在分子中存在有功能團,其化學(xué)組成及位置對該分子的生物氧化性能有較強的影響.4.當(dāng)在有機物質(zhì)的分子中除c,hs,o,p等外,還存在著其他原子時,浚物質(zhì)的生物氧化性能就要降低.5.當(dāng)在化臺物中存在著特殊的化學(xué)鍵,例如乙烯鍵c=c,該化合物的生物氧化性能就會提高,含有羥基和援基的化合物,生物氧化性能也較高.7結(jié)束語對有機物質(zhì)化學(xué)構(gòu)造與其生物氧化性能的研究工作,在當(dāng)前還處于起步階段.由于第5期張自杰:有機物質(zhì)的化學(xué)蛄構(gòu)與其生物氧化性能的茭系27對有機物生物降解的

15、影向?qū)?有機物的化學(xué)結(jié)構(gòu)儀是其中的一項,還有一系列物殫的,化學(xué)的以及物理化學(xué)的困素,更加上污水成份的復(fù)雜性和多變性,使對這一一問題的研究探討存在著相當(dāng)?shù)膶嶋H難度.但是,對這一問題的研究探討是有一定迫切性的.當(dāng)前國內(nèi)外一些有關(guān)專家已發(fā)現(xiàn)有數(shù)百種化學(xué)物質(zhì)對有機物的生物氧化進程產(chǎn)生影響,而且這個數(shù)目還在不斷地增加對這一類物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)是問題的一方面,問題的另一方面也是關(guān)鍵的一面是尋求解決措施.在找到共同的原則后,通過物理的,化學(xué)的以及物理化學(xué)和生物措施,改變這些物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu),改善其生物氧化性能是對這一問題研究探|寸的宗旨和目的.參考文獻】c.bgkobjcbbltox3tl,2qecktleirpo

16、leccblboq14ctkcctotlitldkbog】9802cbj:ixob.qebb000珀.丑iuhcc埋i刪咀d岫ehix叩e皿p瑚.】9903福井三郎.微生物【=于5有機化合物0變換4淹vi寬治微生物17.于5化學(xué)物蕊0分解除去(i)生分解化學(xué)構(gòu)造;()(il1)有機環(huán)狀化合物0生分解relationshipbetweenthestructureoforganicsandtheirbiologicaloxidationpropertyzfiangzjjieabstractinthispaper,anextensivereviewwasconductedontherecentdevelopmentoftherelationshipbetweenthechemicalstructuresoforganicsandtheirbiologicaloxidationproperties.theauthorhasdiscussedthebiologicaloxidationpropertiesandtheoxidat