有機(jī)物地微生物降解原理

1、PAGE1 / NUMPAGES4有機(jī)物的生物化學(xué)降解有機(jī)物在微生物的催化作用下發(fā)生降解的反應(yīng)稱有機(jī)物的生化降解反應(yīng)。水體中的生物，特別是微生物能使許多物質(zhì)進(jìn)行生化反應(yīng)，絕大多數(shù)有機(jī)物因此而降解成為更簡(jiǎn)單的化合物。如石油中烷烴，一般經(jīng)過(guò)醇、醛、酮、脂肪酸等生化氧化階段，最后降解為二氧化碳和水。其中甲烷降解的主要途徑為：CH4CH3OHHCHOHCOOHCO2+H2O較高級(jí)烷烴降解的主要途徑有三種，通過(guò)單端氧化，或雙端氧化，或次末端氧化變成脂肪酸；脂肪酸再經(jīng)過(guò)其他有關(guān)生化反應(yīng)，最后分解為二氧化碳和水。能引起烷烴降解的微生物有解油極毛桿菌(pseudomonasoleovorans)、脈狀菌狀桿菌

2、(mycobacteriumphlei)、奇異菌狀桿菌(mycobacteriumrhodochrous)。解皂菌狀桿菌(mycobacteriumsmegmatis)、不透明諾卡氏菌(nocardiaopaca)、紅色諾卡氏菌(ncadiarubra)等。有機(jī)物生化降解的基本反應(yīng)可分為兩大類，即水解反應(yīng)和氧化反應(yīng)。對(duì)于有機(jī)農(nóng)藥等，在降解過(guò)程中除了上述兩種基本反應(yīng)外，還可以發(fā)生脫氯、脫烷基等反應(yīng)。生化水解反應(yīng)生化水解反應(yīng)是指有機(jī)物在水解酶的作用下與水發(fā)生的反應(yīng)。例如，多糖在水解酶的作用下逐漸水解成二糖、單糖、丙酮酸。在有氧條件下，丙酮酸能被乙酰輔酶A進(jìn)一步氧化為CO2和H2O；在無(wú)氧條件下，丙

3、酮酸往往不能氧化到底，只氧化成各種酸、醇、酮等，這一過(guò)程稱為發(fā)酵。烯烴的水解反應(yīng)可表示如下：蛋白質(zhì)在水中的降解分兩步進(jìn)行；第一步蛋白質(zhì)先在肽鍵上斷裂、脫羧、脫氨并逐步氧化，有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮；第二步是氮的亞硝化、硝化等使無(wú)機(jī)氮逐漸轉(zhuǎn)化?？墒疽馊缦拢浩渲邪被岬乃饷摪狈磻?yīng)如下：許多酰胺類農(nóng)藥和無(wú)機(jī)酸酯農(nóng)藥如對(duì)硫磷、馬拉硫磷等，在微生物的作用下，其分子中的酰胺和酯鍵也容易發(fā)生水解。生化氧化反應(yīng)在微生物作用下，發(fā)生有機(jī)物的氧化反應(yīng)稱為生化氧化反應(yīng)。有機(jī)物在水環(huán)境中的生物氧化降解，一部分是被生物同化，給生物提供碳源和能量，轉(zhuǎn)化成生物代謝物質(zhì)；另一部分則被生物活動(dòng)所產(chǎn)生的酶催化分解。自然水體中能分解有

4、機(jī)物的微生物菌種很多。對(duì)特定的有機(jī)物有特定的優(yōu)勢(shì)菌種，這類微生物可分為兩組，一組是能在缺氧條件下分解有機(jī)物的，稱為厭氧微生物；另一組是能在氧氣存在下分解有機(jī)物的，稱為好氧微生物。受有機(jī)物嚴(yán)重污染的水體往往缺氧，在這種情況下有機(jī)物的分解主要靠厭氧微生物進(jìn)行。有機(jī)物生物降解過(guò)程研究得較多，許多研究成果已用于廢水處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)。有機(jī)物的生化氧化大多數(shù)是脫氫氧化。脫氫氧化時(shí)可從-CHOH-或-CH2-CH2-基團(tuán)上脫氫：脫去的氫轉(zhuǎn)給受氫體，若氧分子作為受氫體，則該脫氫氧化稱有氧氧化過(guò)程；若以化合氧(如CO2、-、NO3-等)作為受氫體，即為無(wú)氧氧化過(guò)程。在微生物作用下脫氫氧化時(shí)，從有機(jī)物分子上脫落下來(lái)

5、 SO2的氫原子往往不是直接把氫交給受氫體，而是首先將氫原子傳遞給氫載體NAD：有機(jī)物+NAD有機(jī)氧化物+NADH2然后在有氧氧化時(shí)，氫原子經(jīng)過(guò)一系列載氫體的傳遞，最后與受氫體氧分子結(jié)合形成水分子。無(wú)氧氧化的大多數(shù)情況是，NADH2直接把氫傳遞給含氧的有機(jī)物或其他受氫體。如在甲烷細(xì)菌作用下，CO2作為受氫體接受氫原子形成甲烷。CO2+4NADH2CH4+2H2O+4NAD2-作為受氫體，接受氫原子最終形成硫化氫： 硫酸鹽還原菌對(duì)有機(jī)物實(shí)行無(wú)氧氧化時(shí)，可以把SO42-SO4H2S+4H2O水體中各類有機(jī)物氧化時(shí)按照一定的程序演變，形成某種固定的格式。下面以飽和烴、苯、有機(jī)酸的氧化為例，作一簡(jiǎn)單的

6、介紹。飽和烴的氧化按醇、醛、酸的程序進(jìn)行：苯環(huán)的分裂，芳香族化合物的氧化按酚、二酚、醌、環(huán)分裂的程序進(jìn)行：有機(jī)酸的-氧化：有機(jī)酸在含有巰基(-SH)的輔酶A(以HSCoA表示)作用下發(fā)生-氧化：RCOSCoA可進(jìn)一步發(fā)生-氧化使碳鏈不斷縮短。若有機(jī)酸的碳原子總數(shù)為偶數(shù)，則最終產(chǎn)物為醋酸，若碳原子總數(shù)為奇數(shù)，則最終脫去醋酸后，同時(shí)生成甲酰輔酶A(HCOSCoA)。甲酰輔酶A立即水解成甲酸，并進(jìn)一步脫氫氧化生成二氧化碳：HCOSCoA+H2O=HCOOH+HSCoAHCOOHCO2酶催化劑HSCoA繼續(xù)起催化作用。同樣，反應(yīng)中生成的乙酰輔酶A也可水解生成醋酸，最后氧化為二氧化碳和水。脫氯反應(yīng)脫氯反

7、應(yīng)是指有機(jī)氯農(nóng)藥脫去氯原子的反應(yīng)。六六六、DDT、2，4-D、多氯聯(lián)苯等在微生物的作用下均能發(fā)生脫氯反應(yīng)。脫烷基反應(yīng)脫烷基反應(yīng)指有機(jī)物分子中脫去烷基的反應(yīng)。例如，氟樂(lè)靈等農(nóng)藥在微生物作用下均能發(fā)生脫烷基反應(yīng)。二烷基胺三氮苯在微生物作用下脫去烷基的過(guò)程如下：連接在氮、氧或硫原了上的烷基，在微生物作用下能發(fā)生脫烷基反應(yīng)，連在碳原子上的烷基一般容易被降解。生化還原反應(yīng)生化還原反應(yīng)是在厭氧條件下，由于微生物的作用發(fā)生脫氧加氫的反應(yīng)。如氟樂(lè)靈在厭氧條件下可發(fā)生生化還原反應(yīng)。有機(jī)物的生化降解對(duì)水體自凈是最為重要的。而不同有機(jī)物的生化降解情況也有較大的差別?？偟膩?lái)說(shuō)，直鏈烴易被生物降解，有支鏈的烴降解較難，

8、芳香烴降解更難，環(huán)烷烴降解最為困難。不利于微生物對(duì)有機(jī)物生化降解的因素有以下幾個(gè)方面：(a)有機(jī)物沉積在一微小環(huán)境中，接觸不到微生物。(b)微生物缺乏生長(zhǎng)的基本條件(碳源及其必需營(yíng)養(yǎng)物)，不能存在。(c)微生物受到環(huán)境毒害(不合適的pH值等因素)，不能生長(zhǎng)。(d)在生化反應(yīng)中起催化作用的酶被抑制或失去活性。(e)分子本身具有阻礙酶作用的化學(xué)結(jié)構(gòu)，致使有機(jī)物難以被生化降解，甚至幾乎不能進(jìn)行生化反應(yīng)。目前，關(guān)于金屬離子對(duì)生物降解過(guò)程的影響已經(jīng)引起人們的重視。(f)有機(jī)物的生化降解不僅與其特征有關(guān)，而且還受最低濃度的限制，即可能存在一個(gè)極限濃度。綜上所述，水體中有機(jī)物的降解過(guò)程主要有化學(xué)降解、生物降解和光化學(xué)降解，其中生物降解最為重要。在某些情況下，這三個(gè)降解過(guò)程之間也存在互相依賴關(guān)系。一部分有機(jī)物只有先經(jīng)過(guò)生物氧化分解，才能進(jìn)行化學(xué)氧化分解，反之亦然。有機(jī)物降解，若通過(guò)氧化路線，最終降解為二氧化碳、硫酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽等；若通過(guò)還原路線，最終降解為甲烷、硫化氫、氨、磷化氫等；但在變成最終產(chǎn)物之前，還會(huì)出現(xiàn)一系列中間產(chǎn)物或生物代謝產(chǎn)物。有機(jī)物降解的難易取決于其組成和結(jié)構(gòu)；降解程度則取決于水體條件和降解路線。地下水體中基本上沒(méi)有微生物活動(dòng)，也不能發(fā)生光化學(xué)降解，一旦受到有機(jī)物污染，將難以凈化。自然水體中有機(jī)物的化學(xué)降解過(guò)程一般較為緩慢，除依賴于水中溶解氧水