微生物的有機物降解課件

第十章

微生物對污染物的分解與轉(zhuǎn)化第十章1第一節(jié)微生物對有機物的分解作用一、生物分解的一般特點（一）有機物生物分解的一般特點1、概念：微生物對有機物的分解作用（或降解作用）常簡稱為“生物分解”或“生物降解”。2、特點：有機物經(jīng)逐步分解后，產(chǎn)生能進入TCA途徑或能作為合成代謝原料的中間代謝產(chǎn)物，繼而被轉(zhuǎn)化為小分子有機物、無機物等分解產(chǎn)物和微生物細胞。第一節(jié)微生物對有機物的分解作用一、生物分解的一般特點23有機污染物的生物分解過程生物分解后的去向細胞物質(zhì)（微生物的生長）分解產(chǎn)物（CO2、小分子有機物等）3有機污染物的生物分解過程生物分解后的去向細胞物質(zhì)（微生物的3二、生物分解的分類1、根據(jù)生物分解的程度和最終產(chǎn)物的不同，有機物的生物分解可分為生物去除（表觀分解）、初級分解、環(huán)境可接收的分解和完全分解（礦化）等不同類型。二、生物分解的分類1、根據(jù)生物分解的程度和最終產(chǎn)物的不同，有45生物分解類型特點分解對象有機物的分析方法生物去除（Bioelimination）由于微生物細胞、活性污泥等的吸附作用使化學物質(zhì)濃度降低的一種現(xiàn)象。這里所說的“生物去除”不是真正意義上的分解，而是一種表觀現(xiàn)象，也可稱為“表觀生物分解”。各種色譜分析有機碳分析初級分解（Primarybiodegradation）在分解過程中，化學物質(zhì)的分子結構發(fā)生變化，從而失去原化學物質(zhì)特征的分解。各種色譜分析官能團分析毒性測試環(huán)境可接收的分解（Environmentallyacceptablebiodegradation）經(jīng)過生物分解，化學物質(zhì)的物理化學性質(zhì)和毒性達到環(huán)境安全要求的程度。各種色譜分析官能團分析毒性測試完全分解（Ultimatebiodegradation）有機化合物被分解成穩(wěn)定無機物（CO2、H2O等）的分解總有機碳分析產(chǎn)生的CO2分析有機物的生物分解類型及其特點5生物分解類型特點分解對象有機物的分析方法生物去除由于微生物52、根據(jù)是否在有氧氣存在的條件下，可分為好氧分解和厭氧分解兩種類型。與厭氧生物分解相比，好氧分解往往具有分解速率快、分解程度徹底、能量利用率高、轉(zhuǎn)化為細胞的比例大等特點。2、根據(jù)是否在有氧氣存在的條件下，可分為好氧分解和厭氧分解兩67微生物的分類好氧微生物（aerobe）：只能在有氧條件下生長，沒有氧氣無法生存.厭氧微生物（anaerobe）：只能在沒有氧氣的環(huán)境下生長，有氧氣反而不能生長。兼性微生物（facultativeaerobe）：即可在有氧條件下，也可在無氧條件下生長。在自然界中，大多數(shù)微生物屬于這一類。根據(jù)分解條件分類好氧分解：在好氧條件下進行的分解好氧呼吸厭氧分解：在厭氧條件下進行的分解厭氧呼吸發(fā)酵7微生物的分類好氧微生物（aerobe）：只能在有氧條件下生78兼性微生物的代謝：DO>0.2~0.3mg/L條件下：好氧代謝DO<0.2~0.3mg/L條件下：厭氧代謝一些好氧微生物（好氧細菌，球衣細菌、真菌等）能在微氧環(huán)境（DO接近于零）中生長。因此在微氧環(huán)境中占優(yōu)勢的微生物常常是好氧微生物。8兼性微生物的代謝：DO>0.2~0.3mg/L條件下：好氧893、有機物的好氧生物分解好氧分解過程：（1）消化：由胞外酶把大分子分解為可以被細胞吸收的小分子。（2）小分子的脫氫氧化：產(chǎn)生可進入TCA循環(huán)的乙酰－CoA。（3）乙酰－CoA進入TCA循環(huán)和呼吸鏈被氧化成CO2和H2O有機物CHONPCO2、H2O、（NH3＋NO2＋NO3－）H2SO4、H3PO4好氧分解的產(chǎn)物：反應中的亞硝酸、硝酸、硫酸和磷酸可與水中的堿性物質(zhì)作用，形成相應的鹽類。93、有機物的好氧生物分解好氧分解過程：有機物CHONP94、厭氧反應概括如下：C→RCOOH（有機酸）→CH4+CO2N→RCHNH2COOH→NH3（臭味）+有機酸（臭味）S→H2S（臭味）P→PO43-水體自凈的天然過程中厭氧分解（開始）→好氧分解（后續(xù)）4、厭氧反應概括如下：厭氧分解（開始）→好氧分解（后續(xù)）10二、有機物的好氧生物分解有機質(zhì)＋微生物＋氧微生物細胞增長CO2、H2O、SO42－、NH3、PO43－等＋能量

熱能釋出

隨水排出

二、有機物的好氧生物分解有機質(zhì)＋微生物CO2、H2O、SO4111、有機物氧化和細胞物質(zhì)合成的反應：CXHYOZ＋(X＋0.25Y－0.5Z）O2XCO2＋0.5H2O＋Q2、細胞物質(zhì)的合成（包括有機物的氧化，并以NH3作氮源）1、有機物氧化和細胞物質(zhì)合成的反應：CXHYOZ＋(X＋0.123、細胞物質(zhì)的氧化（內(nèi)源呼吸）在正常情況下，各類微生物細胞物質(zhì)的成分是相當穩(wěn)定的，一般可用下列實驗式表示：細菌，C5H17NO2；真菌，C10H17NO6；藻類，C5H8NO2；原生動物，C7H14NO3。3、細胞物質(zhì)的氧化（內(nèi)源呼吸）在正常情況下，各類微生物細胞物134、一般情況下，生物處理構筑物內(nèi)新生長（增加）的細胞物質(zhì)等于所合成的細胞物質(zhì)減去由于內(nèi)源呼吸而耗去的細胞物質(zhì)，可用于下列算式表示：

△X=a

△S-Bx△X表示新生長的細胞物質(zhì)（Kg/d）△S表示所利用的食料（基質(zhì)），即去除的BOD5（Kg/d）X表示構筑物內(nèi)原有的細胞物質(zhì)（Kg）a表示合成系數(shù)b表示細胞自身氧化率或衰減系數(shù)。a和b的值可通過試驗確定如下：將式兩側(cè)各除去X，得：△X/X=a

△S/X-b△S/X為橫坐標，△X/X為縱坐標作圖，可得一直線，其斜率即a，縱軸上的截距為（-b）4、一般情況下，生物處理構筑物內(nèi)新生長（增加）的細胞物質(zhì)等于14微生物的有機物降解課件15

就活性污泥來說，可用其揮發(fā)部分代表微生物、曝氣池內(nèi)揮發(fā)性污泥量可作為X代入式中；此外，池中所增加的微生物細胞的量可假定大致等于所排放的剩余污泥揮發(fā)性部分的量。對于生活污水和性質(zhì)與之接近的工業(yè)廢水，a一般可取0.05~0.1，b可取0.05~0.1；污泥泥齡長，a值取小，b值取大；污泥泥齡短，a值取大，b值取小。生物處理構筑物內(nèi)所增加的細胞物質(zhì)也可約略地以投入的有機物（以BOD5）的50%左右估算。就活性污泥來說，可用其揮發(fā)部分代表微生物、16初次沉淀池再生池二次沉淀池曝氣池空氣回流污泥剩余污泥污泥活性污泥法初次沉淀池再生池二次沉淀池曝氣池空氣回流污泥剩余污泥污泥活性1718有機物+微生物細胞物質(zhì)有機酸、醇+微生物CO2、NH3、HS、等+能量細胞物質(zhì)CO2、CH4+能量產(chǎn)酸細菌的作用甲烷細菌的作用有機物的厭氧分解三、有機物的厭氧生物分解18有機物+微生物細胞物質(zhì)有機酸、醇+微生物細胞物質(zhì)CO18微生物的有機物降解課件19微生物的有機物降解課件20第二節(jié)有機物的生物分解性一、有機物的生物分解性評價1、意義：正確評價有機物的生物分解難易程度，即生物分解性，對于評價有機污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其生態(tài)與健康風險，預測其在污水生物處理和生物凈化裝置中的去處效果等具有重要的意義。2、關鍵和難點：如何確定科學、合理的微生物種類和濃度，環(huán)境條件（溫度、PH值等）和受試化合物的濃度等試驗條件。3、方法：生物分解潛能實驗和生物分解模擬試驗。第二節(jié)有機物的生物分解性一、有機物的生物分解性21生物分解性試驗本質(zhì)性生物分解試驗生物分解潛能試驗生物分解模擬試驗易生物分解試驗污水生物處理系統(tǒng)試驗（好氧、厭氧）河流、湖泊模擬試驗河口模擬試驗海洋模擬試驗土壤模擬試驗生物分解性試驗本質(zhì)性生物分解試驗生物分解潛能試驗生物分解模22（一）生物分解潛能試驗目的：評價有機物是否具有被生物分解的潛在性。根據(jù)評價的目的不同，可分為易生物分解試驗和本質(zhì)性分解試驗。1、易生物分解試驗目的：評價有機物是否很容易地被生物完全分解，一般在不利于生物分解的條件性進行。方法：以受試化合物作為唯一碳源，接種的微生物濃度較低，且微生物事先不經(jīng)過馴化。在易生物分解試驗中得到良好分解效果的化合物，可以認為在一般環(huán)境中也很容易被生物分解。但是，在易生物分解試驗中分解效果較差的化合物，并不能判斷其在環(huán)境中不能被生物分解。（一）生物分解潛能試驗232、本質(zhì)性生物分解試驗目的：評價有機物是否具有被生物分解的性質(zhì)。方法：通常在最有利于受試化合物分解的條件下進行。使用的微生物通常講過事先的充分馴化，接種濃度較高，試驗周期長，盡可能的添加各種必須的營養(yǎng)物質(zhì)等。因此在試驗中得到良好分解效果的化合物，在實際環(huán)境中不一定能夠分解。但是，在該試驗中不能被生物分解的化合物，可以認為其在實際的環(huán)境條件下也不能被生物。2、本質(zhì)性生物分解試驗24（二）生物分解模擬試驗目的：評價有機物在特定的環(huán)境條件下，如污水生物處理系統(tǒng)、河流、湖泊、土壤中的生物分解性。關鍵：盡可能地在接近自然環(huán)境條件下進行分解試驗。（二）生物分解模擬試驗25（三）有機物生物分解性評價的一般步驟生物分解模擬試驗受試有機化合物易生物分解試驗分解性在環(huán)境中易生物分解良好不良本質(zhì)性生物分解試驗分解性不良在環(huán)境中難生物分解良好（三）有機物生物分解性評價的一般步驟生物分解模擬試驗受試有機26二、有機物的生物分解性與分子結構的關系

（一般規(guī)律，但例外較多）1）增加A類取代基一般降解性變差，B類有時可以增加降解性。OO能使降解性降低的基團稱異源基團。（xenophore）2）異源基團數(shù)目增加，降解性越差。OHClOHClClOHClClCl二、有機物的生物分解性與分子結構的關系1）增加A類取代基一般27OHOHClOHCl加速減慢4）甲基分支越多越不易降解－CH3－C－CH3CH3H－C－CH3CH3CH3>>3）異源基團的位置對生物降解性產(chǎn)生顯著影響。OHOHClOHCl加速減慢4）甲基分支越多越不易降解－CH288）好氧條件下的降解規(guī)律與厭氧有時不同9）化學品的生物降解性預測物理化學性質(zhì)～生物降解性/QSBR(QuantitativeStructureBiodegradabilityRelationship)5）脂肪族：分子量越大越不易降解6）芳香族<脂肪族（小分子）7）復環(huán)芳烴中環(huán)越多越難降解polycyclic8）好氧條件下的降解規(guī)律與厭氧有時不同9）化學品的生物降解性29三、值得注意的幾個問題有些有機物在濃度低時可以降解，高于某一濃度時不能降解（產(chǎn)生抑制作用）。SS抑制濃度毒性較大的污染物的生物降解需稀釋。（一）生物分解性與濃度的關系第二節(jié)有機物的生物分解性三、值得注意的幾個問題有些有機物在濃度低時可以降解，高于某一30單獨存在時不能被降解，只有在其它物質(zhì)被降解時才能被降解的現(xiàn)象。（不能作為能源或碳源的化合物的代謝）原因：1）缺少進一步降解的酶系；e.g.2,4-D（二氯苯氧乙酸）2）中間產(chǎn)物的抑制作用；3）濃度低，不能維持生命代謝。（二）共代謝現(xiàn)象單獨存在時不能被降解，只有在其它物質(zhì)被降解時才能被降解的現(xiàn)象31321.多基質(zhì)同時被利用2.一種基質(zhì)促進第二種基質(zhì)的降解甲苯促進假單胞菌對苯、二甲苯的降解易降解物質(zhì)的添加增加微生物濃度3.一種基質(zhì)阻礙另一基質(zhì)的降解抑制作用順次利用（sequentialuse)：一種基質(zhì)的分解只發(fā)生在另一種基質(zhì)大部分或全部降解之后。（三）有機物間的相互作用互不影響、促進作用、抑制作用（順次利用）321.多基質(zhì)同時被利用2.一種基質(zhì)促進第二種基質(zhì)的32（四）微生物間的相互作用1.協(xié)同作用（共生關系）類型：單一不能降解混合能降解單一降解慢混合能降解快作用機理：提供生長因子：提供維生素B、氨基酸等分解中間代謝產(chǎn)物分解共代謝產(chǎn)物分解有毒產(chǎn)物抑制作用（拮抗）：分解產(chǎn)物抑制其他微生物捕食作用（四）微生物間的相互作用1.協(xié)同作用（共生關系）類型：單33生物分解和轉(zhuǎn)化過程中，有機物的毒性往往發(fā)生變化。生物分解產(chǎn)物的毒性低于原化合物時的生物分解作用，稱去毒作用（Detoxication生物分解產(chǎn)物的毒性大于原化合物時的生物分解作用，稱激活作用（activation）。常見的激活反應有：脫鹵作用、亞硝胺的形成、環(huán)氧化作用、硫醚的氧化、甲基化等。（五）生物去毒作用與激活作用1.去毒作用（Detoxication）在毒理學上：活性物質(zhì)無活性物質(zhì)有毒物鈍化產(chǎn)物CO2代謝產(chǎn)物去毒作用生物分解和轉(zhuǎn)化過程中，有機物的毒性往往發(fā)生變化。（五）生物去34去毒作用機制：水解作用（hudrolysis羥基化作用（hyolroxylation）脫鹵作用（dehalogenation）甲基化（methylation）去甲基（demethylation）硝基還原（nitroreduction）去氨基（deamination）醚鍵斷裂（ethercleavage）腈轉(zhuǎn)化為酰胺R－C－O－R’OR－C－OHORHROHRClRHROHROCH3RNO2RNH2R－C＝NR－C－NH2O去毒作用機制：水解作用（hudrolysisR－C－O－R’352.激活作用（activation）形成有毒產(chǎn)物常見的激活反應（1）脫鹵作用三氯乙烷Cl2C＝CHClCl－C＝CH2H氯乙烯（強致癌物）（2）亞硝胺的形成（nitroamineformation）（亞硝胺）（致癌、致畸）RR’NH＋RR’N－N＝ORR’N－R”脫烷基（仲胺）反硝化（叔胺）2.激活作用（activation）形成有毒產(chǎn)物常見的36（3）環(huán)氧化作用（epoxiadation）－HC＝CH－HC－CH－O（4）硫醚的氧化－C－S－C－－C－S－C－－C－S－C－OOO（5）甲基化HgCH3Hg+CH3HgCH3（3）環(huán)氧化作用（epoxiadation）－HC＝CH－H37BOD5/CODcr>0.4-0.6可生物處理性好0.2<BOD5/CODcr<0.4含有難生物分解的有機物，較難生物處理BOD5/CODcr<0.1有機污染物的生物分解性差，難以生物處理（六）污水中有機污染物的生物分解性評價BOD5/CODcr比值預測污水可生物處理性的參考標準BOD5/DOC>1.2可生物處理性好0.3<BOD5/DOC<1.2含有難生物分解的有機物，較難生物處理BOD5/DOC<0.3有機污染物的生物分解性差，難以生物處理BOD5/DOC比值預測污水可生物處理性的參考標準BOD5/CODcr>0.4-0.6可生物處理性好（六）381.纖維素—多糖化合物乳酸纖維二糖葡萄糖能降解纖維素的微生物：主要是霉菌和一些特殊的細菌：纖維粘菌、纖維桿菌、蓮霉菌、曲霉、青霉、木霉一、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素第三節(jié)不含氮有機物質(zhì)的生物分解酶1.纖維素—多糖化合物乳酸纖維二糖葡萄糖能降解纖維素的微39402.半纖維素能降解纖維素的微生物：芽孢桿菌、假單胞菌、放線菌。第三節(jié)不含氮有機物質(zhì)的生物分解存在于植物細胞壁的雜多糖。造紙廢水和人造纖維廢水中含半纖維素。分解過程TCA循環(huán)聚糖酶CO2+H2O半纖維素單糖+糖醛酸H2O各種發(fā)酵產(chǎn)物厭氧分解分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素。402.半纖維素能降解纖維素的微生物：芽孢桿菌、假單胞菌403.木質(zhì)素（lignin）CCCHOCCCHOH3COCCCHOH3COH3CO基本構成單位芳醚鍵降解機理（較為復雜）：芳醚鏈斷裂苯丙烷大分子解聚、、、能降解木質(zhì)素的微生物：擔子菌綱，如白腐菌第三節(jié)不含氮有機物質(zhì)的生物分解3.木質(zhì)素（lignin）CCCHOCCCHOH3COC41二、淀粉

分子結構：多糖

降解過程：淀粉糊精麥芽糖葡萄糖

降解微生物：主要有霉菌（曲霉、根霉）第三節(jié)不含氮有機物質(zhì)的生物分解二、淀粉分子結構：多糖第三節(jié)不含氮有機物質(zhì)的生物分解42微生物的有機物降解課件43洗毛、肉類加工、生活污水

熒光桿菌、綠濃桿菌、靈桿菌等

脂肪

脂肪酶

甘油

脂肪酸

簡單的酸+CO2+CH4

CO2+H2O

三

脂肪的轉(zhuǎn)化

洗毛、肉類加工、生活污水熒光桿菌、綠濃桿菌、靈桿菌等脂肪44煉焦、石油、煤氣

酚為較重要的一種，對人、畜、水生生物有毒，必須處理。

分解酚的細菌：食酚假單胞菌、解酚假單胞菌

酚

O2

CO2+H2O

生物法已經(jīng)廣泛用于含酚工業(yè)廢水的處理

四

芳香族化合物的轉(zhuǎn)化（苯的衍生物）

煉焦、石油、煤氣酚為較重要的一種，對人、畜、水生生物有毒，45甲烷假單胞菌、青霉、頭孢霉、甲烷極毛桿菌可以分解烷烴。用于天然氣的勘探。

2O2+CH4

CO2+2H2O

五

烴類化合物的轉(zhuǎn)化

甲烷假單胞菌、青霉、頭孢霉、甲烷極毛桿菌可以分解烷烴。用于天46微生物的有機物降解課件47一、氮的循環(huán)

自然界中除植物利用無機氮轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C氮外，其它各轉(zhuǎn)變過程均由微生物作用

氨化作用硝化作用反硝化作用

硝化作用

反硝化作用

氨化作用

第四節(jié)含氮有機物的生物分解一、氮的循環(huán)自然界中除植物利用無機氮轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C氮外，其它各48生物體有機酸NO3-NH4+NO2-NON2O大氣N2同化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用生物固氮同化作用還原作用自然界中的氮素循環(huán)生物體有機酸NO3-NH4+NO2-NON2O大氣同化作用氨49蛋白質(zhì)的降解機理反硝化N2↑蛋白質(zhì)的降解機理反硝化N2↑50二、蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化

R-CH-COOH

NH2

R代表不同的基團

氨基酸

（一）蛋白質(zhì)的氨化

氨化作用：由有機氮化物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的過程（NH3、NH4+）

肽

蛋白酶水解

肽酶水解

蛋白質(zhì)

氨基酸

1、蛋白質(zhì)初步水解成氨基酸

二、蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化R-CH-COOHNH2R代表不同的基51氨化細菌：參與氨化作用的細菌。

好氧性：熒光假單胞菌、靈桿菌

厭氧性：腐敗梭菌

兼性菌：變形桿菌。

問題：參加的有哪些微生物呢？

氨化細菌：參與氨化作用的細菌。問題：參加的有哪些微生物呢？52（二）硝化作用（Nitrification）

1、硝化作用概念

在有氧氣時，微生物將氨氧化為硝酸的作用

2、參加硝化作用的微生物

硝化細菌

亞硝酸細菌

硝酸細菌

兩類細菌相伴而生，作用相連。

（二）硝化作用（Nitrification）1、硝化作用概53硝化細菌的特性：

（1）革蘭氏陰性菌，不生芽孢

（2）強好氧性

（3）中性或堿性環(huán)境。不能在強酸環(huán)境生活。

（4）對毒物敏感。很少的錳對其有毒害。

問題：硝化細菌有哪些特性？

硝化細菌的特性：問題：硝化細菌有哪些特性？543、硝化作用的過程

（1）亞硝酸形成階段

2NH3+3O2

亞硝酸細菌

2HNO2+2H2O+ATP

亞硝酸細菌：亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸球菌屬亞硝酸螺菌屬、亞硝酸葉菌屬

3、硝化作用的過程（1）亞硝酸形成階段2NH3+3O554、硝化作用進行的條件

O2NH3堿性物質(zhì)（中和產(chǎn)生的亞硝酸和硝酸）

不需有機物存在

蛋白質(zhì)最終被氧化成：

CO2、H2O、HNO3、H2SO4

4、硝化作用進行的條件O2蛋白質(zhì)最終被氧化成：5657硝化菌與活性污泥中異養(yǎng)菌的生長速率比較細菌種類世代時間(h)最大增長速率(1/h)亞硝酸菌硝酸菌活性污泥中異養(yǎng)菌8-368-592.3-8.7

0.02-0.090.01-0.060.08-0.3化能自養(yǎng)好氧適于中性和弱堿性環(huán)境生長速度慢，世代時間8－24小時對有害化學物質(zhì)敏感（用于毒性測定）硝化菌的主要特性57硝化菌與活性污泥中異養(yǎng)菌的生長速率比較細菌種類世代時間(57(1)溶解氧（DO）：DO低于0.5mg/L時，硝酸菌活性受到抑制，而亞硝酸菌（即氨氧化菌）對低溶解氧的耐受程度高于硝酸菌，DO低于0.5mg/L時仍能正常代謝。(2)溫度：溫度低于12oC，硝化活性明顯下降，30oC時活性最大，超過30oC時，活性反而降低。(3)pH值：亞硝酸菌的最適pH范圍為7.0-7.8，而硝酸菌的最適pH范圍為7.7-8.1。pH值過高或過低都會抑制硝化活性。硝化過程常大量產(chǎn)酸，可使pH值降低，限制硝化作用進行，運行中應隨時調(diào)節(jié)pH值。影響硝化作用的主要因素(1)溶解氧（DO）：DO低于0.5mg/L時，硝酸菌活性受58(4)營養(yǎng)物質(zhì)：硝化菌為自養(yǎng)微生物，生長不需有機質(zhì)。在污水處理中，硝化反應一般在有機物濃度較低的條件下較易發(fā)生。(5)氨氮：氨氮濃度大于100-200mg/L時，對硝化反應呈現(xiàn)抑制作用。(6)毒物：硝化菌對毒物的敏感度大于一般細菌，大多數(shù)重金屬和有機物對硝化菌具有抑制作用。一般來說，亞硝酸菌比硝酸菌對毒物更敏感。(4)營養(yǎng)物質(zhì)：硝化菌為自養(yǎng)微生物，生長不需有機質(zhì)。在污水處59（三）反硝化作用（Denitrification）

概念：硝酸鹽在通氣不良環(huán)境中（缺氧），被反硝化細菌還原成NO2或N2的過程。

1、反硝化過程

C6H12O6+4NO3-

6H20+6CO2+2N2+ATP

缺氧

N2

NO3-

NO2-

NO

N2O

反硝化細菌

（三）反硝化作用（Denitrification）概念：硝602、反硝化作用的微生物

類型

含有反硝化細菌種的一些屬

有機營養(yǎng)型

假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、芽孢桿菌屬、

土壤桿菌屬、黃桿菌屬、芽生桿菌屬、

鹽桿菌屬、慢生根瘤菌屬

化能無機營養(yǎng)型

硫桿菌屬、硫微螺菌屬、亞硝化單胞菌屬

光能營養(yǎng)型

紅假單胞菌屬

混合型

副球菌屬、布蘭漢氏菌屬、奈氏球菌屬

反硝化細菌：進行反硝化作用的微生物。50多屬。反硝化細菌的部分屬群

2、反硝化作用的微生物類型613、反硝化作用發(fā)生的條件

NO3-有機物質(zhì)存在

氧氣＜0.5mg/L

3、反硝化作用發(fā)生的條件NO3-6263反硝化作用需要足夠的有機碳源。甲醇、乙醇、乙酸、苯甲酸、葡萄糖等均可作為碳源。利用最多的是甲醇，因為它價廉，而且氧化分解產(chǎn)物為水和二氧化碳，不留任何難降解中間產(chǎn)物。在飲用水的脫氮處理中宜采用乙醇，以避免殘留甲醇對人體的危害。影響反硝化作用的主要因素（1）營養(yǎng)物質(zhì)63反硝化作用需要足夠的有機碳源。影響反硝化作用的主要因素（63(2)溶解氧在O2和NO3-同時存在時，反硝化菌首先利用O2作為最終電子受體，只有溶解氧濃度接近零（氧化還原電位<0--100mV)時才開始進行反硝化作用。(3)溫度最佳溫度為30－40oC。溫度<0oC，反硝化菌的活動終止，溫度超過50oC時，反硝化活性急劇降低。(4)pH值最適合pH值范圍為7.0-7.5。pH值對反應成物也產(chǎn)生影響。pH在中性范圍內(nèi)有利于N2的產(chǎn)生。(2)溶解氧64反硝化在廢水處理過程中具有著重要的意義。在活性污泥法曝氣池的出水中含有硝酸鹽。如果硝酸鹽含量高，則在二次沉淀池(曝氣池后面的沉淀池)污泥中可以由于反硝化作用產(chǎn)生大量氮氣，氣體的上升將促使污泥雜質(zhì)浮起而影響沉淀效果。此外，還應注意，生物處理二次沉淀池出水中亞硝酸鹽的測定并不能正確反映廢水硝化的程度，因為所測得的亞硝酸鹽可能是通過反硝化而形成的。在缺氧情況下，也可能發(fā)生反硫化作用，這是硫酸鹽經(jīng)硫酸鹽還原菌的作用形成硫化氫的過程。反硝化在廢水處理過程中具有著重要的意義。在活性污泥法曝氣池的65三、

尿素的轉(zhuǎn)化

尿素：人畜尿液的主要含氮有機物。含氮47%。尿酸：尿液中的組成成分。水解成尿素。

O=C

NH2

NH2

+H2O

脲酶

(NH4)2CO3

2NH3

+CO2+H2O

參加者：尿素細菌（好氧）。

三、尿素的轉(zhuǎn)化尿素：人畜尿液的主要含氮有機物。含氮47%66第五節(jié)無機元素的轉(zhuǎn)化

硫的轉(zhuǎn)化

磷的轉(zhuǎn)化

鐵的轉(zhuǎn)化

（一）硫的轉(zhuǎn)化

硫化作用：有氧時，微生物將H2S氧化成硫磺、硫酸。

反硫化作用：無氧時，微生物將硫酸還原成H2S。

作用：產(chǎn)生的硫酸腐蝕構筑物。

H2S有臭味。

第五節(jié)無機元素的轉(zhuǎn)化硫的轉(zhuǎn)化（一）硫的轉(zhuǎn)化硫化作用：67微生物的有機物降解課件68H2S被氧化生成S和H2SO4的過程。硫化作用微生物硫磺細菌硫化細菌1）硫磺細菌的一般特性能利用還原態(tài)硫化物（H2S、S等）為能源的細菌；自養(yǎng)型；在細胞內(nèi)能積累單質(zhì)硫。①②H2S充足時，①>②,細胞內(nèi)積累硫而形成硫磺顆粒。（二）硫化作用H2S被氧化生成S和H2SO4的過程。硫化作用微生物硫磺細菌69常見的硫磺細菌無色硫磺細菌紫色硫磺細菌：紫硫菌、八疊硫菌（光能自養(yǎng)）（光合菌著色菌科、舊稱紅硫菌科，俗稱紫硫菌）貝日阿托氏菌，如白硫磺菌(Beggiatoa)發(fā)硫細菌(Thiothrix)硫磺細菌的細胞合成方式：無色硫磺菌：化學合成紫色硫磺菌：1）化學合成；2）光合成不產(chǎn)生氧氣的光合作用—循環(huán)光合磷酸化第五節(jié)微生物對無機元素的轉(zhuǎn)化作用常見的硫磺細菌無色硫磺細菌紫色硫磺細菌：紫硫菌、八疊硫菌（光70特點：利用硫化物作能源，但不能在細胞內(nèi)積累硫單體。常見的硫化菌好氧菌厭氧菌脫氮硫桿菌：在缺氧情況下還原硝酸根為氮氣(Thiobacillusdenitrificans)排硫桿菌氧化硫桿菌2)硫化細菌的一般特性第五節(jié)微生物對無機元素的轉(zhuǎn)化作用特點：利用硫化物作能源，但不能在細胞內(nèi)積累硫單體。常見的硫化71第五節(jié)微生物對無機元素的轉(zhuǎn)化作用幾種常見的硫化細菌第五節(jié)微生物對無機元素的轉(zhuǎn)化作用幾種常見的硫化細菌72脫氮硫桿菌的應用：反硝化（硝酸氮的處理）S2進水出水N2第五節(jié)微生物對無機元素的轉(zhuǎn)化作用脫氮硫桿菌的應用：反硝化（硝酸氮的處理）S2進水出水N273硫酸鹽被還原成硫化氫的過程。反硫化作用微生物：硫酸鹽還原菌（e.g.去硫弧菌）厭氧且在有機物存在的條件下：硫酸鹽還原菌（反硫化細菌）嚴格的厭氧菌，能進行反硫化作用的細菌有： 脫硫脫硫弧菌（Desulfovibriodesulfuricans） 巨大脫硫弧菌（Desulfovibriogigas） 至黑脫硫腸狀菌（Desulfotomaculumnigrificans）第五節(jié)微生物對無機元素的轉(zhuǎn)化作用（三）反硫化作用硫酸鹽被還原成硫化氫的過程。反硫化作用微生物：硫酸鹽還原菌（74含SO42-廢水生物處理工藝

第五節(jié)微生物對無機元素的轉(zhuǎn)化作用含SO42-廢水生物處理工藝第五節(jié)微生物對無機元素的轉(zhuǎn)75在混凝土溝渠中，硫酸鹽還原所形成的硫比氫，為硫磺細菌等氧化成硫酸后，可使混凝土由于腐蝕而受到損壞。一般說，廢水中硫酸鹽還原菌是不多的，它們比較集中在溝渠沉淀物中。所以，為了減少溝渠中可能產(chǎn)生的硫化氫，也要求溝渠有適當?shù)钠露群图訌娗赖木S護工作。

在混凝土溝渠中，硫酸鹽還原所形成的硫比氫，為硫磺細菌等氧化成76二、

磷的轉(zhuǎn)化

1、不溶性無機磷酸鹽轉(zhuǎn)化成可溶性磷酸鹽。

Ca3（PO4）2

CaHPO4

（1）

Ca3（PO4）2

+2CO2+2H2O

2CaHPO4+Ca（HCO3）2（2）

Ca3（PO4）2

+2HNO3

2CaHPO4+Ca（NO3）2

（3）

Ca3（PO4）2

+H2SO42CaHPO4+CaSO4

2、有機磷化物

磷酸鹽

解磷大芽孢桿菌

蠟質(zhì)芽孢桿菌

霉狀芽孢桿菌

二、磷的轉(zhuǎn)化1、不溶性無機磷酸鹽轉(zhuǎn)化成可溶性磷酸鹽。（77三、鐵的轉(zhuǎn)化

1、鐵化物的氧化和沉淀

O2

Fe2+Fe3+

鐵細菌

2、鐵化物的還原和溶解

Fe3+Fe2+

缺氧

3．有機鐵化物的形成與溶解溶解性的鐵可以被動植物及微生物吸收利用形成有機結合的狀態(tài)，或與有機酸結合成有機酸鐵鹽。這種有機態(tài)結合鐵又可被微生物分解而無機化，再形成溶解性的鐵為微生物等利用。三、鐵的轉(zhuǎn)化1、鐵化物的氧化和沉淀O2Fe78鐵細菌的特性：能利用還原態(tài)鐵作為能源；自養(yǎng)菌；絲狀菌；一般生活在含氧少、但有較多鐵質(zhì)和CO2的水中。鐵細菌的特性：79一、生物對污染物的濃縮作用第六節(jié)微生物對無機元素的轉(zhuǎn)化作用（一）生物濃縮一般定義為：生物個體或處于同一營養(yǎng)水平的生物種群，從環(huán)境中吸收并蓄積某種元素或化合物，使體內(nèi)該物質(zhì)的濃度超過環(huán)境中濃度的現(xiàn)象，又稱生物富集。生物濃縮的程度一般用生物濃縮系數(shù)（Bio-concentrationFactor,BCF，亦稱富集因子）來表示，濃縮系數(shù)越大，生物濃縮的程度越高。一、生物對污染物的濃縮作用第六節(jié)微生物對無機元素的轉(zhuǎn)化作8081指同一生物個體在不同的生長發(fā)育階段，生物濃縮系數(shù)不斷增加的現(xiàn)象。生物積累的程度也用BCF表示。不同種生物和同一種生物的不同器官和組織對同一化學物質(zhì)的生物積累速率有很大的差別。（二）生物積累與生物放大生物積累（Bio-accumulation）81指同一生物個體在不同的生長發(fā)育階段，生物濃縮系數(shù)不斷增加8182指生態(tài)系統(tǒng)中，某種化學物質(zhì)的生物濃縮系數(shù)在同一食物鏈上，由低位營養(yǎng)級生物到高位營養(yǎng)級生物逐級增大的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由于高位營養(yǎng)級生物捕食低位營養(yǎng)級生物所造成的。有關美國圖爾湖和克爾馬斯南部保護區(qū)有機氯殺蟲劑DDT對生物群落污染的研究表明，湖水中DDT濃度為0.006mg/L情況下，水體中藻類細胞內(nèi)的濃度為0.1－0.3mg/L（BCF為167－500），魚類體內(nèi)的最高濃度為1.6mg/L（BCF為2667）,以魚類為食的水鳥體內(nèi)的濃度高達63－75.5mg/L（BCF為10,500－125,873）。由于生物濃縮、生物積累和生物放大作用，即使是進入環(huán)境中的微量污染物，也會通過逐級生物放大，影響高位營養(yǎng)級的生物，甚至人類。生物放大（Bio-magnification）82指生態(tài)系統(tǒng)中，某種化學物質(zhì)的生物濃縮系數(shù)在同一食物鏈上，8283有機物質(zhì)的生物吸附是一個快速的物理過程。在污水活性污泥處理系統(tǒng)中，20－30min左右的時間即可完成有機顆粒和膠體物質(zhì)的吸附過程。污水處理A－B工藝是基于這種快速生物吸附現(xiàn)象而開發(fā)出的一種新型污水生物處理工藝。微生物細胞對溶解性污染物，特別是對疏水性有機污染物，如農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯（PCBs）、多環(huán)芳烴（PHA）、揮發(fā)性有機物（VOC）等的吸附作用是污水生物處理系統(tǒng)中微量有機污染物去除的重要機理。被吸附去除的有機物將積累在剩余污泥中，從而引起二次污染。二、微生物對有機污染物的吸附作用83有機物質(zhì)的生物吸附是一個快速的物理過程。二、微生物對有機8384生物吸附(biologicaladsorption）：水中的金屬離子與微生物細胞表面的特定基團結合而使其吸附到細胞的表面，這種現(xiàn)象稱之為生物吸附)。微生物細胞表面能與重金屬吸附結合的基團有巰基、羧基、羥基等。金屬離子吸附到微生物細胞表面的過程不依賴于能量代謝，具有快速、可逆的特點，又稱為“被動吸附”。在另一些情況下，吸附在細胞表面的金屬離子與細胞表面的某些酶相結合而轉(zhuǎn)移到細胞內(nèi)，這種過程是通過微生物的代謝活動富集金屬，又稱為“主動吸附”，其特點是速度慢、不可逆。三、微生物對金屬的吸附作用84生物吸附(biologicaladsorption）：84第十章

微生物對污染物的分解與轉(zhuǎn)化第十章85第一節(jié)微生物對有機物的分解作用一、生物分解的一般特點（一）有機物生物分解的一般特點1、概念：微生物對有機物的分解作用（或降解作用）常簡稱為“生物分解”或“生物降解”。2、特點：有機物經(jīng)逐步分解后，產(chǎn)生能進入TCA途徑或能作為合成代謝原料的中間代謝產(chǎn)物，繼而被轉(zhuǎn)化為小分子有機物、無機物等分解產(chǎn)物和微生物細胞。第一節(jié)微生物對有機物的分解作用一、生物分解的一般特點8687有機污染物的生物分解過程生物分解后的去向細胞物質(zhì)（微生物的生長）分解產(chǎn)物（CO2、小分子有機物等）3有機污染物的生物分解過程生物分解后的去向細胞物質(zhì)（微生物的87二、生物分解的分類1、根據(jù)生物分解的程度和最終產(chǎn)物的不同，有機物的生物分解可分為生物去除（表觀分解）、初級分解、環(huán)境可接收的分解和完全分解（礦化）等不同類型。二、生物分解的分類1、根據(jù)生物分解的程度和最終產(chǎn)物的不同，有8889生物分解類型特點分解對象有機物的分析方法生物去除（Bioelimination）由于微生物細胞、活性污泥等的吸附作用使化學物質(zhì)濃度降低的一種現(xiàn)象。這里所說的“生物去除”不是真正意義上的分解，而是一種表觀現(xiàn)象，也可稱為“表觀生物分解”。各種色譜分析有機碳分析初級分解（Primarybiodegradation）在分解過程中，化學物質(zhì)的分子結構發(fā)生變化，從而失去原化學物質(zhì)特征的分解。各種色譜分析官能團分析毒性測試環(huán)境可接收的分解（Environmentallyacceptablebiodegradation）經(jīng)過生物分解，化學物質(zhì)的物理化學性質(zhì)和毒性達到環(huán)境安全要求的程度。各種色譜分析官能團分析毒性測試完全分解（Ultimatebiodegradation）有機化合物被分解成穩(wěn)定無機物（CO2、H2O等）的分解總有機碳分析產(chǎn)生的CO2分析有機物的生物分解類型及其特點5生物分解類型特點分解對象有機物的分析方法生物去除由于微生物892、根據(jù)是否在有氧氣存在的條件下，可分為好氧分解和厭氧分解兩種類型。與厭氧生物分解相比，好氧分解往往具有分解速率快、分解程度徹底、能量利用率高、轉(zhuǎn)化為細胞的比例大等特點。2、根據(jù)是否在有氧氣存在的條件下，可分為好氧分解和厭氧分解兩9091微生物的分類好氧微生物（aerobe）：只能在有氧條件下生長，沒有氧氣無法生存.厭氧微生物（anaerobe）：只能在沒有氧氣的環(huán)境下生長，有氧氣反而不能生長。兼性微生物（facultativeaerobe）：即可在有氧條件下，也可在無氧條件下生長。在自然界中，大多數(shù)微生物屬于這一類。根據(jù)分解條件分類好氧分解：在好氧條件下進行的分解好氧呼吸厭氧分解：在厭氧條件下進行的分解厭氧呼吸發(fā)酵7微生物的分類好氧微生物（aerobe）：只能在有氧條件下生9192兼性微生物的代謝：DO>0.2~0.3mg/L條件下：好氧代謝DO<0.2~0.3mg/L條件下：厭氧代謝一些好氧微生物（好氧細菌，球衣細菌、真菌等）能在微氧環(huán)境（DO接近于零）中生長。因此在微氧環(huán)境中占優(yōu)勢的微生物常常是好氧微生物。8兼性微生物的代謝：DO>0.2~0.3mg/L條件下：好氧92933、有機物的好氧生物分解好氧分解過程：（1）消化：由胞外酶把大分子分解為可以被細胞吸收的小分子。（2）小分子的脫氫氧化：產(chǎn)生可進入TCA循環(huán)的乙酰－CoA。（3）乙酰－CoA進入TCA循環(huán)和呼吸鏈被氧化成CO2和H2O有機物CHONPCO2、H2O、（NH3＋NO2＋NO3－）H2SO4、H3PO4好氧分解的產(chǎn)物：反應中的亞硝酸、硝酸、硫酸和磷酸可與水中的堿性物質(zhì)作用，形成相應的鹽類。93、有機物的好氧生物分解好氧分解過程：有機物CHONP934、厭氧反應概括如下：C→RCOOH（有機酸）→CH4+CO2N→RCHNH2COOH→NH3（臭味）+有機酸（臭味）S→H2S（臭味）P→PO43-水體自凈的天然過程中厭氧分解（開始）→好氧分解（后續(xù)）4、厭氧反應概括如下：厭氧分解（開始）→好氧分解（后續(xù)）94二、有機物的好氧生物分解有機質(zhì)＋微生物＋氧微生物細胞增長CO2、H2O、SO42－、NH3、PO43－等＋能量

熱能釋出

隨水排出

二、有機物的好氧生物分解有機質(zhì)＋微生物CO2、H2O、SO4951、有機物氧化和細胞物質(zhì)合成的反應：CXHYOZ＋(X＋0.25Y－0.5Z）O2XCO2＋0.5H2O＋Q2、細胞物質(zhì)的合成（包括有機物的氧化，并以NH3作氮源）1、有機物氧化和細胞物質(zhì)合成的反應：CXHYOZ＋(X＋0.963、細胞物質(zhì)的氧化（內(nèi)源呼吸）在正常情況下，各類微生物細胞物質(zhì)的成分是相當穩(wěn)定的，一般可用下列實驗式表示：細菌，C5H17NO2；真菌，C10H17NO6；藻類，C5H8NO2；原生動物，C7H14NO3。3、細胞物質(zhì)的氧化（內(nèi)源呼吸）在正常情況下，各類微生物細胞物974、一般情況下，生物處理構筑物內(nèi)新生長（增加）的細胞物質(zhì)等于所合成的細胞物質(zhì)減去由于內(nèi)源呼吸而耗去的細胞物質(zhì)，可用于下列算式表示：

△X=a

△S-Bx△X表示新生長的細胞物質(zhì)（Kg/d）△S表示所利用的食料（基質(zhì)），即去除的BOD5（Kg/d）X表示構筑物內(nèi)原有的細胞物質(zhì)（Kg）a表示合成系數(shù)b表示細胞自身氧化率或衰減系數(shù)。a和b的值可通過試驗確定如下：將式兩側(cè)各除去X，得：△X/X=a

△S/X-b△S/X為橫坐標，△X/X為縱坐標作圖，可得一直線，其斜率即a，縱軸上的截距為（-b）4、一般情況下，生物處理構筑物內(nèi)新生長（增加）的細胞物質(zhì)等于98微生物的有機物降解課件99

就活性污泥來說，可用其揮發(fā)部分代表微生物、曝氣池內(nèi)揮發(fā)性污泥量可作為X代入式中；此外，池中所增加的微生物細胞的量可假定大致等于所排放的剩余污泥揮發(fā)性部分的量。對于生活污水和性質(zhì)與之接近的工業(yè)廢水，a一般可取0.05~0.1，b可取0.05~0.1；污泥泥齡長，a值取小，b值取大；污泥泥齡短，a值取大，b值取小。生物處理構筑物內(nèi)所增加的細胞物質(zhì)也可約略地以投入的有機物（以BOD5）的50%左右估算。就活性污泥來說，可用其揮發(fā)部分代表微生物、100初次沉淀池再生池二次沉淀池曝氣池空氣回流污泥剩余污泥污泥活性污泥法初次沉淀池再生池二次沉淀池曝氣池空氣回流污泥剩余污泥污泥活性101102有機物+微生物細胞物質(zhì)有機酸、醇+微生物CO2、NH3、HS、等+能量細胞物質(zhì)CO2、CH4+能量產(chǎn)酸細菌的作用甲烷細菌的作用有機物的厭氧分解三、有機物的厭氧生物分解18有機物+微生物細胞物質(zhì)有機酸、醇+微生物細胞物質(zhì)CO102微生物的有機物降解課件103微生物的有機物降解課件104第二節(jié)有機物的生物分解性一、有機物的生物分解性評價1、意義：正確評價有機物的生物分解難易程度，即生物分解性，對于評價有機污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其生態(tài)與健康風險，預測其在污水生物處理和生物凈化裝置中的去處效果等具有重要的意義。2、關鍵和難點：如何確定科學、合理的微生物種類和濃度，環(huán)境條件（溫度、PH值等）和受試化合物的濃度等試驗條件。3、方法：生物分解潛能實驗和生物分解模擬試驗。第二節(jié)有機物的生物分解性一、有機物的生物分解性105生物分解性試驗本質(zhì)性生物分解試驗生物分解潛能試驗生物分解模擬試驗易生物分解試驗污水生物處理系統(tǒng)試驗（好氧、厭氧）河流、湖泊模擬試驗河口模擬試驗海洋模擬試驗土壤模擬試驗生物分解性試驗本質(zhì)性生物分解試驗生物分解潛能試驗生物分解模106（一）生物分解潛能試驗目的：評價有機物是否具有被生物分解的潛在性。根據(jù)評價的目的不同，可分為易生物分解試驗和本質(zhì)性分解試驗。1、易生物分解試驗目的：評價有機物是否很容易地被生物完全分解，一般在不利于生物分解的條件性進行。方法：以受試化合物作為唯一碳源，接種的微生物濃度較低，且微生物事先不經(jīng)過馴化。在易生物分解試驗中得到良好分解效果的化合物，可以認為在一般環(huán)境中也很容易被生物分解。但是，在易生物分解試驗中分解效果較差的化合物，并不能判斷其在環(huán)境中不能被生物分解。（一）生物分解潛能試驗1072、本質(zhì)性生物分解試驗目的：評價有機物是否具有被生物分解的性質(zhì)。方法：通常在最有利于受試化合物分解的條件下進行。使用的微生物通常講過事先的充分馴化，接種濃度較高，試驗周期長，盡可能的添加各種必須的營養(yǎng)物質(zhì)等。因此在試驗中得到良好分解效果的化合物，在實際環(huán)境中不一定能夠分解。但是，在該試驗中不能被生物分解的化合物，可以認為其在實際的環(huán)境條件下也不能被生物。2、本質(zhì)性生物分解試驗108（二）生物分解模擬試驗目的：評價有機物在特定的環(huán)境條件下，如污水生物處理系統(tǒng)、河流、湖泊、土壤中的生物分解性。關鍵：盡可能地在接近自然環(huán)境條件下進行分解試驗。（二）生物分解模擬試驗109（三）有機物生物分解性評價的一般步驟生物分解模擬試驗受試有機化合物易生物分解試驗分解性在環(huán)境中易生物分解良好不良本質(zhì)性生物分解試驗分解性不良在環(huán)境中難生物分解良好（三）有機物生物分解性評價的一般步驟生物分解模擬試驗受試有機110二、有機物的生物分解性與分子結構的關系

（一般規(guī)律，但例外較多）1）增加A類取代基一般降解性變差，B類有時可以增加降解性。OO能使降解性降低的基團稱異源基團。（xenophore）2）異源基團數(shù)目增加，降解性越差。OHClOHClClOHClClCl二、有機物的生物分解性與分子結構的關系1）增加A類取代基一般111OHOHClOHCl加速減慢4）甲基分支越多越不易降解－CH3－C－CH3CH3H－C－CH3CH3CH3>>3）異源基團的位置對生物降解性產(chǎn)生顯著影響。OHOHClOHCl加速減慢4）甲基分支越多越不易降解－CH1128）好氧條件下的降解規(guī)律與厭氧有時不同9）化學品的生物降解性預測物理化學性質(zhì)～生物降解性/QSBR(QuantitativeStructureBiodegradabilityRelationship)5）脂肪族：分子量越大越不易降解6）芳香族<脂肪族（小分子）7）復環(huán)芳烴中環(huán)越多越難降解polycyclic8）好氧條件下的降解規(guī)律與厭氧有時不同9）化學品的生物降解性113三、值得注意的幾個問題有些有機物在濃度低時可以降解，高于某一濃度時不能降解（產(chǎn)生抑制作用）。SS抑制濃度毒性較大的污染物的生物降解需稀釋。（一）生物分解性與濃度的關系第二節(jié)有機物的生物分解性三、值得注意的幾個問題有些有機物在濃度低時可以降解，高于某一114單獨存在時不能被降解，只有在其它物質(zhì)被降解時才能被降解的現(xiàn)象。（不能作為能源或碳源的化合物的代謝）原因：1）缺少進一步降解的酶系；e.g.2,4-D（二氯苯氧乙酸）2）中間產(chǎn)物的抑制作用；3）濃度低，不能維持生命代謝。（二）共代謝現(xiàn)象單獨存在時不能被降解，只有在其它物質(zhì)被降解時才能被降解的現(xiàn)象1151161.多基質(zhì)同時被利用2.一種基質(zhì)促進第二種基質(zhì)的降解甲苯促進假單胞菌對苯、二甲苯的降解易降解物質(zhì)的添加增加微生物濃度3.一種基質(zhì)阻礙另一基質(zhì)的降解抑制作用順次利用（sequentialuse)：一種基質(zhì)的分解只發(fā)生在另一種基質(zhì)大部分或全部降解之后。（三）有機物間的相互作用互不影響、促進作用、抑制作用（順次利用）321.多基質(zhì)同時被利用2.一種基質(zhì)促進第二種基質(zhì)的116（四）微生物間的相互作用1.協(xié)同作用（共生關系）類型：單一不能降解混合能降解單一降解慢混合能降解快作用機理：提供生長因子：提供維生素B、氨基酸等分解中間代謝產(chǎn)物分解共代謝產(chǎn)物分解有毒產(chǎn)物抑制作用（拮抗）：分解產(chǎn)物抑制其他微生物捕食作用（四）微生物間的相互作用1.協(xié)同作用（共生關系）類型：單117生物分解和轉(zhuǎn)化過程中，有機物的毒性往往發(fā)生變化。生物分解產(chǎn)物的毒性低于原化合物時的生物分解作用，稱去毒作用（Detoxication生物分解產(chǎn)物的毒性大于原化合物時的生物分解作用，稱激活作用（activation）。常見的激活反應有：脫鹵作用、亞硝胺的形成、環(huán)氧化作用、硫醚的氧化、甲基化等。（五）生物去毒作用與激活作用1.去毒作用（Detoxication）在毒理學上：活性物質(zhì)無活性物質(zhì)有毒物鈍化產(chǎn)物CO2代謝產(chǎn)物去毒作用生物分解和轉(zhuǎn)化過程中，有機物的毒性往往發(fā)生變化。（五）生物去118去毒作用機制：水解作用（hudrolysis羥基化作用（hyolroxylation）脫鹵作用（dehalogenation）甲基化（methylation）去甲基（demethylation）硝基還原（nitroreduction）去氨基（deamination）醚鍵斷裂（ethercleavage）腈轉(zhuǎn)化為酰胺R－C－O－R’OR－C－OHORHROHRClRHROHROCH3RNO2RNH2R－C＝NR－C－NH2O去毒作用機制：水解作用（hudrolysisR－C－O－R’1192.激活作用（activation）形成有毒產(chǎn)物常見的激活反應（1）脫鹵作用三氯乙烷Cl2C＝CHClCl－C＝CH2H氯乙烯（強致癌物）（2）亞硝胺的形成（nitroamineformation）（亞硝胺）（致癌、致畸）RR’NH＋RR’N－N＝ORR’N－R”脫烷基（仲胺）反硝化（叔胺）2.激活作用（activation）形成有毒產(chǎn)物常見的120（3）環(huán)氧化作用（epoxiadation）－HC＝CH－HC－CH－O（4）硫醚的氧化－C－S－C－－C－S－C－－C－S－C－OOO（5）甲基化HgCH3Hg+CH3HgCH3（3）環(huán)氧化作用（epoxiadation）－HC＝CH－H121BOD5/CODcr>0.4-0.6可生物處理性好0.2<BOD5/CODcr<0.4含有難生物分解的有機物，較難生物處理BOD5/CODcr<0.1有機污染物的生物分解性差，難以生物處理（六）污水中有機污染物的生物分解性評價BOD5/CODcr比值預測污水可生物處理性的參考標準BOD5/DOC>1.2可生物處理性好0.3<BOD5/DOC<1.2含有難生物分解的有機物，較難生物處理BOD5/DOC<0.3有機污染物的生物分解性差，難以生物處理BOD5/DOC比值預測污水可生物處理性的參考標準BOD5/CODcr>0.4-0.6可生物處理性好（六）1221.纖維素—多糖化合物乳酸纖維二糖葡萄糖能降解纖維素的微生物：主要是霉菌和一些特殊的細菌：纖維粘菌、纖維桿菌、蓮霉菌、曲霉、青霉、木霉一、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素第三節(jié)不含氮有機物質(zhì)的生物分解酶1.纖維素—多糖化合物乳酸纖維二糖葡萄糖能降解纖維素的微1231242.半纖維素能降解纖維素的微生物：芽孢桿菌、假單胞菌、放線菌。第三節(jié)不含氮有機物質(zhì)的生物分解存在于植物細胞壁的雜多糖。造紙廢水和人造纖維廢水中含半纖維素。分解過程TCA循環(huán)聚糖酶CO2+H2O半纖維素單糖+糖醛酸H2O各種發(fā)酵產(chǎn)物厭氧分解分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素。402.半纖維素能降解纖維素的微生物：芽孢桿菌、假單胞菌1243.木質(zhì)素（lignin）CCCHOCCCHOH3COCCCHOH3COH3CO基本構成單位芳醚鍵降解機理（較為復雜）：芳醚鏈斷裂苯丙烷大分子解聚、、、能降解木質(zhì)素的微生物：擔子菌綱，如白腐菌第三節(jié)不含氮有機物質(zhì)的生物分解3.木質(zhì)素（lignin）CCCHOCCCHOH3COC125二、淀粉

分子結構：多糖

降解過程：淀粉糊精麥芽糖葡萄糖

降解微生物：主要有霉菌（曲霉、根霉）第三節(jié)不含氮有機物質(zhì)的生物分解二、淀粉分子結構：多糖第三節(jié)不含氮有機物質(zhì)的生物分解126微生物的有機物降解課件127洗毛、肉類加工、生活污水

熒光桿菌、綠濃桿菌、靈桿菌等

脂肪

脂肪酶

甘油

脂肪酸

簡單的酸+CO2+CH4

CO2+H2O

三

脂肪的轉(zhuǎn)化

洗毛、肉類加工、生活污水熒光桿菌、綠濃桿菌、靈桿菌等脂肪128煉焦、石油、煤氣

酚為較重要的一種，對人、畜、水生生物有毒，必須處理。

分解酚的細菌：食酚假單胞菌、解酚假單胞菌

酚

O2

CO2+H2O

生物法已經(jīng)廣泛用于含酚工業(yè)廢水的處理

四

芳香族化合物的轉(zhuǎn)化（苯的衍生物）

煉焦、石油、煤氣酚為較重要的一種，對人、畜、水生生物有毒，129甲烷假單胞菌、青霉、頭孢霉、甲烷極毛桿菌可以分解烷烴。用于天然氣的勘探。

2O2+CH4

CO2+2H2O

五

烴類化合物的轉(zhuǎn)化

甲烷假單胞菌、青霉、頭孢霉、甲烷極毛桿菌可以分解烷烴。用于天130微生物的有機物降解課件131一、氮的循環(huán)

自然界中除植物利用無機氮轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C氮外，其它各轉(zhuǎn)變過程均由微生物作用

氨化作用硝化作用反硝化作用

硝化作用

反硝化作用

氨化作用

第四節(jié)含氮有機物的生物分解一、氮的循環(huán)自然界中除植物利用無機氮轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C氮外，其它各132生物體有機酸NO3-NH4+NO2-NON2O大氣N2同化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用生物固氮同化作用還原作用自然界中的氮素循環(huán)生物體有機酸NO3-NH4+NO2-NON2O大氣同化作用氨133蛋白質(zhì)的降解機理反硝化N2↑蛋白質(zhì)的降解機理反硝化N2↑134二、蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化

R-CH-COOH

NH2

R代表不同的基團

氨基酸

（一）蛋白質(zhì)的氨化

氨化作用：由有機氮化物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的過程（NH3、NH4+）

肽

蛋白酶水解

肽酶水解

蛋白質(zhì)

氨基酸

1、蛋白質(zhì)初步水解成氨基酸

二、蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)化R-CH-COOHNH2R代表不同的基135氨化細菌：參與氨化作用的細菌。

好氧性：熒光假單胞菌、靈桿菌

厭氧性：腐敗梭菌

兼性菌：變形桿菌。

問題：參加的有哪些微生物呢？

氨化細菌：參與氨化作用的細菌。問題：參加的有哪些微生物呢？136（二）硝化作用（Nitrification）

1、硝化作用概念

在有氧氣時，微生物將氨氧化為硝酸的作用

2、參加硝化作用的微生物

硝化細菌

亞硝酸細菌

硝酸細菌

兩類細菌相伴而生，作用相連。

（二）硝化作用（Nitrification）1、硝化作用概137硝化細菌的特性：

（1）革蘭氏陰性菌，不生芽孢

（2）強好氧性

（3）中性或堿性環(huán)境。不能在強酸環(huán)境生活。

（4）對毒物敏感。很少的錳對其有毒害。

問題：硝化細菌有哪些特性？

硝化細菌的特性：問題：硝化細菌有哪些特性？1383、硝化作用的過程

（1）亞硝酸形成階段

2NH3+3O2

亞硝酸細菌

2HNO2+2H2O+ATP

亞硝酸細菌：亞硝酸單胞菌屬、亞硝酸球菌屬亞硝酸螺菌屬、亞硝酸葉菌屬

3、硝化作用的過程（1）亞硝酸形成階段2NH3+3O1394、硝化作用進行的條件

O2NH3堿性物質(zhì)（中和產(chǎn)生的亞硝酸和硝酸）

不需有機物存在

蛋白質(zhì)最終被氧化成：

CO2、H2O、HNO3、H2SO4

4、硝化作用進行的條件O2蛋白質(zhì)最終被氧化成：140141硝化菌與活性污泥中異養(yǎng)菌的生長速率比較細菌種類世代時間(h)最大增長速率(1/h)亞硝酸菌硝酸菌活性污泥中異養(yǎng)菌8-368-592.3-8.7

0.02-0.090.01-0.060.08-0.3化能自養(yǎng)好氧適于中性和弱堿性環(huán)境生長速度慢，世代時間8－24小時對有害化學物質(zhì)敏感（用于毒性測定）硝化菌的主要特性57硝化菌與活性污泥中異養(yǎng)菌的生長速率比較細菌種類世代時間(141(1)溶解氧（DO）：DO低于0.5mg/L時，硝酸菌活性受到抑制，而亞硝酸菌（即氨氧化菌）對低溶解氧的耐受程度高于硝酸菌，DO低于0.5mg/L時仍能正常代謝。(2)溫度：溫度低于12oC，硝化活性明顯下降，30oC時活性最大，超過30oC時，活性反而降低。(3)pH值：亞硝酸菌的最適pH范圍為7.0-7.8，而硝酸菌的最適pH范圍為7.7-8.1。pH值過高或過低都會抑制硝化活性。硝化過程常大量產(chǎn)酸，可使pH值降低，限制硝化作用進行，運行中應隨時調(diào)節(jié)pH值。影響硝化作用的主要因素(1)溶解氧（DO）：DO低于0.5mg/L時，硝酸菌活性受142(4)營養(yǎng)物質(zhì)：硝化菌為自養(yǎng)微生物，生長不需有機質(zhì)。在污水處理中，硝化反應一般在有機物濃度較低的條件下較易發(fā)生。(5)氨氮：氨氮濃度大于100-200mg/L時，對硝化反應呈現(xiàn)抑制作用。(6)毒物：硝化菌對毒物的敏感度大于一般細菌，大多數(shù)重金屬和有機物對硝化菌具有抑制作用。一般來說，亞硝酸菌比硝酸菌對毒物更敏感。(4)營養(yǎng)物質(zhì)：硝化菌為自養(yǎng)微生物，生長不需有機質(zhì)。在污水處143（三）反硝化作用（Denitrification）

概念：硝酸鹽在通氣不良環(huán)境中（缺氧），被反硝化細菌還原成NO2或N2的過程。

1、反硝化過程

C6H12O6+4NO3-

6H20+6CO2+2N2+ATP

缺氧

N2

NO3-

NO2-

NO

N2O

反硝化細菌

（三）反硝化作用（Denitrification）概念：硝1442、反硝化作用的微生物

類型

含有反硝化細菌種的一些屬

有機營養(yǎng)型

假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、芽孢桿菌屬、

土壤桿菌屬、黃桿菌屬、芽生桿菌屬、

鹽桿菌屬、慢生根瘤菌屬

化能無機營養(yǎng)型

硫桿菌屬、硫微螺菌屬、亞硝化單胞菌屬

光能營養(yǎng)型

紅假單胞菌屬

混合型

副球菌屬、布蘭漢氏菌屬、奈氏球菌屬

反硝化細菌：進行反硝化作用的微生物。50多屬。反硝化細菌的部分屬群

2、反硝化作用的微生物類型1453、反硝化作用發(fā)生的條件

NO3-有機物質(zhì)存在

氧氣＜0.5mg/L

3、反硝化作用發(fā)生的條件NO3-146147反硝化作用需要足夠的有機碳源。甲醇、乙醇、乙酸、苯甲酸、葡萄糖等均可作為碳源。利用最多的是甲醇，因為它價廉，而且氧化分解產(chǎn)物為水和二氧化碳，不留任何難降解中間產(chǎn)物。在飲用水的脫氮處理中宜采用乙醇，以避免殘留甲醇對人體的危害。影響反硝化作用的主要因素（1）營養(yǎng)物質(zhì)63反硝化作用需要足夠的有機碳源。影響反硝化作用的主要因素（147(2)溶解氧在O2和NO3-同時存在時，反硝化菌首先利用O2作為最終電子受體，只有溶解氧濃度接近零（氧化還原電位<0--100mV)時才開始進行反硝化作用。(3)溫度最佳溫度為30－40oC。溫度<0oC，反硝化菌的活動終止，溫度超過50oC時，反硝化活性急劇降低。(4)pH值最適合pH值范圍為7.0-7.5。pH值對反應成物也產(chǎn)生影響。pH在中性范圍內(nèi)有利于N2的產(chǎn)生。(2)溶解氧148反硝化在廢水處理過程中具有著重要的意義。在活性污泥法曝氣池的出水中含有硝酸鹽。如果硝酸鹽含量高，則在二次沉淀池(曝氣池后面的沉淀池)污泥中可以由于反硝化作用產(chǎn)生大量氮氣，氣體的上升將促使污泥雜質(zhì)浮起而影響沉淀效果。此外，還應注意，生物處理二次沉淀池出水中亞硝酸鹽的測定并不能正確反映廢水硝化的程度，因為所測得的亞硝酸鹽可能是通過反硝化而形成的。在缺氧情況下，也可能發(fā)生反硫化作用，這是硫酸鹽經(jīng)硫酸鹽還原菌的作用形成硫化氫的過程。反硝化在廢水處理過程中具有著重要的意義。在活性污泥法曝氣池的149三、

尿素的轉(zhuǎn)化

尿素：人畜尿液的主要含氮有機物。含氮47%。尿酸：尿液中的組成成分。水解成尿素。

O=C

NH2

NH2

+H2O

脲酶

(NH4)2CO3

2NH3

+CO2+H2O

參加者：尿素細菌（好氧）。

三、尿素的轉(zhuǎn)化