有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用電子教案

國家職業(yè)教育水環(huán)境監(jiān)測與治理專業(yè)教學(xué)資源庫—《水處理微生物》教案國家職業(yè)教育水環(huán)境監(jiān)測與治理專業(yè)教學(xué)資源庫—《水處理微生物》教案《水處理微生物》課程教案學(xué)問點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容

有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用 學(xué)時(shí) 2有機(jī)污染物的生物降解原理；2．有機(jī)物生物降解原理的應(yīng)用學(xué)問目標(biāo)了解微生物分解有機(jī)污染物的巨大潛力；教學(xué)

力量目標(biāo)1．有機(jī)污染物的可生物降解性能測定方法。

素養(yǎng)目標(biāo)學(xué)精神；有機(jī)污染物的可生物降解目標(biāo) 性；理解有機(jī)污染物的生物降解與轉(zhuǎn)化途徑；理解影響生物降解的因素。教學(xué)

推斷廢水的生物降解性。2手的習(xí)慣和良好的職業(yè)素養(yǎng)。重點(diǎn)：1．理解有機(jī)污染物的生物降解與轉(zhuǎn)化途徑重點(diǎn)難點(diǎn) 難點(diǎn)：2．有機(jī)物生物降解原理在水處理中的應(yīng)用教學(xué)學(xué)問講解：問題探究、現(xiàn)場教學(xué)與傳統(tǒng)講授相結(jié)合的多媒體教學(xué)方法手段 試驗(yàn)實(shí)訓(xùn)：任務(wù)驅(qū)動(dòng)下學(xué)生主體的教、學(xué)、做一體化實(shí)訓(xùn)活動(dòng)告知學(xué)生“有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用”包括的內(nèi)容及學(xué)問、力量目標(biāo)；以污染物生物處理的優(yōu)點(diǎn)切入，以水的生物處理處理工作引入、引發(fā)學(xué)生思考、教學(xué)爭論；組織 3．教師講解有機(jī)污染物的生物降解與轉(zhuǎn)化途徑，引導(dǎo)學(xué)生思考爭論微生物在廢水生形式 物處理中的應(yīng)用。4．引導(dǎo)學(xué)生自己總結(jié)、回憶教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生利用SQ4R學(xué)習(xí)方法不斷拓展和穩(wěn)固微生物根底學(xué)問，為將來后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和工作奠定良好的學(xué)問根底。作業(yè) 本學(xué)問點(diǎn)學(xué)習(xí)版PPT，課后思考題與習(xí)題。參考 1．《環(huán)境微生物學(xué)》，陳劍虹主編，武漢理工大學(xué)出版社，2023.12．《環(huán)境工程微生物技術(shù)》，鐘飛主編，化學(xué)工業(yè)出版社，2023資料3．《水處理微生物學(xué)》，趙遠(yuǎn)主編，高等教育出版社出版，2023.7學(xué)問點(diǎn)：有機(jī)污染物的生物降解原理及應(yīng)用微生物分解有機(jī)污染物的巨大潛力極其多樣的代謝類型，使自然界存在的有機(jī)物幾乎都能被微生物所分解生物的代謝類型極其多樣，作為一個(gè)整體，微生物分解有機(jī)物的力量是驚人的。自然界存在的各種有機(jī)化合物，幾乎都可找到使之降解或轉(zhuǎn)化的微生物。很強(qiáng)的變異性，使很多微生物獲得了降解人工合成大分子有機(jī)物的力量來，已覺察很多微生物能降解人工合成的有機(jī)物。爭論說明，可從污染環(huán)境中篩選、分別出一些污染物的高效降解菌株，這些菌株經(jīng)過馴化、篩選和培育后，可以使不行降解的或難降解的污染物轉(zhuǎn)變?yōu)槟芙到獾奈镔|(zhì)，從而快速、高效地去除該污染物。利用降解性質(zhì)粒質(zhì)粒是存在于細(xì)菌等原核生物體內(nèi)能獨(dú)立進(jìn)展自主復(fù)制的一類小型閉合環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)移到另一個(gè)菌細(xì)胞中，使兩個(gè)細(xì)胞都成為帶有質(zhì)粒的細(xì)胞；質(zhì)粒轉(zhuǎn)移時(shí)，它可以單獨(dú)轉(zhuǎn)移，也可解功能等。供體的不同降解性質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到同一受體中，可構(gòu)建多質(zhì)粒超級(jí)菌株。如將降解芳香烴2/31共代謝機(jī)制的存在，大大拓展了微生物對(duì)難降解有機(jī)污染物的作用范圍〔作為關(guān)心基質(zhì)或稱為“共代謝”或“聯(lián)合氧化”。時(shí)，直腸梭菌才能降解666；有些殺蟲劑，殺菌劑和除草劑需添加一些有機(jī)物作為初級(jí)能源后，才易被各種細(xì)菌或真菌降依靠其他微生物協(xié)同作用。例如，鏈霉菌和節(jié)桿菌可協(xié)作降解農(nóng)藥二嗪農(nóng)，而兩菌單獨(dú)存在則均不能降解。③先經(jīng)相像物誘導(dǎo)產(chǎn)生誘導(dǎo)酶，使污染物得以降解。例如，只有經(jīng)正庚烷誘導(dǎo)后，銅綠假單胞菌才能產(chǎn)生羥基化酶，使鏈烷羥基轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的醇。爭論說明，微生物這種共代謝降4-13-氯苯甲酸酯的共降解方式解方式對(duì)有機(jī)污染物，特別是一些難降解的污染物的徹底分解起著重要的作用。2有機(jī)污染物的可生物降解性污染物的可生物降解可生物降解是指污染物在微生物作用下可轉(zhuǎn)變成構(gòu)造較簡潔的化合物或可被完全分解為簡潔無機(jī)物的過程。不行生物降解三類。可生物降解物質(zhì)一般是生物代謝過程中產(chǎn)生的物質(zhì)及生物殘?bào)w，如糖類、蛋白質(zhì)、淀粉、核糖等物質(zhì)，這些物質(zhì)在微生物酶的作用下，易被分解為COHO、NH等。2 2 3難生物降解物質(zhì)一般是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的有機(jī)污染物，如纖維素、農(nóng)藥、烴類等物質(zhì)。微生物能夠降解，但降解的速度慢。多環(huán)，雜環(huán)芳烴、高聚物等?？缮锝到庑缘臏y定測定基質(zhì)的生物氧化率基質(zhì)〔待測物4.1基質(zhì)生物氧化質(zhì)生物分氧量100%基(理論)

〔4.1〕試驗(yàn)室中微生物的耗氧量可應(yīng)用瓦勃(Warburg)呼吸儀測定，通過測壓計(jì)測知釋放出CO2量或O2基質(zhì)的生化呼吸曲線——耗氧曲線線。當(dāng)供給活性污泥微生物外源基質(zhì)時(shí)，耗氧量隨時(shí)間的變化是一條特征曲線，稱為生化呼吸線。把各種有機(jī)物的生化呼吸線與內(nèi)源呼吸線加以比較時(shí)，可能消滅如圖4-2所示的三種狀況：4-2活性污泥的生化呼吸曲線生化呼吸線位于內(nèi)源呼吸線之上4-2〔a〕所示。生化呼吸線與內(nèi)源呼吸線根本重合，說明該有機(jī)物不能被活性污泥微生物氧化分解，但對(duì)微生物的生命活動(dòng)無抑制作用，如圖4-2〔b〕所示。生化呼吸線位于內(nèi)源呼吸線之下，說明該有機(jī)物對(duì)微生物產(chǎn)生了抑制作用，生化呼吸線越接近橫坐標(biāo)，則抑制作用越大，如圖4-2〔c〕所示。aa無毒，能被降解b無毒，不能被降解c有毒，能被降解d有毒，不能被降解以有機(jī)物或廢水濃度為橫坐標(biāo)，以相〔對(duì)耗氧速率為縱坐標(biāo)所作的不同物〔或 以相內(nèi)呼廢水4-3所示。對(duì)源呼耗氧吸速%曲線a說明基質(zhì)無毒且能被活性 的速%率表污泥微生物所利用，在肯定范圍內(nèi)相對(duì)耗 示〕氧速率隨基質(zhì)濃度增加而增加；b被活性污泥微生物降解；c

底物濃度4-3相對(duì)耗氧速率曲線降低，說明生物降解漸漸受到抑制。曲線d測定CODCr與BOD5BOD相當(dāng)于廢水中比較簡潔被異養(yǎng)微生物分解利用的有機(jī)物量。CODcr常被近似地當(dāng)作廢水中全部有機(jī)物。依據(jù)BOD5/CODcr4-24-2BOD/COD比值與可生物降解性的關(guān)系BOD/COD5 cr＞0.45＞0.30＜0.30＜0.25

5

可生物降解性生物降解性較好生物降解性一般生物降解性較差難生物降解表4-2中的劃分主要對(duì)低濃度有機(jī)廢水而言。高濃度有機(jī)廢水，即使BOD5/CODcr<0.25，其BOD確實(shí)定值并不低，往往仍可承受生化法處理，只不過廢水中的CODNB〔指難生物降解的COD〕可能占較大比例，要使生化出水的CODcr測定COD30取肯定量的待測廢水，接種少量活性污泥，連續(xù)曝氣，測起始CODcr〔即COD0〕和第30天的CODcr〔即COD30〕。廢水經(jīng)生化處理后COD0COD去除率〔%〕〔COD0

COD 30

100%COD0據(jù)此可推想廢水的可生化性，及估量用生化法處理可能得到的最高CODcr去除率。培育法出水的CODcr、BOD5等水質(zhì)指標(biāo)，觀看活性污泥的增長，鏡檢活性污泥生物相。依據(jù)測試結(jié)果可作出廢水可生化性的推斷。4-35的力量?；衔?化合物5〔％〕未馴化馴化苯2458甲苯5373二癸基苯二甲酸鹽17二乙已基苯二甲酸鹽013乙基已基丙烯鹽09有機(jī)污染物的生物降解與轉(zhuǎn)化途徑多糖類污染物的生物降解纖維素的微生物降解途徑50%以上。細(xì)胞膜上，分解纖維素時(shí)，細(xì)菌必需附著在纖維素外表。真菌和放線菌的纖維素酶為胞外酶，它們可以在胞外環(huán)境中起作用，菌體無需直接與纖維素外表接觸。纖維酶對(duì)纖維素的水解過程可表示為：分解纖維素的微生物種類很多。好氧細(xì)菌有粘細(xì)菌、鐮狀纖維菌、纖維單胞菌屬和纖維弧菌，厭氧細(xì)菌有產(chǎn)纖維二糖芽孢梭菌、無芽孢厭氧分解菌及嗜熱纖維芽孢梭菌，放線菌中的鏈霉菌屬、真菌中的青霉、曲霉、鐮刀霉、木霉及毛霉等都可以降解纖維素。好氧性纖維素分解微生物好氧性纖維素分解細(xì)菌食纖維菌屬〔Cytophata〕和生孢食纖維菌屬〔Sporocytophata〕是土壤中常見的好氧性纖維素分解細(xì)菌。在濾紙上生長時(shí)，濾紙外表會(huì)消滅淡黃色或其他顏色的菌落，并有粘液。肉眼可見，在長有菌落之處濾紙已溶解變薄。用光學(xué)顯微鏡檢查則可覺察，在各個(gè)發(fā)育階段菌落中的細(xì)菌呈現(xiàn)不同的形態(tài)。幼齡時(shí)，細(xì)胞彎曲，兩頭鋒利；以后漸漸縮短變粗，細(xì)胞呈弧形彎曲，類似食纖維菌。有的細(xì)菌還能形成小孢囊，并產(chǎn)生不耐熱的孢子，類似生孢食纖維菌。厭氧性纖維素分解微生物厭氧性纖維素分解微生物主要是芽孢梭菌屬的一些種，如奧氏梭菌〔C.omeilianskii〕，它是中溫性細(xì)菌，適宜的生長溫度為33℃～37℃；另外還有一些與奧氏梭菌區(qū)分很小的嗜熱性種，如熱纖梭菌〔C.thermocellum〕、溶解梭菌〔C.dissolvens〕等。熱纖梭菌可以直接分解纖維素為乙醇〔Lamed〕等覺察在熱纖梭菌外表存在著分散而不連續(xù)的細(xì)胞外表細(xì)胞器——纖維素體，其聯(lián)。半纖維素的降解途徑4-6TCA氧化為CO2和H2O，厭氧發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生各種發(fā)酵產(chǎn)物。分解纖維素的微生物大多數(shù)能分解半纖維素。半纖維素的降解過程可表示為：聚糖酶

有氧EMP途徑

TCAATPTCA半纖維素

HO2

各種發(fā)酵產(chǎn)物無氧

CO+HO2 2淀粉的微生物降解途徑

4-6半纖維素的降解途徑淀粉廠、酒廠廢水、印染廢水、抗生素發(fā)酵廢水及生活污水等均含有淀粉。TCA循環(huán)被徹底氧化為CO2和H2O。微生物在厭氧條件下發(fā)酵可產(chǎn)生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸等小分子有機(jī)物和無機(jī)物。脂類的生物降解磷脂，糖脂和固醇，蠟質(zhì)是由高級(jí)脂肪酸和醇化合而成。其降解途徑可表示為如下。脂肪HO高級(jí)級(jí)脂肪2HO類高有機(jī)堿機(jī)2蠟質(zhì)H

O高高級(jí)級(jí)脂肪2水解產(chǎn)物甘油可被環(huán)境中的大多數(shù)微生物降解為丙酮酸，通過TCA循環(huán)降解為CO2。在脂肪酶的作用下，脂肪被水解為甘油和高級(jí)脂肪酸。甘油可作為微生物的碳源和能源而進(jìn)一步分解。R－R－CH－CH－C—SCA22OOR－C—SCOCoAAFADH2磷OR－CH=CH－C—SCOACASHHOO2OOHOR－C－CH－C—SCAOβ-CoAR－CH－CH－C—SCAOβ-CoANADH2蛋白質(zhì)的降解〔氨化作用〕

NAD稱為氨化微生物。氨化細(xì)菌可以以下各菌為代表：1〕兼性厭氧的無芽孢桿菌熒光假單胞菌，粘質(zhì)賽氏桿菌和一般變形桿菌不生芽孢的革蘭氏陰性桿菌，兼性厭氧，在有氧和氧條件下都能進(jìn)展猛烈的氨化作用。熒光假單胞菌胞單生或端生鞭毛，能運(yùn)動(dòng)，革蘭氏染色陰性、小菌，產(chǎn)生淡綠色可溶性熒光色素，在厭氧條件下能以硝酸鹽作最終受氫體，其形態(tài)見圖4-10所示。粘賽氏桿菌細(xì)胞單生、周生鞭毛能運(yùn)動(dòng)，革蘭氏染色

是無細(xì)桿夠質(zhì)4-10熒光假單胞菌菌體形態(tài)陰2〕好氧性芽孢桿菌性，也為小桿菌。能夠產(chǎn)生不具溶性的紅色素，使菌落成為鮮紅色。2〕好氧性芽孢桿菌能夠進(jìn)展氨化作用的好氧芽孢桿菌有巨大芽孢桿菌，蠟質(zhì)芽孢桿菌霉?fàn)?〕厭氧芽孢桿菌變種和枯草桿菌等〔圖4-11A，B〕。巨大芽孢桿菌和蠟質(zhì)芽孢桿菌霉?fàn)钭兎N的細(xì)胞寬度一般1.2～2.0mm3〕厭氧芽孢桿菌〔圖4-11C〕，分解蛋白質(zhì)時(shí)產(chǎn)生惡臭。真菌在蛋白質(zhì)的分解中也占有重要地位。交鏈胞霉屬、曲霉屬、毛霉屬、青霉屬、根霉屬及木霉屬等屬的真菌爭論得較為深入。真菌在某些土壤特別是酸性土壤的蛋白質(zhì)分解中起著主要作用。放線菌在堆肥高溫階段的蛋白質(zhì)分解中是格外活潑的類群。大量的放線菌也分泌胞外蛋白酶，從土壤中分別到的放線菌有15％～17%能產(chǎn)蛋白酶。嗜熱性放線菌在堆肥高溫階段的蛋白質(zhì)分解中是格外活潑的類群。石油的微生物降解烷烴的降解正烷烴的降解途徑以烷烴末端氧化最為常見，如圖4-12所示。R-CHR-CH-CH-COOH2 2氧化CH-COOH2+ R-COOH2CO+HCO+HO2 22 2 3+O24-12間產(chǎn)物，然后轉(zhuǎn)化成其他物質(zhì)而參與代謝過程。芳香烴的降解702004-5烴類污染物的微生物。土壤真菌和細(xì)菌以及海洋細(xì)菌，絲狀真菌等都是石油的重要降解者灰綠青霉、產(chǎn)朊假絲酵母等真菌，和假單胞菌屬、諾卡氏菌屬、分枝桿菌屬中的一些種類，降解力量最強(qiáng)。同時(shí)，由于石油是多種烴類的混合物，一般是由多種微生物共同作用而使其降解。污染物苯類酚類萘污染物苯類酚類萘菲蒽微生物熒光假單胞菌、銅綠 銅綠色假單胞菌溶條假單胞菌諾卡氏 菲桿菌、菲芽熒光假單胞菌和銅綠色假單名稱色假單胞菌