第十章-微生物對環(huán)境污染物的降解和轉(zhuǎn)化

第十章-微生物對環(huán)境污染物的降解和轉(zhuǎn)化第一頁，共33頁。有機(jī)污染物生物凈化天然物質(zhì)、人工合成物質(zhì)無機(jī)污染物生物凈化第二頁，共33頁。第一節(jié)降解能力與影響因素“絕對可靠性原理”微生物對環(huán)境有巨大的適應(yīng)能力:(1)可降解人工合成物質(zhì)(2)微生物體內(nèi)富積會(huì)沿食物鏈傳遞第三頁，共33頁。無毒無臭！→礦化鹽降解潛力主要體現(xiàn)在以下幾方面:(1)誘導(dǎo)酶的產(chǎn)生(2)具有降解質(zhì)粒(3)形成突變體第四頁，共33頁。微生物降解污染物的影響因素(1)污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)(2)環(huán)境條件(3)共代謝(微生物依賴可利用碳源和能源在正常生長過程中氧化非生長基質(zhì)的過程,P180)第五頁，共33頁。第二節(jié)各類有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化(一)無毒污染物的轉(zhuǎn)化包括糖類、蛋白質(zhì)、脂類等有機(jī)化合物等。糖類污染物提問：哪些糖類會(huì)成為污染物？難溶的多糖，且當(dāng)一些難溶解的多糖數(shù)量較大時(shí)才會(huì)使自凈時(shí)間大大增加，從而對環(huán)境造成污染。這類多糖主要是纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、淀粉。第六頁，共33頁。（二）石油的降解提問：什么是石油？石油是含有烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴及少量非烴化合物的復(fù)雜混合物。石油污染主要出現(xiàn)在采油區(qū)和石油運(yùn)輸事故現(xiàn)場以及石化行業(yè)的工業(yè)廢水中。1．石油成分的生物降解性與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)第七頁，共33頁。A．鏈長度

B．鏈結(jié)構(gòu)(p182)直鏈?支鏈

不飽和?飽和烷烴?芳烴鏈末端有季碳原子（四周都與C相連）的烴以及多環(huán)芳烴極難降解第八頁，共33頁。2．降解石油的微生物降解石油的微生物很多，據(jù)報(bào)道有200多種細(xì)菌——假單胞菌、棒桿菌屬、微球菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬放線菌——諾卡氏菌酵母菌——假絲酵母霉菌——青霉屬、曲霉屬藻類——藍(lán)藻和綠藻第九頁，共33頁。3．石油的降解機(jī)理A．鏈烷烴的降解

+O2R-CH2-CH2-CH3R-CH2-CH2-COOHβ-氧化

CO2+H2OCH2-COOH+R-COOH第十頁，共33頁。B．無支鏈環(huán)烷烴的降解

以環(huán)己烷為例通常一些微生物只能將環(huán)烷變?yōu)榄h(huán)己酮，另一些微生物只能將環(huán)己酮氧化開鏈而不能氧化環(huán)己烷，兩類以上微生物的協(xié)同作用下將污染物徹底降解——共代謝。第十一頁，共33頁。３影響石油降解的因素(p182)石油烴的種類和組成環(huán)境因素（溶解度、物理狀態(tài)（油水界面）、溫度、氧氣、養(yǎng)料）第十二頁，共33頁。（三）農(nóng)藥如殺蟲劑、除草劑等化學(xué)成分：有鹵素、磷酸基、氨基、硝基、羥基及其它取代物的簡單烴骨架（有機(jī)磷、有機(jī)錫、有機(jī)氯等）。相比較其它取代基團(tuán)而言，微生物對鹵素取代基往往不適應(yīng)，因而隨著鹵素取代基數(shù)量的增多，農(nóng)藥的生物可降解性大幅度下降。水中來源：農(nóng)田土壤的灌溉水或雨水第十三頁，共33頁。危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸變）最典型的一個(gè)例子就是殺蟲劑DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯代基數(shù)量大，在自然界的半衰期長達(dá)半年以上，由于DDT不溶于水而易溶于脂肪，因而可在動(dòng)物脂肪組織中堆積，并沿著食物鏈在逐級向上不斷積累，引起生物各種急慢性中毒。降解農(nóng)藥的微生物：

細(xì)菌——假單胞菌、芽孢桿菌、產(chǎn)堿桿菌、黃桿菌

放線菌——諾卡氏菌

真菌——曲霉這些微生物往往需共代謝將農(nóng)藥逐級降解。第十四頁，共33頁。（四）．洗滌劑可分為陰離子型、陽離子型、非離子型、兩性電解質(zhì)四類。我國目前生產(chǎn)的洗滌劑屬于陰離子型烷基苯磺酸鈉。較早開發(fā)的是非線性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸鹽（ABS）：ABS甲基分支干擾生物降解，鏈末端與4個(gè)碳原子相連的抗攻擊的能力更強(qiáng)。第十五頁，共33頁。危害：ABS可以在天然水體中存留800h以上，使這得接納他的水體長時(shí)間保持，產(chǎn)生大量泡沫，引起水體缺氧。為使洗滌劑易于生物降解，人們將ABS的結(jié)構(gòu)改變?yōu)榫€性的直鏈烷基苯磺酸鹽（LAS）：由于減少了分支，它的生物分解速度大為提高。ABS第十六頁，共33頁。A．降解洗滌劑的微生物細(xì)菌——假單胞菌、鄰單胞菌、黃單胞菌、產(chǎn)堿單胞菌、產(chǎn)堿桿菌、微球菌、大多數(shù)固氮菌放線菌——諾卡氏菌由于這些微生物的作用，雖然每年排放入環(huán)境中的洗滌劑數(shù)量逐年遞增，但環(huán)境中并沒有發(fā)生洗滌劑的明顯增加。因而洗滌劑一般不會(huì)引起環(huán)境的有機(jī)污染。洗滌劑目前存在的問題主要是洗滌劑中的添加劑聚磷酸鹽造成的水體富營養(yǎng)化問題。第十七頁，共33頁。B．洗滌劑的降解機(jī)理（p185)第十八頁，共33頁。對微生物無影響（1）.土地板結(jié)（2）.被海鳥及海洋哺乳動(dòng)物誤食，致使這些動(dòng)物消化系統(tǒng)停滯，引起死亡。具報(bào)道每年海洋中死于廢棄塑料的海鳥和海洋哺乳動(dòng)物，數(shù)目之多令人觸目驚心。（3）.影響景觀目前發(fā)現(xiàn)能降解塑料的微生物，種類很少，而且降解速度緩慢。他們主要是細(xì)菌、放線菌、曲霉中的某些成員。（五）.塑料塑料在環(huán)境中積累有哪些危害？危害：白色污染第十九頁，共33頁。提問：如何解決塑料的難降解問題？（1）限制使用不可降解塑料（2）開發(fā)可降解塑料

光降解、高填充碳酸鈣、填充淀粉、淀粉改性塑料、化學(xué)合成或用微生物、轉(zhuǎn)基因植物直接生產(chǎn)可生物降解的塑料；*如何制造完全生物可降解塑料？有哪些種類？發(fā)展前景如何？第二十頁，共33頁。第二十一頁，共33頁。（六）.氯苯類用途：穩(wěn)定劑（潤滑油、絕緣油、增塑劑、油漆、熱載體、油墨等都含有）危害：急性中毒，是一種致癌因子（米糠油事件）降解菌：產(chǎn)堿桿菌、不動(dòng)桿菌、假單胞菌、芽孢桿菌以及沙雷氏菌的突變體通過共代謝完成氯苯的完全降解。*共代謝研究進(jìn)展及其成果對環(huán)保的應(yīng)用現(xiàn)狀？第二十二頁，共33頁。（七）、氮源有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化偶氮化合物、氰、腈化物、硝基化合物等。氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈類化合物及硝基化合物

水中來源：化工腈綸廢水、國防工業(yè)廢水、電鍍廢水等。危害：生物毒害、環(huán)境積累A．降解這些物質(zhì)的微生物細(xì)菌——紫色桿菌、假單胞菌放線菌——諾卡氏菌真菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病鐮刀霉)、木霉及擔(dān)子菌等第二十三頁，共33頁。降解機(jī)理a.氰化物525CO2+H2O+5NH3b.有機(jī)腈擔(dān)子菌還能利用甲醛、氨水和氫氰酸在腈合成酶的作用下縮合成為α—氨基乙腈，進(jìn)而合成為丙氨酸。

HCNCH3COHCH3CHNH2CNCH3CHNH2COOH

甲醛α—氨基乙腈丙氨酸第二十四頁，共33頁。提問：為什么這些有機(jī)物難于生物降解？微生物缺乏相應(yīng)的水解酶小結(jié)人工合成的難降解有機(jī)化合

物難———對于自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng),如果一種化合物滯留可達(dá)幾個(gè)月或幾年之久,或在人工生物處理系統(tǒng),幾小時(shí)或幾天之內(nèi)還未能被分解或消除種類：穩(wěn)定劑、表面活性劑、人工合成的聚合物、殺蟲劑、除草劑以及各種工藝流程中的廢品等。第二十五頁，共33頁。三、金屬離子（一）金屬離子的毒性提問：影響金屬離子毒性的因素有哪些？種類、濃度、存在狀態(tài)（包括價(jià)態(tài)、絡(luò)合態(tài)、共存離子性質(zhì)）例如，六價(jià)鉻比三價(jià)鉻毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有機(jī)錫比無機(jī)錫毒，有機(jī)錫中的烷基錫比芳香基錫毒，烷基錫中三烷基又比其他烷基錫毒。（二）微生物轉(zhuǎn)化主要是氧化還原和甲基化作用。第二十六頁，共33頁。無機(jī)汞（多難溶）：

Hg2+2→

Hg0+Hg2+注：Hg2+2

=

Hg+

—Hg+零價(jià)的金屬汞與一價(jià)汞鹽幾乎不溶二價(jià)汞鹽除了硫化汞、碘化汞外幾乎均可溶解有機(jī)汞（易溶）：通式——RHgX和R2Hg其中R為有機(jī)原子基團(tuán)，X為無機(jī)離子如鹵素原子、硫酸根、硝酸根、磷酸根、氰化物、羥基等。第二十七頁，共33頁。2．汞化合物的毒性難溶的汞——生物吸收困難，毒性很小易溶的汞——容易吸收，毒性很強(qiáng)（其中甲基汞的毒性最強(qiáng)）毒性體現(xiàn)：神經(jīng)麻痹以致引起死亡。日本的水俁灣甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。這類汞中毒一般都不是通過直接飲用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物鏈積累并由水中的魚類向上傳遞給人而引起的。水中的甲基汞到底是怎么來的？第二十八頁，共33頁。汞的甲基化是由微生物依靠甲基化輔酶形成的。汞甲基化微生物：細(xì)菌——甲烷菌、匙形梭菌、熒光假單胞菌、大腸埃希氏菌、產(chǎn)氣腸桿菌、巨大芽孢桿菌真菌——粗糙鏈孢霉、黑曲霉、釀酒酵母等。過程如下：

甲基化輔酶甲基化輔酶

Hg2+Hg+-CH3Hg(CH3)2-CH3-CH3魚類體表粘液中有許多含有甲基化輔酶的微生物，他們將無機(jī)汞轉(zhuǎn)化為甲基汞，動(dòng)物和人體腸道中的細(xì)菌大部分也具有這種功能，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。第二十九頁，共33頁。提問：為什么微生物進(jìn)行汞的甲基化？V1、V2為進(jìn)出速度第三十頁，共33頁。甲基汞降解微生物：檸檬酸桿菌、假單胞菌、節(jié)桿菌、隱球菌提問：為什么微生物進(jìn)行甲基汞的降解？甲基能源

汞的甲基化與脫甲基化通常保持著一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，從而使環(huán)境中的甲基汞濃度維持在低水平。事實(shí)上通常情況甲基汞在天然水體中的濃度十分低