水环境中微生物化学过程.ppt

第六章水环境中微生物化学过程第六章水环境中微生物化学过程 n n 6 6、1 1天然水中的微生物生境天然水中的微生物生境 n n 微生态在不同的环境中特征是不同的。微生态在不同的环境中特征是不同的。 n n 生境：指生物生活的空间和其中全部生态因子的生境：指生物生活的空间和其中全部生态因子的 总和。总和。 n n 1 1、浮游生物环境、浮游生物环境 n n 浮游浮游生物生物：在海洋、湖泊及河川等水域的生物中：在海洋、湖泊及河川等水域的生物中 ，自身完全没有移动能力，或者有也非常弱，因，自身完全没有移动能力，或者有也非常弱，因 而不能逆水流而动，而是浮在水面生活，这类生而不能逆水流而动，而是浮在水面生活，这类生 物总称为浮游生物。物总称为浮游生物。 n n 食物链食物链 : n n 不少鱼类以吃小虾，鱼虫等浮游生物为生，而小不少鱼类以吃小虾，鱼虫等浮游生物为生，而小 虾鱼虫又以浮游植物为食。浮游生物是食物链中虾鱼虫又以浮游植物为食。浮游生物是食物链中 的重要一环，所以我们要保护水生生物的生态，的重要一环，所以我们要保护水生生物的生态， 否则，池塘，江河，湖泊就会失去渔业上的经济否则，池塘，江河，湖泊就会失去渔业上的经济 价值。另外，远古时代海洋、湖泊的浮游生物曾价值。另外，远古时代海洋、湖泊的浮游生物曾 是形成石油的重要基础。是形成石油的重要基础。 2、底栖生物生境 底栖生物（benthos）,生活在江河湖海底部的动植物 。 与浮游环境相比，这个区域的特征是微生物的浓度 显著增加。 微生物的浓度取决于有机物和氧的可利用性。在界面 区的下部，微生物的数量下降。 n6.2天然水环境中微生物的特征 n1、泉 n主要存在自养生物，也存在少量的异养生物。 n自养生物，也称为生产者。主要包括绿色植物和 许多微生物，它们可以利用阳光、空气中的二氧 化碳、水以及土壤中的无机盐等，通过光合作用 等生物过程制造有机物，为生态系统中各种生物 的生活提供物质和能量。 n n 异养生物指的是那些只能将外界环境中现成的有异养生物指的是那些只能将外界环境中现成的有 机物作为能量和机物作为能量和碳碳的来源，将这些有机物摄入体的来源，将这些有机物摄入体 内，转变成自身的组成物质，并且储存能量的生内，转变成自身的组成物质，并且储存能量的生 物。如：营腐生活和寄生生活的物。如：营腐生活和寄生生活的真菌真菌，大多数种，大多数种 类的细菌。类的细菌。 n n 2 2、河流和溪流、河流和溪流 n n 溪流汇入河流，它们又获得更多的溪流汇入河流，它们又获得更多的DOMDOM，DOMDOM的增的增 加，限制了光的透过，自养群体减少，异养群体加，限制了光的透过，自养群体减少，异养群体 增加。增加。 n n 污水排放区域明显的地方，异养群体增加污水排放区域明显的地方，异养群体增加2323个个 数量级。数量级。 n n 3 3、湖泊、湖泊 n n （1 1）生物群落的分布）生物群落的分布 n n 光合细菌光合细菌( (光线能够透过水体表层）；光线能够透过水体表层）； n n 好氧细菌（有氧浅水层）好氧细菌（有氧浅水层） n n 兼氧细菌（氧气浓度比较低）兼氧细菌（氧气浓度比较低） n n 厌氧细菌（深水层和底泥）厌氧细菌（深水层和底泥） n n （2 2）湖泊中微生物的分类）湖泊中微生物的分类 n n 清水型微生物（洁净湖泊里，主要是化能自养和清水型微生物（洁净湖泊里，主要是化能自养和 光能自养菌的清水型微生物）光能自养菌的清水型微生物） n n 腐生型微生物（贫营养湖中，被污染的湖泊）腐生型微生物（贫营养湖中，被污染的湖泊） n n 4 4、河口水环境、河口水环境 n n 特点：特点： n n （1 1）盐度变化很大，微生物必须适应盐度的剧烈）盐度变化很大，微生物必须适应盐度的剧烈 波动。波动。 n n （2 2）全年季节都成为厌氧环境。）全年季节都成为厌氧环境。 n n 河流带来大量的有机物，使光穿透量有限，异养河流带来大量的有机物，使光穿透量有限，异养 活性并不低。活性并不低。 n n 5 5、海水、海水 n n 特点：海水环境呈现出高度的多样性，因而存在特点：海水环境呈现出高度的多样性，因而存在 多样微生物生境。多样微生物生境。 n n 近海区：海洋中含有大量的有机物和无机盐，总近海区：海洋中含有大量的有机物和无机盐，总 细菌数细菌含量很高，比比远海区高一个数量级细菌数细菌含量很高，比比远海区高一个数量级 。 n n 远海区：含菌数低。远海区：含菌数低。 n n 垂直分布上，距海面垂直分布上，距海面0-10m0-10m，由于阳光照射，细菌，由于阳光照射，细菌 数量较低，浮游藻类数量较高。数量较低，浮游藻类数量较高。 n n 10-50m10-50m，微生物数量较多。，微生物数量较多。 n n 50m50m以下，随深度增加微生物减少。以下，随深度增加微生物减少。 n n 6 6、地下水、地下水 n n 微生物是地下水环境中唯一的栖息者，细菌是其微生物是地下水环境中唯一的栖息者，细菌是其 中的优势类型。中的优势类型。 n n 特点：多数细菌群体被吸附或仅仅短暂的悬浮。特点：多数细菌群体被吸附或仅仅短暂的悬浮。 活性较低。活性较低。 n n 6 6、3 3有机污染物在水体中的生物降解过程有机污染物在水体中的生物降解过程 n n 1 1、有机化合物的生物降解、有机化合物的生物降解 n n 微生物降解作用：可以除去水体、固体废物、废微生物降解作用：可以除去水体、固体废物、废 气等介质内的有机污染物，达到无害化的目的。气等介质内的有机污染物，达到无害化的目的。 n n 生物降解是有机污染物转化为简单有机物和无机生物降解是有机污染物转化为简单有机物和无机 物的最重要的环境过程之一，是影响污染物的归物的最重要的环境过程之一，是影响污染物的归 宿和环境效应的最主要因素。宿和环境效应的最主要因素。 n n 有机物生物降解存在两种代谢模式：有机物生物降解存在两种代谢模式： n n （1 1）生长：微生物代谢时，微生物可对有机物进）生长：微生物代谢时，微生物可对有机物进 行较彻底的降解或矿化，是解毒的生长基质，行较彻底的降解或矿化，是解毒的生长基质，对对 环境威胁小环境威胁小 。 n n （2 2）共代谢）共代谢 n n 某些有机污染物不能作为微生物的唯一碳源与能某些有机污染物不能作为微生物的唯一碳源与能 源，必须有另外的化合物存在提供微生物碳源或源，必须有另外的化合物存在提供微生物碳源或 能源时，该有机物才能被降解。能源时，该有机物才能被降解。 根据微生物对有机物的降解能力大小，有机物的分类 （1）易生物降解的有机物，主要指生物代谢过程中 产生的物质及生物残体，如蛋白质等，在酶作用下， 易被最终分解为CO2、H2O、NH3等。 （2）难生物降解有机物。主要指工农业活动中排出 的有机污染物。如农药等，能降解，但降解速度慢。 （3）不可生物降解的有机物。塑料等一些高分子合 成有机物。很难分解，严格控制其生产和排放。 微生物降解与转化污染物的方式： （1）产生诱导酶：在诱导物存在时，会诱导酶合成 。 （2）形成突变菌株：会发生遗传物质变化，个体性 状改变，形成突变菌株。 （3）利用降解性质粒：降解比较难降解的有机物。 如六六六。 （4）组建超级菌：将不同降解质粒转移到同一个受 体细胞中，可以讲解复杂芳烃化合物。 （5）利用共代谢方式：微生物作为能源和碳源的基 质存在，以保证其生长和能量的需要。使有机物得 到转化，但不能使其分子完全降解。 n n 6 6、3 3有机污染物在水体中的生物降解过程有机污染物在水体中的生物降解过程 n n 1 1、有机化合物的生物降解、有机化合物的生物降解 n多糖类的生物降解途径 n纤维素、淀粉、半纤维素降解 n微生物降解酶，有氧条件下，彻底降解为CO2、H2O。 n无氧条件下，微生物进行厌氧发酵，将淀粉分子分解为 小分子有机物和无机物（CO2、H2）。半纤维素厌氧分解 为各种发酵产物。 n果胶质降解 n原果胶可溶性果胶果胶酸半乳糖醛酸 n n 木木质素的降解质素的降解 n n 不溶于酸性、中性溶剂中，只溶于碱性溶剂中不溶于酸性、中性溶剂中，只溶于碱性溶剂中 ，是植物组中最难分解的部分。降解十分缓慢，是植物组中最难分解的部分。降解十分缓慢 ，厌氧条件下降解更慢。，厌氧条件下降解更慢。 脂类的生物降解 脂类物质不溶于水，但能溶于非极性有机溶剂。 脂肪+ H2O 甘油+高级脂肪酸 类脂质+ H2O 甘油+高级脂肪酸+磷酸+有机 碱类 蜡质+ H2O 高级醇+高级脂肪酸 水解产物的甘油可以被环境中微生物彻底降解为CO2、 H2O，脂肪较难氧化，在有氧条件经过氧化分解为CO2 、H2O ，在缺氧条件下易累积。 脂肪酶 磷脂酶类 脂类类 n n 蛋白质的降解蛋白质的降解 n n 蛋白质的分解：蛋白质被微生物蛋白酶水解为蛋白质的分解：蛋白质被微生物蛋白酶水解为 肽，再经肽酶水解为氨基酸。肽，再经肽酶水解为氨基酸。 n n 氨基酸的转化：除了被用来合成微生物中蛋白氨基酸的转化：除了被用来合成微生物中蛋白 质作用，可代谢成氨和各种代谢中间产物。质作用，可代谢成氨和各种代谢中间产物。 n n 微生物分解利用氨基酸的主要微生物分解利用氨基酸的主要3 3种方式：脱酸作用种方式：脱酸作用 、脱氨作用、转氨作用。、脱氨作用、转氨作用。 n n 2 2石油微生物的降解石油微生物的降解 n n 烯烃最易降解，烷烃次之，芳烃难降解，多环芳烯烃最易降解，烷烃次之，芳烃难降解，多环芳 烃更难，脂环烃对微生物的作用最不敏感。烃更难，脂环烃对微生物的作用最不敏感。 n n 1 1）烷烃类微生物降解）烷烃类微生物降解 n n 微生物攻击烷烃的末端甲基，酶催化，生成伯醇微生物攻击烷烃的末端甲基，酶催化，生成伯醇 ，再进一步氧化为醛和脂肪酸，脂肪酸，再进一步氧化为醛和脂肪酸，脂肪酸过氧化 分解为CO2、H2O。 n微生物攻击链烷烃的亚末端，在链内插入氧，生 成仲醇，生成酮，代谢为脂，脂键断裂，生成伯 醇和脂肪酸。 n n 2 2）脂环烃类微生物降解：通过共代谢进行降解。）脂环烃类微生物降解：通过共代谢进行降解。 n n 3 3）芳香烃微生物降解：双加氧酶作用下为二羟基）芳香烃微生物降解：双加氧酶作用下为二羟基 芳香醇，在形成邻苯二酚，邻苯二酚开环。芳香醇，在形成邻苯二酚，邻苯二酚开环。 n n 4 4）烯烃类微生物降解）烯烃类微生物降解 n n 双键在中间，按烷烃类降解，若双键在双键在中间，按烷烃类降解，若双键在1,21,2碳位时碳位时 ，有三种可能，有三种可能 n n 与与H2OH2O加成反应，生成醇；加成反应，生成醇； n n 受单氧酶作用生成一种环氧化物，在氧化成一个受单氧酶作用生成一种环氧化物，在氧化成一个 二醇；二醇； n n 在分子饱和端发生反应。在分子饱和端发生反应。 n n （3 3）人工合成微生物降解）人工合成微生物降解 n n 1 1）农药类微生物降解）农药类微生物降解 n n 我国使用的农药主要是有机磷、有机氮和机氯农我国使用的农药主要是有机磷、有机氮和机氯农 药。有机氯农药不易降解，最具有危险性。有机药。有机氯农药不易降解，最具有危险性。有机 磷和有机氮一般都具有水溶性，在环境中容易被磷和有机氮一般都具有水溶性，在环境中容易被 降解，在土壤中残留时间短。但有机磷和有机氮降解，在土壤中残留时间短。但有机磷和有机氮 经微生物转化的中间产物可长期留于环境中，有经微生物转化的中间产物可长期留于环境中，有 很大危害。很大危害。 n n 2 2）多氯联苯和二噁英的微生物降解）多氯联苯和二噁英的微生物降解 n n a:a:多氯联苯（多氯联苯（PCBsPCBs）微生物降解）微生物降解 n n PCBsPCBs有毒，化学性质及其稳定，在环境中很难分有毒，化学性质及其稳定，在环境中很难分 解，它是脂溶性的，在脂肪中大量积累。解，它是脂溶性的，在脂肪中大量积累。 n n 微生物能降解（产碱杆菌和不动杆菌）微生物能降解（产碱杆菌和不动杆菌） n n b:b:二噁英微生物降解二噁英微生物降解 多氯二苯并二噁英（PCDD) 多氯二苯并呋喃(PCDF) n n 二噁英是对人体最有毒的化合物之一。是生产农二噁英是对人体最有毒的化合物之一。是生产农 药和化工产品的杂质和副产品，性质相当稳定，药和化工产品的杂质和副产品，性质相当稳定， 在环境中很难降解，可稳定存在与大气中、土壤在环境中很难降解，可稳定存在与大气中、土壤 、水体中。、水体中。 n n 在一定条件下，可被微生物降解，其可降解性随在一定条件下，可被微生物降解，其可降解性随 取代氯的增多而减弱。取代氯的增多而减弱。 n n c:c:酚类化合物酚类化合物 n n 采用活性污泥法易于分解一元酚和二元酚，三元采用活性污泥法易于分解一元酚和二元酚，三元 酚难于分解。酚难于分解。 n n 氯代或硝基代一元酚大多容易生物降解，五氯酚氯代或硝基代一元酚大多容易生物降解，五氯酚 降解时间较长。降解时间较长。 n n 一般说来，导入甲基，分解性能变得良好。并与一般说来，导入甲基，分解性能变得良好。并与 甲基的位置相关，对位最易降解。甲基的位置相关，对位最易降解。 n n d:d:塑料塑料 n n 塑料制品具有生物化学惰性，在环境中可长期存塑料制品具有生物化学惰性，在环境中可长期存 留并造成危害。直接以塑料为碳源生长的微生物留并造成危害。直接以塑料为碳源生长的微生物 并不多。分解作用的三种方式：并不多。分解作用的三种方式： 生物物理代谢：引起塑料制品的机械破坏 。 生物化学代谢:作用于聚合物。 直接酶作用：引起氧化分解。 n n 塑料塑料 微生物降解微生物降解 n n 可降解塑料的开发研究可降解塑料的开发研究 n n 增加许多脆弱的化学键；增加许多脆弱的化学键； n n 制造新型塑料，用制造新型塑料，用PHB(PHB(脂肪族聚脂酯）作原料。脂肪族聚脂酯）作原料。 n n 用微生物生产用微生物生产PHBPHB。 曲霉光解 n n e:e:合成洗涤剂微生物的降解合成洗涤剂微生物的降解 n n 洗涤剂的基本成分：表面活性剂。分为阳离子型洗涤剂的基本成分：表面活性剂。分为阳离子型 、阴离子型、非离子型和两性电解质。只要阴离、阴离子型、非离子型和两性电解质。只要阴离 子型洗涤剂。子型洗涤剂。 n n 特点：有大量不消失的泡沫，废水一般偏碱性。特点：有大量不消失的泡沫，废水一般偏碱性。 n n 主要的降级方式：主要的降级方式： 生长：以表面活性剂为唯一碳源和能源的微生物。 共代谢 降解性基质 n n f:f:染料的降解染料的降解 n n 燃料分为：偶氮类染料、蒽醌染料、硫化染料、燃料分为：偶氮类染料、蒽醌染料、硫化染料、 三芳基甲烷染料和杂环染料。生产的废水用常规三芳基甲烷染料和杂环染料。生产的废水用常规 方法很难处理。方法很难处理。 n n 染料生物降解性与燃料结构有关。染料生物降解性与燃料结构有关。 n n 苯环上的取代基：苯环上的取代基： n n 羟基、氨基、胺基促进偶氮染料降解；羟基、氨基、胺基促进偶氮染料降解； n n 甲氧基、磺酸基、硝基、甲基、羧基抑制偶氮染甲氧基、磺酸基、硝基、甲基、羧基抑制偶氮染 料降解。料降解。 n n 结论：促进基团越多，染料易被降解，抑制基团结论：促进基团越多，染料易被降解，抑制基团 越多，越不易被降解。越多，越不易被降解。 n n 不同取代基在苯环上的位置不同取代基在苯环上的位置 n n 羧基类偶氮染料脱色顺序为邻位间位对羧基类偶氮染料脱色顺序为邻位间位对 位；位； n n 羟基和磺酸基偶氮染料脱色顺序对位间位羟基和磺酸基偶氮染料脱色顺序对位间位 邻位；邻位； n n 结构相似，分子量越大，越不易降解结构相似，分子量越大，越不易降解 n n 6 6、4 4天然水体中的生物自净过程天然水体中的生物自净过程 n n 1 1、水体自净、水体自净 指受污染的水体由于物理、化学、指受污染的水体由于物理、化学、 生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降低，经生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降低，经 一段时间后恢复到受污染前状态的过程。一段时间后恢复到受污染前状态的过程。 n n 2 2、自净作用、自净作用 物理自净物理自净 ：污染物进入水体后，可沉性固体逐：污染物进入水体后，可沉性固体逐 渐沉至水底形成污泥，悬浮物、胶体和性污染渐沉至水底形成污泥，悬浮物、胶体和性污染 物则因混合稀释而逐渐降低浓度。物则因混合稀释而逐渐降低浓度。 化学自净：污染物进入水体后经络合、氧化还化学自净：污染物进入水体后经络合、氧化还 原、沉淀反应等而得到净化。原、沉淀反应等而得到净化。 生物自净：在生物的作用下，污染物的数量减生物自净：在生物的作用下，污染物的数量减 少，浓度下降，毒性减轻或消失。少，浓度下降，毒性减轻或消失。 n n 水的净化及污水处理水的净化及污水处理 n n 水体自净水体自净 n n 水的软化水的软化 n n 水的净化水的净化 n n 城市污水系统城市污水系统 n n 典型工业污水处理流程典型工业污水处理流程 n n 水体自净水体自净 n n 进入水体有机物不多，其耗氧量没有超过水体中进入水体有机物不多，其耗氧量没有超过水体中 氧的补充量，溶解氧始终保持在一定的水平上，氧的补充量，溶解氧始终保持在一定的水平上， 表明水体自净能力，水体迅速恢复原状。分解产表明水体自净能力，水体迅速恢复原状。分解产 物：物：H H 2 2 O O、COCO2 2 、NO NO3 3 、SO SO 4 4 2-2-。 。 n n 如有机物多，溶解氧来不及补充，水体中溶解氧如有机物多，溶解氧来不及补充，水体中溶解氧 迅速下降，导致缺氧甚至无解，有机物转而进行迅速下降，导致缺氧甚至无解，有机物转而进行 厌氧分解厌氧分解。分解产物。分解产物NHNH 3 3 、H H 2 2 S S、CHCH 4 4 , ,使水质恶化使水质恶化。 n n 根据图得知：根据图得知： n n 清洁区：溶解氧持于平衡状态；清洁区：溶解氧持于平衡状态； n n 分解区：溶解氧降低，大气中氧又不能即使补充分解区：溶解氧降低，大气中氧又不能即使补充 ，氧垂直线开始下降，有好氧分解转化为厌氧分，氧垂直线开始下降，有好氧分解转化为厌氧分 解。解。 n n 腐化区：水中溶解氧由小增大（水底中氧化过程腐化区：水中溶解氧由小增大（水底中氧化过程 结束，达到有机化，有机物完全分解）。结束，达到有机化，有机物完全分解）。 n n P P值减小，值减小，R R值增大。值增大。 n n 结论：有机物引起水体污染的两种效应即微生态结论：有机物引起水体污染的两种效应即微生态 学和溶解氧减低效应相互关联。学和溶解氧减低效应相互关联。 n n 6 6、5 5水体中金属微生物转化水体中金属微生物转化 n n 1 1、铁的氧化还原、铁的氧化还原 n n （1 1）铁的氧化）铁的氧化 n n PHPH4.54.5时，时，FeFe2+ 2+ Fe Fe3+ 3+ Fe(OH) Fe(OH) 3 3; ; n n PH4.5PH4.5时时, Fe, Fe2+ 2+ 氧化极慢， 氧化极慢， FeFe2+ 2+ 的氧化主要是铁 的氧化主要是铁 氧化菌的作用。氧化菌的作用。 n n （2 2）铁的还原）铁的还原 n n 1 1）O O2 2 消耗，造成缺氧环境， 消耗，造成缺氧环境， FeFe3+ 3+接受电子，被 接受电子，被 还原为还原为FeFe2+ 2+。 。 氧化 OH_ n n 2 2）存在的）存在的NONO 3 3 - - 、COCO 3 3 2-2-、 、SOSO 4 4 2-2-以及有机酸，使 以及有机酸，使 n n FeFe3+ 3+ Fe Fe2+ 2+ n n 2 2、汞的氧化、还原和甲基化、汞的氧化、还原和甲基化 n n 环境中汞的三种形式：环境中汞的三种形式：HgHg 2 2 2+2+， ，HgHg2+ 2+和 和HgHg 0 0 。 n n (1)(1)汞的氧化还原汞的氧化还原 n n 1 1）氧化）氧化 n n Hg+OHg+O2 2 Hg Hg2+ 2+ 还原 细菌 n n 2 2）还原）还原 n n CHCH 3 3 HgHg+ + + 2H Hg+CH + 2H Hg+CH 4 4 +H+H + + n n HgClHgCl 2 2 + 2H Hg+2HCl + 2H Hg+2HCl n n 结论：使得有机汞和无机汞中的结论：使得有机汞和无机汞中的HgHg2+ 2+还原为元素 还原为元素HgHg ，形成，形成HgHg蒸汽挥发至大气减轻蒸汽挥发至大气减轻HgHg在环境中的毒性在环境中的毒性 。 n n （2 2）汞的甲基化）汞的甲基化 n n 水体中汞由于微生物的作用，沉积物中的无机汞水体中汞由于微生物的作用，沉积物中的无机汞 能转变成剧毒的甲基汞。能转变成剧毒的甲基汞。 n n 中性或碱性条件下，主要是二甲基汞，进入大气中性或碱性条件下，主要是二甲基汞，进入大气 ，污染得到扩散。，污染得到扩散。 n n 弱酸条件下，主要分解为甲基汞，溶于水，易为弱酸条件下，主要分解为甲基汞，溶于水，易为 鱼吸收，进入人体。酸性水中捕获的鱼含汞较高鱼吸收，进入人体。酸性水中捕获的鱼含汞较高 ，反之则低。，