微生物的有机物降解.ppt

,第十章 微生物对污染物的分解与转化,第一节 微生物对有机物的分解作用,一、生物分解的一般特点 （一）有机物生物分解的一般特点 1、概念：微生物对有机物的分解作用（或降解作用）常简称为“生物分解”或“生物降解”。 2、特点：有机物经逐步分解后，产生能进入TCA途径或能作为合成代谢原料的中间代谢产物，继而被转化为小分子有机物、无机物等分解产物和微生物细胞。,3,有机污染物的生物分解过程,二、生物分解的分类,1、根据生物分解的程度和最终产物的不同，有机物的生物分解可分为生物去除（表观分解）、初级分解、环境可接收的分解和完全分解（矿化）等不同类型。,5,有机物的生物分解类型及其特点,2、根据是否在有氧气存在的条件下，可分为好氧分解和厌氧分解两种类型。与厌氧生物分解相比，好氧分解往往具有分解速率快、分解程度彻底、能量利用率高、转化为细胞的比例大等特点。,7,微生物的分类,好氧微生物（aerobe）：只能在有氧条件下生长，没有氧气无法生存. 厌氧微生物（anaerobe）：只能在没有氧气的环境下生长，有氧气反而不能生长。 兼性微生物（facultative aerobe）：即可在有氧条件下，也可在无氧条件下生长。在自然界中，大多数微生物属于这一类。,8,兼性微生物的代谢：DO0.20.3mg/L条件下：好氧代谢 DO0.20.3mg/L条件下：厌氧代谢 一些好氧微生物（好氧细菌，球衣细菌、真菌等）能在微氧环境（DO接近于零）中生长。因此在微氧环境中占优势的微生物常常是好氧微生物。,9,3、 有机物的好氧生物分解,好氧分解过程： （1）消化：由胞外酶把大分子分解为可以被细胞吸收的小分子。 （2）小分子的脱氢氧化：产生可进入TCA循环的乙酰CoA。 （3）乙酰CoA进入TCA循环和呼吸链被氧化成CO2和H2O,反应中的亚硝酸、硝酸、硫酸和磷酸可与水中的碱性物质作用，形成相应的盐类。,4、厌氧反应概括如下： C RCOOH（有机酸）CH4 + CO2 N RCHNH2COOH NH3（臭味） + 有机酸（臭味） S H2S（臭味） P PO43- 水体自净的天然过程中,厌氧分解（开始） 好氧分解（后续）,二、有机物的好氧生物分解,能量,热能释出,随水排出,1、有机物氧化和细胞物质合成的反应：,CXHYOZ(X0.25Y0.5Z）O2 XC O2 0.5H2OQ,2、细胞物质的合成（包括有机物的氧化，并以 NH3作氮源）,3、细胞物质的氧化（内源呼吸）,在正常情况下，各类微生物细胞物质的成分 是相当稳定的，一般可用下列实验式表示： 细菌，C5H17NO2；真菌，C10H17NO6；藻 类，C5H8NO2；原生动物，C7H14NO3。,4、一般情况下，生物处理构筑物内新生长（增加）的细胞物质等于所合成的细胞物质减去由于内源呼吸而耗去的细胞物质，可用于下列算式表示： X=a S-Bx X表示新生长的细胞物质（Kg/d） S表示所利用的食料（基质），即去除的BOD5（Kg/d） X表示构筑物内原有的细胞物质（Kg） a表示合成系数 b表示细胞自身氧化率或衰减系数。 a和b的值可通过试验确定如下： 将式两侧各除去X，得： X/X= a S/X-b S/X为横坐标， X/X为纵坐标作图，可得一直线，其斜率即a，纵轴上的截距为（-b）,就活性污泥来说，可用其挥发部分代表微生物、 曝气池内挥发性污泥量可作为X代入式中；此外，池 中所增加的微生物细胞的量可假定大致等于所排放的 剩余污泥挥发性部分的量。 对于生活污水和性质与之接近的工业废水，a一 般可取0.050.1，b可取0.050.1；污泥泥龄长，a值 取小，b值取大；污泥泥龄短，a值取大，b值取小。 生物处理构筑物内所增加的细胞物质也可约略 地以投入的有机物（以BOD5）的50%左右估算。,初次沉淀池,再生池,二次沉淀池,曝气池,空气,回流污泥,剩余污泥,污泥,活性污泥法,18,有机物的厌氧分解,三、有机物的厌氧生物分解,第二节 有机物的生物分解性,一、有机物的生物分解性评价 1、意义：正确评价有机物的生物分解难易程度，即生物分解性，对于评价有机污染物在环境中的迁移转化规律及其生态与健康风险，预测其在污水生物处理和生物净化装置中的去处效果等具有重要的意义。 2、关键和难点：如何确定科学、合理的微生物种类和浓度，环境条件（温度、PH值等）和受试化合物的浓度等试验条件。 3、方法：生物分解潜能实验和生物分解模拟试验。,（一）生物分解潜能试验 目的：评价有机物是否具有被生物分解的潜在性。根据评价的目的不同，可分为易生物分解试验和本质性分解试验。 1、易生物分解试验 目的：评价有机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条件性进行。 方法：以受试化合物作为唯一碳源，接种的微生物浓度较低，且微生物事先不经过驯化。在易生物分解试验中得到良好分解效果的化合物，可以认为在一般环境中也很容易被生物分解。但是，在易生物分解试验中分解效果较差的化合物，并不能判断其在环境中不能被生物分解。,2、本质性生物分解试验 目的：评价有机物是否具有被生物分解的性质。 方法：通常在最有利于受试化合物分解的条件下进行。使用的微生物通常讲过事先的充分驯化，接种浓度较高，试验周期长，尽可能的添加各种必须的营养物质等。因此在试验中得到良好分解效果的化合物，在实际环境中不一定能够分解。但是，在该试验中不能被生物分解的化合物，可以认为其在实际的环境条件下也不能被生物。,（二）生物分解模拟试验 目的：评价有机物在特定的环境条件下，如污水生物处理系统、河流、湖泊、土壤中的生物分解性。 关键：尽可能地在接近自然环境条件下进行分解试验。,（三）有机物生物分解性评价的一般步骤,生物分解模拟试验,二、有机物的生物分解性与分子结构的关系 （一般规律，但例外较多）,1）增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性。,能使降解性降低的基团称异源基团。（xenophore）,2）异源基团数目增加，降解性越差。,3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。,三、值得注意的几个问题,有些有机物在浓度低时可以降解，高于某一浓度时不能降解（产生抑制作用）。,毒性较大的污染物的生物降解需稀释。,（一）生物分解性与浓度的关系,单独存在时不能被降解，只有在其它物质被降解时才能被降解的现象。（不能作为能源或碳源的化合物的代谢）,原因：1）缺少进一步降解的酶系；e.g. 2, 4-D （二氯苯氧乙酸） 2）中间产物的抑制作用； 3）浓度低，不能维持生命代谢。,（二）共代谢现象,32,1. 多基质同时被利用,2. 一种基质促进第二种基质的降解,甲苯促进假单胞菌对苯、二甲苯的降解 易降解物质的添加增加微生物浓度,（三）有机物间的相互作用 互不影响、促进作用、抑制作用（顺次利用）,（四）微生物间的相互作用,1. 协同作用（共生关系）,抑制作用（拮抗）：分解产物抑制其他微生物 捕食作用,生物分解和转化过程中，有机物的毒性往往发生变化。 生物分解产物的毒性低于原化合物时的生物分解作用，称去毒作用（Detoxication 生物分解产物的毒性大于原化合物时的生物分解作用，称激活作用（activation）。常见的激活反应有：脱卤作用、亚硝胺的形成、环氧化作用、硫醚的氧化、甲基化等。,（五）生物去毒作用与激活作用,1. 去毒作用（Detoxication）,在毒理学上：活性物质无活性物质,去毒作用机制：,常见的激活反应,（1）脱卤作用,（2）亚硝胺的形成（nitroamine formation）,BOD5/CODcr0.4-0.6 可生物处理性好 0.2BOD5/CODcr0.4 含有难生物分解的有机物，较难生物处理 BOD5/CODcr0.1 有机污染物的生物分解性差，难以生物处理,（六）污水中有机污染物的生物分解性评价,BOD5/CODcr比值预测污水可生物处理性的参考标准,BOD5/DOC1.2 可生物处理性好 0.3BOD5 /DOC1.2 含有难生物分解的有机物，较难生物处理 BOD5/DOC0.3 有机污染物的生物分解性差，难以生物处理,BOD5/DOC 比值预测污水可生物处理性的参考标准,1. 纤维素多糖化合物,乳酸,纤维二糖,葡萄糖,能降解纤维素的微生物： 主要是霉菌和一些特殊的细菌： 纤维粘菌、纤维杆菌、莲霉菌、曲霉、 青霉、木霉,一、纤维素、半纤维素、木质素,酶,40,2. 半纤维素,能降解纤维素的微生物：芽孢杆菌、假单胞菌、放线菌。,存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。 分解过程 TCA循环 聚糖酶 CO2 + H2O 半纤维素 单糖 + 糖醛酸 H2O 各种发酵产物 厌氧分解 分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。,3. 木质素（lignin）,降解机理（较为复杂）： 芳醚链断裂苯丙烷大分子解聚、 、 、 能降解木质素的微生物：担子菌纲，如白腐菌,二、淀粉,分子结构：多糖 降解过程：淀粉糊精麦芽糖葡萄糖 降解微生物：主要有霉菌（曲霉、根霉）,洗毛、肉类加工、生活污水,荧光杆菌、绿浓杆菌、灵杆菌等,三 脂肪的转化,炼焦、石油、煤气,酚为较重要的一种，对人、畜、水生生物有毒，必须处理。,生物法已经广泛用于含酚工业废水的处理,四 芳香族化合物的转化（苯的衍生物）,甲烷假单胞菌、青霉、头孢霉、甲烷极毛杆菌可以分解烷烃。用于天然气的勘探。,五 烃类化合物的转化,一、氮的循环,自然界中除植物利用无机氮转变为有机氮外，其它各转变过程均由微生物作用,氨化作用 硝化作用 反硝化作用,第四节 含氮有机物的生物分解,生物体有机酸,NO3-,NH4+,NO2-,NO,N2O,大气 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,还原作用,自然界中的氮素循环,蛋白质的降解机理,二、蛋白质的转化,（一）蛋白质的氨化,氨化作用：由有机氮化物转化为氨态氮的过程（NH3、NH4+）,1、蛋白质初步水解成氨基酸,氨化细菌：参与氨化作用的细菌。 好氧性：荧光假单胞菌、灵杆菌 厌氧性：腐败梭菌 兼性菌：变形杆菌。,问题：参加的有哪些微生物呢？,（二）硝化作用（Nitrification）,1、硝化作用概念 在有氧气时，微生物将氨氧化为硝酸的作用,2、参加硝化作用的微生物,两类细菌相伴而生，作用相连。,硝化细菌的特性： （1）革兰氏阴性菌，不生芽孢 （2）强好氧性 （3）中性或碱性环境。不能在强酸环境生活。 （4）对毒物敏感。很少的锰对其有毒害。,问题：硝化细菌有哪些特性？,3、硝化作用的过程,（1）亚硝酸形成阶段,亚硝酸细菌：亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属 亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属,4、 硝化作用进行的条件,O2 NH3 碱性物质（中和产生的亚硝酸和硝酸） 不需有机物存在,蛋白质最终被氧化成： CO2、H2O、HNO3、H2SO4,57,化能自养 好氧 适于中性和弱碱性环境 生长速度慢，世代时间824小时 对有害化学物质敏感（用于毒性测定）,硝化菌的 主要特性,(1)溶解氧（DO）：DO低于0.5mg/L时，硝酸菌活性受到抑制，而亚硝酸菌（即氨氧化菌）对低溶解氧的耐受程度高于硝酸菌，DO低于0.5mg/L时仍能正常代谢。 (2)温度：温度低于12oC，硝化活性明显下降，30 oC时活性最大，超过30 oC时，活性反而降低。 (3)pH值：亚硝酸菌的最适pH范围为7.0-7.8，而硝酸菌的最适pH范围为7.7-8.1。pH值过高或过低都会抑制硝化活性。硝化过程常大量产酸，可使pH值降低，限制硝化作用进行，运行中应随时调节pH值。,影响硝化作用的主要因素,(4)营养物质：硝化菌为自养微生物，生长不需有机质。在污水处理中，硝化反应一般在有机物浓度较低的条件下较易发生。 (5)氨氮： 氨氮浓度大于100-200mg/L时，对硝化反应呈现抑制作用。 (6)毒物： 硝化菌对毒物的敏感度大于一般细菌，大多数重金属和有机物对硝化菌具有抑制作用。一般来说，亚硝酸菌比硝酸菌对毒物更敏感。,（三）反硝化作用（Denitrification）,概念：硝酸盐在通气不良环境中（缺氧），被 反硝化细菌还原成NO2或 N2的过程。,1、反硝化过程,反硝化细菌,2、反硝化作用的微生物,反硝化细菌：进行反硝化作用的微生物。50多属。,反硝化细菌的部分属群,3 、反硝化作用发生的条件,NO3- 有机物质存在 氧气 0.5 mg/L,63,反硝化作用需要足够的有机碳源。 甲醇、乙醇、乙酸、苯甲酸、葡萄糖等均可作为碳源。 利用最多的是甲醇，因为它价廉，而且氧化分解产物为水和二氧化碳，不留任何难降解中间产物。 在饮用水的脱氮处理中宜采用乙醇，以避免残留甲醇对人体的危害。,影响反硝化作用的主要因素,（1）营养物质,(2)溶解氧 在O2和NO3-同时存在时，反硝化菌首先利用O2作为最终电子受体，只有溶解氧浓度接近零（氧化还原电位 0 - -100mV)时才开始进行反硝化作用。 (3)温度 最佳温度为3040 oC。温度0oC，反硝化菌的活动终止，温度超过50 oC时，反硝化活性急剧降低。 (4)pH值 最适合pH值范围为7.0-7.5。pH值对反应成物也产生影响。pH在中性范围内有利于N2的产生。,反硝化在废水处理过程中具有着重要的意义。在活性污泥法曝气池的出水中含有硝酸盐。如果硝酸盐含量高，则在二次沉淀池(曝气池后面的沉淀池)污泥中可以由于反硝化作用产生大量氮气，气体的上升将促使污泥杂质浮起而影响沉淀效果。此外，还应注意，生物处理二次沉淀池出水中亚硝酸盐的测定并不能正确反映废水硝化的程度，因为所测得的亚硝酸盐可能是通过反硝化而形成的。 在缺氧情况下，也可能发生反硫化作用，这是硫酸盐经硫酸盐还原菌的作用形成硫化氢的过程。,三、 尿素的转化,尿素：人畜尿液的主要含氮有机物。含氮47%。尿酸：尿液中的组成成分。水解成尿素。,2NH3 + CO2 + H2O,参加者：尿素细菌（好氧）。,第五节 无机元素的转化,硫的转化 磷的转化 铁的转化,（一）硫的转化,硫化作用：有氧时，微生物将H2S氧化成硫磺、硫酸。 反硫化作用：无氧时，微生物将硫酸还原成H2S。,作用：产生的硫酸腐蚀构筑物。 H2S有臭味。,H2S被氧化生成S和H2SO4的过程。,1）硫磺细菌的一般特性 能利用还原态硫化物（H2S、S等）为能源的细菌； 自养型； 在细胞内能积累单质硫。,H2S充足时， , 细胞内积累硫而形成硫磺颗粒。,（二） 硫化作用,硫磺细菌的细胞合成方式：,无色硫磺菌：化学合成,特点：利用硫化物作能源，但不能在细胞内积累硫单体。,2) 硫化细菌的一般特性,几种常见的硫化细菌,脱氮硫杆菌的应用：反硝化（硝酸氮的处理）,硫酸盐被还原成硫化氢的过程。,反硫化作用微生物：硫酸盐还原菌（e.g. 去硫弧菌）,厌氧且在有机物存在的条件下：,硫酸盐还原菌（反硫化细菌）,严格的厌氧菌，能进行反硫化作用的细菌有： 脱硫脱硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans） 巨大脱硫弧菌（Desulfovibrio gigas） 至黑脱硫肠状菌（Desulfotomaculum nigrificans）,（三） 反硫化作用,含SO42-废水生物处理工艺,在混凝土沟渠中，硫酸盐还原所形成的硫比氢，为硫磺细菌等氧化成硫酸后，可使混凝土由于腐蚀而受到损坏。一般说，废水中硫酸盐还原菌是不多的，它们比较集中在沟渠沉淀物中。所以，为了减少沟渠中可能产生的硫化氢，也要求沟渠有适当的坡度和加强渠道的维护工作。,二、 磷的转化,解磷大芽孢杆菌 蜡质芽孢杆菌 霉状芽孢杆菌,三、铁的转化,1、铁化物的氧化和沉淀,O2,2、 铁化物的还原和溶解,3有机铁化物的形成与溶解 溶解性的铁可以被动植物及微生物吸收利用形成有机结合的状态，或与有机酸结合成有机酸铁盐。这种有机态结合铁又可被微生物分解而无机化，再形成溶解性的铁为微生物等利用。,铁细菌的特性： 能利用还原态铁作为能源； 自养菌； 丝状菌； 一般生活在含氧少、但有较多铁质和CO2的水中。,一、生物对污染物的浓缩作用,（一）生物浓缩,一般定义为：生物个体或处于同一营养水平的生物种群，从环境中吸收并蓄积某种元素或化合物，使体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象，又称生物富集。 生物浓缩的程度一般用生物浓缩系数（Bio-concentration Factor, BCF，亦称富集因子）来表示，浓缩系数越大，生物浓缩的程度越高。,81,指同一生物个体在不同的生长发育阶段，生物浓缩系数不断增加的现象。 生物积累的程度也用BCF表示。 不同种生物和同一种生物的不同器官和组织对同一化学物质的生物积累速率有很大的差别。,（二）生物积累与生物放大,生物积累（Bio-accumulation）,82,指生态系统中，某种化学物质的生物浓缩系数在同一食物链上，由低位营养级生物到高位营养级生物逐级增大的现象。这种现象是由于高位营养级生物