第十章微生物的有机物降解PPT课件

-,1,第十章微生物对污染物的分解与转化,-,2,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。,-,3,3,有机污染物的生物分解过程,-,4,二、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。,-,5,5,有机物的生物分解类型及其特点,-,6,2、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。,-,7,7,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（facultativeaerobe）：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。,-,8,8,兼性微生物的代谢：DO0.20.3mg/L条件下：好氧代谢DO0.4-0.6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/CODcr1.2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,-,39,1.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,-,40,40,2.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。,-,41,3.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,-,42,二、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）,-,43,-,44,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,-,45,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）,-,46,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,-,47,-,48,一、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,-,49,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,-,50,蛋白质的降解机理,-,51,二、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,-,52,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？,-,53,（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。,-,54,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？,-,55,3、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,-,56,4、硝化作用进行的条件,O2NH3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,-,57,57,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,-,58,(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，30oC时活性最大，超过30oC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,-,59,(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。,-,60,（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,-,61,2、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,-,62,3、反硝化作用发生的条件,NO3-有机物质存在氧气0.5mg/L,-,63,63,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,-,64,(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3040oC。温度,细胞内积累硫而形成硫磺颗粒。,（二）硫化作用,-,70,硫磺细菌的细胞合成方式：,无色硫磺菌：化学合成,-,71,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,-,72,几种常见的硫化细菌,-,73,脱氮硫杆菌的应用：反硝化（硝酸氮的处理）,-,74,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（Desulfovibriodesulfuricans）巨大脱硫弧菌（Desulfovibriogigas）至黑脱硫肠状菌（Desulfotomaculumnigrificans）,（三）反硫化作用,-,75,含SO42-废水生物处理工艺,-,76,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。,-,77,二、磷的转化,解磷大芽孢杆菌蜡质芽孢杆菌霉状芽孢杆菌,-,78,三、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。,-,79,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。,-,80,一、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-concentrationFactor,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。,-,81,81,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）,-,82,82,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捕食低位营养级生物所造成的。有关美国图尔湖和克尔马斯南部保护区有机氯杀虫剂DDT对生物群落污染的研究表明，湖水中DDT浓度为0.006mg/L情况下，水体中藻类细胞内的浓度为0.10.3mg/L（BCF为167500），鱼类体内的最高浓度为1.6mg/L（BCF为2667）,以鱼类为食的水鸟体内的浓度高达6375.5mg/L（BCF为10,500125,873）。,由于生物浓缩、生物积累和生物放大作用，即使是进入环境中的微量污染物，也会通过逐级生物放大，影响高位营养级的生物，甚至人类。,生物放大（Bio-magnification）,-,83,83,有机物质的生物吸附是一个快速的物理过程。在污水活性污泥处理系统中，2030min左右的时间即可完成有机颗粒和胶体物质的吸附过程。污水处理AB工艺是基于这种快速生物吸附现象而开发出的一种新型污水生物处理工艺。微生物细胞对溶解性污染物，特别是对疏水性有机污染物，如农药、多氯联苯（PCBs）、多环芳烃（PHA）、挥发性有机物（VOC）等的吸附作用是污水生物处理系统中微量有机污染物去除的重要机理。被吸附去除的有机物将积累在剩余污泥中，从而引起二次污染。,二、微生物对有机污染物的吸附作用,-,84,84,生物吸附(biologicala