第十章-微生物对环境污染物的降解和转化

第十章-微生物对环境污染物的降解和转化第一页，共33页。有机污染物生物净化天然物质、人工合成物质无机污染物生物净化第二页，共33页。第一节降解能力与影响因素“绝对可靠性原理”微生物对环境有巨大的适应能力:(1)可降解人工合成物质(2)微生物体内富积会沿食物链传递第三页，共33页。无毒无臭！→矿化盐降解潜力主要体现在以下几方面:(1)诱导酶的产生(2)具有降解质粒(3)形成突变体第四页，共33页。微生物降解污染物的影响因素(1)污染物的化学结构(2)环境条件(3)共代谢(微生物依赖可利用碳源和能源在正常生长过程中氧化非生长基质的过程,P180)第五页，共33页。第二节各类有机污染物的转化(一)无毒污染物的转化包括糖类、蛋白质、脂类等有机化合物等。糖类污染物提问：哪些糖类会成为污染物？难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。第六页，共33页。（二）石油的降解提问：什么是石油？石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事故现场以及石化行业的工业废水中。1．石油成分的生物降解性与分子结构有关第七页，共33页。A．链长度

B．链结构(p182)直链?支链

不饱和?饱和烷烃?芳烃链末端有季碳原子（四周都与C相连）的烃以及多环芳烃极难降解第八页，共33页。2．降解石油的微生物降解石油的微生物很多，据报道有200多种细菌——假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌——诺卡氏菌酵母菌——假丝酵母霉菌——青霉属、曲霉属藻类——蓝藻和绿藻第九页，共33页。3．石油的降解机理A．链烷烃的降解

+O2R-CH2-CH2-CH3R-CH2-CH2-COOHβ-氧化

CO2+H2OCH2-COOH+R-COOH第十页，共33页。B．无支链环烷烃的降解

以环己烷为例通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，两类以上微生物的协同作用下将污染物彻底降解——共代谢。第十一页，共33页。３影响石油降解的因素(p182)石油烃的种类和组成环境因素（溶解度、物理状态（油水界面）、温度、氧气、养料）第十二页，共33页。（三）农药如杀虫剂、除草剂等化学成分：有卤素、磷酸基、氨基、硝基、羟基及其它取代物的简单烃骨架（有机磷、有机锡、有机氯等）。相比较其它取代基团而言，微生物对卤素取代基往往不适应，因而随着卤素取代基数量的增多，农药的生物可降解性大幅度下降。水中来源：农田土壤的灌溉水或雨水第十三页，共33页。危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸变）最典型的一个例子就是杀虫剂DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯代基数量大，在自然界的半衰期长达半年以上，由于DDT不溶于水而易溶于脂肪，因而可在动物脂肪组织中堆积，并沿着食物链在逐级向上不断积累，引起生物各种急慢性中毒。降解农药的微生物：

细菌——假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌

放线菌——诺卡氏菌

真菌——曲霉这些微生物往往需共代谢将农药逐级降解。第十四页，共33页。（四）．洗涤剂可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠。较早开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：ABS甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的抗攻击的能力更强。第十五页，共33页。危害：ABS可以在天然水体中存留800h以上，使这得接纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫，引起水体缺氧。为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线性的直链烷基苯磺酸盐（LAS）：由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。ABS第十六页，共33页。A．降解洗涤剂的微生物细菌——假单胞菌、邻单胞菌、黄单胞菌、产碱单胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌放线菌——诺卡氏菌由于这些微生物的作用，虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐年递增，但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加。因而洗涤剂一般不会引起环境的有机污染。洗涤剂目前存在的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体富营养化问题。第十七页，共33页。B．洗涤剂的降解机理（p185)第十八页，共33页。对微生物无影响（1）.土地板结（2）.被海鸟及海洋哺乳动物误食，致使这些动物消化系统停滞，引起死亡。具报道每年海洋中死于废弃塑料的海鸟和海洋哺乳动物，数目之多令人触目惊心。（3）.影响景观目前发现能降解塑料的微生物，种类很少，而且降解速度缓慢。他们主要是细菌、放线菌、曲霉中的某些成员。（五）.塑料塑料在环境中积累有哪些危害？危害：白色污染第十九页，共33页。提问：如何解决塑料的难降解问题？（1）限制使用不可降解塑料（2）开发可降解塑料

光降解、高填充碳酸钙、填充淀粉、淀粉改性塑料、化学合成或用微生物、转基因植物直接生产可生物降解的塑料；*如何制造完全生物可降解塑料？有哪些种类？发展前景如何？第二十页，共33页。第二十一页，共33页。（六）.氯苯类用途：稳定剂（润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热载体、油墨等都含有）危害：急性中毒，是一种致癌因子（米糠油事件）降解菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体通过共代谢完成氯苯的完全降解。*共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状？第二十二页，共33页。（七）、氮源有机污染物的转化偶氮化合物、氰、腈化物、硝基化合物等。氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物

水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危害：生物毒害、环境积累A．降解这些物质的微生物细菌——紫色杆菌、假单胞菌放线菌——诺卡氏菌真菌——氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等第二十三页，共33页。降解机理a.氰化物525CO2+H2O+5NH3b.有机腈担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成为α—氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。

HCNCH3COHCH3CHNH2CNCH3CHNH2COOH

甲醛α—氨基乙腈丙氨酸第二十四页，共33页。提问：为什么这些有机物难于生物降解？微生物缺乏相应的水解酶小结人工合成的难降解有机化合

物难———对于自然生态环境系统,如果一种化合物滞留可达几个月或几年之久,或在人工生物处理系统,几小时或几天之内还未能被分解或消除种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。第二十五页，共33页。三、金属离子（一）金属离子的毒性提问：影响金属离子毒性的因素有哪些？种类、浓度、存在状态（包括价态、络合态、共存离子性质）例如，六价铬比三价铬毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有机锡比无机锡毒，有机锡中的烷基锡比芳香基锡毒，烷基锡中三烷基又比其他烷基锡毒。（二）微生物转化主要是氧化还原和甲基化作用。第二十六页，共33页。无机汞（多难溶）：

Hg2+2→

Hg0+Hg2+注：Hg2+2

=

Hg+

—Hg+零价的金属汞与一价汞盐几乎不溶二价汞盐除了硫化汞、碘化汞外几乎均可溶解有机汞（易溶）：通式——RHgX和R2Hg其中R为有机原子基团，X为无机离子如卤素原子、硫酸根、硝酸根、磷酸根、氰化物、羟基等。第二十七页，共33页。2．汞化合物的毒性难溶的汞——生物吸收困难，毒性很小易溶的汞——容易吸收，毒性很强（其中甲基汞的毒性最强）毒性体现：神经麻痹以致引起死亡。日本的水俣湾甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。这类汞中毒一般都不是通过直接饮用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物链积累并由水中的鱼类向上传递给人而引起的。水中的甲基汞到底是怎么来的？第二十八页，共33页。汞的甲基化是由微生物依靠甲基化辅酶形成的。汞甲基化微生物：细菌——甲烷菌、匙形梭菌、荧光假单胞菌、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌、巨大芽孢杆菌真菌——粗糙链孢霉、黑曲霉、酿酒酵母等。过程如下：

甲基化辅酶甲基化辅酶

Hg2+Hg+-CH3Hg(CH3)2-CH3-CH3鱼类体表粘液中有许多含有甲基化辅酶的微生物，他们将无机汞转化为甲基汞，动物和人体肠道中的细菌大部分也具有这种功能，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。第二十九页，共33页。提问：为什么微生物进行汞的甲基化？V1、V2为进出速度第三十页，共33页。甲基汞降解微生物：柠檬酸杆菌、假单胞菌、节杆菌、隐球菌提问：为什么微生物进行甲基汞的降解？甲基能源

汞的甲基化与脱甲基化通常保持着一个动态的平衡，从而使环境中的甲基汞浓度维持在低水平。事实上通常情况甲基汞在天然水体中的浓度十分低