第六章 微生物降解

第六章环境污染的微生物降解环境生物技术§1、生物净化与微生物§2、微生物对天然污染物的降解转化§3、微生物对人工合成有机化合物的降解§4、污染物的生物可降解性及其评价方法第一节生物净化与微生物环境生物技术－环境污染的生物净化－第一节授课提纲二生物净化的分类一概述三微生物在生物净化中的作用根据生态学的观点：生物圈可以分为陆地生态系统、淡水生态系统和海洋生态系统。它们之间在物质循环和能量流动方面有紧密的内在联系。水体、空气和土壤的污染，只要不超过生态系统的负载能力，污染物就可以通过物理的、化学的和生物学的作用得到净化，其中生物学的作用占有十分重要的地位。一概述环境生物技术－第二章－第一节－概述大气土壤江,河,湖,海雨水生产废气生产生活废水水栖生物肥料农药农作物畜产物生产废渣生活垃圾人生物净化现象在陆地、淡水和海洋生态系统中是普遍存在的，但净化能力都有一定限度。如果环境污染物超过了生态系统的负载能力，生物净化作用就会遭到破坏，整个生态系统就有可能失去平衡，产生不良的后果。随着人类社会的进步和生产力的发展，生物净化的功能在更大的规模上得到利用，并逐步发展成为环境生物技术的重要组成部分。生物净化（biologicalpurification）：生物类群通过代谢作用（异化作用和同化作用）使环境中的污染物的数量减少，浓度下降，毒性减轻，直至消失的过程环境生物技术－第二章－第一节－概述几个世纪来，人们相信有大气、土壤和水体等组成的自然系统足以吸收人类的生活以及工农业生产所产生的各种废物

这种想法在工业还不发达、人口密度不大的时代和地区还有些道理，但在工业高度发达、人口密度日益增高的今天，这种看法就明显落后了环境生物技术－第二章－第一节－概述二生物净化的分类环境生物技术－第二章－第一节陆地生态系统的生物净化主要是由植物吸收、转化、降解各种污染物，其中包括植物对大气污染的净化和土壤—植物系统对土壤污染的净化。淡水生态系统的生物净化起主导作用的是细菌，但许多水生和沼生植物也有较强的净化作用。海洋生态系统的生物净化也是细菌起主要作用。此外还有霉菌、酵母、放线菌和原生动物等。它们对主要的海洋污染物石油烃类，以及多环芳烃类，都有较好的净化作用。１陆地生态系统的生物净化植物净化大气主要是通过叶片的作用实现的。因此，就同一种植物而言，叶的面积愈大，叶片生产量愈高，净化作用就愈强。一般可以应用植物生态学中的“叶面积指数”（即植物的总叶面积与该植物所占土地面积之商值）作为衡量植物净化功能的一个参数。在这方面，木本植物比草本植物有明显的优势，因而森林净化大气的作用日益受到重视。环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类植物系统土壤－植物系统的生物净化功能主要由下列要素组成：①植物根系的吸收、转化、降解和合成作用；②土壤中真菌、细菌和放线菌微生物区系的降解、转化和生物固定作用；③土壤中动物区系的代谢作用，对于一般有机物质，特别是对含氮、磷、钾的有机物具有理想的净化效果。土壤—植物系统环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类陆地生态系统的生物净化2淡水生态系统的生物净化作用河流、湖泊、水库等水体中生活着细菌、真菌、藻类、水草、原生动物、贝类、昆虫幼虫、鱼类等生物，对污染物会产生生物净化作用。淡水生态系统中的生物净化，细菌起主导作用。温度、营养物质比例（包括碳／氮）和溶解氧是影响水体自净作用的主要环境条件。不过，若进入水体的某种污染物的浓度超过生物生存的阈值，整个生态系统的功能就会受到冲击，水体的生物自净作用往往也会遭到破坏。环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类水体中某些特殊的微生物类群还能吸收并浓缩水中汞、锌、镉等重金属元素或生物难降解的人工合成有机物。这些物质经过生物固定沉积在底部沉积物中，使水体逐步得到净化。水体生物净化的原理已被广泛应用于各种类型的氧化塘、土地处理系统以及生化处理污水的环境生物工程中（包括各种曝气活性污泥法、生物滤池、生物转盘和酶法等）。环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类淡水生态系统的生物净化许多种水生、沼生植物，例如芦苇(Phragmitescom-munis)和大米草(Spartinaanglica)，对水中悬浮物、氯化物、有机氮、硫酸盐均有一定的净化能力。水葱(Scirpusvalidus)能净化水中酚类，凤眼莲（水葫芦）、绿萍、金鱼藻(Ceratophуllumdemersum)、菱角等有吸收水中重金属元素的作用。这些植物还可提供生物能源（甲醇、乙醇、沼气）

环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类淡水生态系统的生物净化环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类淡水生态系统的生物净化耐石油、朵酚油的污染，能吸收汞及放射性原素铯、锶、镉、锌。此外，大米草还能增加土壤有机质，改良土壤团粒结构，使软泥滩坚实，促淤消浪，保滩护岸，改良盐土大米草大米草造成的生态问题

福建是我国海岸线最长的省份，由于水产业发达而被称为“蓝色宝库”。从上世纪60年代起，出于防浪护堤、保护滩涂的考虑，福建开始从国外引种大米草，并于80年代推广。可是，恣意生长的大米草已“霸占”福建省约2／3的海滩，极大地破坏了生态环境。水产品和其它植物因此无法立足，人们的生活也受到威胁。尤其是渔民在滩涂上“掏小海”即捡拾海产品时，一旦海潮袭来，陷在茫茫的大米草中很难辨清方向，甚至导致丧生的悲剧。环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类淡水生态系统的生物净化环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类淡水生态系统的生物净化凤眼莲水浮莲、水葫芦

多年生宿根浮水草本植物。因它浮于水面生长，又叫水浮莲。又因其在根与叶之间有一像葫芦状的大气泡又称水葫芦。凤眼莲还有富集重金属的能力，凤眼莲死后腐烂体沉入水底形成重金属高含量层凤眼莲对其生活的水面采取了野蛮的封锁策略，挡住阳光，导致水下植物得不到足够光照而死亡，破坏水下动物的食物链，导致水生动物死亡。同时，任何大小船只也别想在水葫芦的领地里来去自由。环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类淡水生态系统的生物净化3海洋生态系统的生物净化功能海洋占地球上总水量的97％左右。陆地生态系统和淡水生态系统中的污染物，除了残留在原处或者分解、或者扩散到大气中以外，最终的归宿是海洋。污染海洋的物质种类繁多，其中石油是数量大、危害重的主要污染物。海洋中石油污染物一般通过挥发、溶解、扩散、氧化、生物降解、动植物吸收、沉淀等途径逐步消失，其中生物净化作用是很重要的。环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类海洋中降解石油烃的微生物主要是细菌，此外，还有酵母、放线菌和丝状真菌。影响微生物净化石油烃的环境因素主要为：油的组成营养成分比例温度，深海有低温(<4℃)、高压、稀营养等特点，微生物对石油污染物的净化作用甚小；近岸和浅海长期受陆地影响，温度较高，营养物较丰富，一般生物降解比较旺盛。海洋微生物不仅对石油烃有强大的净化功能，而且对苯并(a)芘等多环芳烃化合物也有较好的降解能力。环境生物技术－第二章－第一节－生物净化分类海洋生态系统的生物净化三微生物在生物净化中的作用环境生物技术－第二章－第一节－微生物在生物净化中的作用前面我们已经谈到过，微生物本领很大。形形色色的微生物构成的大军已经形成了环境保护领域的主体。

上面我们讲了微生物可以用来土壤和水体中的污染。那么，能不能利用微生物来净化空气呢？能！早在1957年，美国人就获得了“利用微生物处理废气”的专利。国外在这方面给予了高度重视，做了大量的工作。比如，德国的一家肉类加工厂把微生物悬浮液当作吸收剂，制成一个两级工作的填料塔生物吸收装置，来净化含有氨、胺、硫、醇、脂肪酸、乙醇和酮等臭味物质的废气，收到了不错的效果。选用能够降解污染物的微生物，采用生物技术将它们富集起来，再将这些微生物固定在生物膜上，做成生物反应器，安装在废水处理池中，就可能达到净化污水的作用。

日本的科学家则研制成了新型的有机废弃物处理装置，它是一种高速发酵处理装置，利用发酵促进剂在24小时之内就可以使废弃物分解发酵，然后再采用烘干法进行处理，以达到清除污染物的目的。环境生物技术－第二章－第一节－微生物在生物净化中的作用近些年来，能够消除海面上石油污染的“石油菌”、能够分解毒性很强的金属汞化物的新型耐汞细菌，甚至能够把毒性很强的有机物，如酚类、氰类等分解利用的生物工程菌纷纷应运而生，显示出了微生物在治环境污染方面的潜在应用价值比如，科学家们将能降解石油的几种基因，结合转移到一株假单孢菌中，构建成了能够降解多种原油成分的“超级微生物”。在油田、炼油厂、油轮以及被石油污染了海洋、陆地，它都可以发挥去除石油污染的效力。

环境生物技术－第二章－第一节－微生物在生物净化中的作用利用微生物消除环境污染还可以与工农业废弃物的综合利用结合起来，即“变废为宝”。这的确是一个容易被人接受并可获得一定的经济效益的环境治理途径。

比如说，我们的城市垃圾中含有许多有机废物，运到农村，经堆肥处理后，可以成为优良的土壤改良剂和优质肥料，因此，高效、快速的堆肥技术，一直是国内外竞相研究的重点之一。此外，从纤维性的废弃物中生产酒精、沼气作为替代燃料，从木材、纸浆厂排放的亚硫酸盐废液中提取有用的木糖，利用糖厂废料生产单细胞蛋白等都是变废为宝的典型事例环境生物技术－第二章－第一节－微生物在生物净化中的作用防患于未然也同样需要借助于微生物的帮助。比如，以生物农药代替化学农药，以生物肥料代替化学肥料，不仅是农学家和生物学家关注的话题，也同样是环境保护学家所关注的话题。总之，微生物在治理环境污染方面，将发挥它的神奇的、不可替代的作用。庞大的微生物家族无疑将成为我们人类对付环境污染的活的武器库。环境生物技术－第二章－第一节－微生物在生物净化中的作用第二节微生物对天然污染物的降解转化天然污染物和以生物为原材料进行生产的各种工业废水，往往含有大量的大分子有机物及其中间代谢物如碳水化合物、蛋白质、脂肪、氨基酸、脂肪酸等。这些物质虽然不具有毒性，容易被微生物降解，但是它们在分解过程中耗去水体中的溶解氧，使生态系统发生变化，给环境带来危害。一微生物对糖类物质的降解和转化三微生物对蛋白质的降解和转化二微生物对脂类物质的降解和转化四微生物对石油类物质的降解和转化授课提纲环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解纤维素的转化半纤维素的转化淀粉的转化木质素的转化纤维素的转化纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，(C6H10O5)n，n=1400-10000

来源：以树木、农作物为原料的工业生产，如造纸、印染等。作用的微生物：细菌、放线菌和真菌。分解过程：首先必须经过微生物胞外酶（水解酶）的作用，使之水解成可溶性的较简单的葡萄糖后，才能被微生物吸收分解。环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解纤维素二糖酶能从纤维素糖链的非还原端将其水解为纤维二糖纤维素酶一般由β1,4内切葡萄糖酶、纤维二糖水解酶和β葡萄糖苷酶构成分解纤维素的微生物好氧细菌：粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌氧细菌：产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。放线菌：链霉菌属。真菌：青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。以真菌的降解能力最强，细菌所产生的纤维素酶大部分是胞内酶，活力也较低；而真菌和放线菌的纤维素酶是胞外酶，可以分泌到培养基中。需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解半纤维素的转化存在于植物细胞壁的杂多糖。来自造纸废水和人造纤维废水。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。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解Lignin木质素木质素空腔纤维素木质素的转化木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？干朽菌、多孔菌、伞菌等的一些种，厚孢毛霉和松栓菌黄孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。白腐—树皮上木质素被该菌分解后漏出白色的纤维素部分。

环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解淀粉的转化淀粉的种类：淀粉分为直链淀粉α-1,4和支链淀粉α-1,6四种淀粉酶共同作用，将淀粉水解成葡萄糖：α淀粉酶：专门切割α-1,4糖苷键，生成糊精和麦芽糖β淀粉酶：从链的一端每次切割下一个麦芽糖异淀粉酶：作用于α-1,6糖苷键，生成糊精葡萄糖淀粉酶：每次切下一个葡萄糖分子支链淀粉糊精麦芽糖葡萄糖α淀粉酶β淀粉酶异淀粉酶葡萄糖淀粉酶直链淀粉环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解脂类的转化由饱和脂肪酸和甘油组成的，常温下呈固态的称为脂；由不饱和脂肪酸和甘油组成，在常温下呈液态的称为油。水中来源：毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水、制革厂废水含有大量油脂降解油脂较快的微生物：细菌

——荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌丝状菌

——放线菌、分支杆菌真菌

——青霉、乳霉、曲霉途径：水解+β氧化环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解脂肪酸的β－氧化1.脂肪酸先被脂酰硫激酶激活2.在α、β碳原子上脱氢、加水、脱氢、再加水3.在α、β碳位之间的碳链断裂，生成1mol乙酰辅酶A和碳链较原来少两个碳原子的脂肪酸。4.乙酰辅酶A进入三羧酸循环完全氧化成二氧化碳和水。5.剩下的碳链较原来少两个碳原子的脂肪酸可重复一次β－氧化，以至完全形成乙酰辅酶A。环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解从脂肪酸羧基端的β位碳原子开始，打开碳键，每次分解出一个二碳片断18碳硬脂酸

8FADH2+8NADH2+9CH3CO~SCoATCA

ATPH2OCO2以硬脂酸为例1mol硬脂酸含18个碳原子，需要经过8次β－氧化作用，全部降解为9mol乙酰辅酶A。18碳硬脂酸

8FADH2+8NADH2+9CH3CO~SCoATCA

ATPH2OCO2来源：

生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等蛋白质的转化降解蛋白质的微生物种类很多好氧细菌：链球菌和葡萄球菌好氧芽孢细菌：枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌兼性厌氧菌：变形杆菌、假单胞菌厌氧菌：腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌)。降解机理N2↑环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解石油的转化什么是石油？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。一个典型的石油样品，含有不同的烃类化合物达200多种。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。环境生物技术－第二章－第二节－微生物对天然污染物的降解链末端有季碳原子（四周都与C相连）的烃以及多环芳烃极难降解石油成分的生物降解性与分子结构有关链长度：链中等长度（C10~C24）＞链很长的（C24以上）