第四章污染环境生物修复原理

1、第四章污染环境生物修复原理 第四章 污染环境的生 物修复原理 第四章污染环境生物修复原理 4.1 生物修复概述生物修复概述 4.2 环境微生物修复机理环境微生物修复机理 4.3 环境修复微生物生态学原理环境修复微生物生态学原理 4.4 影响生物修复的污染物特性影响生物修复的污染物特性 第四章污染环境生物修复原理 4.1生物修复概述 第四章污染环境生物修复原理 1. 生物修复(Bioremediation)的概念 广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生 物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境 中的

2、污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术，中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术， 一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类 型。型。 狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件 下，利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的下，利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的 技术。技术。 第四章污染环境生物修复原理 环境生物修复技术主要由三方面的内容组成：环境生物修复技术主要由三方面的内容组成： （1）利用土著微生物代谢能力的技术）利用土著微生物代谢能力的技术 （2）活化土著微生物分解能力的方法）活化

3、土著微生物分解能力的方法 （3）添加具有高分解难降解化合物能力的）添加具有高分解难降解化合物能力的 特定微生物的方法特定微生物的方法 第四章污染环境生物修复原理 第四章污染环境生物修复原理 2. 生物修复的产生发展 生物修复起源于有机污染物的治理，利用好氧或厌氧微生生物修复起源于有机污染物的治理，利用好氧或厌氧微生 物处理污水已有物处理污水已有100多年的历史，但是利用生物修复技术多年的历史，但是利用生物修复技术 处理现场有机污染物才有处理现场有机污染物才有30多年的历史。多年的历史。1972年美国清年美国清 除宾夕法尼亚州的除宾夕法尼亚州的Ambler管线泄漏的汽油是史料所记载管线泄漏的汽油

4、是史料所记载 的首次应用生物修复技术的首次应用生物修复技术 20世纪世纪80年代以后基础研究的成功被应用于大范围的污染年代以后基础研究的成功被应用于大范围的污染 环境治理，并取得了相当的成功，从而发展成为一种新的环境治理，并取得了相当的成功，从而发展成为一种新的 生物治理技术。生物治理技术。 1989年，美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染，生物修年，美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染，生物修 复技术首次大规模应用，取得了很好的效果。阿拉斯加溢复技术首次大规模应用，取得了很好的效果。阿拉斯加溢 油生物修复成为生物修复史上的里程碑，至此，生物修复油生物修复成为生物修复史上的里程碑，至此，生物修复

5、技术成为一种可被人们接受的油泄漏治理方法。技术成为一种可被人们接受的油泄漏治理方法。 我国关于生物修复的研究起步较晚，目前尚处于小试与中我国关于生物修复的研究起步较晚，目前尚处于小试与中 试阶段，还需进一步发展。试阶段，还需进一步发展。 第四章污染环境生物修复原理 3. 生物修复的特点 优点优点 （1）可以现场进行，节省了很多治理费用）可以现场进行，节省了很多治理费用 （2）环境影响小）环境影响小 （3）最大限度的降低污染物浓度）最大限度的降低污染物浓度 （4）可用于其他处理技术难以应用的场地）可用于其他处理技术难以应用的场地 （5）可以同时处理受污染的土壤和地下水）可以同时处理受污染的土壤和

6、地下水 缺点缺点 （1）耗时长）耗时长 （2）运行条件苛刻）运行条件苛刻 （3）并非所有进入环境的污染物都能被生物利用）并非所有进入环境的污染物都能被生物利用 （4）特定的生物只能吸收、利用、降解、转化特定类型的化学物质，）特定的生物只能吸收、利用、降解、转化特定类型的化学物质， 状态稍有变化的化合物就可能不会被同一种生物酶破坏状态稍有变化的化合物就可能不会被同一种生物酶破坏 第四章污染环境生物修复原理 4. 生物修复的类型 按修复主体分按修复主体分 （1）微生物修复）微生物修复 （2）植物修复）植物修复 （3）动物修复）动物修复 （4）生态修复）生态修复 按修复受体分按修复受体分 土壤生物修

7、复、河流水生物修复、湖泊水库生物修复、海土壤生物修复、河流水生物修复、湖泊水库生物修复、海 洋生物修复、地下水生物修复、大气生物修复、矿区生物洋生物修复、地下水生物修复、大气生物修复、矿区生物 修复、垃圾场生物修复等修复、垃圾场生物修复等 按修复场所分按修复场所分 （1）原位生物修复（原位工程生物修复和原位自然生物）原位生物修复（原位工程生物修复和原位自然生物 修复）修复） （2）异位生物修复）异位生物修复 （3）原位）原位-异位联合生物修复异位联合生物修复 第四章污染环境生物修复原理 5.生物修复的原则及可处理性实验 生物修复的原则生物修复的原则 （1）适合的生物（先决条件）适合的生物（先决

8、条件） （2）适合的场所）适合的场所 （3）适合的环境条件）适合的环境条件 （4）适合的技术费用）适合的技术费用 生物修复的可处理性试验生物修复的可处理性试验 可处理性试验的目的：环境中的污染物一般是混可处理性试验的目的：环境中的污染物一般是混 合性化学物质；污染现场各有特点，在某一现场合性化学物质；污染现场各有特点，在某一现场 起作用的生物修复技术在另一现场并不一定有效。起作用的生物修复技术在另一现场并不一定有效。 第四章污染环境生物修复原理 可处理性试验分为三个不同的规模：实验室小试、中试和现可处理性试验分为三个不同的规模：实验室小试、中试和现 场试验场试验 可处理性试验的结果应为实际工程

9、的实施回答以下几个问题可处理性试验的结果应为实际工程的实施回答以下几个问题 （1）污染物进一步扩散的可能性以及防治措施）污染物进一步扩散的可能性以及防治措施 （2）提高生物活性的手段）提高生物活性的手段 （3）评价生物修复效果所需要的检测手段）评价生物修复效果所需要的检测手段 进行可处理性试验是要监测污染物的降解过程和最终产物进行可处理性试验是要监测污染物的降解过程和最终产物 的毒性，监测方法有化学分析和生物监测。采用生物监测的毒性，监测方法有化学分析和生物监测。采用生物监测 手段能够了解污染物的降解和解毒过程中产物毒性的变化，手段能够了解污染物的降解和解毒过程中产物毒性的变化， 目前常用目前

10、常用Ames试验检测遗传毒性，用发光菌毒性试验检试验检测遗传毒性，用发光菌毒性试验检 测急性毒性测急性毒性 第四章污染环境生物修复原理 可处理性试验方法可处理性试验方法 （1）土壤灭菌试验）土壤灭菌试验 （2）土壤柱试验）土壤柱试验 （3）摇瓶试验）摇瓶试验 （4）反应器试验）反应器试验 第四章污染环境生物修复原理 6 生物修复工程技术生物修复工程技术 生物修复工程技术可行性研究生物修复工程技术可行性研究 （）数据调查（）数据调查 污染物性质，受污染前后生物性质、分布，污染现场条件，有关管理法规，确污染物性质，受污染前后生物性质、分布，污染现场条件，有关管理法规，确 立净化目标。立净化目标。

11、（二）技术查询（二）技术查询 （三）选择技术路线（三）选择技术路线 对各种修复技术以及它们可能组合进行全面客观评价，列出可行方案，对各种修复技术以及它们可能组合进行全面客观评价，列出可行方案， 并确定最佳技术。并确定最佳技术。 （四）可处理性试验（四）可处理性试验 假如生物修复技术可行，要设计小试和中试，不能忽视规模因素。假如生物修复技术可行，要设计小试和中试，不能忽视规模因素。 （五）实际工程设计（五）实际工程设计 小试和中试可行后，可进行具体设计，包括生物种类筛选、处理设备、营养物小试和中试可行后，可进行具体设计，包括生物种类筛选、处理设备、营养物 和氧源等。和氧源等。 第四章污染环境生物

12、修复原理 修复效果评价 第四章污染环境生物修复原理 4.2 环境微生物修复机理 第四章污染环境生物修复原理 1、用于生物修复的微生物 土著微生物 外来微生物（需大量接种） 基因工程菌 用于生物修复的其他微生物 微生物产品和酶 基因工程菌基因工程菌 采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一 些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向 地构建高效降解难降解污染物的工程菌。地构建高效降解难降解污染物的工程菌。 第四章污染环境生物修复原理 表4-1 难降解有机污染物和重金属 及其相应的降解转化微生物 第四章污染环境生物修复原理

13、第四章污染环境生物修复原理 2、微生物修复的影响因素：微生物修复的影响因素： （1 1）微生物营养盐）微生物营养盐 （2 2）电子受体：）电子受体：溶解氧溶解氧鼓气或添产氧剂鼓气或添产氧剂H2O2、有、有 机机 物分解中间产物和无机酸根（如硝酸根、硫酸根）物分解中间产物和无机酸根（如硝酸根、硫酸根） 。 （3 3）共代谢基质）共代谢基质 ：洋葱假单胞菌以甲苯作生长基洋葱假单胞菌以甲苯作生长基 质可对三氯乙烯共代谢降解。质可对三氯乙烯共代谢降解。 （4 4）污染现场和土壤特性）污染现场和土壤特性 （5 5）有毒有害有机污染物物理化学性质）有毒有害有机污染物物理化学性质： 淋失与吸附、挥发、生物降

14、解、化学反应。淋失与吸附、挥发、生物降解、化学反应。 第四章污染环境生物修复原理 微生物营养盐微生物营养盐 在营养缺乏的环境中，为了使污染物达到完全降解，适当添加营在营养缺乏的环境中，为了使污染物达到完全降解，适当添加营 养物比接种特殊的微生物更为重要，例如氮、磷营养盐。养物比接种特殊的微生物更为重要，例如氮、磷营养盐。 电子受体：电子受体： 土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类和浓度也极土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类和浓度也极 大地影响这污染物生物降解的速度和进程。微生物氧化还原大地影响这污染物生物降解的速度和进程。微生物氧化还原 反应的最终电子受体主要包括溶解氧、有机物分解的

15、中间产反应的最终电子受体主要包括溶解氧、有机物分解的中间产 物和无机酸根（如物和无机酸根（如硝酸根和硫酸根硝酸根和硫酸根）。）。 可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供DO作为有机物降作为有机物降 解的电子受体；此外，硝酸根、硫酸根、铁离子也可作为有机物降解的电子受体；此外，硝酸根、硫酸根、铁离子也可作为有机物降 解的电子受体。解的电子受体。 共代谢基质共代谢基质 微生物的共代谢基质对一些顽固污染物的降解起着重要作微生物的共代谢基质对一些顽固污染物的降解起着重要作 用，因此，共代谢基质对生物修复有重要影响。用，因此，共代谢基质对生物修复有重要影响。 污

16、染现场和土壤特性：污染现场和土壤特性： 土壤特性影响污染物和微生物的相对活性，最终影响生物土壤特性影响污染物和微生物的相对活性，最终影响生物 修复的速度和程度。修复的速度和程度。 有毒有机污染物的物理化学性质有毒有机污染物的物理化学性质 如有机污染物的化学结构、毒性、生物可利用性。如有机污染物的化学结构、毒性、生物可利用性。 第四章污染环境生物修复原理 3.微生物修复与物质循环 （一）碳循环（一）碳循环 （二）氮循环（二）氮循环 （三）氢与氧的循环（三）氢与氧的循环 （四）硫循环（四）硫循环 第四章污染环境生物修复原理 （一）（一） 碳循环碳循环 一、纤维素的转化一、纤维素的转化 二、半纤维素

17、的转化二、半纤维素的转化 三、果胶质的转化三、果胶质的转化 四、淀粉的转化四、淀粉的转化 五、脂肪的转化五、脂肪的转化 六、木质素的转化六、木质素的转化 七、烃类物质的转化七、烃类物质的转化 第四章污染环境生物修复原理 一、纤维素的转化一、纤维素的转化 纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子式：纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子式：(C6H10O5)140010000 纤维素在微生物酶的作用下，分解为葡萄糖。这类微生物主纤维素在微生物酶的作用下，分解为葡萄糖。这类微生物主 要有细菌、放线菌和真菌等。要有细菌、放线菌和真菌等。 第四章污染环境生物修复原理 二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化 半纤维

18、素存在于植物细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖、半纤维素存在于植物细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖、 聚己糖及聚糖醛酸。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。聚己糖及聚糖醛酸。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。 分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素。分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素。 半纤维素的分解过程如下：半纤维素的分解过程如下： 第四章污染环境生物修复原理 三、果胶质的转化三、果胶质的转化 果胶质存在于植物细胞壁和细胞间质中，造纸、制果胶质存在于植物细胞壁和细胞间质中，造纸、制 麻废水多含有果胶质。天然的果胶质不溶于水，称麻废水多含有果胶质。天然的果胶质不溶于水，称 原果胶。原果胶。 果

19、胶质水解生成的果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、果胶质水解生成的果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、 甲醇等在好氧条件下分别为二氧化碳和水，在厌氧甲醇等在好氧条件下分别为二氧化碳和水，在厌氧 条件下进行丁酸发酵，产物有丁酸、乙酸、醇类、条件下进行丁酸发酵，产物有丁酸、乙酸、醇类、 二氧化碳和氢气。二氧化碳和氢气。 好氧分解果胶质的微生物有：枯草芽孢杆菌、多粘好氧分解果胶质的微生物有：枯草芽孢杆菌、多粘 芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。 第四章污染环境生物修复原理 四、淀粉的转化四、淀粉的转化 淀粉的种类包括：直链淀粉和支链淀粉。淀粉的种类包括：直链淀粉和支链淀粉。 淀粉广泛地存在于植物种

20、子（稻、麦、玉米）之中。凡是以淀粉广泛地存在于植物种子（稻、麦、玉米）之中。凡是以 上述物质作为原料的工业废水等均含有淀粉。上述物质作为原料的工业废水等均含有淀粉。 第四章污染环境生物修复原理 第四章污染环境生物修复原理 五、脂肪的转化五、脂肪的转化 脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，不溶于水，可溶于有脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，不溶于水，可溶于有 机溶剂。毛纺、油脂厂废水，制革废水含有大量油脂。脂肪机溶剂。毛纺、油脂厂废水，制革废水含有大量油脂。脂肪 被微生物分解的反应式如下：被微生物分解的反应式如下： 甘油的转化甘油的转化 第四章污染环境生物修复原理 六、木质素的转化六、木质素的转化

21、 木质素是植物木质化组织的重要成分，稻草秆、麦秆和木木质素是植物木质化组织的重要成分，稻草秆、麦秆和木 材是造纸的原料，木材也是人造纤维的原料。所以造纸和材是造纸的原料，木材也是人造纤维的原料。所以造纸和 人造纤维废水均含有大量木质素。人造纤维废水均含有大量木质素。 分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多孔菌、分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多孔菌、 伞菌等的一些种，有厚毛霉和松全菌。假单胞菌的个别种伞菌等的一些种，有厚毛霉和松全菌。假单胞菌的个别种 也能分解木质素。也能分解木质素。 木质素被微生物分解的速率缓慢，在好氧条件下分解木质木质素被微生物分解的速率缓慢，在好氧条件

22、下分解木质 素比在厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。素比在厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。 第四章污染环境生物修复原理 七、烃类物质的转化七、烃类物质的转化 炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂的废水均含有芳香炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂的废水均含有芳香 烃。酚和苯的分解菌有假单胞菌，铜绿色假单胞菌及烃。酚和苯的分解菌有假单胞菌，铜绿色假单胞菌及 苯杆菌等。苯杆菌等。 苯的代谢如下：苯的代谢如下： 第四章污染环境生物修复原理 （二）（二） 氮循环氮循环 一、微生物转化氮素物质的一般途径一、微生物转化氮素物质的一般途径 二、氨化作用二、氨化作用 三、硝化作用三、硝化作用 四、反硝化作用四、

23、反硝化作用 五、固氮作用五、固氮作用 六、其它含氮物质的转化六、其它含氮物质的转化 第四章污染环境生物修复原理 一、微生物转化氮素物质的一般途径一、微生物转化氮素物质的一般途径 氮素是核酸及蛋白质的主要成分，是构成生物体的必须元素。氮素是核酸及蛋白质的主要成分，是构成生物体的必须元素。 自然界蕴藏着丰富的氮素物质，其主要形态有三种：自然界蕴藏着丰富的氮素物质，其主要形态有三种：1. 分子分子 态氮，存在于空气中，数量最大，占空气容量近态氮，存在于空气中，数量最大，占空气容量近79%，每亩，每亩 土地上空估计有土地上空估计有5000吨；吨；2. 生物体中的蛋白质、核酸和其它生物体中的蛋白质、核酸

24、和其它 有机氮化物；有机氮化物；3. 铵盐及硝酸盐等无机态氮化物。前两种形态铵盐及硝酸盐等无机态氮化物。前两种形态 的氮虽然数量很大，但不能被植物直接吸收利用。后一种形的氮虽然数量很大，但不能被植物直接吸收利用。后一种形 态的氮，是植物所能吸收的氮，但为数很少，远不能满足地态的氮，是植物所能吸收的氮，但为数很少，远不能满足地 面植物对氮素营养的需求。面植物对氮素营养的需求。 上述三种形态的氮素物质，在自然界中因生物的作用，不断上述三种形态的氮素物质，在自然界中因生物的作用，不断 地相互转化，进行着氮素循环。地相互转化，进行着氮素循环。 氮素循环图例氮素循环图例 、 第四章污染环境生物修复原理

25、第四章污染环境生物修复原理 第四章污染环境生物修复原理 二、氨化作用二、氨化作用 有机氮化物在微生物的分解作用中释放出氨的过程，有机氮化物在微生物的分解作用中释放出氨的过程， 称为氨化作用称为氨化作用(ammonification)。这里着重介绍：。这里着重介绍： （一）蛋白质的分解（一）蛋白质的分解 （二）核酸的分解（二）核酸的分解 （三）其它含氮有机物的分解（三）其它含氮有机物的分解 第四章污染环境生物修复原理 （一）蛋白质的分解 1. 氧化脱氨基作用：产生酮酸和氨 2. 水解脱氨基作用：产生含氧酸和氨 3. 还原脱氨基作用：产生饱和酸和氨 第四章污染环境生物修复原理 氨基酸脱氨基后的残余

26、基团是一个有机酸，将作氨基酸脱氨基后的残余基团是一个有机酸，将作 为微生物生活的碳源物质，在呼吸作用中或被氧为微生物生活的碳源物质，在呼吸作用中或被氧 化分解成化分解成CO2。或被发酵生成低分子有机酸、醇。或被发酵生成低分子有机酸、醇 或碳氢化合物。或碳氢化合物。 绝大多数异养型微生物，包括细菌、真菌、放线绝大多数异养型微生物，包括细菌、真菌、放线 菌，都有不同的蛋白质分解能力。在自然界中，菌，都有不同的蛋白质分解能力。在自然界中， 它们分布很多。作用强的有：荧光假单胞菌、灵它们分布很多。作用强的有：荧光假单胞菌、灵 杆菌和变形杆菌等兼性细菌，巨大芽孢杆菌、覃杆菌和变形杆菌等兼性细菌，巨大芽孢

27、杆菌、覃 状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜芽孢杆菌、蜡 状芽孢杆菌等需氧性细菌，腐败芽孢杆菌等厌氧状芽孢杆菌等需氧性细菌，腐败芽孢杆菌等厌氧 菌。真菌中有木霉、曲霉、毛霉中的一些种，康菌。真菌中有木霉、曲霉、毛霉中的一些种，康 氏木霉和黑曲霉的氨化能力最强。氏木霉和黑曲霉的氨化能力最强。 第四章污染环境生物修复原理 （二）核酸的分解（二）核酸的分解 各种生物细胞中均含有大量的核酸，它们是核苷酸的缩聚物。各种生物细胞中均含有大量的核酸，它们是核苷酸的缩聚物。 次黄尿环次黄尿环腺嘌呤腺嘌呤 许多微生物都能分解核酸。细菌中有芽孢杆菌、梭菌属、分枝许多微生物都能

28、分解核酸。细菌中有芽孢杆菌、梭菌属、分枝 杆菌属、节杆菌属等，真菌中有曲霉、青霉、镰胞霉等，放线杆菌属、节杆菌属等，真菌中有曲霉、青霉、镰胞霉等，放线 菌中的链霉菌属都能分解核酸。菌中的链霉菌属都能分解核酸。 第四章污染环境生物修复原理 （三）其它含氮有机物的分解（三）其它含氮有机物的分解 1. 尿素尿素 分解尿素的微生物有：芽孢八叠球菌、巴斯德氏芽孢分解尿素的微生物有：芽孢八叠球菌、巴斯德氏芽孢 杆菌等。杆菌等。 O = C + 2H2O (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O NH2 NH2 尿酶尿酶 2. 几丁质几丁质 某些微生物如贝内克氏菌属中的一些种，产生几丁某些微生物

29、如贝内克氏菌属中的一些种，产生几丁 质酶使几丁质水解，生成氨基葡萄糖和乙酸。氨基葡萄糖再经质酶使几丁质水解，生成氨基葡萄糖和乙酸。氨基葡萄糖再经 脱氨基酶作用，生成葡萄糖和氨。脱氨基酶作用，生成葡萄糖和氨。 C6H11O5NH2 + H2O C6H12O6 + NH3 脱氨基酶脱氨基酶 几丁质酶几丁质酶 C15H26N2O10 + 4H2O 2C6H11O5NH2 +3CH3COOH 几丁质几丁质氨基葡萄糖氨基葡萄糖 乙酸乙酸 第四章污染环境生物修复原理 三、硝化作用三、硝化作用 氨经过微生物作用氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸的过氨经过微生物作用氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸的过 程，称为

30、硝化作用（程，称为硝化作用（Nitrification）。）。 （一）亚硝化作用（一）亚硝化作用 2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + 能量能量 （二）硝化作用（二）硝化作用 2HNO2 + O2 2HNO3 + 能量能量 自然界引起氨氧化的微生物最主要是一群化能自养型细菌，它自然界引起氨氧化的微生物最主要是一群化能自养型细菌，它 们从氧化们从氧化HNO2及及HNO3中取得能量，以中取得能量，以CO2为碳源进行生活。为碳源进行生活。 引起亚硝化作用的主要是亚硝化单胞菌属（引起亚硝化作用的主要是亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），）， 引起硝化作用的主要是硝化杆菌属（引起硝

31、化作用的主要是硝化杆菌属（Nitrobacter）。它们都是）。它们都是 革兰氏染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆状细菌。革兰氏染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆状细菌。 第四章污染环境生物修复原理 四、反硝化作用四、反硝化作用 硝酸在通气不良情况下借微生物作用而还原的过程，称为反硝硝酸在通气不良情况下借微生物作用而还原的过程，称为反硝 化（化（Denitrification）。由于还原的程度不同，可生成不同的还）。由于还原的程度不同，可生成不同的还 原态产物，如亚硝酸、次亚硝酸、一氧化氮、以至分子态氮等。原态产物，如亚硝酸、次亚硝酸、一氧化氮、以至分子态氮等。 引起反硝化作用的微生物，统称为反硝

32、化微生物。它们在环境引起反硝化作用的微生物，统称为反硝化微生物。它们在环境 中种类很多，数量亦大，包括细菌、真菌和放线菌中的多种微中种类很多，数量亦大，包括细菌、真菌和放线菌中的多种微 生物，能将硝酸还原为亚硝酸。生物，能将硝酸还原为亚硝酸。 在反硝化作用中微生物是将在反硝化作用中微生物是将NO3中的氧作为呼吸作用的受氢体，中的氧作为呼吸作用的受氢体， 因而使因而使NO3还原。还原。 C6H12O6 + 4NO3 = 6H2O + 6CO2 + 2N2 + 能量能量 第四章污染环境生物修复原理 微生物进行反硝化作用的适宜条件是：微生物进行反硝化作用的适宜条件是： 1. 有丰富的有机物作为碳源和

33、能源；有丰富的有机物作为碳源和能源； 2. NO3作为氮源与受氢体；作为氮源与受氢体； 3. 最适最适pH中性至微碱性，但在中性至微碱性，但在pH3.5 11.2亦曾见到反硝化亦曾见到反硝化 作用；作用； 4. 温度为中温型温度为中温型25左右，但也曾分离到高温型的反硝化左右，但也曾分离到高温型的反硝化 菌，能在菌，能在60 65下进行反硝化作用；下进行反硝化作用； 5. 厌氧条件。厌氧条件。 第四章污染环境生物修复原理 五、固氮作用五、固氮作用 微生物直接利用大气中的分子态氮，使之还原为氨的过程，微生物直接利用大气中的分子态氮，使之还原为氨的过程， 称为固氮作用（称为固氮作用（Nitroge

34、nfixation）。）。 N2 + 6e + 6H+ + nATP 2NH3 + nADP + nPi 固氮酶固氮酶 需氧固氮微生物包括固氮菌属需氧固氮微生物包括固氮菌属(Azotobacter)。兼性厌氧固氮微。兼性厌氧固氮微 生物中包括肠杆菌中的肺炎克雷伯氏菌生物中包括肠杆菌中的肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)。 厌氧性固氮菌中主要有梭状芽孢杆菌属。厌氧性固氮菌中主要有梭状芽孢杆菌属。 光合型固氮微生物中，蓝细菌的许多属能进行旺盛的固氮作用。光合型固氮微生物中，蓝细菌的许多属能进行旺盛的固氮作用。 共生固氮微生物中最引人注目的是根瘤菌属共生固氮微生物中最引人注

35、目的是根瘤菌属(Rhizobium)。 第四章污染环境生物修复原理 六、其它含氮物质的转化六、其它含氮物质的转化 其它含氮物质主要指氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈及硝基化其它含氮物质主要指氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈及硝基化 合物。它们来自腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。土合物。它们来自腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。土 壤和水体受到上述物质不同程度的污染，对人畜都有毒害。壤和水体受到上述物质不同程度的污染，对人畜都有毒害。 CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH HCN NH4+ 甲醛甲醛 -氨基乙腈氨基乙腈 丙氨酸丙氨酸 在有氧条件下，氰化物氧化分解如下：在有氧条件

36、下，氰化物氧化分解如下： 担子菌能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合担子菌能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合 成成 -氨基乙腈，进而合成丙氨酸。氨基乙腈，进而合成丙氨酸。 5HCN + 5.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3 第四章污染环境生物修复原理 （三）（三） 氧循环氧循环 人和动物呼吸人和动物呼吸 微生物有机物分解微生物有机物分解 O2 植物植物 藻类藻类 O2 光光 第四章污染环境生物修复原理 （四）（四） 硫循环硫循环 一、含硫有机物的转化一、含硫有机物的转化 二、无机硫的转化二、无机硫的转化 硫有三态：元素硫、无机硫化物及含硫有机化合物。这三者硫有三

37、态：元素硫、无机硫化物及含硫有机化合物。这三者 在化学和生物作用下互相转化，构成硫的循环。在化学和生物作用下互相转化，构成硫的循环。 S 含硫有机物含硫有机物 反硫化反硫化 分解分解 同化同化 硫化硫化 硫化硫化 SO42 H2S 第四章污染环境生物修复原理 一、含硫有机物的转化一、含硫有机物的转化 含硫有机化合物如蛋白质、含硫氨基酸、磺氨酸等在许多土含硫有机化合物如蛋白质、含硫氨基酸、磺氨酸等在许多土 壤微生物的分解中，经脱硫作用生成硫化氢，进行含硫有机壤微生物的分解中，经脱硫作用生成硫化氢，进行含硫有机 物的无机质化的过程。物的无机质化的过程。 CH2 S S CH2 CHNH2CHNH2

38、 COOHCOOH 2CH3COOH + 2CO2 + 2H2S + 2NH3+ 3H2O +0.5O2 大肠杆菌或 变形杆菌 胱氨酸 在分解不彻底时可形成硫醇暂时累积，但在进一步氧化中，在分解不彻底时可形成硫醇暂时累积，但在进一步氧化中， 仍以硫化氢为最后产物。仍以硫化氢为最后产物。 第四章污染环境生物修复原理 二、无机硫的转化二、无机硫的转化 1. 硫化作用：硫化氢、元素硫或硫化亚铁等在硫细菌的作用下硫化作用：硫化氢、元素硫或硫化亚铁等在硫细菌的作用下 进行氧化，最后生成硫酸的过程，称为硫化作用进行氧化，最后生成硫酸的过程，称为硫化作用 (Sulphurication) 。 参与硫化作用的

39、微生物有硫化细菌和硫磺细菌。参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫磺细菌。 如：氧化硫杆菌：如：氧化硫杆菌： 2S +3O2 + 2H2O 2H2SO4 + 能量能量 2. 反硫化作用：硫酸盐在缺氧条件下被一些微生物利用而还原反硫化作用：硫酸盐在缺氧条件下被一些微生物利用而还原 生成硫化氢的过程称为反硫化作用生成硫化氢的过程称为反硫化作用 (Desulphurication) 。主要是。主要是 硫酸还原菌所引起。硫酸还原菌所引起。 2H2S + O2 2H2O + 2S + 能量能量 C6H12O6 + 3H2SO4 6CO2 + 6H2O + 3H2S + 能量能量 如脱硫脱硫弧菌如脱硫脱硫弧菌

40、(Desulfovibrio desulfuricans)是具有强烈反硫化作是具有强烈反硫化作 用的细菌的典型代表。能将硫酸盐还原成用的细菌的典型代表。能将硫酸盐还原成H2S。 第四章污染环境生物修复原理 微生物的营养微生物的营养(异化作用和同化作用，自养微异化作用和同化作用，自养微 生物和异养微生物生物和异养微生物) 微生物生理代谢的基础微生物生理代谢的基础酶酶 微生物的能量代谢微生物的能量代谢(好氧呼吸、无氧呼吸和发好氧呼吸、无氧呼吸和发 酵酵) 微生物的合成代谢微生物的合成代谢(光合作用，化能自养型微光合作用，化能自养型微 生物合成代谢，产甲烷菌合成代谢生物合成代谢，产甲烷菌合成代谢)

41、4.环境微生物的代谢 第四章污染环境生物修复原理 5.微生物修复污染物的可生物降解性 （1）极其多样的代谢类型）极其多样的代谢类型 （2）很强的变异性）很强的变异性 （3）共代谢基质的存在）共代谢基质的存在 （4）通过改变有机物的化学结构，提高生）通过改变有机物的化学结构，提高生 物降解性物降解性 第四章污染环境生物修复原理 6.微生物对有机污染物的修复 有机污染物进入微生物细胞的过程有机污染物进入微生物细胞的过程 （1）主动运输）主动运输 需要消耗能量，可以逆物质浓度梯度进行，需要载体蛋白的参与，对被需要消耗能量，可以逆物质浓度梯度进行，需要载体蛋白的参与，对被 运输的物质有高度的立体专一性

42、，为主要方式。运输的物质有高度的立体专一性，为主要方式。 （2）被动扩散）被动扩散 是微生物吸收营养物各种方式中最简单的一种，不规则运动的营养物质是微生物吸收营养物各种方式中最简单的一种，不规则运动的营养物质 分子通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外向低浓度的胞内扩散，分子通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外向低浓度的胞内扩散， 具有非特异性。具有非特异性。 （3）促进扩散）促进扩散 在运输过程中不需要消耗能量，物质本身在分子结构上也不会发生变化，在运输过程中不需要消耗能量，物质本身在分子结构上也不会发生变化， 不能进行逆浓度运输，需要借助位于细胞膜上的一种载体蛋白参与物质不能进行逆浓度运

43、输，需要借助位于细胞膜上的一种载体蛋白参与物质 运输运输 （4）基团转位）基团转位 是另一类型的主动运输，在物质运输过程中，除了物质分子发生化学变是另一类型的主动运输，在物质运输过程中，除了物质分子发生化学变 化外，其他特点都与主动运输相同，在厌氧微生物中发生。化外，其他特点都与主动运输相同，在厌氧微生物中发生。 （5）胞饮作用）胞饮作用 假丝酵母摄取烷烃的一类途径假丝酵母摄取烷烃的一类途径 第四章污染环境生物修复原理 6.微生物对有机污染物的修复 微生物降解有机污染物的基本反应类型微生物降解有机污染物的基本反应类型 （1）氧化作用）氧化作用 包括包括Fe、S等单质的氧化，等单质的氧化，NH3

44、、NO2等化合物的氧化，以等化合物的氧化，以 及一些如甲基、醛有机基团的氧化。及一些如甲基、醛有机基团的氧化。 （2）还原作用）还原作用 包括高价铁和硫酸盐的还原、包括高价铁和硫酸盐的还原、NO3-的还原、羟基或醇的还的还原、羟基或醇的还 原等，还原作用需要缺氧或者厌氧（无氧）的环境。原等，还原作用需要缺氧或者厌氧（无氧）的环境。 （3）基团转移作用）基团转移作用 如脱羧、脱氨、脱卤等如脱羧、脱氨、脱卤等 （4）水解作用）水解作用 使大分子转化为小分子，如纤维素降解。使大分子转化为小分子，如纤维素降解。 此外还有酯化作用、缩合作用、氨化作用、乙酰化作用、此外还有酯化作用、缩合作用、氨化作用、乙

45、酰化作用、 双键断裂反应、卤原子移动等。双键断裂反应、卤原子移动等。 第四章污染环境生物修复原理 7.微生物对重金属污染物的作用 微生物对重金属离子的转化微生物对重金属离子的转化 环境中重金属离子的长期存在使自然界中形成一些特殊微生物，它们环境中重金属离子的长期存在使自然界中形成一些特殊微生物，它们 对有毒重金属离子具有抗性，可以使金属离子发生转化。对微生物而对有毒重金属离子具有抗性，可以使金属离子发生转化。对微生物而 言，这是一种很好的解毒作用；对环境而言则是一种很好的修复作用，言，这是一种很好的解毒作用；对环境而言则是一种很好的修复作用， 汞、铅、锡、砷等金属离子或类金属离子都能在微生物的作用下通过汞、铅、锡、砷等金属离子或类金属离子都能在微生物的作用下通过 氧化还原作用而失去毒性。主要包括甲基化作用、还原作用和氧化作氧化还原作用而失去毒性。主要包括甲基化作用、还原作用和氧化作 用。用。 第四章污染环境生物修复原理 7.微生物对重金属污染物的作用 微生物对重金属离子的吸收与吸附微生物对重金属离子的吸收与吸附 微生物对重金属离子吸附的机理主要有静电吸附、共价微生物对重金属离子吸附的机理主要有静电吸附、共价 吸附、络合螯合、离子交换和无机微沉淀等，重金属有可吸附、络合螯合、离子交换和无机微沉淀等，重金属有可