环境微生物学第九章微生物对污染物的分解与转化作用概述

1、1第九章 微生物对污染物的分解与转化作用第一节 微生物对污染物的分解与转化作用第二节 有机物的生物分解性第三节 不含氮有机物质的生物分解第四节 含氮有机物的生物分解第五节 微生物对无机元素的转化作用第六节 生物对污染物的浓缩与吸附作用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与分类二、有机物的好氧生物分解三、有机物的厌氧生物分解3生物分解的基本规律： 有机物经逐步分解后，产生能进入TCA循环或（和）能作为合成代谢原料的中间代谢产物。 逐步分解过程因化合物而异，但后面的分解过程基本相同。生物分解后的去向（产物）？细胞物质（微生物的生长）分解产物（CO2、小分子有机物等）第一节 微生

2、物对有机物的分解作用一、生物分解的一般特点与分类4污染物、细胞构成物C、H、O、N、P、S、矿物元素、维生素等能源化学能(污染物等)、光能受 氢 体O2、CO2、SO42-、NO3-等微生物体合成分解热能生物污泥能分解 产 物+随水排出微生物生物不可降解残留物有机体分解(内源呼吸)CO2、H2O、NH4+、NO2-NO3-、SO42-、PO43-、H2、N2、H2S、CH4、乙醇、有机酸、硫醇等简单化合物有机污染物的生物分解过程第一节 微生物对有机物的分解作用有机物的生物分解：通过一系列的生化反应，将有机物分解成小分子有机物或简单无机物的过程5生物分解类型特点分解对象有机物的分析方法生物去除（

3、Bioelimination）由于微生物细胞、活性污泥等的吸附作用使化学物质浓度降低的一种现象。这里所说的“生物去除”不是真正意义上的分解，而是一种表观现象，也可称为“表观生物分解”。各种色谱分析有机碳分析初级分解（Primary biodegradation）在分解过程中，化学物质的分子结构发生变化，从而失去原化学物质特征的分解。各种色谱分析官能团分析毒性测试环境可接收的分解（Environmentally acceptable biodegradation）经过生物分解，化学物质的物理化学性质和毒性达到环境安全要求的程度。各种色谱分析官能团分析毒性测试完全分解(矿化)（Ultimate b

4、iodegradation）有机化合物被分解成稳定无机物（CO2、H2O等）的分解总有机碳分析产生的CO2分析第一节 微生物对有机物的分解作用有机物的生物分解类型及其特点（根据分解程度分类） 6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。第一节 微生物对有机物的分解作用根据分解条件分类好氧分解：在好氧条件下进行的分解 好氧呼吸厌氧分解：在厌氧条件下进

5、行的分解厌氧呼吸发酵7 兼性微生物的代谢：DO0.20.3mg/L条件下：好氧代谢 DO3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。第二节 有机物的生物分解性188）好氧条件下的降解规律与厌氧有时不同9）化学品的生物降解性预测物理化学性质生物降解性/QSBR(Quantitative Structure Biodegradability Relationship)5）脂肪族：分子量越大越不易降解6）芳香族0.4-0.6 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

6、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28第三节 不含氮有机物质的生物分解一、纤维素、半纤维素、木质素的生物分解二、淀粉的生物分解三、脂肪的生物分解四、芳香族化合物的生物分解五、烃类化合物的生物分解六、合成洗涤剂的生物分解291. 纤维素多糖化合物22323COH OCH CH OHCH CHOHCOOH乳酸42CHCO、61051222116126()nC H OC H OC H O 纤维素纤维二糖酶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、

7、青霉、木霉一、纤维素、半纤维素、木质素第三节 不含氮有机物质的生物分解酶302. 半纤维素 分子结构：由聚戊糖、聚己糖、聚糖醛酸构成 降解过程：半纤维素单糖+糖醛酸 能降解纤维素的微生物：芽孢杆菌、假单胞菌、放线菌。第三节 不含氮有机物质的生物分解313. 木质素（lignin）CCCHOCCCHOH3COCCCHOH3COH3CO基本构成单位芳醚键降解机理（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，如白腐菌第三节 不含氮有机物质的生物分解32二、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）三、脂肪 结构：C

8、H2 O C R1CH2 O C R2CH2 O C R3OOO 脂肪 甘油+脂肪酸脂肪酶 降解微生物：荧光杆菌、绿脓杆菌放线菌、真霉第三节 不含氮有机物质的生物分解33四、芳香化合物OHOHOHCOOHCOOH酚邻苯二酚粘康酸（mucomic acid）第三节 不含氮有机物质的生物分解34CH3CH3OHOHCH3OHOH苯甲酸、粘康酸第三节 不含氮有机物质的生物分解35五、烃类（脂肪烃）2. 烯烃：烯烃加氧化合物脂肪酸氧化1. 烷烃：CnH2n+2一般从末端氧化，形成醇、醛、酸、 CO2氧化降解微生物：主要是一些细菌、酵母菌第三节 不含氮有机物质的生物分解36C7H15 CH3n-Octa

9、neMonooxygenaseC7H15CH2 OHn-OctanolNAD+NADH+ NADH + O:O(O2)+ NAD+ H2 OHC7H15O = On-OctanolOHC7H15C = On-Octanoic acidH2 ONAD+NADHATPAMP+PPiCoA-Oxidationto acetyl-CoASteps in oxidation of an aliphatic hydrocarbon.The first of which is catalyzed by a monooxygenase37H3C(CH2)nCH2 CH2COOHn+4 carbonsFatty

10、 acid ofCoAactivationATPAMP+PPiH3C(CH2)nCH2 CH2CCoA OFADFADHH3C(CH2)nCHCHCCoA OH3C(CH2)nCHOHCHCCoA OH2ONAD+NADHH3C(CH2)n C CH2CCoA O OCoAH3C(CH2)nCCoA O+H3CCCoA OActivated fatty acid Of n+2 carbons readyfor next stepAcetyl-CoAMechanism of beta oxidation of a fatty acid（which lead to successive forma

11、tion of two carbon fragments of acetyl-CoA）38SO3NaCH2（CH2）10 CH3十二烷基苯磺酸钠SO3NaCH2COOHCH3SO3NaCH3OHOH氧化.HSO3六、合成洗涤剂降解微生物：主要是芽孢杆菌、假单胞菌（恶臭假单胞菌）第三节 不含氮有机物质的生物分解39第四节 含氮有机物的生物分解一、氮循环及其微生物的作用二、氨化、硝化与反硝化三、蛋白质的生物分解三、尿素的转化40一、氮循环及其微生物的作用固氮有机氮34/NH NH氧化/氨化32/NO NO硝化N2反硝化第四节 含氮有机物的生物分解41二、氨化、硝化与反硝化1、氨化作用（含氮有机物的

12、生物氧化）有机氮转化为氨的过程：OrgNNH3 不含氮有机物好氧、厌氧情况下都生成NH3RC COOHNH2RCOOHCO2NH3RCH2COOHNH3O2H有氧缺氧氨化细菌（Ammonifier）： 种类繁多（荧光假单胞菌、变形杆菌等）第四节 含氮有机物的生物分解422、硝化作用：氨氧化成亚硝酸、硝酸的过程分两步进行（好氧条件）限速阶段、控制阶段NH3NO2-NO3-几个术语：氨氧化、亚硝（酸）化、亚硝酸氧化、硝酸化第四节 含氮有机物的生物分解43硝化菌（nitrifier）亚硝酸菌（nitrite bacteria），亦称氨氧化菌硝酸菌（nitrate bacteria），亦称亚硝酸氧化菌

13、亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）亚硝化球菌属亚硝化螺菌属亚硝化叶菌属亚硝化弧菌属亚硝酸菌硝化杆菌属Nitrobacter硝化刺菌属硝化球菌属硝化螺菌属硝酸菌常见的硝化细菌第四节 含氮有机物的生物分解44硝化菌与活性污泥中异养菌的生长速率比较细菌种类世代时间(h)最大增长速率(1/h)亚硝酸菌硝酸菌活性污泥中异养菌8-368-592.3-8.7 0.02-0.090.01-0.060.08-0.3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）硝化菌的主要特性第四节 含氮有机物的生物分解45氧化氨的细菌菌体大小/mG+C%世代时间/hCh

14、.A1H. 2贮存物细胞色素，色素pH范围温度范围/oC亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)0.71.51.02.447.451.0Ch.A多聚磷酸+, 淡黄至淡红5.88.5530（2530）亚硝化球菌属（Nitrosococcus)1.51.81.72.550.051812Ch.A肝糖，多聚磷酸+, 淡黄至淡红6.08.0230亚硝化螺菌属（Nitrosospira)0.30.81.08.054.124Ch.A+, 淡黄至淡红6.58.51530（2035)亚硝化叶菌属（Nitrosolobus)1.01.51.02.553.656.1Ch.A肝糖，多聚磷酸+, 淡黄至淡红6.08.

15、21530亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio）0.30.41.13.054Ch.A7.57.82530-5 3+5 4氧化亚硝酸的细菌硝化杆菌属（Nitrobacter）0.60.81.02.060.161.78几天Ch.AH肝糖，多聚磷酸和PHB+, 淡黄色6.58.5540硝化刺菌属（Nitrospina）0.30.42.76.557.5Ch.A肝糖+, 7.58.02530硝化球菌属（Nitrococcus）1.51.861.2Ch.A肝糖和PHB+,淡黄至浅红6.88.0 1530硝化螺菌属（Nitrospira）0.30.450Ch.A肝糖和PHB7.58.02530亚硝化细菌

16、和硝化细菌的一些特征亚硝化细菌和硝化细菌的一些特征1Ch.A代表化能无机营养，2H代表化能有机营养。3 4为最低生长温度(周群英等，p250)4610 m50 mSubstratum硝化刺菌属亚硝化单胞菌属20 mNH4+NO2-NO3-NH4+NH2OHNO2-NO3-O2O2(NH4+-oxidizers)(NO2-oxidizers)O247(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

17、，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第四节 含氮有机物的生物分解48(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。第四节

18、 含氮有机物的生物分解49一些化学物质对活性污泥硝化活性的影响物质75%抑制浓度(mg/L)物质75%抑制浓度(mg/L)铜酚邻-甲酚氰三氯甲烷4.05.612.81.318苯胺硫代乙酰胺丙烯醇氨基硫脲丙酮7.70.53200.182000(张希衡，1996)第四节 含氮有机物的生物分解503、反硝化作用（Denitrification）定义：硝酸、亚硝酸盐在无氧条件下被微生物还原成亚硝酸和氮气的过程。反硝化菌（Denitrifying bacteria）及其特征： 参与反硝化作用的细菌叫反硝化菌v大多数是异养菌（反硝化杆菌、荧光假单胞菌）， 也有一些自养菌（硝化硫杆菌）v 大部分是兼性细菌，

19、有氧气时利用氧气呼吸，厌氧时 利 用硝酸和亚硝酸根呼吸第四节 含氮有机物的生物分解51反硝化细菌的种类和若干特性反硝化细菌温度/oCpH革兰氏染色与O2关系备注假单胞菌属（Pseudomonas）307.08.5好氧脱氮副球菌属（Paracoccus denitrificans）30兼性胶德克斯氏菌（Derxia gummosa） 25305.59.0兼性固氮产碱菌属（Alcaligenes）307.0兼性兼性营养色杆菌属（Chromobacter）2578兼性兼性营养脱氮硫杆菌（Thiobacillus denitrificans）28307兼性第四节 含氮有机物的生物分解52反硝化机理：3

20、222NONONON ON气态温室效应气体上述过程可以在任何一种气态氮中止，取决于pH值。pH7 N232NONO32NON3NO微生物种类不同对的还原能力和最终产物也不同。荧光杆菌、变形杆菌微球菌、假单胞菌参见：张希衡.废水厌氧生物处理工程.环境科学出版社.P351有些细菌含有三种厌氧呼吸途径32NONO22NON O22N ON第四节 含氮有机物的生物分解53 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。

21、影响反硝化作用的主要因素影响反硝化作用的主要因素第四节 含氮有机物的生物分解（1）营养物质54(2)(2)溶解氧溶解氧 在在O O2 2和和NONO3 3- -同时存在时，反硝化菌首先利用同时存在时，反硝化菌首先利用O O2 2作为最作为最终电子受体，只有溶解氧浓度接近零（氧化还原电位终电子受体，只有溶解氧浓度接近零（氧化还原电位 0 - -100mV)0 - -100mV)时才开始进行反硝化作用。时才开始进行反硝化作用。 (3)(3)温度温度 最佳温度为最佳温度为30304040 o oC C。温度。温度0, 细胞内积累硫而形成硫磺颗粒。（二） 硫化作用第五节 微生物对无机元素的转化作用59

22、常见的硫磺细菌无色硫磺细菌紫色硫磺细菌：紫硫菌、八叠硫菌（光能自养）（光合菌着色菌科、旧称红硫菌科，俗称紫硫菌）贝日阿托氏菌，如白硫磺菌(Beggiatoa)发硫细菌(Thiothrix)硫磺细菌的细胞合成方式：无色硫磺菌：化学合成2224COHCH OH O紫色硫磺菌：1）化学合成；2）光合成2224COHCH OH O 日光菌紫素不产生氧气的光合作用循环光合磷酸化第五节 微生物对无机元素的转化作用60特点：利用硫化物作能源，但不能在细胞内积累硫单体。常见的硫化菌好氧菌厌氧菌 脱氮硫杆菌：在缺氧情况下还原硝酸根为氮气(Thiobacillus denitrificans)2223246,H

23、S Na S O Na S OS22324,S S OH SO排硫杆菌氧化硫杆菌2 23332424222582644NaSOKNONaHCONaSOKSONCOHO2) 硫化细菌的一般特性第五节 微生物对无机元素的转化作用61第五节 微生物对无机元素的转化作用几种常见的硫化细菌62脱氮硫杆菌的应用：反硝化（硝酸氮的处理）S2进水 3NO出水24SON23324322652223KNOSCaCOK SOCaCOCON能量第五节 微生物对无机元素的转化作用63硫酸盐被还原成硫化氢的过程。硫酸盐被还原成硫化氢的过程。反硫化作用微生物：反硫化作用微生物：硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌（e.g. 去硫弧菌）

24、去硫弧菌）厌氧且在厌氧且在有机物有机物存在的条件下：存在的条件下：242SOH S32423222CH COOHNa SONa COH SCOH O硫酸盐还原菌（反硫化细菌）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）第五节 微生物对无机元素的转化作用（三）（三） 反硫化作用反硫化作用64含硫废水硫酸盐生物还原SO42H2S(厌氧)硫化物生物氧化H2SS0(好氧)H2S空气吹脱

25、NaOH吸收Na2S回收处理水工艺1工艺2处理水含SO42-废水生物处理工艺 第五节 微生物对无机元素的转化作用65二、磷的生物转化二、磷的生物转化1. 无机磷的有机化无机磷的有机化24)HPO不溶性磷酸盐可溶化（微生物、植物利用有机磷化物2. 有机磷化物的生物降解有机磷化物的生物降解3. 磷酸还原：磷酸还原： （类似于反硝化、反硫化）（类似于反硝化、反硫化）梭状芽孢杆菌、大肠杆菌梭状芽孢杆菌、大肠杆菌3433323H POH POH POPH挥发性挥发性232324()H CO COHNOH SO、细菌氧化细菌氧化 硝化菌、硫化菌硝化菌、硫化菌pH的降低的降低第五节 微生物对无机元素的转化作

26、用66三、金属的生物转化三、金属的生物转化1. 铁化合物的氧化沉淀：铁化合物的氧化沉淀：233()FeFeFe OH铁细菌铁细菌铁细菌的特性：铁细菌的特性： 能利用还原态铁作为能源；能利用还原态铁作为能源； 自养菌；自养菌； 丝状菌；丝状菌； 一般生活在含氧少、但有较多铁质和一般生活在含氧少、但有较多铁质和CO2的水中。的水中。32232464()4167.5FeCOOH OFe OHCOJ（一）铁的生物转化（一）铁的生物转化第五节 微生物对无机元素的转化作用673. 有机铁化物的形成溶解性铁被植物、微生物吸收利用有机结合态有机酸铁盐 2. 铁化合物的还原与溶解1）CO2、无机酸、有机酸的生成

27、铁沉降溶解2）氧化还原电位的降低32FeFe第五节 微生物对无机元素的转化作用68 在厌氧条件下，有些铬耐性细菌可以将Cr6+还原成无毒性的Cr3+。 曾报道的Cr6+还原细菌有铜绿假单胞菌、萤光假单胞菌、恶臭假单胞菌、含糊假单胞菌、门多萨假单胞菌、酪链球菌、真养产碱菌)、阴沟肠杆菌等。 阴沟肠杆菌HO-1菌株是从活性污泥中分离出来的一种兼性厌氧菌。据称该菌株的Cr6+还原能力是其它菌的10倍以上。第五节 微生物对无机元素的转化作用（二）铬的生物转化（二）铬的生物转化691汞的生物氧化和还原汞的生物氧化和还原在好氧条件下，一些细菌（如枯草芽孢杆菌和巨大芽孢在好氧条件下，一些细菌（如枯草芽孢杆菌

28、和巨大芽孢杆菌等）能将元素汞氧化生成二价汞离子杆菌等）能将元素汞氧化生成二价汞离子Hg2。有些细菌，如铜绿假单胞菌、大肠杆菌、变形杆菌等在有些细菌，如铜绿假单胞菌、大肠杆菌、变形杆菌等在适宜的条件下能将适宜的条件下能将Hg2还原为金属汞。还原为金属汞。2汞的甲基化汞的甲基化有些微生物能把元素汞和汞离子转化为甲基汞和二甲基有些微生物能把元素汞和汞离子转化为甲基汞和二甲基汞，这种过程称汞的甲基化。汞，这种过程称汞的甲基化。汞的甲基化在好氧和厌氧条件下均可能发生。汞的甲基化在好氧和厌氧条件下均可能发生。产甲烷菌、匙形梭状芽孢杆菌、荧光假单胞菌、大肠杆产甲烷菌、匙形梭状芽孢杆菌、荧光假单胞菌、大肠杆菌

29、、产气肠杆菌和巨大芽孢杆菌等都具有将元素汞转化菌、产气肠杆菌和巨大芽孢杆菌等都具有将元素汞转化为甲基汞的能力。为甲基汞的能力。甲基汞的毒性远远大于元素汞和汞离子。甲基汞的毒性远远大于元素汞和汞离子。第五节 微生物对无机元素的转化作用（三）汞的生物转化（三）汞的生物转化70一、生物对污染物的浓缩作用第六节 生物对污染物的浓缩与吸附作用（一）生物浓缩 一般定义：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

30、表示，浓缩系数越大，生物浓缩的程度越高。 度物质在环境介质中的浓物质在生物体内的浓度BCF71 指同一生物个体在不同的生长发育阶段，生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。物浓缩系数不断增加的现象。 生物积累的程度也用生物积累的程度也用BCF表示。表示。 不同种生物和同一种生物的不同器官和组织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对同一化学物质的生物积累速率有很大的差别。别。（二）生物积累与生物放大生物积累（Bio-accumulation）第六节 生物对污染物的浓缩与吸附作用72 指生态系统中，某种化学物质的生物浓缩系数在同一食

31、物链指生态系统中，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。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。的。 有关美国图尔湖和克尔马斯南部保护区有机氯杀虫剂有关美国图尔湖和克尔马斯南部保护区有机氯杀虫剂DDT对对生物群落污染的研究表明，湖水中生物群落污染的研究表明，湖水中DDT浓度为浓度为0.006 mg/L情情况下，水体中藻类细胞内的浓度为况下，水体中藻类细胞内的浓度为0.10.3 mg/L（BCF为为167500），鱼类体内的最高浓度为），鱼类体内的最高浓度为1.6mg/L（BCF为为2667）,以鱼类为食的水鸟体内的浓度高达以鱼类为食的水鸟体内的浓度高达6375.5 mg/L（BCF为为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）第六节 生物对污染物的浓缩与吸附作用73 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