环境生物化学第七章

1、7.17.1有害有机物微生物降有害有机物微生物降解中的生物化学解中的生物化学 环境生物化学环境生物化学 7.1微生物降解概述微生物降解概述7.1.1微生物降解的基本概念微生物降解的基本概念 7.1.2 微生物降解有机污染物的作用微生物降解有机污染物的作用 7.1.3污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学环境生物化学环境生物化学 7.1.1微生物降解的基本概念微生物降解的基本概念 微生物降解：指通过微生物作用将有机物降解成微生物降解：指通过微生物作用将有机物降解成小分子化合物的过程。小分子化合物的过程。 有部分有机化合物是能够被水或土壤中的微生物很快地进行生物降解的，有很多化合物表现出生物

2、难降解性。 因其中有些化合物毒性很大，对环境和人类健康造成威胁。难降解化合物的降解研究始终是很重要的一个方面。 环境生物化学环境生物化学 生物降解三个阶段生物降解三个阶段 Mausnet等曾根据有机污染物生物降解的进行程度等曾根据有机污染物生物降解的进行程度将生物降解分为三种将生物降解分为三种(或者说是三个阶段或者说是三个阶段)，即：，即： a.初级生物降解：有机污染物本来的结构发生部分变化 b.环境容许的生物降解：除去有机污染物的毒性或者人们所不希望的特性 c.最终生物降解：有机物完全被降解成CO2、水和其他无机物，并被同化为微生物的一部分 环境生物化学环境生物化学 图7-1聚乙烯醇的生物降

3、解中的三个阶段 环境生物化学环境生物化学 图7-2 2小时中PVA生物降解进程和矿化度的变化1. PVA浓度；2. CODcr；3.CO2；4. PVA的矿化度；5. CODcr的矿化度 环境生物化学环境生物化学 污染物在环境中的降解有多种途径，由于生物的作用而引起的污染物的分解或降解，即为生物降解。在生物降解中，作用最大的生物类群是微生物。微生物在环境中与污染物发生相互作用，通过其代谢活动，会使污染物发生氧化反应、还原反应、水解反应、脱羧基反应、脱氨基反应、羟基化反应、酯化反应等多种生理生化反应。7.1.2 微生物降解有机微生物降解有机污染物的作用污染物的作用环境生物化学环境生物化学 7.1

4、.2 微生物降解有机微生物降解有机污染物的作用污染物的作用 （1）氧化作用 （2）还原作用 （3）基团转移作用 （4）水解作用 （5）酯化作用 （6）缩合作用 （7） 氨化作用 （8）乙酰化作用 （9）双键断裂反应 （10) 卤原子移动 环境生物化学环境生物化学 （1）氧化作用）氧化作用 包括Fe、S等单质的氧化，NH3、NO2 等化合物的氧化，也包括一些有机物基团的氧化，如甲基、羟基、醛等。在环境中，这些氧化作用大都是由微生物引起的，如氧化亚铁硫杆菌Thiobacilius ferrooxidans 对亚铁的氧化，铜绿假单胞杆菌Pseudomonas aenurinosa对乙醛的氧化，以及亚

5、硝化菌和硝化菌对氨的氧化作用等。氧化作用普遍存在于各种好氧环境中，是最常见的也是最重要的生物代谢活动。环境生物化学环境生物化学 醇的氧化 醋化醋杆菌（Acetobacteraceti）将乙醇氧化为乙酸，氧化节杆菌（Arthrobacterozydans）将丙二醇氧化为乳酸。 醛的氧化 铜绿假单胞菌（Pseudompnas aeruginosa）将乙醛氧化为乙酸。 甲基的氧化 铜绿假单胞菌将甲苯氧化为安息香酸。表面活性剂的甲基氧化主要是亲油基末端的甲基氧化为羧基的过程。 （1）氧化作用）氧化作用环境生物化学环境生物化学 氨的氧化 亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）可进行此反应。 亚硝酸的

6、氧化 硝化杆菌属（Nitrobacter）可进行此反应。 硫的氧化 氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）可进行此反应。 铁的氧化 氧化亚铁硫杆菌(Thiobacillus ferrooxidans) 可进行此反应。（1）氧化作用）氧化作用环境生物化学环境生物化学 过氧化 艾氏剂和七氯可被微生物过氧化 苯环羟基化 尼古丁酸，2，4D和苯甲酸等化合物可通过微生物的氧化作用使苯环羟基化。 芳环裂解 苯酚系列的化合物可在微生物的作用下使环裂解。 杂环裂解 五元环（杂环农药）和六元环化合物的裂解（1）氧化作用）氧化作用环境生物化学环境生物化学 环氧化 对于环戊二烯类杀虫剂来说

7、，其生物降解作用机制包括脱卤，水解，还原和羟基化作用，但是环氧化作用是生物降解的主要机制。（1）氧化作用）氧化作用环境生物化学环境生物化学 （2）还原作用）还原作用 包括高价铁和硫酸盐的还原、NO3- 的还原、羟基或醇的还原等，还原作用与氧化作用所存在的环境不同，还原作用需要缺氧或者厌氧（无氧）的环境。有些还原作用是氧化作用的逆过程，但有些则不是逆过程，如NH3被氧化为NO3- ,而NO3- 被还原为N2。乙烯基的还原 如大肠杆菌(Escherichia coliform) 可将延胡索酸还原为琥珀酸。环境生物化学环境生物化学 醇的还原 如丙酸羧菌(Clostridium propionicum

8、) 可将乳酸还原为丙酸。 醌类的还原 醌类可以被还原成酚类。 芳环羟基化 苯甲酸盐在厌氧条件下可以羟基化。 双键还原作用 三键还原作用（2）还原作用）还原作用环境生物化学环境生物化学 （3）基团转移作用）基团转移作用 脱羧作用 有机酸是普遍存在于受有机污染的各种环境中，通过脱羧基直接使有机酸分子变小（脱羧基减少一个碳原子，形成一个CO2分子）。连续的脱羧基反应可以使有机酸得到彻底的降解。一些小分子（短链）的有机酸经脱羧基作用很快得到降解。如戊糖丙酸杆菌(Propionibacterium pentosaceum) 可使琥珀酸等羧酸为丙酸。尼古丁酸和儿茶酸也可进行脱羧反应。 环境生物化学环境生物

9、化学 （3）基团转移作用）基团转移作用 脱氨基作用 使带有氨基（-NH2）的有机物质脱除氨基，并能得到进一步的降解。主要是在蛋白质降解方面作用很大。构成蛋白质的氨基酸的降解必须先经脱氨基作用，然后才像普通有机酸一样经过脱羧基作用等得到进一步的降解。如丙氨酸可在腐败芽孢杆菌（Bacillus putrificus）作用下脱氨基而成为丙酸。环境生物化学环境生物化学 脱卤作用 常见于农药的生物降解，是某些脂肪酸生物降解的起始反应，若干氯代烃农药的生物降解也有此种反应。 脱烃反应 常见于某些有烃基链接在氨，氧或硫原子上的农药。 脱氢卤 可发生此反应的典型化合物为BHC和p,p-DDT等。 脱水反应 如

10、芽孢杆菌属(Bacillus) 可使甘油脱水为丙烯醛。 （3）基团转移作用）基团转移作用 环境生物化学环境生物化学 （4）水解作用）水解作用 水解作用是一种很基本的生物代谢作用，许多种微生物可以发生水解作用，水解作用在处理一些有机大分子时，经常会用到水解作用这一特殊的生物化学反应，使有机大分子转化为根小的分子，甚至接近其他生物或者其他反应所要求的污染物质特征。 环境生物化学环境生物化学 （4）水解作用）水解作用 酯类的水解 多种微生物可发生此反应 氨类也可被许多微生物水解 磷酸酯水解 腈水解 卤代烃水解去卤 卤代苯甲酸盐、苯氧基乙酸盐、芳草枯等可通过水解进行降解 环境生物化学环境生物化学 （5

11、）酯化作用）酯化作用 羧酸与醇发生酯化反应。如Hansenula anomola可将乳酸转变为乳酸酯。（6）缩合作用）缩合作用（7） 氨化作用氨化作用 如乙醛可在某些酵母的作用下缩合成3羟基丁酮 如丙酮酸可在某些酵母作用下发生氨化反应，生成丙氨酸环境生物化学环境生物化学 （9）双键断裂反应）双键断裂反应 偶氮染料在厌氧菌的作用下，先发生脱氯反应生成两个中间产物，再经好氧过程才进一步生物降解 （8）乙酰化作用）乙酰化作用 如克氏梭菌（Clostridium kluyueri）等可进行乙酰化作用(10) 卤原子移动卤原子移动 卤代苯，2，4D等污染物降解时可进行此反应。环境生物化学环境生物化学 7

12、.1.3污染物生物降解污染物生物降解的动力学的动力学 动力学是指标靶化合物的微生物降解速率。生物系统包含多微生物,每种微生物有不同的酶系，因此经常用总的速率常数来描述降解速度。这个常数一般在试验室模拟测定。通过研究基质浓度与降解速率之间的关系，提出两类常用的经验模式: 幂指数定律(Power rate law)不考虑微生物生长的基质降解模式。 双曲线定律(Hyperbolic rate law)考虑微生物生长的基质降解模式。环境生物化学环境生物化学 冪指数定律冪指数定律 在基质降解过程中，如果不考虑微生物生长这一因素可以用幂指数定律来描述基质降解速率(反应速率)与基质浓度的关系。 降解速率与基

13、质浓度n次幂成正比： 7-1 式中 为基质浓度；为生物降解速率常数；为反应级数。n=ddkStS环境生物化学环境生物化学 反应可以是零级反应，即反应速率与任何基质浓度无关，即式(71)可以用下式表示： 7-2 对式(72)积分，速率定律的形式为： 7-3 式中 o为基质的起始浓度；为任意时间的基质浓度。适用情况：单一反应物转变为单一的生成物或基质浓度很高。kkStdSd0=ktSS0t=冪指数定律冪指数定律 环境生物化学环境生物化学 如果基质浓度很低，又不了解系统的动力学关系的情况下，可以假定n为1，即一级反应关系。可以下式表示： 7-4对方程(7-4)积分，得到速率的积分形式 7-5 或 7

14、-6 根据 和时间t的斜率即可以求出k值 kSkStdSd1=kt0teSS=()= -t0SSlnkt()t0SSln冪指数定律冪指数定律 环境生物化学环境生物化学 图7-3 基质浓度随时间以一级反应速率消失 冪指数定律冪指数定律 环境生物化学环境生物化学 原始基质浓度降解一半所需要的时间称为半衰期。半衰期(1/2)为： 7-7 =1/2tln 2 / k类别半衰期类别半衰期生物降解快17d生物降解慢424周生物降解较慢728d抗生物降解612月冪指数定律冪指数定律 环境生物化学环境生物化学 反应还可以是二级反应 7-8 式(7-8)的积分形式为： 7-9 在下列反应中，反应会呈二级反应：

15、2A（反应物） P（产物） 7-10 不同环境中反应级数不同，根据特定的一组浓度和时间t的实验数据,式(7-3)、式(7-6)和式(7-9)来判断其反应级数。 -=2d Sk Sd t-=t011ktSS冪指数定律冪指数定律 环境生物化学环境生物化学 双曲线定律双曲线定律 双曲线定律是出Monod于1949年提出的，又称Monod方程 7-11 式中 为微生物的比增长速率，即单位生物量的增长速率，单位为时间-1，max为微生物的最大比增长速率；Ks为饱和常数；当max/2时所对应的基质浓度，单位为浓度单位，比如mg/L。 环境生物化学环境生物化学 图7-4 基质浓度与微生物比增长速率之间关系双

16、曲线方程 基质浓度较低时，微生物的比增长速率随基质浓度的增加而线性增加；在基质浓度较高时，比增长速率接近最大值，微生物的比增长速率与基质浓度无关。 双曲线定律双曲线定律环境生物化学环境生物化学 可以看到营养富集环境中的细菌比低有机成分的生境中的细菌有较高的s值；在天然水中代谢的微生物可以迅速代谢加入的分子。当然，在培养基加入的碳源的浓度远远高于表7-2所列的s值。双曲线定律双曲线定律环境生物化学环境生物化学 7.2典型有害有机污染物典型有害有机污染物微生物降解的生物化学微生物降解的生物化学7.2.1卤代烃类微生物降解的生物化学卤代烃类微生物降解的生物化学7.2.2农药微生物降解的生物化学农药微

17、生物降解的生物化学 7.2.3洗剂剂微生物降解的生物化学洗剂剂微生物降解的生物化学 7.2.4石油污染物微生物降解的生物化学石油污染物微生物降解的生物化学环境生物化学环境生物化学 卤代烃类微生物降解卤代烃类微生物降解的生物化学的生物化学 卤代有机化合物是一类非常重要的化合物，卤代有机化合物是一类非常重要的化合物，被广泛地应用于工业、农业、农药、有机合成。被广泛地应用于工业、农业、农药、有机合成。由于应用广泛，因此，卤代有机化合物进入环境由于应用广泛，因此，卤代有机化合物进入环境的机会也就很大，途径也很多。概括起来，环境的机会也就很大，途径也很多。概括起来，环境中的卤代有机物主要来自人工应用、自

18、然生成和中的卤代有机物主要来自人工应用、自然生成和人工条件下的有机物卤化。人工条件下的有机物卤化。 卤代有机化合物中卤代脂肪烃和卤代芳香族卤代有机化合物中卤代脂肪烃和卤代芳香族化合物是最重要的两类。而卤元素中最重要的是化合物是最重要的两类。而卤元素中最重要的是氯，其次是溴和氟。环境最重要的卤代有机化合氯，其次是溴和氟。环境最重要的卤代有机化合物是氯化脂肪烃和氯化芳香烃，如三氯甲烷、多物是氯化脂肪烃和氯化芳香烃，如三氯甲烷、多氯联苯等。氯联苯等。环境生物化学环境生物化学 卤代脂肪烃的降解卤代脂肪烃的降解 卤代脂肪烃广泛用于工业溶剂、清洗剂、气卤代脂肪烃广泛用于工业溶剂、清洗剂、气雾推进剂和化工合

19、成的中间体。主要是雾推进剂和化工合成的中间体。主要是C1和和C2脂脂肪烃，其上氢原子被一个或多个卤原子取代。肪烃，其上氢原子被一个或多个卤原子取代。 卤代脂肪烃在环境中可以进行非生物转化，卤代脂肪烃在环境中可以进行非生物转化，例如在水中的取代反应、脱氢脱卤反应和还原反例如在水中的取代反应、脱氢脱卤反应和还原反应。过渡金属如应。过渡金属如Ni、Fe、Cr和和Co可以还原卤代脂可以还原卤代脂肪烃，产物为氧化态金属和脱卤的烷烃。好氧和肪烃，产物为氧化态金属和脱卤的烷烃。好氧和厌氧微生物都已经用于卤代脂肪烃的降解和环境厌氧微生物都已经用于卤代脂肪烃的降解和环境修复。修复。环境生物化学环境生物化学 好氧

20、降解好氧降解 好氧降解研究最多的是好氧降解研究最多的是TCE。甲基营养菌在。甲基营养菌在有甲烷和天然气存在的情况下可以降解有甲烷和天然气存在的情况下可以降解TCE。 对卤代脂肪烃好氧降解的了解还不完全，最对卤代脂肪烃好氧降解的了解还不完全，最初的氧化作用由单加氧酶或双加氧酶催化。由于初的氧化作用由单加氧酶或双加氧酶催化。由于单加氧酶和双加氧酶的特异性较低，所以它们的单加氧酶和双加氧酶的特异性较低，所以它们的降解可以与脂肪烷烃和芳烃降解使用相同的加氧降解可以与脂肪烷烃和芳烃降解使用相同的加氧酶系。降解需要有代谢基质酶系。降解需要有代谢基质(甲烷、甲苯酚或氨甲烷、甲苯酚或氨)存在，是一种共代谢作用

21、。存在，是一种共代谢作用。环境生物化学环境生物化学 厌氧降解厌氧降解-还原性脱还原性脱卤卤 厌氧条件下的降解过程称为还原性脱卤作用，厌氧条件下的降解过程称为还原性脱卤作用，卤原子从分子中逐个脱去并被氢原子取代。在厌卤原子从分子中逐个脱去并被氢原子取代。在厌氧条件下有机化合物脱卤在热力学上是有利的。氧条件下有机化合物脱卤在热力学上是有利的。 脱卤作用取决于分子的氧化还原电位，而这脱卤作用取决于分子的氧化还原电位，而这又是由卤又是由卤-碳键强度决定的。键强度越高，卤原子碳键强度决定的。键强度越高，卤原子越难脱去。键强度与卤原子的类型和数目有关，越难脱去。键强度与卤原子的类型和数目有关，也与卤代分子

22、的饱和程度有关。也与卤代分子的饱和程度有关。 环境生物化学环境生物化学 厌氧降解厌氧降解-还原性脱还原性脱卤卤 饱和化合物饱和化合物(烷烃类烷烃类)比不饱和化合物比不饱和化合物(烯、炔烯、炔烃类烃类)的还原性脱卤敏感。在卤代烯烃厌氧代谢中，的还原性脱卤敏感。在卤代烯烃厌氧代谢中，其脱卤速率由快到慢依次是：四氯乙烯、三氯乙其脱卤速率由快到慢依次是：四氯乙烯、三氯乙烯、烯、1，2-二氯乙烯和氯乙烯。前面的氧化状态高二氯乙烯和氯乙烯。前面的氧化状态高于后者。于后者。 环境生物化学环境生物化学 厌氧降解厌氧降解-还原性脱还原性脱卤卤 环境生物化学环境生物化学 脱卤反应机制脱卤反应机制 氯代脂肪烃化合物

23、的微生物代谢关键步骤是氯代脂肪烃化合物的微生物代谢关键步骤是脱卤反应。催化这一反应的酶可以直接作用于脱卤反应。催化这一反应的酶可以直接作用于C-Cl键，或不直接作用于键，或不直接作用于C-Cl键，而和氧结合形成键，而和氧结合形成不稳定的中间物。不稳定的中间物。 目前在好氧细菌中发现目前在好氧细菌中发现5种脱卤机制种脱卤机制 环境生物化学环境生物化学 脱卤反应机制脱卤反应机制环境生物化学环境生物化学 脱卤反应机制脱卤反应机制 亲核置换：有谷胱甘肽转移酶亲核置换：有谷胱甘肽转移酶(GST)参与，形参与，形成谷胱甘肽和卤代脂肪烃共价结合的中间物，最成谷胱甘肽和卤代脂肪烃共价结合的中间物，最后脱卤。例

24、如生丝微菌在二氯甲烷基质中脱氯就后脱卤。例如生丝微菌在二氯甲烷基质中脱氯就是这种方式，脱氯的产物是甲醛。是这种方式，脱氯的产物是甲醛。 环境生物化学环境生物化学 脱卤反应机制脱卤反应机制水解水解 水解脱卤酶参与氯代脂肪烷烃的脱卤反应，水解脱卤酶参与氯代脂肪烷烃的脱卤反应，其反应产物是对应的醇。这类氯代脂肪烷烃有其反应产物是对应的醇。这类氯代脂肪烷烃有2-氯代羧酸、氯代羧酸、1-氯代正烷烃、氯代正烷烃、，-二氯正烷烃、二氯正烷烃、，-氯代醇以及其他相关化合物。例如，自养黄色氯代醇以及其他相关化合物。例如，自养黄色杆菌杆菌GJ10以以1，2-二氯乙烷为惟一碳源，在两种不二氯乙烷为惟一碳源，在两种不

25、同的水解脱卤酶作用下经过两次水解脱氯作用，同的水解脱卤酶作用下经过两次水解脱氯作用，生成产物乙醇酸，然后进人中央代谢途径。生成产物乙醇酸，然后进人中央代谢途径。 环境生物化学环境生物化学 脱卤反应机制脱卤反应机制环境生物化学环境生物化学 脱卤反应机制脱卤反应机制 氧化氧化 由单加氧酶催化，需要还原性辅助因子由单加氧酶催化，需要还原性辅助因子或细胞色素，分子氧中的一个氧原子与基质结合，或细胞色素，分子氧中的一个氧原子与基质结合，另一个氧原子形成水。单加氧酶反应在性质上是另一个氧原子形成水。单加氧酶反应在性质上是亲电反应而不是亲核反应，因此这种氧化反应为亲电反应而不是亲核反应，因此这种氧化反应为结

26、构上对亲核取代反应不敏感的化合物的降解提结构上对亲核取代反应不敏感的化合物的降解提供了另一种途径。氯仿在这种方式下氧化产生不供了另一种途径。氯仿在这种方式下氧化产生不稳定的中间物。稳定的中间物。 环境生物化学环境生物化学 脱卤反应机制脱卤反应机制 分子内部亲核取代分子内部亲核取代 由单加氧酶或双加氧酶催由单加氧酶或双加氧酶催化，形成环氧化物，然后再脱去氯。如反化，形成环氧化物，然后再脱去氯。如反-1，2-二二氯乙烯在甲基营养细菌作用下的降解氯乙烯在甲基营养细菌作用下的降解(图图77)。 环境生物化学环境生物化学 脱卤反应机制脱卤反应机制 水合水合 具有不饱和键的卤代烃水合后脱卤。具有不饱和键的

27、卤代烃水合后脱卤。 例如例如3-氯代丙烯酸水合脱氯形成丙醛酸。氯代丙烯酸水合脱氯形成丙醛酸。 环境生物化学环境生物化学 典型卤代脂肪烃的降解典型卤代脂肪烃的降解 氯代烷烃的降解氯代烷烃的降解 ;氯代烯烃的降解氯代烯烃的降解 ;环境生物化学环境生物化学 氯代烷烃的降解氯代烷烃的降解 二氯甲烷在好氧条件下可以作为生长基质被二氯甲烷在好氧条件下可以作为生长基质被利用。二氯甲烷的脱氯可以由依靠谷胱甘肽的脱利用。二氯甲烷的脱氯可以由依靠谷胱甘肽的脱氢酶催化，该酶的氢酶催化，该酶的DNA已被克隆并进行了序列分已被克隆并进行了序列分析。析。 三氯甲烷或四氯甲烷是由严格厌氧菌降解，三氯甲烷或四氯甲烷是由严格厌

28、氧菌降解，有两种方式：一种是取代脱卤，转化为有两种方式：一种是取代脱卤，转化为CO2，是，是一种由金属卟啉催化的非酶过程；一种是还原性一种由金属卟啉催化的非酶过程；一种是还原性脱卤，三氯甲烷依次转化为二氯甲烷、氯甲烷，脱卤，三氯甲烷依次转化为二氯甲烷、氯甲烷，最后是甲烷。同一种菌可以有两种代谢方式。最后是甲烷。同一种菌可以有两种代谢方式。 环境生物化学环境生物化学 氯代烷烃的降解氯代烷烃的降解环境生物化学环境生物化学 氯代烯烃的降解氯代烯烃的降解 甲烷营养菌可以氧化三氯乙烯甲烷营养菌可以氧化三氯乙烯 (TCE)，因为，因为甲烷单加氧酶是一个特异性很低的氧化酶，可以甲烷单加氧酶是一个特异性很低的

29、氧化酶，可以催化多种有机物的氧化。用甲烷营养菌降解催化多种有机物的氧化。用甲烷营养菌降解TCE的研究试验，遇到以下问题：的研究试验，遇到以下问题： a.甲烷单加氧酶对甲烷有比对甲烷单加氧酶对甲烷有比对TCE较高的亲和性，较高的亲和性，甲烷是甲烷是TCE代谢的竞争性抑制剂。代谢的竞争性抑制剂。b.在在TCE氧化过程中，该酶活性有不可逆的损失。氧化过程中，该酶活性有不可逆的损失。c. TCE氧化时需要外部补充能量。氧化时需要外部补充能量。环境生物化学环境生物化学 氯代烯烃的降解氯代烯烃的降解 除甲烷单加氧酶可以氧化除甲烷单加氧酶可以氧化TCE以外，还有氨以外，还有氨单加氧酶、异戊二烯氧化酶、丙烷单

30、加氧酶、甲单加氧酶、异戊二烯氧化酶、丙烷单加氧酶、甲苯苯-邻邻-单加氧酶和甲苯双加氧酶等。上述酶系都需单加氧酶和甲苯双加氧酶等。上述酶系都需要有适当的诱导物存在时才合成，但它们可能是要有适当的诱导物存在时才合成，但它们可能是有毒有机物。有毒有机物。 环境生物化学环境生物化学 氯代烯烃的降解氯代烯烃的降解 TCE的氧化作用产物取决于最初氧化作用的的氧化作用产物取决于最初氧化作用的机制。单加氧酶作用产生机制。单加氧酶作用产生TCE环氧化物，然后自环氧化物，然后自发地水解为二氯乙酸、乙醛酸、甲酸和发地水解为二氯乙酸、乙醛酸、甲酸和CO；而双；而双加氧酶作用最初产加氧酶作用最初产TCE-二氧杂环化物和

31、二氧杂环化物和1，2-二羟二羟基基-TCE，然后重排形成甲酸和乙醛酸。前者由甲，然后重排形成甲酸和乙醛酸。前者由甲烷营养菌氧化，最后产物为其他菌所利用。在这烷营养菌氧化，最后产物为其他菌所利用。在这个过程中，有少量副产物三氯乙醛，后者是由假个过程中，有少量副产物三氯乙醛，后者是由假单胞菌作用，两者均不能使四氯乙烯共代谢。单胞菌作用，两者均不能使四氯乙烯共代谢。环境生物化学环境生物化学 氯代烯烃的降解氯代烯烃的降解环境生物化学环境生物化学 氯代烯烃的降解氯代烯烃的降解 四氯乙烯在产甲烷条件下还原性脱卤，经过四氯乙烯在产甲烷条件下还原性脱卤，经过四个步骤产生乙烯，降解的中间物为三氯乙烯、四个步骤产

32、生乙烯，降解的中间物为三氯乙烯、顺顺/反反-二氯乙烯和氯乙烯二氯乙烯和氯乙烯 。环境生物化学环境生物化学 氯代烯烃的降解氯代烯烃的降解 研究证明，不在产甲烷的条件下，只要有足研究证明，不在产甲烷的条件下，只要有足够的甲醇存在该过程就可以进行。研究还表明从够的甲醇存在该过程就可以进行。研究还表明从四氯乙烯到氯乙烯，这类溶剂具有生物修复上的四氯乙烯到氯乙烯，这类溶剂具有生物修复上的潜力，但在现场这个过程很少能完成，会有一些潜力，但在现场这个过程很少能完成，会有一些中间物中间物(如氯乙烯如氯乙烯)的积累。氯乙烯在好氧条件下可的积累。氯乙烯在好氧条件下可以作为生长基质供微生物利用，但容易挥发，在以作为

33、生长基质供微生物利用，但容易挥发，在生物反应器中处理较困难。生物反应器中处理较困难。 环境生物化学环境生物化学 卤代芳烃的降解卤代芳烃的降解 卤代芳烃的降解性取决于卤原子的性质、数卤代芳烃的降解性取决于卤原子的性质、数目和位置。卤代物为溴和碘时比氯容易降解，为目和位置。卤代物为溴和碘时比氯容易降解，为氟时比氯难降解。好氧降解性随卤原子的数目增氟时比氯难降解。好氧降解性随卤原子的数目增加而下降，但厌氧脱卤则相反。加而下降，但厌氧脱卤则相反。 卤代苯的细菌氧化；卤代苯的细菌氧化；氯代苯甲酸的降解；氯代苯甲酸的降解；多氨联苯的微生物降解多氨联苯的微生物降解 环境生物化学环境生物化学 卤代苯的细菌氧化

34、卤代苯的细菌氧化 卤代苯对细菌的氧化作用不足很敏感的。然卤代苯对细菌的氧化作用不足很敏感的。然而某些卤代苯可以被细菌气化而某些卤代苯可以被细菌气化 。环境生物化学环境生物化学 氯代苯甲酸的降解氯代苯甲酸的降解 a. 2-氯苯甲酸的降解氯苯甲酸的降解 在双加氧酶催化下，在双加氧酶催化下，2-氯苯甲酸降解的第一步氯苯甲酸降解的第一步反应是去除氯生成儿茶酚。反应是去除氯生成儿茶酚。 环境生物化学环境生物化学 氯代苯甲酸的降解氯代苯甲酸的降解b.3-氯苯甲酸的降解氯苯甲酸的降解 与与2-氯苯甲酸的降解完全不同，在双加氧酶氯苯甲酸的降解完全不同，在双加氧酶的作用下第一步不是脱氯而是形成的作用下第一步不是

35、脱氯而是形成3-氯代儿茶酚氯代儿茶酚或或4-氯代儿茶酚。氯代儿茶酚正位裂解，而后环氯代儿茶酚。氯代儿茶酚正位裂解，而后环化形成内酯脱氯。化形成内酯脱氯。 环境生物化学环境生物化学 氯代苯甲酸的降解氯代苯甲酸的降解c. 4-氯苯甲酸的降解氯苯甲酸的降解 在降解反应的第一步就脱去氯，被水中的羟在降解反应的第一步就脱去氯，被水中的羟基取代。该脱卤反应是经水解反应除去苯环中的基取代。该脱卤反应是经水解反应除去苯环中的氯的仅有的例子。酶是双成分酶系统，反应在氯的仅有的例子。酶是双成分酶系统，反应在ATP的作用下形成的作用下形成4-氮苯甲酰氮苯甲酰CoA酯作为中间物酯作为中间物 。环境生物化学环境生物化学

36、 多氯联苯的微生物降多氯联苯的微生物降解解 多氯联苯多氯联苯(PCBs)是联苯氯化的产物，商品多是联苯氯化的产物，商品多为不同氯取代的混合物。多氯联苯的微生物降解为不同氯取代的混合物。多氯联苯的微生物降解首先是从联苯的芳环上开始的，首先是从联苯的芳环上开始的， 多氯联苯微生物多氯联苯微生物降解的程度与其结构和微生物有关。降解的程度与其结构和微生物有关。环境生物化学环境生物化学 农药微生物降解的生农药微生物降解的生物化学物化学 农药的微生物降解，就是通过各种微生物的农药的微生物降解，就是通过各种微生物的作用将大分子有机物分解成小分子化合物的过程。作用将大分子有机物分解成小分子化合物的过程。 化学

37、合成的农药一般都比较稳定，能在土壤化学合成的农药一般都比较稳定，能在土壤中停留较长时间，甚至高达十年以上，在环境中中停留较长时间，甚至高达十年以上，在环境中的大量积累，造成了严重的环境污染。的大量积累，造成了严重的环境污染。 （1）苯氧乙酸的微生物降解）苯氧乙酸的微生物降解 ； （2）DDT的生物降解；的生物降解；环境生物化学环境生物化学 苯氧乙酸的微生物降苯氧乙酸的微生物降解解 苯氧乙酸是一大类除草剂，苯氧乙酸是一大类除草剂，2、4-D是其中常是其中常用的一种。经研究，降解苯氧乙酸的细菌有假单用的一种。经研究，降解苯氧乙酸的细菌有假单胞菌属胞菌属(Pseudomonus)、棒状杆菌属、棒状杆

38、菌属（Corynebacterium)、诺卡氏菌属、诺卡氏菌属( Nocardia)、枝、枝动菌属动菌属(Mycoplana)、真菌类有黑曲霉、真菌类有黑曲霉(A.niger)。 环境生物化学环境生物化学 苯氧乙酸的微生物降苯氧乙酸的微生物降解解环境生物化学环境生物化学 DDT的生物降解的生物降解 DDT在土壤中的平均半排出期为三年，其中在土壤中的平均半排出期为三年，其中5%-10在使用后十年仍留在土壤内，近年的研在使用后十年仍留在土壤内，近年的研究取得了一些新进展。究取得了一些新进展。 环境生物化学环境生物化学 DDT的生物降解的生物降解环境生物化学环境生物化学 DDT的生物降解的生物降解

39、参与降解的细菌类有参与降解的细菌类有10属，属，23种，如假单胞种，如假单胞菌属菌属(Pseudomonas)6个种、黄单胞菌属个种、黄单胞菌属(Xanthomonas)4个种，欧文氏菌属个种，欧文氏菌属(Erwinia)4个种、个种、芽胞杆菌芽胞杆菌(Bacillus)3个种等。个种等。 真菌类有：啤酒酵母真菌类有：啤酒酵母(Sa.cerevisiae)能在能在50小小时内使时内使DDT脱氯超过一半；绿色木霉脱氯超过一半；绿色木霉(Tri.viride)18个菌株能对个菌株能对DDT有不同的降解作用。有不同的降解作用。环境生物化学环境生物化学 洗剂剂微生物降解的洗剂剂微生物降解的生物化学生物

40、化学 洗涤剂是人工合成的高分子聚合物，由于难洗涤剂是人工合成的高分子聚合物，由于难于被微生物降解，导致洗涤剂在自然界中蓄积数于被微生物降解，导致洗涤剂在自然界中蓄积数量急剧上升，不仅污染了环境，而且也能破坏自量急剧上升，不仅污染了环境，而且也能破坏自然界的生态平衡。因此，洗涤剂是目前最引人注然界的生态平衡。因此，洗涤剂是目前最引人注目的环境污染的公害之一。目的环境污染的公害之一。环境生物化学环境生物化学 洗剂剂微生物降解的洗剂剂微生物降解的生物化学生物化学 根据表面活性剂在水中的电离性状分为：阴根据表面活性剂在水中的电离性状分为：阴离子型、阳离子型、非离子型和两性电解质型四离子型、阳离子型、非

41、离子型和两性电解质型四大类。其中以阴离子型合成洗涤剂应用得最为普大类。其中以阴离子型合成洗涤剂应用得最为普遍。遍。环境生物化学环境生物化学 洗剂剂微生物降解的洗剂剂微生物降解的生物化学生物化学 阴离子型的表面活性剂包括有合成脂肪酸衍阴离子型的表面活性剂包括有合成脂肪酸衍生物、烷基磺酸盐、烷基硫酸酯、烷基苯磺酸盐、生物、烷基磺酸盐、烷基硫酸酯、烷基苯磺酸盐、烷基磷酸酯、烷基苯磷酸盐等；阳离子型主要是烷基磷酸酯、烷基苯磷酸盐等；阳离子型主要是带有氨基或季铵盐的脂肪链缩合物，也有烷基苯带有氨基或季铵盐的脂肪链缩合物，也有烷基苯与碱性氯原子的结合物；非离子型是一类多羟化与碱性氯原子的结合物；非离子型是

42、一类多羟化合物与烃链的结合产物，或是脂肪烃和聚氧乙烯合物与烃链的结合产物，或是脂肪烃和聚氧乙烯酚的缩合物；两性电解质型则为带氮原子的脂肪酚的缩合物；两性电解质型则为带氮原子的脂肪链与羟酰、硫或磺酸的缩合物。链与羟酰、硫或磺酸的缩合物。环境生物化学环境生物化学 洗剂剂微生物降解的洗剂剂微生物降解的生物化学生物化学 合成洗涤剂基本成分除了表面活性剂外还含合成洗涤剂基本成分除了表面活性剂外还含多种辅助剂，一般为三聚磷酸盐、硫酸钠、碳酸多种辅助剂，一般为三聚磷酸盐、硫酸钠、碳酸钠、羟基甲基纤维素钠、荧光增白剂、香料等，钠、羟基甲基纤维素钠、荧光增白剂、香料等，有时还有蛋白质分解酶。有时还有蛋白质分解酶

43、。 家庭用的洗涤剂通称洗衣粉，有粉剂、液剂、家庭用的洗涤剂通称洗衣粉，有粉剂、液剂、膏剂等形式。我国现在主要产品属阴离子型烷基膏剂等形式。我国现在主要产品属阴离子型烷基苯磺酸钠型洗涤剂，一般称中性洗涤剂，对环境苯磺酸钠型洗涤剂，一般称中性洗涤剂，对环境的污染最为严重。的污染最为严重。 环境生物化学环境生物化学 洗剂剂微生物降解的洗剂剂微生物降解的生物化学生物化学 洗涤剂一般都很难被微生物降解，最难被微洗涤剂一般都很难被微生物降解，最难被微生物降解的是带有碳氢侧链的分子结构生物降解的是带有碳氢侧链的分子结构-ABS型，型，其原因是碳氢侧链中有一个其原因是碳氢侧链中有一个4级碳原子，级碳原子，4级

44、碳原级碳原子的链十分稳定，对化学反应和生物反应都有很子的链十分稳定，对化学反应和生物反应都有很强的抵抗性，因此强的抵抗性，因此ABS很难被生物降解。很难被生物降解。环境生物化学环境生物化学 洗剂剂微生物降解的洗剂剂微生物降解的生物化学生物化学 为使合成洗涤剂易为生物所降解，改变了合为使合成洗涤剂易为生物所降解，改变了合成洗涤剂的结构，制成易被微生物分解的成洗涤剂的结构，制成易被微生物分解的(软型软型)洗洗涤剂，其代表为直链烷基苯磺酸盐涤剂，其代表为直链烷基苯磺酸盐(LAS)。 由于去掉了由于去掉了4级碳原子，并利用了侧链的碳氢级碳原子，并利用了侧链的碳氢化合物，其直链部分易于分解的特点，使化合

45、物，其直链部分易于分解的特点，使LAS较较易为生物降解，而且在一定的范围内，碳原子数易为生物降解，而且在一定的范围内，碳原子数愈多，其分解速度也愈快。愈多，其分解速度也愈快。 环境生物化学环境生物化学 洗剂剂微生物降解的洗剂剂微生物降解的生物化学生物化学 LAS的降解过程中，首先烷基末端的甲基被的降解过程中，首先烷基末端的甲基被氧化成羧酸，再经氧化成羧酸，再经-氧化，每次减少两个碳，最氧化，每次减少两个碳，最终生成苯丙酸，苯乙酸或安息香酸的磺酸盐，然终生成苯丙酸，苯乙酸或安息香酸的磺酸盐，然后进行脱磺化作用。后进行脱磺化作用。 环境生物化学环境生物化学 石油污染物微生物降石油污染物微生物降解的

46、生物化学解的生物化学7.2.4.1 石油污染物概述石油污染物概述7.2.4.2脂肪烃的微生物降解机理脂肪烃的微生物降解机理7.2.4.3 芳香烃的微生物降解机理芳香烃的微生物降解机理7.2.4.4限制污染油生物降解的因素限制污染油生物降解的因素 环境生物化学环境生物化学 石油污染物概述石油污染物概述 石油是重要的能源物质，在石油开采、运输、石油是重要的能源物质，在石油开采、运输、加工、使用等过程中均可能产生对环境的污染。加工、使用等过程中均可能产生对环境的污染。据统计，由于战争、海难及其他事故，每年都有据统计，由于战争、海难及其他事故，每年都有数干甚至上万吨石油泄漏到海中。此外，也不乏数干甚至

47、上万吨石油泄漏到海中。此外，也不乏石油泄漏问题引起水体、土壤等污染的例子。石油泄漏问题引起水体、土壤等污染的例子。 环境生物化学环境生物化学 石油污染物概述石油污染物概述 石油是一类物质的总称，主要是碳链长度不石油是一类物质的总称，主要是碳链长度不等的烃类物质，最少时仅含一个碳原子。石油中等的烃类物质，最少时仅含一个碳原子。石油中的主要成分是烷烃类物质，的主要成分是烷烃类物质， 元素以碳和氢为主，元素以碳和氢为主，其中碳占其中碳占83-87，氢占，氢占11-14，含有少量硫，含有少量硫(0.06-8.0)、氮、氮(0.02-1.70)和磷和磷(0.08-1.82)。 环境生物化学环境生物化学

48、石油污染物概述石油污染物概述 进入环境中的石油，由于生物学的和某些非进入环境中的石油，由于生物学的和某些非生物学的机制生物学的机制(主要是光主要是光-化学氧化化学氧化)而逐步降解。而逐步降解。大量研究表明，在自然界净化石油污染的综合因大量研究表明，在自然界净化石油污染的综合因素中，微生物降解起着重要作用。素中，微生物降解起着重要作用。 环境生物化学环境生物化学 脂肪烃的微生物降解机理脂肪烃的微生物降解机理 许多微生物能氧化脂肪烃许多微生物能氧化脂肪烃 环境生物化学环境生物化学 脂肪烃的微生物降解机理脂肪烃的微生物降解机理链烷烃的微生物降解链烷烃的微生物降解 ;脂环烃的微生物降解脂环烃的微生物降

49、解 ;烯烃的微生物降解途径烯烃的微生物降解途径 ;环境生物化学环境生物化学 链烷烃的微生物降解链烷烃的微生物降解 微生物攻击链烷烃的末端甲基，由混合功能微生物攻击链烷烃的末端甲基，由混合功能氧化酶催化，生成伯醇，再进一步氧化为醛和脂氧化酶催化，生成伯醇，再进一步氧化为醛和脂肪酸，脂肪酸接着通过肪酸，脂肪酸接着通过-氧化进一步代谢。氧化进一步代谢。 环境生物化学环境生物化学 链烷烃的微生物降解链烷烃的微生物降解有些微生物攻击链烷烃的次末端，在链内的碳原有些微生物攻击链烷烃的次末端，在链内的碳原子上插入氧。这样，首先生成仲醇，再进一步氧子上插入氧。这样，首先生成仲醇，再进一步氧化，生成酮，酮再代谢

50、为酯，酯键裂解生成伯醇化，生成酮，酮再代谢为酯，酯键裂解生成伯醇和脂肪酸。醇接着继续氧化成醛、羧酸，羧酸则和脂肪酸。醇接着继续氧化成醛、羧酸，羧酸则通过通过-氧化进一步代谢。氧化进一步代谢。 环境生物化学环境生物化学 脂环烃的微生物降解脂环烃的微生物降解 脂环烃有机物降解过程是，脂环通过辅氧化脂环烃有机物降解过程是，脂环通过辅氧化作用，生成环醇、环酮，再氧化成作用，生成环醇、环酮，再氧化成-羟基羟基-已酸，已酸，如果是脂环酸则氧化为庚二酸使环开裂，然后再如果是脂环酸则氧化为庚二酸使环开裂，然后再通过通过-氧化进一步降解。氧化进一步降解。 如环已烷由混合功能氧化酶的羟化作用生成如环已烷由混合功能

51、氧化酶的羟化作用生成环已醇，后者脱氢生成酮，再进一步氧化，一个环已醇，后者脱氢生成酮，再进一步氧化，一个氧插入环而生内酯，内酯开环，一端的羟基被氧氧插入环而生内酯，内酯开环，一端的羟基被氧化成醛基，再氧化成羧基。化成醛基，再氧化成羧基。环境生物化学环境生物化学 脂环烃的微生物降解脂环烃的微生物降解环境生物化学环境生物化学 烯烃的微生物降解途径烯烃的微生物降解途径 烯烃生物氧化途径研究得较多并已确认是末烯烃生物氧化途径研究得较多并已确认是末端烯烃。末端烯烃的氧化产物随初始进攻的位置端烯烃。末端烯烃的氧化产物随初始进攻的位置(甲基或双键甲基或双键)而变化。可生成：而变化。可生成：(a)-不饱和醇或

52、不饱和醇或脂肪酸；脂肪酸；(b)伯或仲醇或甲基酮；伯或仲醇或甲基酮；(c)1，2-环氧化物；环氧化物；(d) 1，2二醇二醇 。环境生物化学环境生物化学 烯烃的微生物降解途径烯烃的微生物降解途径环境生物化学环境生物化学 芳香烃的微生物降解机理芳香烃的微生物降解机理 （1）单环芳烃的微生物降解机理；）单环芳烃的微生物降解机理；（2）有侧链的芳香烃的降解；）有侧链的芳香烃的降解；（3）多环芳烃的微生物降解机理；）多环芳烃的微生物降解机理；（4）联苯的微生物降解；）联苯的微生物降解；环境生物化学环境生物化学 单环芳烃的微生物降解机理单环芳烃的微生物降解机理 芳香烃被微生物降解的共同特点是首先生成芳香

53、烃被微生物降解的共同特点是首先生成邻苯二酚。然后有二条途径继续降解，其一是经邻苯二酚。然后有二条途径继续降解，其一是经-己二烯二酸、尽酮己二酸生成琥珀酸和乙酰辅己二烯二酸、尽酮己二酸生成琥珀酸和乙酰辅酶酶A；其二是经过；其二是经过-羟基粘康酸半醛，最后生成乙羟基粘康酸半醛，最后生成乙酸和丙酮酸。微生物接受苯系化合物典型的方式酸和丙酮酸。微生物接受苯系化合物典型的方式就是利用氧分子作辅基，在双氧酶作用下，使苯就是利用氧分子作辅基，在双氧酶作用下，使苯环断裂。这些代谢物可以进入三羧酸循环再进一环断裂。这些代谢物可以进入三羧酸循环再进一步代谢降解。步代谢降解。 环境生物化学环境生物化学 单环芳烃的微

54、生物降解机单环芳烃的微生物降解机理理环境生物化学环境生物化学 单环芳烃的微生物降解机理单环芳烃的微生物降解机理 甲苯、二甲苯是最简单的烷基苯，也是重要甲苯、二甲苯是最简单的烷基苯，也是重要的化工原料，在环境污染物中是最常见的有机化的化工原料，在环境污染物中是最常见的有机化合物。它们和其它的多甲基芳香烃类，都是比较合物。它们和其它的多甲基芳香烃类，都是比较艰被微生物降解的。它们在微生物作用下，先通艰被微生物降解的。它们在微生物作用下，先通过辅氧作用，其中一个甲基被氧化，而其余的甲过辅氧作用，其中一个甲基被氧化，而其余的甲基不被氧化；另一种情况则是先在苯环上导入羟基不被氧化；另一种情况则是先在苯环上导入羟基，然后再氧化成羧酸。基，然后再氧化成羧酸。 环境生物化学环境生物化学 单环芳烃的微生物降解机理单环芳烃的微生物降解机理环境生物化学环境生物化学 有侧链的芳香烃的降解有侧链的芳香烃的降解 这类化合物种类很多，代谢降解比较复杂，这类化