危险性化合物微生物降解课件

1、Environmental Biotechnology第三章危险性化合物的微生物降解/Biological Degradation of Hazardous Wastes1主要内容引言烃类化合物的微生物降解卤代有机化合物的微生物降解其他有毒化合物的微生物降解危险性化合物处理的降解生态系统2美国“化学文摘”中登记的化学物质已达600万种之多，并正以每周6000种的速度递增，大部分是在自然界中从未发现过的新化合物。溶剂、冷却剂、增塑剂、汽油和其它石化产品以及农药、杀虫剂、木材防腐剂等。在过去的100年中，人工合成的化学物质在全球的浓度从稍大于零增加到约1ppb，如果以工业产量每年递增2-3%预计，

2、则该类化学物质在100年后将增加到ppm级。 第一节 微生物降解理论基础一、概述3优先污染物(Priority Pollutant)由于有毒物质品种繁多，不可能对每一种污染物都制定控制标准，因而提出在众多污染物中筛选出潜在危险大的作为优先研究和控制对象，称之为优先污染物(Priority Pollutant)或称为优先控制污染物。我国也开展了水中优先污染物筛选工作，提出初筛名单249种，通过多次专家研讨会，初步提出我国的水中优先控制污染物黑名单68种(见表1-2) 。 45异型生物质/ xenobiotics在自然界中具有新颖结构的合成化合物(异型生物质，又称非生物性物质, xenobioti

3、cs)，往往抗微生物攻击或被不完全代谢。因为微生物已有的降解酶不认识这些物质的分子结构和化学键序列，还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。因为大量使用合成的异型生物质，长此以往将会造成整个生态系统的失衡。6异型生物质/ xenobiotics异型生物质（合成化合物）危险性化合物(Hazardous Chemicals)三致作用：致畸、致突变和致癌来源：杀虫剂、除草剂和防腐剂、溶剂的主要成分或石油化工产品的中间产物卤代芳烃和卤代烷烃占很大比例。7采用传统的环境治理技术和方法不足以解决问题。驯化得到具有一定降解能力的微生物群体从特定的环境中分离纯化具有特定降解能力的微生物基因工程微生物反应器规

4、模/微生物制剂现场投放混合培养的重要性。彻底矿化通常要求一个或一个以上营养菌群（如发酵水解菌群、产硫菌群、产乙酸菌群以及产甲烷菌群等）通过多步反应将有毒化合物转化为矿化终产物。微生物脱毒：微生物将有毒异型生物质转化为无毒稳定中间产物或彻底降解为矿化终产物的生物降解过程。危险性化合物的处理8二、微生物菌群的生态学地位依据不同的代谢作用至少可以将微生物群落分为七种：提供特殊营养物；去除生长抑制产物；改善单个微生物的基本生长参数(条件)；对底物协调攻击；共代谢 ；氢（电子）转移；提供一种以上初级底物利用者。包含微生物之间联系的四种群落与较为复杂的有机化合物及异型生物质的代谢有关。以相互代谢作用为基础

5、的三种微生物群落对于简单有机化合物的降解很重要。9(1)提供特殊营养物微生物群落Stirling等人(1976)在环己烷上富集分离得到的一个含有诺卡式菌属/Nocardia以及假单胞菌属/pseudomonas微生物的群落。在该含两个菌属的群落中，Nocardia能够单独氧化环己烷，但它只有在假单胞菌也存在的情况下才能生长，pseudomonas提供生长因子特别是生物素。PseudomonasNocardia10(2)去除生长抑制产物微生物群落Wilkinson等人从以甲烷生产单细胞蛋白的微生物中分离得到的四种微生物组成的群落。甲醇只有在被群落中存在的生丝微菌Hyphomicrobium sp

6、.消耗时，才不会对氧化甲烷的假单胞菌起抑制作用。该群落中的其余两个成员是黄细菌Flavobacterium sp.与不动杆菌Acinetobacter sp.。11(3) 改善单个微生物的基本生长参数(条件)微生物群落一个三种微生物组成群落被从苔黑酚(3，5-二羟基甲苯)中富集得到。降解苔黑酚的一株假单胞菌扩展短杆菌Brevibacterium linens不动杆菌Curtobacterium sp.只有在假单胞菌作为初级降解者存在时才能在苔黑酚上生长。该群落建立在改善单个微生物的基本生长参数的基础上。PseudomonasBrevibacterium linens12(4) 对底物协调攻击微

7、生物群落建立在联合或协同代谢降解基础上的微生物群落在危险性化合物的降解中极为重要，其群落微生物成员不具备单独的能力以转化或脱除有毒化合物，而它们结合成的群落却能将化合物彻底矿化。从降解表面活性剂LAS(线性烷基苯磺酸盐)的活性污泥中富集得到的微生物群落由Pseudomonas putida, Pseudomonas alcaligenes, 节杆菌Arthrobacter globiformis和沙雷氏菌属Serratia marcescens四种微生物组成，当两个成员或所有成员存在时，LAS(线性烷基苯磺酸盐)的降解和开环速率远远高于单个菌种单独存在时。Arthrobacter globif

8、ormisSerratia marcescensPseudomonas putida13(5) 共代谢(Co-metabolism)，共氧化Definition: 指生长基质存在时生长细胞对非生长基质的利用。共代谢被认为是酶缺乏专一性的一种表现 。一个共代谢反应不能产生用于生长的能量，其之所以发生是因为基质(如氯代化合物)能被已经产生的酶利用，共代谢脱氯细菌要求有另外的生长基质作为生长的碳源和能源。使非生长基质发生结构改变，不能彻底降解，改变结构后的化合物可能更容易被其它厌氧微生物降解。14(6) 氢（电子）转移微生物种属间电子(H2或甲酸盐)或其它营养盐的转移，这些作用的原理是微生物在厌氧条

9、件下需要一个积累过剩还原价的受体。两种紧密结合微生物组成的甲烷生成群落中，一种微生物是将乙醇氧化成乙酸和氢的“S微生物”，另一中是利用氢将CO2还原为甲烷的产甲烷菌Methanobacterium MOH。它们的相互关系使得乙醇代谢可以连续进行，而甲烷的生成可以避免抑制性高浓度氢的累积。15COMPLEX ORGANIC MATTERSProteinsCarbohydratesLipidsAmino Acids, SugarsFatty Acids, AlcoholsHydrolysisINTERMEDIARY PRODUCTS(Propionate, Butyrate etc)Acetate

10、Hydrogen, Carbon dioxideFermentationMethaneCarbon dioxideAnaerobic OxidationHomoacetogenesisAcetotrophic MethanogenesisHydrogenetrophic Methanogenesis111112354hydrolysisacidogenesisacetogenesisOrganics Conversion in Anaerobic Systemmethanogenesis722816(7) 提供一种以上初级底物利用者许多连续富集已经得到含一种以上菌种的稳定菌群，该菌群能够在所提

11、供的唯一碳源和能源上生长。这些群落与协同代谢群落不同，因为其每个初级利用者都能完全代谢底物。在除草剂对硫磷和苯甲酸中分离得到了这一类菌群，发现对硫磷被该菌群降解的速度远高于其初级微生物的纯培养，而这些初级微生物对整个菌群的降解成功可能非常重要。17第二节 烃类化合物的微生物降解烃类化合物在好氧混合培养条件下的微生物降解烃类化合物在厌氧混合培养条件下的微生物降解18一、烃类化合物在好氧混合培养条件下的微生物降解（一）芳香化合物虽然大多数芳香化合物在自然界并无生物合成的来源，但是由于这类化合物已经在自然界存在了相当长时间，并且与有生命的有机生物长时间接触使之演化，因而确实已经发现了一些芳香化合物可

12、以被微生物降解。191、苯及烷基苯类分子氧在单氧化酶或双氧化酶的作用下使苯环羟基化，并进一步使环开裂。真核细胞利用单氧化酶将O2的一个氧原子引入芳香烃，可生成反式-二羟基化合物。细菌催化氧化芳香烃是将氧分子的两个氧原子化合，自发形成初级代谢物顺式-二羟基二醇，而后失去两个氢原子形成邻苯二酚。苯20O2(I). Under aerobic condition21 (I). Ortho（邻位） fission (II). Meta（间位） fissionO2O2芳香烃氧化形成的邻苯二酚或取代邻苯二酚的开环22真菌细菌23如甲苯、二甲苯及其它烷基苯在细菌氧化下也生成顺式-二羟基二醇。好氧条件下的生物

13、降解可能有两种途径苯环氧化形成烷基-邻苯二酚然后再环开裂；氧化发生在取代的烷基上形成芳香醇类，再进一步氧化至开裂前的先导物二羟基芳香醇类化合物氧化是由甲基基团还是芳环开始取决于细菌种类。取代苯24苯环氧化形成烷基-邻苯二酚然后再环开裂；氧化发生在取代的烷基上形成芳香醇类，再进一步氧化至开裂前的先导物二羟基芳香醇类化合物25Polycyclic Aromatic Hydrocarbon/PAH DegradationFigure 8. Proposed pathways for the metabolism of benz(a)anthracene/苯蒽by Beijerinckia strai

14、n B1. Benz(a)anthracene/苯蒽26Phenanthrene/菲 Degradation27二、 烃类化合物在厌氧混合培养条件下的微生物降解（一）芳香化合物苯甲酸降解机理中所涉及的初始缺氧(anoxic)转化是通过环的还原达到的，还原的芳环提高了脂环(alicyclic)的饱和度，随后可水解开环生成C1C5的羧酸，然后通过乙酸矿化为CH4和CO2(图3-8)。2829在缺氧(anoxic)条件下氧能被从水分子中结合到甲苯和苯分子中。非氧加成芳香化合物如苯、甲苯等首先转化为苯酚、甲苯酚或邻苯甲酚。甲苯经历甲基氧化生成苯基醇、苯甲酸。多环芳烃(PAHs)如萘、苊等可以被厌氧降解

15、，但是途径不明。起始转化的步骤涉及从水分子的羟基引入氧。30Under anaerobic conditionH2O31第三节 卤代有机化合物的微生物降解卤代有机化合物在好氧混合培养条件下的微生物降解卤代有机化合物在厌氧混合培养条件下的微生物降解32一、 卤代有机化合物在好氧混合培养条件下的微生物降解与碳氢化合物相比，卤原子的引入使卤代有机化合物的生物降解性大大降低。例如，短链烃是易于生物降解的，而氯代烷烃是耐生物降解的。在特定条件下，微生物可以通过其具有较宽专一性的酶将这些化合物生物转化。33分子氧。有机底物氧化释放出电子和能量产生时用作最终电子受体氧作为生化反应的底物并在进一步的代谢中被化

16、合到有机产物中。已知有约100种氧化酶可以催化O2化合到有机物中双氧化酶催化氧分子的两个原子的插入单氧化酶催化氧分子的一个原子的插入，而其余的氧被还原成水。 34MonooxygenasesDioxygenasesOxidative Reactions35（一）卤代芳烃卤代芳香化合物的生物降解的概念是其环被开裂为中间代谢物并且其有机卤素被矿化。生物降解的唯一重要限速步骤是卤素取代基从有机化合物中的脱除，它主要通过以下两种途径发生在降解初期通过还原、水解或氧化分解(oxygenolytic)去除机理消除卤素；生成非芳香结构产物后通过自发水解脱卤或-消去卤化氢。361、脱卤优先于开环Johnsto

17、n等(1972)报道了一株假单胞菌将3-氯苯甲酸催化脱卤为3-羟基苯甲酸和2,5-二羟基苯甲酸，1975年Chapman又发现几株微球菌可以将4-氯苯甲酸转化为4-羟基苯甲酸，尔后又有几例相似的发现。1984年Mark等与Muller等用18O2和H218O进行脱氯反应发现碳卤素键的开裂与水有关而与O2无关。偶尔由双加氧酶催化的脱氯过程是卤代芳香化合物脱卤的另一个分支途径，氧被空间选择性地引入芳香环中并自发脱卤。37382 、开环后脱卤由于卤代芳香化合物不进行亲核反应，则可能在卤代芳烃初步转化为非芳香中间产物形成较弱卤素碳键以后发生脱卤反应，该途径的共同特点是卤素去除都在卤代芳香化合物被转化为

18、3-氯邻苯二酚以后所有利用卤代芳香化合物的细菌体系都利用在邻位断裂途径的酶。而间位途径的关键酶，2，3-双加氧酶被3-氯邻苯二酚生成的酰基氯不可逆地抑制了活性(图3-10)。3940 (二)卤代脂肪烃有机挥发化合物：四氯乙烯(PCE)、三氯乙烯(TCE)、1,1,1-三氯乙烷(TCA)、顺-1,2二氯乙烯(cis-1,2-DCE)、1,2-二氯乙烷(1,2-DCA)以及1,1-二氯乙烯(1,1-DCE)。这些化合物能在环境中持久存在并稳定迁移到地表下层水体中。目前主要处理方法为：将水抽至地表曝气塔处理或用炭吸附去除，但这些方法成本较高且只是简单地将污染物从一个相(水)转移到另一相(空气)中。4

19、1卤代有机化合物通常不易于被微生物降解，例如，三氯乙烯的半衰期为300d。但卤代化合物在特定条件下能被微生物降解。 卤代脂肪烃的氧化模式主要有以下两种。利用烷烃的细菌由加氧酶将分子O2引入到有机分子中。假单孢菌和生丝微菌属(Hyphomicrobium)等能将氯代烷烃作为初始底物代谢，作为惟一碳源和能源。42碳一碳双键的环氧化作用(epoxidation)或氧化作用被认为是卤代乙烯氧化的第一步，环氧化的中间产物可以自发通过一系列反应生成二卤乙酸、乙醛酸(glyoxylic acid)或其他一碳化合物。由加氧酶将分子O2引入到有机分子中epoxidation43甲烷营养菌群 和其他好氧菌能够通过

20、单加氧酶或双加氧酶共代谢降解一些氯代甲烷、氯代乙烷、氯代乙烯。其氧化速率与化合物的氯取代程度成反比，高氯代化合物如四氯乙烯不被氧化，而氯乙烯(CH2CHCl)比二氯乙烯(DCEs)代谢快得多。44将氯代烷烃作为初始底物代谢氯代烷烃的完全代谢有三种不同途径，见图3-11。以二氯甲烷为例，谷胱甘肽(glutathione)-依赖型脱卤：脱氯由谷胱甘肽(glutathione)-依赖型脱卤酶完成，基于谷胱甘肽(glutathione-mediated)的脱卤作用通常由对与卤素相连的碳原子的亲核攻击引起的。氧化脱卤：1，2-二氯乙烷的降解有两种途径，土壤细菌DE2通过氧化脱卤将1，2二氯乙烷转化为1，

21、2-二氯乙醇，并进一步转化为2氯乙醛和2氯乙酸(图3-11)。水解脱卤：自养黄色杆菌(Xanthobacter autotrophicus)通过水解脱卤将1，2二氯乙烷降解为2-氯乙醇(图3-11)。4546二、卤代有机化合物在厌氧混合培养条件下的微生物降解厌氧微生物能降解许多毒害化合物，进行一些好氧条件下未发现的特殊脱毒反应(如高氯代脂肪烃、芳烃的还原脱氯、芳环到脂环(alicyclic)结构的转化以及开环的还原作用。Food(OrganicCompound)Electron DonorElectron AcceptorChlorinatedSolvents47卤代芳烃氯代苯甲酸氯代苯甲酸长

22、期被作为降解研究的典型化合物，因为它们是危险化合物之一，也是一些污染物的降解中间产物如多氯联苯(PCBs)、氯酚，或是一些除草剂的组成成分。研究结果表明在厌氧污泥混合培养中85%的3-氯苯甲酸被矿化为CH4和CO2，其中间产物为苯甲酸。另一些研究表明底泥或污泥混合培养菌落可将单、二和三卤代苯甲酸脱卤。48+ HCl+ 2HReductive dehalogenation49五氯酚(PCP)是氯酚中研究最广泛的，作为一种重要的化工原料，常用于防腐剂、杀虫剂、除草剂和杀菌消毒剂中，其性质稳定，有剧毒。在造纸和纸浆废水中，氯代芳烃，包括氯酚、氯代邻苯二酚和氯代邻甲氧基苯酚(chlorognaiaco

23、ls)，在厌氧流化床反应器中发现被转化和降解，在新鲜污泥和富集微生物培养中都发现氯代邻苯二酚和4-氯间苯二酚(4-chlororesorcinol)的还原脱氯作用，氯酚在厌氧反应器中比在曝气池或活性污泥法中去除要快得多。氯酚类50最初的脱氯发生在邻位(ortho-)、或间位(meta-)或对位(para-) 。Hendriksen等(1992) 在UASB反应器中发现了两种脱氯途径(图1.4)。大部分进水PCP通过途径B脱氯，少数通过途径A脱氯。在B途径，最初的对位脱氯产生2,3,5,6-四氯酚(TeCP)，该产物进一步在邻位脱氯产生2,3,5-三氯酚(TCP)和3,5-二氯酚(DCP)。在途径A，通过最初的邻位脱氯，PCP逐步脱氯产生2,3,4,5-TeCP和3,4,5-TCP，随后产生3,5-DCP和3，4-DCP。Bhatnager et al (1991)发现最初的脱氯发生在间位(途径C，1.4)。氯酚类不同的脱氯途