第10章-微生物对污染物的分解与转化-水处理生物学教学课件

1、第十章 微生物对污染物的分解与转化第十章 微生物对污染物的分解与转化有机污染物生物净化天然物质、人工合成物质无机污染物生物净化有机污染物生物净化第一节 微生物对有机污染物的分解作用一、生物分解的一般特点净化本质微生物将有机物转化为无机物依靠好氧分解与厌氧分解（分类）分解程度：去除、初级分解、环境可接受分解、完全分解（P190）第一节 微生物对有机污染物的分解作用一、生物分解的一般特第10章-微生物对污染物的分解与转化-水处理生物学教学课件第10章-微生物对污染物的分解与转化-水处理生物学教学课件厌氧发酵的几个阶段厌氧发酵的几个阶段厌氧活性污泥净化废水的作用机理复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四

2、个阶段水解阶段、发酵阶段（又称酸化阶段）、 产乙酸阶段、产甲烷阶段1水解阶段在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物2发酵阶段 梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等厌氧活性污泥净化废水的作用机理复杂污染物的厌氧降解过程可以分3产乙酸阶段上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。4产甲烷阶段乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和以及甲烷菌细胞物质。经过这些阶段大分子的有机物就被

3、转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。3产乙酸阶段复杂有机物1水解 2发酵脂肪酸 乙酸 H2 + CO23产乙酸 CH4 + CO24产甲烷4产甲烷复杂有机物1水解 2发酵脂肪酸 乙酸 H2 + CO23产乙水体自净的天然过程中厌氧分解（开始） 好氧分解（后续）水体自净的天然过程中厌氧分解（开始） 好氧分解（后续）第二节 有机物的生物分解性一、分解性评价方法：1、生物分解潜能试验：是否能分解1）易生物分解试验：不利生物分解条件下2）本质性生物分解：最有利条件下2、生物分解模拟试验：特定条件下是否分解3、步骤：P198：第二节 有机物的生物分解性一、分解性评价方法：二、

4、分解性与分子结构的关系一般规律：P198增加异源基团降解性变差，甲基多变差，脂肪族分子大不易分解，芳香族、苯环量大不易分解，好氧、厌氧分解规律不同QSBR模型：降解性与物理化学性质的关系二、分解性与分子结构的关系一般规律：P198三、几个问题1、降解性与浓度的关系过犹不及2、共代谢现象：单独不分解，加入其它化合物促进分解3、有机物的相互作用： 1）不影响 2）促进作用 3）阻碍作用三、几个问题1、降解性与浓度的关系过犹不及4、微生物之间作用 协同、拮抗、捕食、竞争等5、生物去毒与激活作用6、污水中有机污染物的生物分解性评价BOD5/CODcr：0.4-0.6 生物降解性好 0.2-0.4 一般

5、 A链长度 链末端有季碳原子（四周都与C相连）的烃以及2降解石油的微生物降解石油的微生物很多，据报道有200多种细 菌 假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌 诺卡氏菌酵母菌 假丝酵母霉 菌 青霉属、曲霉属藻 类 蓝藻和绿藻2降解石油的微生物降解石油的微生物很多，据报道有200多种3石油的降解机理A链烷烃的降解 + O2R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH -氧化 CO2 + H2O CH2-COOH + R-COOH3石油的降解机理A链烷烃的降解B无支链环烷烃的降解 以环己烷为例 通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环

6、己烷，两类以上微生物的协同作用下将污染物 彻底降解共代谢。B无支链环烷烃的降解通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另C芳香烃芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烃的细菌类别C芳香烃芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可以不 苯和酚的代谢苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示 苯的代谢 苯和酚的代谢苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示萘的代谢萘的代谢菲的代谢菲的代谢蒽的代谢蒽的代谢酚也是先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下酚也是先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同提问：为什么这些有机物难于生物降解

7、？微生物缺乏相应的水解酶四、 人工合成的难降解有机化合 物的生物降解难对于自然生态环境系统,如果一种化合物滞留可达几个月或几年之久,或在人工生物处理系统, 几小时或几天之内还未能被分解或消除种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等。提问：为什么这些有机物难于生物降解？四、 人工合成的难降解1. 氯苯类用 途：稳定剂（润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热载体、油墨等都含有）危 害：急性中毒，是一种致癌因子（米糠油事件）降 解 菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体通过共代谢完成氯苯的完全降解。*共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状

8、？1. 氯苯类用 途：稳定剂（润滑油、绝缘油、增塑剂2洗涤剂可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠。较早开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：ABS甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的季碳原子抗攻击的能力更强。2洗涤剂可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类危害：ABS可以在天然水体中存留800h以上，使这得接纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫，引起水体缺氧。为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线性的直链烷基苯磺酸盐（LAS）：由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。ABS危害：ABS可以

9、在天然水体中存留800h以上，使这得接纳他的A降解洗涤剂的微生物细 菌假单胞菌、邻单胞菌、黄单胞菌、产碱单胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌放线菌诺卡氏菌由于这些微生物的作用，虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐年递增，但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加。因而洗涤剂一般不会引起环境的有机污染。洗涤剂目前存在的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体富营养化问题 。A降解洗涤剂的微生物细 菌假单胞菌、邻单胞菌、黄单胞B洗涤剂的降解机理B洗涤剂的降解机理对微生物无影响（1）.土地板结（2）. 被海鸟及海洋哺乳动物误食，致使这些动物消化系统停滞，引起死亡。具报道每年海洋中死于废弃塑料的海鸟和海洋

10、哺乳动物，数目之多令人触目惊心。 （3）.影响景观目前发现能降解塑料的微生物，种类很少，而且降解速度缓慢。他们主要是细菌、放线菌、曲霉中的某些成员。3.塑料塑料在环境中积累有哪些危害？危害：白色污染对微生物无影响3.塑料塑料在环境中积累有哪些危害？提问：如何解决塑料的难降解问题？（1）限制使用不可降解塑料（2）开发可降解塑料 光降解、高填充碳酸钙、填充淀粉、淀粉改性塑料、 化学合成或用微生物、转基因植物直接生产可生物降解的塑料；* 如何制造完全生物可降解塑料？有哪些种类？发展前景如何？提问：如何解决塑料的难降解问题？* 如何制造完全生物可降解塑4.农药如杀虫剂、除草剂等化学成分：有卤素、磷酸基

11、、氨基、硝基、羟基及其它取代物的简单烃骨架（有机磷、有机锡、有机氯等）。相比较其它取代基团而言，微生物对卤素取代基往往不适应，因而随着卤素取代基数量的增多，农药的生物可降解性大幅度下降。水中来源：农田土壤的灌溉水或雨水4.农药如杀虫剂、除草剂等危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸变）最典型的一个例子就是杀虫剂DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯代基数量大，在自然界的半衰期长达半年以上，由于DDT不溶于水而易溶于脂肪，因而可在动物脂肪组织中堆积，并沿着食物链在逐级向上不断积累，引起生物各种急慢性中毒。降解农药的微生物： 细 菌 假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌 放线菌 诺卡氏菌 真 菌 曲霉

12、这些微生物往往需共代谢将农药逐级降解。危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸变）降解农药的微生物：第三节 含氮有机物的生物分解蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。一、氮的循环：第三节 含氮有机物的生物分解蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化第10章-微生物对污染物的分解与转化-水处理生物学教学课件二、氮源有机污染物的转化二、蛋白质的分解水中来源： 生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等1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

13、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)。二、氮源有机污染物的转化二、蛋白质的分解2降解机理反硝化N22降解机理反硝化N23.典型含氮有机物的转化氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物 水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危 害：生物毒害 、环境积累A降解这些物质的微生物细 菌紫色杆菌、假单胞菌放线菌诺卡氏菌真 菌氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等 3.典型含氮有机物的转化氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等B降解机理a.氰化物5HCN + 5.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3b.有机腈担子菌

14、还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成为氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。 HCN CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH 甲醛 氨基乙腈 丙氨酸B降解机理a.氰化物担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合三、尿素的转化转化为碳酸铵（尿素酶）再分解三、尿素的转化转化为碳酸铵（尿素酶）再分解第四节 无机元素的转化 主要的无机污染物有 硫酸盐、磷酸盐、氨氮及硝酸盐、金属离子等水中来源及危害：磷酸盐洗涤剂中作为软水剂使用的磷酸盐、土壤 富营养化氨氮硝酸盐工业废水和使用硝酸盐化肥的农田冲蚀水 富营养化金属离子 采矿、冶金、化工等行业的废水 生物中毒第四节 无机元素的转化 主要

15、的无机污染物有 一、 硫大气中的SO2火山爆发分 解 者动植物遗体碎屑、排出物土壤或水体中的SO42-降水生 产 者吸收燃烧消 费 者摄入石油等化石燃料一、 硫大气中的SO2火山爆发分 解 者动植物遗体土壤或水体含硫有机物的转化动、植物和微生物机体中含硫有机物主要是蛋白质。能够分解含氮有机物的都能分解含硫有机物，产生硫化氢。含硫有机物的转化动、植物和微生物机体中含硫有机物主要是蛋白质无机硫的转化1.硫化作用 有氧条件下，通过硫细菌的作用将H2S氧化为元素S，再进而氧化为硫酸。2.硫化细菌 革兰氏阴性杆菌，从氧化含硫无机物过程中获得能量，产生硫酸。 硫杆菌广泛分布于土壤、淡水、海水中，不同种类的

16、硫杆菌要求的环境pH不同，氧化硫硫杆菌2.03.5，氧化亚铁硫杆菌2.55.8，排硫杆菌中性和偏碱性无机硫的转化1.硫化作用3.硫磺细菌 将H2S氧化为S，并将硫粒积累在细胞内。丝状硫磺细菌：贝日阿托氏菌 发硫菌 辫硫菌属 亮发菌 透明颤菌属在生活污水和含硫工业废水的生物处理过程中出现。含硫化物较多时，贝日阿托氏菌和发硫菌过度生长引起活性污泥丝状膨胀。光能自养硫细菌 含细菌叶绿素，在光照下，将H2S氧化为S。3.硫磺细菌4.反硫化作用 水体处于缺氧状态时，含硫无机盐在微生物的还原作用下形成H2S。 在混凝土排水管和铸铁排水管中，如有硫酸盐存在，管底常因缺氧而产生H2S。 H2S上升到污水表层或

17、逸出空气层，与污水表面溶解氧相遇， H2S被硫化细菌或硫磺细菌氧化为硫酸，使混凝土管和铸铁管受到腐蚀。4.反硫化作用二、磷酸盐的转化洗涤剂中的磷酸盐为可溶性的磷酸钠土壤中的磷酸盐则主要是难溶的磷酸钙 微生物产酸土壤中的难溶磷酸盐 可溶性磷酸盐 洗涤剂中的可溶性磷酸盐 卵磷脂、核酸、ATP厌氧条件下，磷酸盐还可以被梭状芽孢杆菌、大肠杆菌等还原为PH3。（自燃鬼火） + 8H H3PO4 PH3 4H2O二、磷酸盐的转化洗涤剂中的磷酸盐为可溶性的磷酸钠三、氨氮及硝酸盐的转化1同化作用被大多数微生物作为无机氮源营养物，产物为蛋白质、核酸等2异化作用 硝化细菌及反硝化细菌 硝化作用反硝化作用 N2三、

18、氨氮及硝酸盐的转化1同化作用四、金属离子金属离子的毒性提问：影响金属离子毒性的因素有哪些？种类、浓度、存在状态（包括价态、络合态、共存离子性质）例如，六价铬比三价铬毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有机锡比无机锡毒，有机锡中的烷基锡比芳香基锡毒，烷基锡中三烷基又比其他烷基锡毒。四、金属离子金属离子的毒性（一）铁的生物转化1、铁细菌：氧化沉淀2、还原溶解：氧不足时发生3、有机铁化物的形成与溶解（一）铁的生物转化1、铁细菌：氧化沉淀（二）铬的生物转化厌氧：6价有毒铬还原成3价无毒铬有机质会影响铬还原（二）铬的生物转化厌氧：6价有毒铬还原成3价无毒铬1.汞的形式无机汞（多难溶）： Hg

19、2+2 Hg0 + Hg2+注：Hg2+2=Hg+ Hg+零价的金属汞与一价汞盐几乎不溶二价汞盐除了硫化汞、碘化汞外几乎均可溶解有机汞（易溶） ：通式RHgX和R2Hg其中R为有机原子基团，X为无机离子如卤素原子、硫酸根、硝酸根、磷酸根、氰化物、羟基等。（三）汞微生物转化主要是氧化还原和甲基化作用。1.汞的形式无机汞（多难溶）：（三）汞微生物转化2汞化合物的毒性难溶的汞生物吸收困难，毒性很小易溶的汞容易吸收，毒性很强（其中甲基汞的毒性最强）毒性体现：神经麻痹以致引起死亡。日本的水俣湾甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。这类汞中毒一般都不是通过直接饮用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物链积累并由水中的鱼类向上传递给人而引起的。水中的甲基汞到底是怎么来的？ 2汞化合物的毒性难溶的汞生物吸收困难，毒性很小3.汞的甲基化汞的甲基化是由微生物依靠甲基化辅酶形成的。汞甲基化微生物：细 菌甲烷菌、匙形梭菌、荧光假单胞菌、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌、巨大芽孢杆菌真 菌粗糙链孢霉、黑曲霉、酿酒酵母等。过程如下： 甲基化辅酶 甲基化辅酶 Hg2+ Hg+ -CH3 Hg(CH3) 2 -CH3 -CH3鱼类体表粘液中有许多