污染物的生物降解演示文稿

污染物的生物降解演示文稿第一页，共九十二页。生物降解⒈定义：（biodegradation）：复杂有机化合物在微生物作用下转变成结构较简单化合物或被完全分解的过程。将有机物彻底分解至释放出无机产物CO2与H2O，则称终极降解（ultimatebiodegradation）。通过微生物代谢导致有机或无机化合物的分子结构发生某种改变、生成新化合物的过程称为生物转化（biotransformation或bioconversion）。第二页，共九十二页。为什么利用微生物？生长速度快，生长旺盛；数量大；代谢类型多样化；适应性强；降解性的质粒(plasmid)第三页，共九十二页。降解性质粒：在假单胞菌属(Pseudomonas)中发现。它们可编码一系列能降解复杂物质的酶,从而能利用一般细菌所难以分解的物质作碳源。这些质粒以其所分解的底物命名,CAM(樟脑)质粒,OCT(辛烷)质粒,XYL(二甲苯)质粒,SAL(水杨酸)质粒,MDL(扁桃酸)质粒,NAP(萘)质粒TOL(甲苯)质粒等。

第四页，共九十二页。环境污染物质分解途径：光分解化学分解（自然分解）生物分解

生物分解作用最大，具有重要地位和作用。第五页，共九十二页。可生物降解性（biodegradability）：是指化合物被生物降解的可能性及其难易程度。分为3种类型：①可生物降解物质：单糖、蛋白质、淀粉、核酸等；②难生物降解物质：这类物质能被微生物降解，但时间较长，如纤维素、某些农药和烃类等；③不可生物降解物质：如塑料、尼龙等。

研究的意义？第六页，共九十二页。重要的实践意义：对污染物的治理有着指导性；可生物降解，处理后排放；难降解的污染物，控制排放，或改革工业流程、改变产品化学结构；不可生物降解，停止生产。第七页，共九十二页。基质的可生物氧化率常应用瓦氏（Warburg，亦称华氏）呼吸仪进行测定。呼吸代谢作用释放出的CO2量或消耗了的O2量第八页，共九十二页。BOD5/COD生物分解速度举例＞0.4较快甲醛、乙醛、乙酸、丙酮、丁酸、甘油、酚等0.4～0.3一般一般城市污水、醋酸钙、棕榈酸等0.3～0.2较慢，微生物需经驯化丙烯醛、丁香皂等＜0.2很慢，微生物需长期驯化丁苯、乙戊二乙烯等第九页，共九十二页。基质的生化呼吸曲线基质呼吸线内源呼吸线时间/h两种呼吸耗氧曲线比较tBCA耗氧量/(mgo2/g污泥)第十页，共九十二页。微生物降解试验土壤消毒试验：新开发的农药可生物降解性的评定第十一页，共九十二页。微生物降解试验培养液中降解试验：包括物理外观上的变化，诸如浊度、颜色与色度、嗅味等；微生物学的变化，诸如菌数、生物量及生物相等；化学变化，如pH、COD、BOD，特别是该污染物的浓度变化。第十二页，共九十二页。微生物降解试验脱氢酶活性在含有污染物的培养液中微生物脱氢酶活性有所增加，则说明微生物能利用该污染物以供生长繁殖，具有可生物降解性。第十三页，共九十二页。微生物降解试验ATP凡在含有污染物培养液中生活的微生物体中ATP量增长，说明微生物对该污染物可以降解。第十四页，共九十二页。放射性14C标记将此种标记污染物加入消毒土壤试验或培养液微生物降解试验中，检测土壤或水体中释放的14CO2，计算其回收率，从而评定该污染物的可生物降解性

第十五页，共九十二页。微生物降解污染物的一般途径矿化作用（mineralization）指有机污染物在一种或多种微生物的作用下彻底分解为H2O、CO2和简单的无机化合物含氮化合物、含磷化合物、含硫化合物和含氯化合物等的过程。矿化作用是彻底的生物降解，即终极降解；矿化作用过程包括氧化、还原、水解、脱水、脱氨基、脱羧基、脱卤和裂解等生化反应。第十六页，共九十二页。共代谢作用（cometabolism）

难降解的有机化合物不能直接作为碳源或能源物质被微生物利用，当环境中存在其他可利用的碳源或能源时，难降解有机化合物被利用，这样的代谢过程称为共代谢作用。第十七页，共九十二页。①靠降解其他有机物提供能源：例如直肠梭菌（Clostridiumrectum）需有蛋白胨类物质存在才降解丙体666；

②靠其他微生物协同作用：如农药二嗪农的嘧啶基环，需链霉菌和节杆菌共同协作才能降解，两菌各自单独存在则不起作用；③先经别的物质诱导：如一种铜绿假单胞菌要经正庚烷诱导才产生羟化酶系，使链烷羟基化为相应的醇。第十八页，共九十二页。影响微生物降解转化因素物质的化学结构共代谢作用环境物理化学因素降解或转化污后生成的中间体或终产物第十九页，共九十二页。有机污染物的微生物净化人工合成物微生物净化无机污染物微生物净化第二十页，共九十二页。Ⅰ有机污染物净化机理净化本质：微生物转化为无机物途径：好氧分解与厌氧分解第二十一页，共九十二页。好氧分解微生物：细菌、真菌原理：好氧有机物呼吸第二十二页，共九十二页。有机C→CO2+碳酸盐和重碳酸盐有机N→NH3→HNO2→HNO3有机S→H2SO4有机P→H3PO4

无机盐无毒无臭！第二十三页，共九十二页。厌氧分解微生物：厌氧细菌原理：发酵、厌氧无机盐呼吸第二十四页，共九十二页。C→RCOOH（有机酸）→CH4+CO2N→RCHNH2COOH→NH3（臭味）+有机酸（臭味）S→H2S（臭味）P→PO43-水体自净的天然过程中厌氧分解（开始）→好氧分解（后续）第二十五页，共九十二页。各类有机污染物的微生物转化

一、碳源污染物的转化包括：糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等。（一）糖类污染物提问：哪些糖类会成为污染物？难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。第二十六页，共九十二页。第二十七页，共九十二页。第二十八页，共九十二页。1．纤维素的转化成分：葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含1400~10000个葡萄糖基（β1-4糖苷键）。

来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。第二十九页，共九十二页。A．微生物分解途径第三十页，共九十二页。B．分解纤维素的微生物好氧细菌——粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌氧细菌——产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。放线菌——链霉菌属。真菌——青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。需要时可以向有菌种库的研究机构购买或自行筛选。第三十一页，共九十二页。第三十二页，共九十二页。2．半纤维素的转化存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。分解过程

TCA循环聚糖酶CO2+H2O半纤维素单糖+糖醛酸

H2O各种发酵产物厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。第三十三页，共九十二页。3．木质素的转化木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。Lignin木质素木质素空腔纤维素第三十四页，共九十二页。香豆醇松柏醇芥子醇聚合交联木质素模式图第三十五页，共九十二页。确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌;疑似的只有软腐菌。黄孢原平毛革菌(Phanerochaetechrysosprium)是白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。白腐—树皮上木质素被该菌分解后漏出白色的纤维素部分。自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？*木质素降解的意义何在呢？如何实现工业化白腐菌降解木质素呢？第三十六页，共九十二页。（二）油脂的转化来源：毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水、制革厂废水含有大量油脂降解油脂较快的微生物：细菌——荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌丝状菌——放线菌、分支杆菌真菌——青霉、乳霉、曲霉途径：水解+β氧化第三十七页，共九十二页。（三）石油的转化提问：什么是石油？石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事故现场以及石化行业的工业废水中。1．石油成分的生物降解性与分子结构有关第三十八页，共九十二页。A．链长度

链中等长度（C10~C24）＞链很长的（C24以上）＞短链（*？）B．链结构直链?支链不饱和?饱和烷烃?芳烃第三十九页，共九十二页。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——蓝藻和绿藻第四十页，共九十二页。3．石油的降解机理A．链烷烃的降解

+O2R-CH2-CH2-CH3R-CH2-CH2-COOHβ-氧化

CO2+H2OCH2-COOH+R-COOH第四十一页，共九十二页。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。第四十二页，共九十二页。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。C．芳香烃第四十三页，共九十二页。

苯和酚的代谢苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示苯的降解第四十四页，共九十二页。萘的代谢第四十五页，共九十二页。菲的代谢第四十六页，共九十二页。蒽的代谢第四十七页，共九十二页。

酚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，可表示如下第四十八页，共九十二页。Ⅱ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？微生物缺乏相应的水解酶第四十九页，共九十二页。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？第五十页，共九十二页。指1968年在日本发生的一种食品污染公害事件。患病者5000多人，其中死亡16人，实际受害者超过1万。用米糠油中的黑油作家禽饲料，引起几十万只鸡死亡。症状有眼皮肿、掌出汗、全身起红疙瘩，重者呕吐恶心，肝功能下降，肌肉痛，咳嗽不止，甚至死亡。主要污染物是多氯联苯。其发生原因是，生产米糠油时用多氯联苯作脱臭工艺中的热载体，因管理不善，混入米糠油中，食后中毒。

第五十一页，共九十二页。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。第五十二页，共九十二页。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）：ABS由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。第五十三页，共九十二页。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。第五十四页，共九十二页。B．洗涤剂的降解机理第五十五页，共九十二页。3.塑料第五十六页，共九十二页。第五十七页，共九十二页。人工合成的高分子聚合物是各种塑料制品的原料。90%是由聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯所构成。高分子聚合物的分子量在数千至15万的范围内，一般都能抗生物降解。第五十八页，共九十二页。危害对微生物无影响土地板结被动物误食：危害消化系统。影响景观生物毒性第五十九页，共九十二页。

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。它们主要是细菌、放线菌、曲霉中的某些成员。第六十页，共九十二页。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？第六十一页，共九十二页。第六十二页，共九十二页。4.农药如杀虫剂、除草剂等化学成分：有卤素、磷酸基、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。第六十三页，共九十二页。我国每年使用的农药达50多万吨。残留在土壤中；被灌溉水或雨水淋洗冲入水域被降解或转化成其它物质。第六十四页，共九十二页。第六十五页，共九十二页。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6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。第六十六页，共九十二页。DDT经食物链浓缩107倍第六十七页，共九十二页。瑞士化学家默勒(PoulMuller)1939年发明DDT(二氯二苯三氯乙烷)并用作杀虫剂，从而开创了以DDT为代表的有机氯农药新时代。在第二次世界大战期间及以后DDT被广泛用于防治疟疾、脑炎、斑疹伤寒等传染病，挽救了数百万人的生命。DDT把人类从传染病的“围城”中解救出来，由此默勒获得1948年度的诺贝尔奖。此后DDT被广泛使用，据估算全世界使用了500万吨。第六十八页，共九十二页。DDT具有脂溶性、致癌性和难于被降解的特点，DDT对益虫的杀害以及沿食物链富集造成不良的生态效应，鱼类、蛙类、鸟类及其他高营养级生物繁殖能力下降以至灭绝，对人类健康也构成严重威胁。美国从1973年起，我国从1983年起禁用DDT，其他有机氯农药也相继退出历史舞台；但残存有机氯农药仍像幽灵一样在生态环境中徘徊，而且其他化学农药污染(以有机磷农药为主)的“围城”仍然存在。第六十九页，共九十二页。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

这些微生物往往需共代谢将农药逐级降解。第七十页，共九十二页。二、氮源有机污染物的转化蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。（一）蛋白质的转化水中来源：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)。第七十一页，共九十二页。2．降解机理反硝化N2↑第七十二页，共九十二页。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)、木霉及担子菌等第七十三页，共九十二页。B．降解机理a.氰化物5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3b.有机腈担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成为α—氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。

HCNCH3COHCH3CHNH2CNCH3CHNH2COOH

甲醛α—氨基乙腈丙氨酸第七十四页，共九十二页。Ⅲ无机污染物的转化主要的无机污染物有: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

生物中毒第七十五页，共九十二页。一、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）+8HH3PO4PH3↑4H2O第七十六页，共九十二页。二、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↑第七十七页，共九十二页。三、金属离子（一）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。第七十八页，共九十二页。致毒浓度低；如汞、镉等重金属的致毒浓度范围在1～10mg/kg以下；通过食物链积累重金属可在高营养级水平的生物体内成千万倍地富集，然后通过食物进入人体，造成慢性中毒；甲基汞的毒性比无机汞高50～100倍，它是亲脂性的，具有很高的神经毒性。第七十九页，共九十二页。（二）微生物转化主要是氧化、还原和甲基化作用。第八十页，共九十二页。1.汞的形式无机汞（多难溶）：

Hg2+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。第八十一页，共九十二页。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？

第八十二页，共九十二页。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