有机污染物的生物降解原理及应用电子教案

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有机污染物的生物降解原理及应用 学时 2有机污染物的生物降解原理；2．有机物生物降解原理的应用学问目标了解微生物分解有机污染物的巨大潜力；教学

力量目标1．有机污染物的可生物降解性能测定方法。

素养目标学精神；有机污染物的可生物降解目标 性；理解有机污染物的生物降解与转化途径；理解影响生物降解的因素。教学

推断废水的生物降解性。2手的习惯和良好的职业素养。重点：1．理解有机污染物的生物降解与转化途径重点难点 难点：2．有机物生物降解原理在水处理中的应用教学学问讲解：问题探究、现场教学与传统讲授相结合的多媒体教学方法手段 试验实训：任务驱动下学生主体的教、学、做一体化实训活动告知学生“有机污染物的生物降解原理及应用”包括的内容及学问、力量目标；以污染物生物处理的优点切入，以水的生物处理处理工作引入、引发学生思考、教学争论；组织 3．教师讲解有机污染物的生物降解与转化途径，引导学生思考争论微生物在废水生形式 物处理中的应用。4．引导学生自己总结、回忆教学内容，让学生利用SQ4R学习方法不断拓展和稳固微生物根底学问，为将来后续专业课程学习和工作奠定良好的学问根底。作业 本学问点学习版PPT，课后思考题与习题。参考 1．《环境微生物学》，陈剑虹主编，武汉理工大学出版社，2023.12．《环境工程微生物技术》，钟飞主编，化学工业出版社，2023资料3．《水处理微生物学》，赵远主编，高等教育出版社出版，2023.7学问点：有机污染物的生物降解原理及应用微生物分解有机污染物的巨大潜力极其多样的代谢类型，使自然界存在的有机物几乎都能被微生物所分解生物的代谢类型极其多样，作为一个整体，微生物分解有机物的力量是惊人的。自然界存在的各种有机化合物，几乎都可找到使之降解或转化的微生物。很强的变异性，使很多微生物获得了降解人工合成大分子有机物的力量来，已觉察很多微生物能降解人工合成的有机物。争论说明，可从污染环境中筛选、分别出一些污染物的高效降解菌株，这些菌株经过驯化、筛选和培育后，可以使不行降解的或难降解的污染物转变为能降解的物质，从而快速、高效地去除该污染物。利用降解性质粒质粒是存在于细菌等原核生物体内能独立进展自主复制的一类小型闭合环状DNA转移到另一个菌细胞中，使两个细胞都成为带有质粒的细胞；质粒转移时，它可以单独转移，也可解功能等。供体的不同降解性质粒转移到同一受体中，可构建多质粒超级菌株。如将降解芳香烃2/31共代谢机制的存在，大大拓展了微生物对难降解有机污染物的作用范围〔作为关心基质或称为“共代谢”或“联合氧化”。时，直肠梭菌才能降解666；有些杀虫剂，杀菌剂和除草剂需添加一些有机物作为初级能源后，才易被各种细菌或真菌降依靠其他微生物协同作用。例如，链霉菌和节杆菌可协作降解农药二嗪农，而两菌单独存在则均不能降解。③先经相像物诱导产生诱导酶，使污染物得以降解。例如，只有经正庚烷诱导后，铜绿假单胞菌才能产生羟基化酶，使链烷羟基转化为相应的醇。争论说明，微生物这种共代谢降4-13-氯苯甲酸酯的共降解方式解方式对有机污染物，特别是一些难降解的污染物的彻底分解起着重要的作用。2有机污染物的可生物降解性污染物的可生物降解可生物降解是指污染物在微生物作用下可转变成构造较简洁的化合物或可被完全分解为简洁无机物的过程。不行生物降解三类。可生物降解物质一般是生物代谢过程中产生的物质及生物残体，如糖类、蛋白质、淀粉、核糖等物质，这些物质在微生物酶的作用下，易被分解为COHO、NH等。2 2 3难生物降解物质一般是工农业生产活动中产生的有机污染物，如纤维素、农药、烃类等物质。微生物能够降解，但降解的速度慢。多环，杂环芳烃、高聚物等。可生物降解性的测定测定基质的生物氧化率基质〔待测物4.1基质生物氧化质生物分氧量100%基(理论)

〔4.1〕试验室中微生物的耗氧量可应用瓦勃(Warburg)呼吸仪测定，通过测压计测知释放出CO2量或O2基质的生化呼吸曲线——耗氧曲线线。当供给活性污泥微生物外源基质时，耗氧量随时间的变化是一条特征曲线，称为生化呼吸线。把各种有机物的生化呼吸线与内源呼吸线加以比较时，可能消灭如图4-2所示的三种状况：4-2活性污泥的生化呼吸曲线生化呼吸线位于内源呼吸线之上4-2〔a〕所示。生化呼吸线与内源呼吸线根本重合，说明该有机物不能被活性污泥微生物氧化分解，但对微生物的生命活动无抑制作用，如图4-2〔b〕所示。生化呼吸线位于内源呼吸线之下，说明该有机物对微生物产生了抑制作用，生化呼吸线越接近横坐标，则抑制作用越大，如图4-2〔c〕所示。aa无毒，能被降解b无毒，不能被降解c有毒，能被降解d有毒，不能被降解以有机物或废水浓度为横坐标，以相〔对耗氧速率为纵坐标所作的不同物〔或 以相内呼废水4-3所示。对源呼耗氧吸速%曲线a说明基质无毒且能被活性 的速%率表污泥微生物所利用，在肯定范围内相对耗 示〕氧速率随基质浓度增加而增加；b被活性污泥微生物降解；c

底物浓度4-3相对耗氧速率曲线降低，说明生物降解渐渐受到抑制。曲线d测定CODCr与BOD5BOD相当于废水中比较简洁被异养微生物分解利用的有机物量。CODcr常被近似地当作废水中全部有机物。依据BOD5/CODcr4-24-2BOD/COD比值与可生物降解性的关系BOD/COD5 cr＞0.45＞0.30＜0.30＜0.25

5

可生物降解性生物降解性较好生物降解性一般生物降解性较差难生物降解表4-2中的划分主要对低浓度有机废水而言。高浓度有机废水，即使BOD5/CODcr<0.25，其BOD确实定值并不低，往往仍可承受生化法处理，只不过废水中的CODNB〔指难生物降解的COD〕可能占较大比例，要使生化出水的CODcr测定COD30取肯定量的待测废水，接种少量活性污泥，连续曝气，测起始CODcr〔即COD0〕和第30天的CODcr〔即COD30〕。废水经生化处理后COD0COD去除率〔%〕〔COD0

COD 30

100%COD0据此可推想废水的可生化性，及估量用生化法处理可能得到的最高CODcr去除率。培育法出水的CODcr、BOD5等水质指标，观看活性污泥的增长，镜检活性污泥生物相。依据测试结果可作出废水可生化性的推断。4-35的力量。化合物5化合物5〔％〕未驯化驯化苯2458甲苯5373二癸基苯二甲酸盐17二乙已基苯二甲酸盐013乙基已基丙烯盐09有机污染物的生物降解与转化途径多糖类污染物的生物降解纤维素的微生物降解途径50%以上。细胞膜上，分解纤维素时，细菌必需附着在纤维素外表。真菌和放线菌的纤维素酶为胞外酶，它们可以在胞外环境中起作用，菌体无需直接与纤维素外表接触。纤维酶对纤维素的水解过程可表示为：分解纤维素的微生物种类很多。好氧细菌有粘细菌、镰状纤维菌、纤维单胞菌属和纤维弧菌，厌氧细菌有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，放线菌中的链霉菌属、真菌中的青霉、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉等都可以降解纤维素。好氧性纤维素分解微生物好氧性纤维素分解细菌食纤维菌属〔Cytophata〕和生孢食纤维菌属〔Sporocytophata〕是土壤中常见的好氧性纤维素分解细菌。在滤纸上生长时，滤纸外表会消灭淡黄色或其他颜色的菌落，并有粘液。肉眼可见，在长有菌落之处滤纸已溶解变薄。用光学显微镜检查则可觉察，在各个发育阶段菌落中的细菌呈现不同的形态。幼龄时，细胞弯曲，两头锋利；以后渐渐缩短变粗，细胞呈弧形弯曲，类似食纤维菌。有的细菌还能形成小孢囊，并产生不耐热的孢子，类似生孢食纤维菌。厌氧性纤维素分解微生物厌氧性纤维素分解微生物主要是芽孢梭菌属的一些种，如奥氏梭菌〔C.omeilianskii〕，它是中温性细菌，适宜的生长温度为33℃～37℃；另外还有一些与奥氏梭菌区分很小的嗜热性种，如热纤梭菌〔C.thermocellum〕、溶解梭菌〔C.dissolvens〕等。热纤梭菌可以直接分解纤维素为乙醇〔Lamed〕等觉察在热纤梭菌外表存在着分散而不连续的细胞外表细胞器——纤维素体，其联。半纤维素的降解途径4-6TCA氧化为CO2和H2O，厌氧发酵时产生各种发酵产物。分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。半纤维素的降解过程可表示为：聚糖酶

有氧EMP途径

TCAATPTCA半纤维素

HO2

各种发酵产物无氧

CO+HO2 2淀粉的微生物降解途径

4-6半纤维素的降解途径淀粉厂、酒厂废水、印染废水、抗生素发酵废水及生活污水等均含有淀粉。TCA循环被彻底氧化为CO2和H2O。微生物在厌氧条件下发酵可产生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸等小分子有机物和无机物。脂类的生物降解磷脂，糖脂和固醇，蜡质是由高级脂肪酸和醇化合而成。其降解途径可表示为如下。脂肪HO高级级脂肪2HO类高有机碱机2蜡质H

O高高级级脂肪2水解产物甘油可被环境中的大多数微生物降解为丙酮酸，通过TCA循环降解为CO2。在脂肪酶的作用下，脂肪被水解为甘油和高级脂肪酸。甘油可作为微生物的碳源和能源而进一步分解。R－R－CH－CH－C—SCA22OOR－C—SCOCoAAFADH2磷OR－CH=CH－C—SCOACASHHOO2OOHOR－C－CH－C—SCAOβ-CoAR－CH－CH－C—SCAOβ-CoANADH2蛋白质的降解〔氨化作用〕

NAD称为氨化微生物。氨化细菌可以以下各菌为代表：1〕兼性厌氧的无芽孢杆菌荧光假单胞菌，粘质赛氏杆菌和一般变形杆菌不生芽孢的革兰氏阴性杆菌，兼性厌氧，在有氧和氧条件下都能进展猛烈的氨化作用。荧光假单胞菌胞单生或端生鞭毛，能运动，革兰氏染色阴性、小菌，产生淡绿色可溶性荧光色素，在厌氧条件下能以硝酸盐作最终受氢体，其形态见图4-10所示。粘赛氏杆菌细胞单生、周生鞭毛能运动，革兰氏染色

是无细杆够质4-10荧光假单胞菌菌体形态阴2〕好氧性芽孢杆菌性，也为小杆菌。能够产生不具溶性的红色素，使菌落成为鲜红色。2〕好氧性芽孢杆菌能够进展氨化作用的好氧芽孢杆菌有巨大芽孢杆菌，蜡质芽孢杆菌霉状3〕厌氧芽孢杆菌变种和枯草杆菌等〔图4-11A，B〕。巨大芽孢杆菌和蜡质芽孢杆菌霉状变种的细胞宽度一般1.2～2.0mm3〕厌氧芽孢杆菌〔图4-11C〕，分解蛋白质时产生恶臭。真菌在蛋白质的分解中也占有重要地位。交链胞霉属、曲霉属、毛霉属、青霉属、根霉属及木霉属等属的真菌争论得较为深入。真菌在某些土壤特别是酸性土壤的蛋白质分解中起着主要作用。放线菌在堆肥高温阶段的蛋白质分解中是格外活泼的类群。大量的放线菌也分泌胞外蛋白酶，从土壤中分别到的放线菌有15％～17%能产蛋白酶。嗜热性放线菌在堆肥高温阶段的蛋白质分解中是格外活泼的类群。石油的微生物降解烷烃的降解正烷烃的降解途径以烷烃末端氧化最为常见，如图4-12所示。R-CHR-CH-CH-COOH2 2氧化CH-COOH2+ R-COOH2CO+HCO+HO2 22 2 3+O24-12间产物，然后转化成其他物质而参与代谢过程。芳香烃的降解702004-5烃类污染物的微生物。土壤真菌和细菌以及海洋细菌，丝状真菌等都是石油的重要降解者灰绿青霉、产朊假丝酵母等真菌，和假单胞菌属、诺卡氏菌属、分枝杆菌属中的一些种类，降解力量最强。同时，由于石油是多种烃类的混合物，一般是由多种微生物共同作用而使其降解。污染物苯类酚类萘污染物苯类酚类萘菲蒽微生物荧光假单胞菌、铜绿 铜绿色假单胞菌溶条假单胞菌诺卡氏 菲杆菌、菲芽荧光假单胞菌和铜绿色假单名称色假单胞菌