微生物对污染物的分解与转化

微生物对污染物的分解与转化第1页/共69页主要教学内容：第一节微生物对有机物的分解作用第二节有机物的生物分解性第三节典型不含氮有机物的分解第四节典型含氮有机物的生物分解第五节微生物对无机元素的转化作用第六节生物对污染物的浓缩与吸附作用

第九章微生物对污染物的分解与转化第2页/共69页教学目的要求：掌握：1、生物分解的一般特点与分类。2、有机物好氧生物分解及厌氧生物分解的概念、最终产物及其特点。3、有机物的好氧生物分解过程及厌氧生物分解过程。第一节微生物对有机物的分解作用第3页/共69页*一、生物分解的一般特点与分类（一）、有机物生物分解的一般特点微生物对有机物的分解作用称为“生物分解”或“生物降解”。有机物的生物分解是通过一系列的生化反应，最终将有机物分解成小分子有机物或无机物的过程。污水中有机污染物的生物分解过程见下图。第一节微生物对有机物的分解作用第4页/共69页图9-1有机污染物在污水生物处理过程中的转化途径第一节微生物对有机物的分解作用第5页/共69页（二）、生物分解的分类生物分解根据是否有氧气存在，分为好氧分解和厌氧分解两种类型。有机物在有氧情况下的微生物分解，叫好氧分解。好氧分解是好氧微生物（包括兼性微生物，主要是好氧细菌和兼性细菌）活动的结果。第一节微生物对有机物的分解作用第6页/共69页有机物在无氧情况下的微生物分解，叫厌氧分解。是厌氧微生物（包括兼性微生物，主要是厌氧细菌和兼性细菌）活动的结果。好氧分解与厌氧分解相比，有机物的好氧分解速率快，分解程度彻底，转化为细胞的比例大等特点。第一节微生物对有机物的分解作用第7页/共69页1、有机物好氧分解的最终产物有机物中的元素（C、H、N、P、S）经好氧分解的最终产物主要是：二氧化碳、水、硫酸盐、磷酸盐等。分解反应概括地表示如下：

第一节微生物对有机物的分解作用第8页/共69页C→CO2+碳酸盐和重碳酸盐H→H2ON→NH3→HNO2→HNO3S→H2SO4P→H3PO4上式中的各种酸又可与水中的碱性物质作用，形成相应的盐类。第一节微生物对有机物的分解作用第9页/共69页2、有机物厌氧分解的最终产物有机物中的元素（C、H、N、P、S）经厌氧分解的产物主要是：甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等。分解反应概括地表示如下：C→有机酸（脂肪酸）等→

CO2、CH4N→氨基酸→NH3+有机酸S→H2S（有臭味、能和废水中的铁形成黑色的硫化铁）P→PO43-

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图9-2此时有机物有2/3合成菌体，1/3分解。第一节微生物对有机物的分解作用二、有机物的好氧分解*有机物的好氧分解过程：第11页/共69页注意：上述生物氧化过程同时存在着内源呼吸。当有机物充足时，细胞物质大量合成，内源呼吸不显著，所以图中未表示细胞物质的氧化过程。有机物几乎耗尽时，内源呼吸成为供应能量的主要方式，最后细菌由于缺乏能量而死亡。生物处理构筑物内新增长细胞物质量的计算以及有机物降解需氧量的计算见后续专业课。第一节微生物对有机物的分解作用第12页/共69页三、有机物的厌氧分解有机物厌氧分解过程：早期的有机物厌氧分解过程有两阶段理论、三阶段理论。20世纪70年代提出三阶段理论和四类群理论。厌氧分解时，有机物有10%合成菌体。两阶段理论、三阶段理论、三阶段理论和四类群理论的厌氧分解过程如下：第一节微生物对有机物的分解作用第13页/共69页

图9-3有机物厌氧分解两阶段理论第一节微生物对有机物的分解作用第14页/共69页图9-4厌氧消化三阶段理论第一节微生物对有机物的分解作用第15页/共69页*图9-5厌氧消化三阶段、四阶段过程第16页/共69页教学目的要求：掌握：1、微生物的共代谢现象。第二节有机物的生物分解性第17页/共69页一、有机物的生物分解性与分子结构的关系（一）、增加A类取代基（即异源基团）一般分解性变差，增加B类取代基，有时可以增加生物分解性。A类取代基：-CI，-SO3H，-CH3等。B类取代基：-0H，-COH等。（二）、异源基团数目增加越多，生物分解性越差。（三）、异源基团的位置对生物分解性产生显著影响。（四）、甲基分支越多，生物分解性越差。第二节有机物的生物分解性第18页/共69页（五）、对于脂肪族化合物，其分子量越大越不易生物分解。（六）、芳香族化合物的生物分解性一般低于小分子的脂肪族化合物。（七）、对于复环芳烃，其苯环越多越难生物降解。（注意：好氧条件下的分解规律与厌氧条件下的分解规律有时不同。上述情况有时也存在例外。）第二节有机物的生物可分解性第19页/共69页二、共代谢现象*共代谢现象——一些有机化合物，单独存在时不能进行生物分解，但在与其他有机化合物同时存在时，可以进行生物分解，这种现象称共代谢现象。微生物的共代谢作用举例：直肠梭菌在有蛋白胨类物质存在时，才能降解丙体六六六。链霉菌需节杆菌的协同作用，才能降解二嗪农(农药）。（两种微生物共代谢二嗪农）第二节有机物的生物可分解性第20页/共69页在实践中，已有某些难降解的有机物，经合适的微生物的一系列共代谢作用而彻底降解。因此，共代谢在难生物降解化合物的降解转化中将起重要的作用。共代谢作用的机理有待于继续研究。第二节有机物的生物可分解性第21页/共69页三、污水中有机物的生物分解性评价污水中混合有机污染物可生物降解性评价方法主要有：BOD5/CODCr比值法、瓦氏呼吸仪测量法、BOD5和TOC的比值等。常用的简单易行的方法是BOD5/CODCr比值法。一般认为：第二节有机物的生物可分解性第22页/共69页BOD5/CODCr比值大于0.4~0.6(0.45)，该废水可生化性较好。0.2＜BOD5/CODCr＜0.4,较难生物处理。BOD5/CODCr＜0.1，难以生物处理。第二节有机物的生物可分解性第23页/共69页教学目的要求：掌握：1、纤维素、淀粉的微生物分解过程。第三节典型不含氮有机物的生物分解第24页/共69页一、纤维素、半纤维素的生物分解（一）、纤维素的生物分解纤维素是在自然界分布很广的一种多糖。1、纤维素的来源树木、农作物中都含有大量纤维素。纤维素是植物细胞壁的主要成分，也是数量最大的一类环境污染物。印染废水由于洗布、上浆和造纸废水由于用木材等做原料，中含有较多的纤维素。第三节典型不含氮有机物的生物分解第25页/共69页*2、纤维素在微生物作用下的降解过程纤维素纤维素酶葡萄糖葡萄糖好氧生物分解：葡萄糖厌氧生物分解：第三节典型的不含氮有机物质的分解第26页/共69页第一阶段：第二阶段：在厌氧情况下，许多微生物还可以将一些简单的有机酸分解生成二氧化碳和氢气等。第三节典型不含氮有机物质的分解第27页/共69页3、分解纤维素的微生物分解纤维素的微生物主要有纤维黏菌、生孢纤维黏菌、纤维杆菌、纤维弧菌、纤维单胞菌、链刀霉、青霉、木霉、曲霉、毛霉以及某些放线菌。（有纤维素酶）上述微生物将纤维素水解为葡萄糖后，葡萄糖的分解则可以由不能产生纤维素酶的细菌或微生物协助完成。（不能产生纤维素酶的细菌或微生物能参与上述葡萄糖的分解。）第三节典型不含氮有机物质的分解第28页/共69页（二）、半纤维素的生物分解1、半纤维素的来源人造纤维工业废水、造纸工业废水等。2、半纤维素在微生物作用下的降解过程第三节典型不含氮有机物质的分解切入酵解途径第29页/共69页3、分解半纤维素的微生物许多芽孢杆菌、假单胞菌、放线菌、根霉、青霉、镰刀霉、曲霉等。上述微生物将半纤维素水解后，水解后的产物则可以由其它微生物协助完成。第三节典型不含氮有机物质的分解第30页/共69页二、淀粉的生物分解1、淀粉的来源粮食中含有淀粉，所以生活污水中有淀粉。纺织、印染等工业废水中含有淀粉。*2、淀粉的降解过程葡萄糖的好氧分解和厌氧分解同上。第三节典型不含氮有机物质的分解淀粉淀粉酶葡萄糖第31页/共69页3、降解淀粉的微生物主要有曲霉、根霉等霉菌。（产生淀粉酶）上述微生物将淀粉水解为葡萄糖后，葡萄糖的分解则由不能产生淀粉酶的细菌或微生物协助完成。第三节典型不含氮有机物质的分解第32页/共69页三、脂肪的生物分解1、来源动植物体。毛纺厂、肉类加工厂、食品加工厂、油脂厂、制革厂废水及生活污水中都含有大量脂肪类。2、降解过程第三节典型不含氮有机物质的分解第33页/共69页（1）、甘油的转化甘油→3-磷酸甘油→磷酸二羟丙酮→丙酮酸脂肪+水→甘油+脂肪酸甘油激酶磷酸甘油脱氢酶脂肪酶第三节典型不含氮有机物质的分解切入酵解途径第34页/共69页丙酮酸：好氧分解：丙酮酸→TCA循环厌氧分解：丙酮酸→小分子有机酸、醇等。（2）、脂肪酸的转化脂肪酸进入细胞后，在通气良好的情况下，通过β-氧化，转化为乙酰CoA，进入TCA循环，进行好氧分解。在厌氧的情况下，脂肪酸被分解为较简单的醋酸，之后被转化为二氧化碳、甲烷。第三节典型不含氮有机物质的分解第35页/共69页3、分解脂类的主要微生物主要是好氧性种类，如荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌、分枝杆菌、无色杆菌、芽孢杆菌、青霉和曲霉等霉菌、某些放线菌等，厌氧性细菌中的荚膜梭菌也能分解脂类物质。上述微生物将脂类水解后，水解后产物的进一步分解由其它相应的微生物协助完成。第三节典型不含氮有机物质的分解第36页/共69页四、芳香族化合物的生物分解酚的微生物转化途径P99五、烃类化合物的生物分解甲烷烯烃P206第三节典型不含氮有机物质的分解第37页/共69页教学目的要求：掌握：1、蛋白质的微生物分解过程。2、含氮有机物质的生物降解中生物脱氨氮的基本原理（过程）、相关概念及硝化细菌的主要特点。第四节典型含氮有机物质的生物分解第38页/共69页一、蛋白质的生物分解蛋白质是有许多氨基酸分子所组成。（一）、来源生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、乳品加工废水及制革废水等均含有蛋白质。（二）、降解过程第四节典型含氮有机物质的生物分解第39页/共69页1、氨化作用*氨化作用——有机氮化物转化为氨态氮的过程。氨化作用包括蛋白质的水解作用和氨基酸的脱氨基作用。水解作用：蛋白质水解→氨基酸→进入细菌的细胞（水解作用）第四节典型含氮有机物质的生物分解蛋白酶第40页/共69页微生物对氨基酸进行脱氨基作用（氨基酸分解）：在有氧条件下RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3在厌氧条件下RCHNH2COOH+H2→RCH2COOH+NH3第四节典型含氮有机物质的生物分解第41页/共69页脱氨基作用形成的不含氮有机物遵循不含氮有机物的分解过程继续分解，或进行生物合成为细胞物质。如有氧存在时，构成蛋白质的20种氨基酸通过脱氨基作用可分别转变为α-酮戊二酸、草酰乙酸、延胡索酸、丙酮酸等进入TCA循环进行氧化分解。无氧存在时，则进行厌氧分解。脱氨基作用形成的NH3，一部分可以作为微生物所需氮的来源，多余的即排泄到环境中。第四节典型含氮有机物质的生物分解第42页/共69页能分解蛋白质和氨基酸的微生物有：氨化细菌（占主导作用）好氧细菌如荧光假单胞菌、灵杆菌等。兼性厌氧细菌如变形杆菌等。厌氧细菌有腐败梭菌等。霉菌有曲霉、毛霉、木霉、链霉菌等。第四节典型含氮有机物质的生物分解第43页/共69页2、硝化作用*NH3的脱除：脱氨基后经微生物体内排出的NH3超标，则通过生物脱氮（硝化作用、反硝化作用）进一步分解而无害化。*硝化作用——由氨氧化成硝酸的过程称为硝化作用。第四节典型含氮有机物质的生物分解第44页/共69页参与硝化作用的微生物主要是硝化细菌。硝化细菌包括：亚硝酸细菌和硝酸细菌。亚硝酸细菌有：亚硝化单胞菌属、亚硝化球菌属、亚硝化螺菌属、亚硝化叶菌数等。硝酸细菌有：硝化杆菌属、硝化球菌属、硝化刺菌属等。几种亚硝酸菌和硝酸菌的典型形态：第四节典型含氮有机物质的生物分解第45页/共69页亚硝酸菌硝酸菌图9-6几种硝化细菌第四节典型含氮有机物质的生物分解第46页/共69页*硝化细菌的主要特点①革兰氏染色阴性。②有强烈的好氧性。③适宜于中性或碱性（偏碱性）环境（pH7.0-8.1)。④是化能自养菌。⑤对毒质十分敏感。⑥世代时间长，8~24小时。⑦菌体收率低。第四节典型含氮有机物质的生物分解第47页/共69页3、反硝化作用（硝酸盐呼吸）*反硝化作用──硝酸盐在缺氧的情况下可被厌氧菌(多数是兼性厌氧菌或兼性细菌）作用而还原成亚硝酸盐和氮气等，这一过程称为反硝化作用。步骤（过程）：（需要有机物的供应）

即：NO3-→NO2-→N2第四节典型含氮有机物质的生物分解第48页/共69页参与微生物主要是反硝化细菌。反硝化细菌多数是异养的、兼性的，如反硝化杆菌、荧光假单胞菌等等；少数反硝化细菌是自养菌。二、尿素的转化自然界中，尿素是人、畜尿的主要成分，工农业生产中也合成和使用尿素，所以尿素在环境中大量存在。第四节典型含氮有机物质的生物分解第49页/共69页（一）、尿素的来源人、畜的尿液。某些工业废水。（二）、降解过程第四节典型含氮有机物质的生物分解第50页/共69页尿素细菌产生的尿素酶（胞外酶）可以把尿素水解成碳酸铵，碳酸铵不稳定，分解成氨、二氧化碳和水。第四节典型含氮有机物质的生物分解第51页/共69页参与微生物：分解尿素的细菌有尿芽孢八叠球菌、巴斯德氏芽孢杆菌等。氨则进行硝化作用与反硝化作用含氮有机物除蛋白质和尿素以外，其它在此不作介绍，课后可参阅有关资料。第四节典型含氮有机物质的生物分解第52页/共69页教学目的要求：本节作一般性了解。第五节微生物对无机元素的转化作用第53页/共69页一、硫的生物转化（2个典型例子）（一）、硫磺细菌对无机硫的转化第五节微生物对无机元素的转化作用（二）、硫化细菌对硫的转化第54页/共69页二、磷的生物转化（一）、不溶性磷酸盐的转化（二）、厌氧条件下磷酸盐的转化第五节微生物对无机元素的转化作用第55页/共69页三、金属的生物转化（一）、铬的生物转化六价格可以被某些微生物还原为三价铬。即微生物解毒作用。第五节微生物对无机元素的转化作用第56页/共69页细菌还原Cr（VI）为低毒或无毒的Cr（Ⅲ）典型的还原细菌有：铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌、恶臭假单胞菌、阴沟肠杆菌等等。曲霉菌还原Cr（VI）为低毒或无毒的Cr（Ⅲ）等。第五节微生物对无机元素的转化作用第57页/共69页Cr（VI）还原菌典型形态之一（杆菌）图9-7Cr（VI）还原菌典型形态之一（杆菌）第五节微生物对无机元素的转化作用第58页/共69页（二）、汞的生物转化微生物对汞的转化作用有氧化、还原和甲基化等。甲基化某些微生物可以把元素汞和汞离子转化为甲基汞等。甲基汞的毒性大于元素汞和汞离子。甲基汞可以导致水俣病的发生。第五节微生物对无机元素的转化作用第59页/共69页图9-8水俣病典型症状第五节微生物对无机元素的转化作用第60页/共69页短时间摄入甲基汞过多（1000mg），将导致痉挛、麻痹、意识障碍等急性中毒症状，并很快死亡。短时间摄入甲基汞过多500mg以上，则导致感觉障碍→运动失调→语言障碍→视野缩小→听力障碍。第五节微生物对无机元素的转化作用第61页/共69页教学目的要求：掌握：1、生物对污染物的浓缩作用与放大作用的概念。第六节生物对污染物的浓缩与吸附作用第62页/共69页第六节生物对污染物的浓缩与吸附作用一、生物对污染物的浓缩作用*（一）、生物浓缩生物浓缩作用——当生物对某种化学物质的吸收速率大于体内分解速率与排泄速率之和时，化学物质就会在体内积累，这种现象称为生物浓缩作用。*（二）、生物放大生物