第6章-水环境中的微生物化学过程1-课件

第6章水环境中的微生物化学过程

6.1天然水体中的微生物环境6.2有机污染物在水体中的生物降解过程6.3水体中金属的微生物转化6.4生物转化速率

6.1天然水体中的微生物环境微生物一词并非生物分类学的专门名词。微生物是一切肉眼看不见或看不清、个体微小、构造简单的低等生物的统称，它包括原核生物（细菌、古细菌、放线菌、立克次氏体、支原体、衣原体）、真核生物（原生动物、真菌、藻类）、非细胞生物噬菌体、病毒等个体微小，必须借助光学显微镜或电子显微镜才能看清其形态构造及测量其大小的生物。一、关于微生物的一些重要概念1、微生物生态学及相互作用（1）环境条件的影响虽然微生物普遍存在，但在特定环境中，只有一小部分微生物的代谢是活跃的。由于温度、pH值、氧气浓度等因素影响微生物群落的组成、生长速率和酶含量，这些环境条件不仅能影响微生物参与的转化速率，有时还能成为这些反应能否进行的控制因素。许多烃类在好氧条件下可生物降解，但在缺氧条件下的存在要持久得多。在高度还原条件下可观察到某些有机氯溶剂（如CCl4）的生物转化，而在有氧条件下，这些化合物却是持久性的。（2）物种间的协同作用一个特定的转化过程可能需要物种间的协同作用。例如，3-氯苯甲酸的生物降解需要细菌的协同作用：第一种微生物从芳环上移去氯原子；第二种微生物继续降解苯甲酸根，第二种微生物产生的氢气可被第一种微生物利用，也可被其他微生物用来将CO2转化为甲烷；第三种微生物利用醋酸根产生甲烷。由于防止了中间产物（苯甲酸根、H2和醋酸根）的积累，由第一种微生物去除氯的过程可以不断地进行。这个协同作用的例子表明不同的微生物有各自的特定酶，通过合作可以降解由单一微生物不能降解的化合物。（3）微生物在不同种之间交换遗传物质而相互作用在许多微生物中存在由较短的DNA构成的质粒已被发现为多种降解酶提供编码。质粒是指一种独立于染色体外，能自我复制并稳定遗传的环状DNA分子。质粒的相对分子质量较菌体的染色体小得多，通常仅为染色体相对分子质量的1.5%-3%，但也有大质粒。不同的质粒分别含有使细菌具有某些特殊性状的基因，如抗药性、产生抗生素、降解某些化学物质等。与普通的DNA在细胞增殖过程中由细胞到子细胞的“垂直”传递不同，质粒DNA可以在不同子细胞微生物间“水平”交换。细菌遗传性的改变主要由基因突变或基因重组所致。基因重组是指两个不同性状个体内的遗传物质在一个细胞内经重新组合形成新基因型个体的过程。细菌的基因重组有转化、转导和接合3种方式。转化是由于菌体从周围环境吸取了裸露的外来DNA片断，此外来的DNA片断与菌体染色体同源区（碱基排列近似的区段）配对，经交换、整合（即插入）到细菌染色体中，替换了染色体原有同源DNA片段，使菌体获得新的遗传性。转导是靠噬菌体作载体，把一个寄主的DNA小片断携带到另一寄主细胞中，通过交换与整合，使后一寄主获得前一寄主的遗传性状。接合是两个不同交配型细胞暂时沟通，遗传物质从一个细胞转移到另一个细胞，使后者获得前者遗传性状的现象。（相当于高等动植物的有性生殖）2、酶微生物通过两条重要途径使反应易于进行。第一条途径是利用特殊的蛋白质----酶作为催化剂。酶可使反应的活化能降低几十kJ·mol-1,从而使转化速率加快109倍以上。第二条途径是，微生物利用代谢能量合成活性因子。例如由于在环境中O2和大多数的有机化合物不能反应，微生物通过投入新陈代谢的能量来使氧转变成一个比较活泼的氧化剂。微生物利用酶的特点（1）环境中结构特殊的化合物对微生物转化来说是困难的。当化合物的结构与微生物通常利用的化合物有很大差异，当微生物初次碰到它们时，通常没有适于处理它们的现成的酶系。（2）酶并不具备完全的基质选择能力酶虽然是用来结合和催化特定化合物的，但也能够与结构相似的化合物结合或诱导其反应。酶对部分结构与常见基质类似的化合物也能发生生物转化。例如，5-苯基戊酸可以被那些用来处理脂肪酸的酶作用。与天然存在的有机物有相似性的外源有机物也能发生不同程度的生物降解，这就是所谓共代谢现象的一部分原因。在共代谢过程中，非目标化合物可以被本来是用来转化其他基质的酶系统所降解。竞争抑制剂能阻塞酶的活性位点抑制剂在结构上与酶的相应基质相似，可以与酶结合，但这些化合物可能是不太活泼的甚至是完全不活泼的。例如3，5-二氯苯甲酸根的微生物降解只有在全部转化为3-氯苯甲酸根后才能继续进行。3，5-二氯苯甲酸根是3-氯苯甲酸根生物脱氯的竞争抑制剂，一旦所有的二氯化合物都转化了，3-氯苯甲酸根与酶活性位点的结合才会增加，并转化为苯甲酸。（3）微生物似乎总有一些相对非选择性的酶存在，以便用于进攻和利用未知的和不需要的化合物微生物在消除化学干扰时，大部分细菌的策略通常是保持一个初始氧化步骤，将这些有毒的化学信号转化为极性更大的物质，转化产物或能进入常规的代谢途径，或因其水溶性增加，可以返回到环境中。例如苯的微生物降解。苯可被氧化酶和脱氢酶氧化为邻苯二酚及其衍生物。邻苯二酚及其衍生物也可由许多天然芳香化合物如水杨酸根和香草酸根代谢产生，而在许多微生物中都存在将二羟基苯衍生物代谢的途径。

6.2有机污染物在水体中的生物降解过程

水环境中有机物的生物降解依赖于微生物通过酶催化反应分解有机物。当微生物代谢时，一些有机污染物作为食物源提供能量和提供细胞生长所需的碳；另一些有机物不能作为微生物的唯一碳源和能源，必须由另外的化合物提供。6.2.1有机化合物的生物降解

有机物生物降解存在两种代谢模式：生长和共代谢。共代谢：是指一些难降解的有机物质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物质时，此类有机物才可被转化降解的过程。

共代谢现象首先由福斯特报道，他发现诺卡氏菌以十六烷作为唯一碳源和能源时，生长很好，但不能单独降解甲基萘或1，3，4-三甲基苯；但当把甲基萘或1，3，4-三甲基苯加进含十六烷培养基中时，这种菌在利用十六烷烃的同时，也可将上面两种芳香化合物分别氧化为羧酸、萘酸和对异苯丙酸。

共代谢现象的原因之一：共代谢作用中，一种有机物在微生物作用下发生转化，但不能被微生物所利用，原因之一是缺少进一步降解的酶系。微生物的第一个酶或酶系可以将基质转化为产物，但该产物不能被这个微生物的其它酶系进一步转化，故代谢中间产物不能供生物合成和能量代谢用。

根据微生物对有机物的降解能力大小，可将有机物分为：1）易生物降解的有机物；2）难生物降解的有机物；3）不可生物降解的有机物。

根据微生物对有机物的降解能力大小，可将有机物分为：1）易生物降解的有机物；来源于动、植物残体及生物代谢过程中产生的物质和排泄物。如碳水化合物、蛋白质、脂肪、核酸等。这些物质，通过微生物所产生的酶，很容易被分解成糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等简单的有机物，并最终分解为CO2,H2O,NH3等。

2）难生物降解的有机物；主要是工农业生产中排出的有机污染物，如纤维素、农药、烃类等。微生物对它们降解的速度慢，所需时间长。这类物质是微生物降解研究的重要对象。

3）不可生物降解的有机物。是一些高分子合成有机物，如塑料等。它们几乎不能被微生物降解，或者降解的速度极为缓慢。

根据酶的合成方式和存在时间，微生物细胞内的酶可分为组成酶和诱导酶。组成酶是细胞内一直存在的酶，它的合成仅受遗传物质控制即受内因控制；

诱导酶是在环境中有诱导物（一般是反应的底物）存在时，微生物会因诱导物存在而产生一种酶就是诱导酶，诱导酶的合成除取决于环境中诱导物外，还受基因控制即受内因和外因共同控制。

微生物可通过以下几个方面降解与转化污染物：1.产生诱导酶

诱导酶(inducedenzyme)是在环境中有诱导物（通常是酶的底物）存在的情况下，由诱导物诱导而生成的酶。例如，大肠杆菌分解乳糖的半乳糖苷酶就属于诱导酶。又如，催化淀粉分解为糊精、麦芽糖等的α-淀粉酶也是一种诱导酶，多种微生物都能产生这种酶。如果将能合成α-淀粉酶的菌种培养在不含淀粉的葡萄糖溶液中，它就直接利用葡萄糖而不产生α-淀粉酶；如果将它培养在含淀粉的培养基中，它就会产生活性很高的α-淀粉酶。

诱导酶的合成除取决于诱导物以外，还取决于细胞内所含的基因。如果细胞内没有控制某种酶合成的基因，即便有诱导物存在也不能合成这种酶。因此，诱导酶的合成取决于内因和外因两个方面。诱导酶在微生物需要时合成，不需要时就停止合成。这样，既保证了代谢的需要，又避免了不必要的浪费，增强了微生物对环境的适应能力。

2.形成突变菌株微生物在生长过程中偶尔会发生遗传物质变化，从而引起个体性状的改变，形成了突变菌株。可以通过定向驯化或诱变技术获得具有高效降解能力的变种，使得难降解的、不可降解的有机物得到转化。例如，印染废水的处理中所利用的微生物多数来自生活污水处理厂。

驯化是通过人工措施使微生物逐步适应某一条件，而定向选育微生物的方法。通过驯化可取得具有较高耐受力及活动能力的菌株。驯化常用于废水处理中微生物的选育，以获得对某种污染物具有较高的降解能力的高效菌株。活性污泥微生物对PCP（五氯酚）的降解能力是在其连续不断的生长繁殖过程中获得的,由于驯化诱导物的诱导、刺激作用导致个别微生物个体发生了变异或微生物群体在种类和数量上朝着有利于降解PCP的方向上重新分布。（李萍,刘俊新.共代谢基质驯化活性污泥降解五氯酚[J].中国给水排水，2004，20（6）：35-37.）

3.利用降解性质粒一般情况下，质粒的有无对原核生物的生存和生长繁殖并无影响。但在有毒物存在情况下，质粒携带着具有选择优势的基因，对原核生物生存环境的选择具有极其重要的意义。质粒携带基因并能复制、转移，获得质粒的细胞同时获得供体细胞所具有的性状。

降解性质粒能编码生物降解过程中的一些关键酶类，从而能利用一般细菌难以分解的物质作为碳源。例如假单胞菌属种存在降解某些特殊有机物的因子：恶臭假单胞菌有分解樟脑的质粒；食油假单胞菌有分解正辛烷的质粒。

降解性质粒被应用于基因工程中，其重组菌株在环境治理方面有着广阔的发展前景。质粒可以转移，可以作为基因工程的载体。基因工程又称DNA重组技术，是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。DNA分子很小，其直径只有2nm，基因工程实际上是一种“超级显微工程”，对DNA进行切割、缝合与转运。

例如，美国的基因工程技术将降解2，4-二氯苯乙酸的基因片段组建到质粒上，将质粒转移到快速生长的受体苗体内，构建具有快速高效降解能力的功能菌，减少土壤中2，4-二氯苯乙酸的累积量。

4.组建超级菌现代微生物学研究发现，许多有毒化合物，尤其是复杂芳烃类化合物的生物降解，往往需要多种质粒参与。将各供体细胞的不同降解性质粒转移到同一个受体细胞中，可构建多质粒超级菌株。

通过细胞融合技术构建环境工程超级菌。例如产碱假单胞菌Co可以降解苯甲酸酯和3-氯苯甲酸酯，但不能利用甲苯。恶臭假单胞菌R5-3可降解苯甲酸酯和甲苯，但不能利用3-氯苯甲酸酯。将这两种细胞原生质融合，获得了可以降解以上三种化合物的融合体。

5.利用共代谢方式微生物在可用作碳源和能源的基质上生长时，能将另一种非生长基质有机物作为底物进行降解或转化。生物技术的四大支柱

6.2.2.1天然大分子有机物的降解6.2.2主要有机污染物的微生物降解途径

6.2.2.2有毒有机污染物质的降解有机物质通过生物氧化以及其他的生物转化，可以变成更小、更简单的分子。这一过程称为有机物质的生物降解。

6.2.2.1天然大分子有机物的生物降解

生物氧化是指有机物质在机体细胞内的氧化，并伴随有能量的释放。在生物氧化中有机物质的氧化大多为去氢氧化。所脱落的氢由相应氧化还原酶按一定顺序传递至受氢体。受氢体如果为细胞内的分子氧就是有氧氧化，而若为非分子氧的化合物则是无氧氧化。

糖类通式为Cx（H2O）y，分成单糖、二糖和多糖类。单糖包括戊糖如木糖和己糖如葡萄糖、果糖等；二糖如蔗糖、乳糖和麦芽糖。多糖如淀粉、纤维素等。糖类的微生物降解

（1）多糖水解成单糖多糖在胞外水解酶催化下水解成单糖。多糖水解生成的单糖产物以葡萄糖为主。微生物降解糖类的基本途径：

（2）单糖酵解成丙酮酸细胞内单糖不论在有氧氧化或在无氧氧化条件下，都可经过相应的一系列酶促反应形成丙酮酸。这一过程称为单糖酵解。

（3）丙酮酸的转化在有氧氧化条件下，丙酮酸通过酶促反应转化成乙酰辅酶A,乙酰辅酶A与草酰乙酸经酶促反应转成柠檬酸。柠檬酸通过一系列酶促反应又形成草酰乙酸，可重新进行新一轮的转化。这种生物转化的循环途径称为三羧酸循环或柠檬酸循环，简称TCA循环。

在无氧氧化条件下丙酮酸通过酶促反应，往往以其本身作受氢体而被还原为乳酸，或以其转化的中间产物作受氢体，发生不完全氧化生成低级的有机酸，醇及二氧化碳等。

6.2.2.2有毒有机污染物质的降解二、有毒有机污染物生物转化类型一、化学结构-生物降解性一、化学结构-生物降解性为了辨别能够增强或抑制生物降解性的结构特征，最近开始关注结构-生物降解性的相关性。在这些研究中，已经有了一些数据来判断化合物生物降解的难易。在实验室模拟条件下，当一种物质在28天内消耗溶解氧的量超过其完全矿化所需要的理论需氧量的60%，即可称之为易降解物质。目前，在厌氧环境中，探究结构-活性趋势所需要的数据库远少于在好氧环境中相应的数据。好氧环境的结构-生物降解性一些包含可水解基团的化合物，比如羧酸酯、氨基化合物、酐类或磷酸酯都很容易被降解。这些结构基团在蛋白质、多聚糖、脂肪等天然化合物中广泛存在。好氧环境的易降解结构特征其次，羟基、醛基、羰基基团的存在表明化合物是易于生物降解的。此外，含氧基团在有机物的降解产物中也是很常见的。氯和硝基在芳环上时，都和化学拮抗性有关。某些结构基团可使生物降解性降低或消失季碳原子（CR1R2R3R4）和叔胺化合物（NR1R2R3）这种结构可以阻碍生物降解。碎片片段系数-CHO0.34-C(O)OR0.28-C(O)NR20.22-C(O)OH0.2-OH0.1叔-N-0.03季-C-0.04脂肪-Cl-0.03芳香-Cl-0.1芳香-NO2-0.24表给定结构影响生物降解性的片断系数举例易降解难降解二、有毒有机污染物生物转化类型反应类型主要是氧化、还原、水解和加成反应四种。1、氧化反应类型（1）混合功能氧化酶加氧氧化混合功能氧化酶又称单加氧酶，其功能是利用细胞内分子氧，将其中的一个氧原子与有机底物结合，使之氧化，而使另一个氧原子与氢原子结合形成水。在这一催化底物的氧化过程中，混合功能氧化酶的成分之一-----细胞色素p450-----起着关键作用。混合功能氧化酶的专一性较差，能催化许多有机毒物氧化，包括如下几种：碳双键环氧化碳羟基化氧脱烃硫脱烃、硫-氧化及脱硫氮脱烃、氮-氧化及脱氮（2）脱氢酶脱氢氧化脱氢酶是伴随有氢原子或电子转移，以非分子氧化合物为受氢体的酶类。脱氢酶能使相应的底物脱氢氧化。例如：醇氧化成醛RCH2OHRCHO+2H醇氧化成酮R1CHOHR2R1COR2+2H（3）氧化酶氧化氧化酶是伴随有氢原子或电子转移，以分子氧为