工大環(huán)境考研資料3

第十章微生物對(duì)難降(Jiang)解物質(zhì)的降(Jiang)解與轉(zhuǎn)化

第一頁(yè)，共四十二頁(yè)。研究有機(jī)污染物的生物降解性(Xing)，有助于深入認(rèn)識(shí)污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和了解這些污染物對(duì)自然界物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)的影響程度，從而為控制污染，保護(hù)環(huán)境提供理論上的依據(jù)。此外，這項(xiàng)研究與保護(hù)人類(lèi)健康和自然界生態(tài)平衡有密切關(guān)系。

污染物的生物降解第二頁(yè)，共四十二頁(yè)。生物降解(Jie)度根據(jù)污染物生物降解進(jìn)行的程度，可將其分為三種（或3個(gè)階段）。1）初級(jí)生物降解是指有機(jī)污染物在微生物的作用下，母體化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并改變了原污染物分子的完整性，即有機(jī)污染物本來(lái)的結(jié)構(gòu)發(fā)生部分變化。

有機(jī)污染物的生物降解性第三頁(yè)，共四十二頁(yè)。2)環(huán)境容許的生物降解是指可去除有機(jī)污染物的毒性或人們所不希望的特性，如表面活性劑的降解過(guò)(Guo)程中那種使其失去起泡作用的降解。3)最終生物降解是指有機(jī)污染物向無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化，完全被降解成CO2、H2O和其他無(wú)機(jī)物，并被同化為微生物的一部分。污染物的生物降解第四頁(yè)，共四十二頁(yè)。根據(jù)有機(jī)污染物與微生物的相互關(guān)系可以將有機(jī)污染物分為4類(lèi)。可以立即被微生物利用作為營(yíng)養(yǎng)和能量來(lái)源的能夠逐步被微生物分解利用的生物降解十分緩(Huan)慢或者根本就不能降解的可以通過(guò)共代謝作用分解的污染物的生物降解第五頁(yè)，共四十二頁(yè)。前3種有機(jī)污污染物的生物降解過(guò)(Guo)程如圖第六頁(yè)，共四十二頁(yè)。1）可以立即被微生物利用作為營(yíng)養(yǎng)和能量來(lái)源的，包括糖、Pr(AA)、脂肪酸和一些涉及典型代謝途徑的污染物。2)能夠逐步被微生物分解利用的，此類(lèi)污染物的生物降解需要一個(gè)馴化期，在些期間有機(jī)污染物很少或根本(Ben)不發(fā)生生物降解，故隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)中明顯地有一個(gè)滯后期，它表示微生物對(duì)有機(jī)污染物的適應(yīng)過(guò)程所需要的時(shí)間。一般將微生物從開(kāi)始接觸有機(jī)化合物到有機(jī)化合物被明顯分解的這段時(shí)間稱(chēng)為化合物生物降解的馴化期。污染物的生物降解第七頁(yè)，共四十二頁(yè)。第八頁(yè)，共四十二頁(yè)。其原因在于：①在微生物混合群落中污染物的加入實(shí)際上是在定向地選擇那些能夠吸收和降解污染物基質(zhì)的微生物種屬；這時(shí)滯后期是由于特定降解微生物的指數(shù)生長(zhǎng)特性；同時(shí)，微生物對(duì)污染物也有一個(gè)選擇過(guò)程，所謂巴斯(Si)德效應(yīng)。②微生物對(duì)污染物的適應(yīng)要通過(guò)誘導(dǎo)酶的合成，而且需要合成必需的輔酶或中間代謝產(chǎn)物。污染物的生物降解第九頁(yè)，共四十二頁(yè)。污染物的生物降(Jiang)解第十頁(yè)，共四十二頁(yè)。3)生物降解十分緩慢(Man)或者根本就不能降解的，它包括一些天然高分子物質(zhì)以及許多人類(lèi)起源的有機(jī)化合物，如有機(jī)氯化化物。對(duì)這類(lèi)物質(zhì)可以通過(guò)其他方式使其轉(zhuǎn)化為可生物降解的物質(zhì)，如O3氧化，給水處理中的O3-GAC或O3-BAC法即依據(jù)此原理。污染物的生物降解第十一頁(yè)，共四十二頁(yè)。4)可以通過(guò)共代謝作用分解的，共代謝，又稱(chēng)共氧化、聯(lián)合氧化，有的稱(chēng)為輔助代謝，是指微生物在它有可利用的唯一碳源存在時(shí)，對(duì)原來(lái)不能利用的物質(zhì)也能分解代謝的現(xiàn)象。是由美國(guó)德克薩大學(xué)的二位學(xué)者發(fā)現(xiàn)，如甲烷假單胞菌唯一能利用的碳源是CH4，但如果有CH4存在時(shí)加入C3H8、C4H10時(shí)，則(Ze)該菌也能將這些烴類(lèi)部分氧化為乙酸的，丙醇和丁酸。污染物的生物降解第十二頁(yè)，共四十二頁(yè)。

共代謝(或協(xié)同氧化作用)就是指微生物的“生長(zhǎng)基質(zhì)”和“非生長(zhǎng)基質(zhì)”共酶，或是在污染物完全氧化成CO2和H2O的過(guò)程中有多種酶或微生物參與?！吧L(zhǎng)基質(zhì)”是可以被微生物利用作為唯一碳源和能源的物質(zhì)。“生長(zhǎng)基質(zhì)”和“非生長(zhǎng)基質(zhì)”共酶，是指有些污染物(非生長(zhǎng)基質(zhì))不能作為微生物的唯一碳源和能源，其降解并(Bing)不導(dǎo)致微生物的生長(zhǎng)和能量的產(chǎn)生，它們只是在微生物利用生長(zhǎng)基質(zhì)(例如甲烷)時(shí)，被微生物產(chǎn)生的酶降解或轉(zhuǎn)化成為不完全的氧化產(chǎn)物，這種不完全的產(chǎn)物進(jìn)而可以被別的微生物利用并(Bing)徹底氧化。污染物的生物降解第十三頁(yè)，共四十二頁(yè)。第十四頁(yè)，共四十二頁(yè)?？缮到庑缘臏y(cè)定方法(Fa)①氧化率污染物的生物降解第十五頁(yè)，共四十二頁(yè)。可生化降解性的測(cè)定方法②呼(Hu)吸線(xiàn)污染物的生物降解第十六頁(yè)，共四十二頁(yè)?？?Ke)生化降解性的測(cè)定方法③相對(duì)耗氧速率污染物的生物降解第十七頁(yè)，共四十二頁(yè)。污染物的可生物降解性及其評(píng)價(jià)方法可生物降解性是指有機(jī)化合物在微生物作用下轉(zhuǎn)變成簡(jiǎn)單小分子化合物的可能性。根據(jù)(Ju)微生物的降解能力，可分為三種：①可生物降解的，如醇、酚類(lèi)化合物②難生物降解性物質(zhì)，此類(lèi)化合物雖能被降解，但時(shí)間較長(zhǎng)，如農(nóng)藥、石油烴類(lèi)③不可生物降解的物質(zhì)，如一些高分子化合物、尼龍、塑料等。污染物的生物降解第十八頁(yè)，共四十二頁(yè)。第十九頁(yè)，共四十二頁(yè)。生物降解試驗(yàn)是研究有機(jī)化合物可生物降解性的基本方法，包括幾個(gè)基本要素：以適當(dāng)濃度范圍的被試物作為微生物生長(zhǎng)代謝所需的唯一或主要碳源和能源選擇能分解化合物的微生物創(chuàng)造適合微生物生長(zhǎng)的環(huán)境和條件，包括好氧中提供充足DO、厭氧保證無(wú)(Wu)O2適宜的溫度條件微生物所需的N、P源和無(wú)機(jī)鹽等選擇合適的化合物測(cè)定方法污染物的生物降解第二十頁(yè)，共四十二頁(yè)。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，微生物的種源可使用：天然環(huán)境中的微生物，如取自河水、湖水、沼(Zhao)澤、土壤等，為了評(píng)價(jià)有機(jī)化合物在自然環(huán)境中可否被降解，故應(yīng)盡可能使用接近于自然環(huán)境的未經(jīng)馴化的種源，而化合物濃度較低，5~10mg/L。選自廢水處理廠的污泥。此類(lèi)試驗(yàn)是為了評(píng)價(jià)在人工處理?xiàng)l件條件下有機(jī)化合物是否被降解，被試化合物濃度從凡mg/L到幾百mg/L。污染物的生物降解第二十一頁(yè)，共四十二頁(yè)。經(jīng)過(guò)篩選馴化的特殊微生物種源，此類(lèi)研究是為了研究以不同化合物為基質(zhì)培養(yǎng)馴化的細(xì)菌對(duì)特定化合物的生物降解性能，以及對(duì)同等物相似化合物的生物降解能力，研究有機(jī)(Ji)化合物的降解途徑和各種特定酶在生物降解每個(gè)環(huán)節(jié)中的作用，是最為活躍的領(lǐng)域。污染物的生物降解第二十二頁(yè)，共四十二頁(yè)。從某一生態(tài)系統(tǒng)中分離獲得一株微生物后的重要任務(wù)之一，是確定該株微生物在該系統(tǒng)中的地位，即該菌是常駐的優(yōu)勢(shì)菌，還是外來(lái)的短暫存在的菌株。前者(Zhe)是在該生態(tài)系統(tǒng)中幸存并增殖，具有代謝活性并且在生理上和生存競(jìng)爭(zhēng)上能污染物的生物降解第二十三頁(yè)，共四十二頁(yè)。自然界中的纖維素主要來(lái)源于稻草，樹(shù)木、蔗渣、蘆葦、野生植物等。我國(guó)僅非木材纖維年產(chǎn)量就超過(guò)1×1012kg。這些非木材纖維以及大量的木材加工剩余物，都是取之不盡的天然高分子原料和能源。由于纖維素具有水不溶性的高結(jié)晶構(gòu)造,其外圍又被木質(zhì)素層包圍著,要把它水解成(Cheng)可利用的葡萄糖相當(dāng)困難,所以到目前為止仍沒(méi)有得到很好地利用.微生物對(duì)自然界中難降解物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化第二十四頁(yè)，共四十二頁(yè)。纖維素的(De)結(jié)構(gòu)纖維素是一種復(fù)雜的多糖，由β—1.4葡萄糖苷鍵形成的長(zhǎng)鏈，每個(gè)纖維素分子大約有8000–10000個(gè)葡萄糖殘基組成。鏈與鏈之間以氫鍵連接起來(lái)。植物纖維素外圍還包裹著其他高分子物質(zhì)。第二十五頁(yè)，共四十二頁(yè)。植物纖維素的結(jié)(Jie)構(gòu)圖第二十六頁(yè)，共四十二頁(yè)。（1）β-葡萄糖苷酶可水解纖維二糖、纖維三糖及低分子量的寡糖成葡萄糖。這種酶過(guò)去被稱(chēng)為纖維二糖酶，這顯然(Ran)不合適，因?yàn)樗淖饔玫孜锊恢皇抢w維二糖。（2）β-1,4葡聚糖酶又叫Cx酶，它不能水解天然纖維素，只能切割部分降解的多糖。它廣泛分布在細(xì)菌、放線(xiàn)菌和真菌中，可作用于包括很多葡萄糖單位的多糖分子，也可作用于寡糖分子，如纖維四糖、纖維三糖。但它對(duì)寡糖比對(duì)多聚糖的水解作用微生物對(duì)自然界中難降解物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化第二十七頁(yè)，共四十二頁(yè)。慢。一種微生物可以分泌幾種不同結(jié)構(gòu)的Cx酶，這些酶的功能相同。Cx酶又可分兩種：一種叫內(nèi)切酶，它在長(zhǎng)鏈之內(nèi)任意切割葡萄糖單位間的鍵，一般產(chǎn)生纖維二糖，不同大小的寡糖，有時(shí)產(chǎn)生葡萄糖；另一種叫外切酶，它從大分子的一端開(kāi)始切割，每次(Ci)切下兩個(gè)葡萄糖單位，一般產(chǎn)生纖維二糖。寡糖或纖維二糖被微生物利用之前，還必須進(jìn)一步降解才能作為碳源及能源。（3）C1酶可水解天然纖維素，使纖維素分解為含很多葡萄糖分子的多糖，對(duì)多糖或寡糖很少有降解作用。一種微生物能分泌一種以上的C1酶。微生物對(duì)自然界中難降解物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化第二十八頁(yè)，共四十二頁(yè)。纖維素經(jīng)水解分解為葡萄糖和纖維二糖后方可被微生物吸收。在好氧性分解纖維素微生物作用下，纖維素可徹底氧化成CO2與H2O。在厭氧條件下，纖維素由厭氧纖維素微生物作用可進(jìn)行丁(Ding)酸型發(fā)酵，產(chǎn)生丁(Ding)酸、丁(Ding)醇、CO2和H2等。微生物對(duì)自然界中難降解物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化第二十九頁(yè)，共四十二頁(yè)。微生物對(duì)自然界中(Zhong)難降解物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化纖維素分解過(guò)程第三十頁(yè)，共四十二頁(yè)。

芳香族化合物的分解在芳香族與雜環(huán)化合物分解過(guò)程中起重要作用的微生物有假單胞菌、無(wú)(Wu)色桿菌、節(jié)桿菌、棒桿菌、諾卡氏菌、分枝桿菌、曲霉、青霉等，這些微生物都能不同程度地使芳香族與雜環(huán)化合物分解。

微生物對(duì)烴類(lèi)化合物的分解與轉(zhuǎn)化第三十一頁(yè)，共四十二頁(yè)。微生物分解芳香族化合物的方式有兩種：在酶的作用下直接將分子中的環(huán)狀結(jié)(Jie)構(gòu)打開(kāi)芳香族化合物中大部分被微生物作用去掉環(huán)上的側(cè)鏈基團(tuán)，使之轉(zhuǎn)變成兒茶酚或原兒茶酸，微生物對(duì)烴類(lèi)化合物的分解與轉(zhuǎn)化第三十二頁(yè)，共四十二頁(yè)。第三十三頁(yè)，共四十二頁(yè)。芳香族(Zu)化合物的生物降解微生物對(duì)烴類(lèi)化合物的分解與轉(zhuǎn)化第三十四頁(yè)，共四十二頁(yè)。烴類(lèi)化合物的分(Fen)解微生物對(duì)烴類(lèi)化合物的分解與轉(zhuǎn)化第三十五頁(yè)，共四十二頁(yè)?；瘜W(xué)農(nóng)藥的降解

過(guò)去使用農(nóng)藥在提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、保護(hù)秧苗、保護(hù)森林資源、農(nóng)產(chǎn)品貯存等方面也起過(guò)積極作用。但是就在農(nóng)藥為人類(lèi)造福的同時(shí)，也污染了人類(lèi)生存的環(huán)境，又給人類(lèi)帶來(lái)嚴(yán)重的危害。因?yàn)檗r(nóng)藥的毒性很(Hen)強(qiáng)，又很(Hen)穩(wěn)定，很(Hen)難被微生物降解。年復(fù)一年，大量的農(nóng)藥傾入環(huán)境，所以在環(huán)境中有大量的農(nóng)藥積累。農(nóng)藥還可以從土壤中進(jìn)入大氣和水體，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體。尤其是那些化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在環(huán)境中不易分解的有機(jī)氯農(nóng)藥。

污染物對(duì)合成有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化第三十六頁(yè)，共四十二頁(yè)。微生物對(duì)農(nóng)藥的作用方式是多種多樣，可以歸納為六種作用類(lèi)型：去毒作用農(nóng)藥分子被微生物作用后變有毒為無(wú)毒。降解作用將復(fù)雜的農(nóng)藥化合物轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單化合物，或者(Zhe)徹底分解為CO2和H2O及NH3、Cl-。如果完全被分解成無(wú)機(jī)化合物，即稱(chēng)為農(nóng)藥的礦化。污染物對(duì)合成有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化第三十七頁(yè)，共四十二頁(yè)?；罨饔脤o(wú)毒的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有毒的農(nóng)藥。如除草劑2，4-D丁酸、殺蟲(chóng)劑甲拌磷，是經(jīng)土壤中微生(Sheng)物作用后的代謝產(chǎn)物，對(duì)雜草及昆蟲(chóng)有毒害作用。失去活性本來(lái)是一個(gè)無(wú)毒的有機(jī)分子，在微生物作用下可以成為農(nóng)藥，但有的微生物能將這樣的分子轉(zhuǎn)化為另一無(wú)毒分子，使其再不能被活化成為農(nóng)藥。污染物對(duì)合成有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化第三十八頁(yè)，共四十二頁(yè)。結(jié)合、復(fù)合或加成作用微生物的細(xì)胞代謝產(chǎn)物與農(nóng)藥結(jié)合，形成更為復(fù)雜的物質(zhì)。如將氨基酸、有機(jī)酸、甲基或者其它基團(tuán)加在作用的底物上。這些作用過(guò)程也常常是解毒作用。改變毒性譜某些農(nóng)藥對(duì)一類(lèi)有機(jī)體有毒，但是它們被微生物代謝后，得到的產(chǎn)物能抑(Yi)制完全不同的另一類(lèi)有機(jī)體，毒性譜發(fā)生了改變。如5-氯苯甲醇轉(zhuǎn)化為4-氯苯甲酸。污染物對(duì)合成有機(jī)物的分解與轉(zhuǎn)化第三十九頁(yè)，共四十二頁(yè)。重金屬--汞污染與轉(zhuǎn)化

由于汞在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，自然(Ran)界汞的開(kāi)采量逐年增多。如生產(chǎn)電池、路燈、繼電器等工業(yè)都需要汞；生產(chǎn)氯乙烯塑料和乙醛也都要用氯化汞作催化劑；很多化學(xué)農(nóng)藥中亦含有無(wú)機(jī)汞或有機(jī)汞。因此，含汞污染物質(zhì)不斷地排入環(huán)境，從而造成了汞的污染。污染物對(duì)無(wú)機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化第四十頁(yè)，共四十二頁(yè)。汞的化學(xué)轉(zhuǎn)化汞能在中性水溶液內(nèi)，用甲基鈷氨素作為甲基供體，完全(Quan)以非生物反應(yīng)進(jìn)行甲基化