武理工水處理生物學(xué)課件第10章 微生物對(duì)污染物的分解與轉(zhuǎn)化作用

1第十章

微生物對(duì)污染物的分解與轉(zhuǎn)化作用第一節(jié)微生物對(duì)污染物的分解與轉(zhuǎn)化作用第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性第三節(jié)不含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用第六節(jié)生物對(duì)污染物的濃縮與吸附作用2第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用一、生物分解的一般特點(diǎn)與分類(lèi)二、有機(jī)物的好氧生物分解三、有機(jī)物的厭氧生物分解3生物分解的基本規(guī)律：有機(jī)物經(jīng)逐步分解后，產(chǎn)生能進(jìn)入TCA循環(huán)或（和）能作為合成代謝原料的中間代謝產(chǎn)物。逐步分解過(guò)程因化合物而異，但后面的分解過(guò)程基本相同。生物分解后的去向（產(chǎn)物）？細(xì)胞物質(zhì)（微生物的生長(zhǎng)）分解產(chǎn)物（CO2、小分子有機(jī)物等）第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用一、生物分解的一般特點(diǎn)與分類(lèi)4有機(jī)污染物的生物分解過(guò)程第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用有機(jī)物的生物分解：通過(guò)一系列的生化反應(yīng)，將有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物或簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)物的過(guò)程5生物分解類(lèi)型特點(diǎn)分解對(duì)象有機(jī)物的分析方法生物去除（Bioelimination）由于微生物細(xì)胞、活性污泥等的吸附作用使化學(xué)物質(zhì)濃度降低的一種現(xiàn)象。這里所說(shuō)的“生物去除”不是真正意義上的分解，而是一種表觀現(xiàn)象，也可稱為“表觀生物分解”。各種色譜分析有機(jī)碳分析初級(jí)分解（Primarybiodegradation）在分解過(guò)程中，化學(xué)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而失去原化學(xué)物質(zhì)特征的分解。各種色譜分析官能團(tuán)分析毒性測(cè)試環(huán)境可接收的分解（Environmentallyacceptablebiodegradation）經(jīng)過(guò)生物分解，化學(xué)物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)和毒性達(dá)到環(huán)境安全要求的程度。各種色譜分析官能團(tuán)分析毒性測(cè)試完全分解(礦化)（Ultimatebiodegradation）有機(jī)化合物被分解成穩(wěn)定無(wú)機(jī)物（CO2、H2O等）的分解總有機(jī)碳分析產(chǎn)生的CO2分析第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用有機(jī)物的生物分解類(lèi)型及其特點(diǎn)（根據(jù)分解程度分類(lèi)）6微生物的分類(lèi)好氧微生物（aerobe）：只能在有氧條件下生長(zhǎng)，沒(méi)有氧氣無(wú)法生存厭氧微生物（anaerobe）：只能在沒(méi)有氧氣的環(huán)境下生長(zhǎng)，有氧氣反而不能生長(zhǎng)。兼性微生物（facultativeaerobe）：即可在有氧條件下，也可在無(wú)氧條件下生長(zhǎng)。在自然界中，大多數(shù)微生物屬于這一類(lèi)。第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用根據(jù)受氫體分類(lèi)好氧分解：在好氧條件下進(jìn)行的分解好氧呼吸厭氧分解：在厭氧條件下進(jìn)行的分解厭氧呼吸發(fā)酵7二、有機(jī)物的好氧生物分解好氧分解過(guò)程：（1）消化：由胞外酶把大分子分解為可以被細(xì)胞吸收的小分子。（2）小分子的脫氫氧化：產(chǎn)生可進(jìn)入TCA循環(huán)的乙酰－CoA。（3）乙酰－CoA進(jìn)入TCA循環(huán)和呼吸鏈被氧化成CO2和H2O有機(jī)物CHONSPCO2、H2O、（NH3＋NO2－＋NO3－）H2SO4、H3PO4好氧分解的產(chǎn)物：第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用8第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用氨化作用：有機(jī)氮化物在氨化菌的作用下，分解轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，

需氧或厭氧快速硝化作用：需氧亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌反硝化作用：缺氧或厭氧反硝化細(xì)菌

污水處理中的脫氮工藝好氧池的混合液回流到缺氧池硫磺細(xì)菌第三節(jié)絲狀菌2H2S+O22H2O+2S+343KJ2S+3O2+2H2O2H2SO4+494KJCO2+H2O[CH2O]+O2自養(yǎng)需氧腐蝕金屬管道除去廢水中的H2S改良?jí)A性土壤10第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用污水處理中的除磷工藝生物除磷：利用聚磷菌一類(lèi)的微生物，在厭氧條件下釋放磷，在好氧條件下，過(guò)量地從外部環(huán)境攝取磷，以聚合的形式儲(chǔ)藏在菌體內(nèi)。1.短時(shí)間厭氧，吸收BOD+釋放磷2.好氧階段，消耗能量大量吸收厭氧階段釋放的磷和原污水中的磷，過(guò)度積累和奢量吸收。內(nèi)含物?異染顆粒11三、有機(jī)物的厭氧生物分解厭氧分解的基本過(guò)程：消化（與好氧分解基本一樣）、厭氧呼吸、發(fā)酵最終產(chǎn)物：C有機(jī)酸N有機(jī)酸S——P——臭味物質(zhì)低級(jí)脂肪酸也有臭味第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用12有機(jī)物+微生物細(xì)胞物質(zhì)有機(jī)酸、醇+微生物CO2、NH3、HS、等+能量細(xì)胞物質(zhì)CO2、CH4+能量產(chǎn)酸細(xì)菌的作用甲烷細(xì)菌的作用有機(jī)物的厭氧分解第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用酸性發(fā)酵階段堿性發(fā)酵階段或產(chǎn)甲烷階段13CH4有機(jī)物發(fā)酵性細(xì)菌脂肪酸（丙酸、丁酸、乳酸等）、醇類(lèi)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌乙酸H2＋CO2同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)甲烷細(xì)菌ⅠⅡⅢⅣ厭氧分解（降解）的三階段、四階段過(guò)程第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用14好氧降解的有機(jī)物降解速率快、徹底；能量利用率高；菌體轉(zhuǎn)化率高（合成系數(shù)大）、合成速率快產(chǎn)生差別的主要原因：能量代謝水平（利用程度）不同32ATP2ATPATP中高能鍵貯存的能力：48.1kJ/mol好氧：48.1×32＝1826.4kJ厭氧：48.1×2＝96.1kJ能量利用率54％能量利用率43%好氧分解與厭氧分解的比較第一節(jié)微生物對(duì)有機(jī)物的分解作用15第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性一、有機(jī)物的生物分解性評(píng)價(jià)方法二、有機(jī)物的生物分解性與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系三、值得注意的幾個(gè)問(wèn)題16第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性一、有機(jī)物的生物分解性評(píng)價(jià)方法有機(jī)物生物分解性（亦稱：生物降解性）評(píng)價(jià)的意義？如何確定有機(jī)物生物分解性評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)條件？生物分解性試驗(yàn)本質(zhì)性生物分解試驗(yàn)生物分解潛能試驗(yàn)生物分解模擬試驗(yàn)易生物分解試驗(yàn)污水生物處理系統(tǒng)試驗(yàn)（好氧、厭氧）河流、湖泊模擬試驗(yàn)河口模擬試驗(yàn)海洋模擬試驗(yàn)土壤模擬試驗(yàn)17受試有機(jī)化合物易生物分解試驗(yàn)本質(zhì)性生物分解試驗(yàn)

生物分解模擬試驗(yàn)分解性分解性良好良好不良不良在環(huán)境中易生物分解在環(huán)境中難生物分解第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性有機(jī)物生物分解性評(píng)價(jià)的一般步驟18二、有機(jī)物的生物分解性與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系

（一般規(guī)律，但例外較多）1）增加A類(lèi)取代基一般降解性變差，B類(lèi)有時(shí)可以增加降解性。OO能使降解性降低的基團(tuán)稱異源基團(tuán)（xenophore）2）異源基團(tuán)數(shù)目增加，降解性越差。OHClOHClClOHClClCl第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性19OHOHClOHCl加速減慢4）甲基分支越多越不易降解－CH3－C－CH3CH3H－C－CH3CH3CH3>>3）異源基團(tuán)的位置對(duì)生物降解性產(chǎn)生顯著影響。第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性208）好氧條件下的降解規(guī)律與厭氧有時(shí)不同5）脂肪族：分子量越大越不易降解6）芳香族<脂肪族（小分子）7）復(fù)環(huán)芳烴中環(huán)越多越難降解polycyclic第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性21三、值得注意的幾個(gè)問(wèn)題有些有機(jī)物在濃度低時(shí)可以降解，高于某一濃度時(shí)不能降解（產(chǎn)生基質(zhì)抑制作用）。SS抑制濃度毒性較大的污染物的生物降解需稀釋。（一）生物分解性與濃度的關(guān)系第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性22單獨(dú)存在時(shí)不能被降解，但在與其它有機(jī)物物同時(shí)存在時(shí)可以進(jìn)行生物分解的現(xiàn)象。不能作為能源或碳源原因：1）缺少進(jìn)一步降解的酶系；

2）中間產(chǎn)物的抑制作用；

3）濃度低，不能維持微生物生命代謝。（二）共代謝現(xiàn)象第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性231.多基質(zhì)同時(shí)被利用2.一種基質(zhì)促進(jìn)第二種基質(zhì)的降解

甲苯促進(jìn)假單胞菌對(duì)苯、二甲苯的降解易降解物質(zhì)的添加加快難生物降解物質(zhì)的分解3.一種基質(zhì)阻礙另一基質(zhì)的降解

抑制作用順次利用（sequentialuse)：一種基質(zhì)的分解只發(fā)生在另一種基質(zhì)大部分或全部降解之后。（三）有機(jī)物間的相互作用互不影響、促進(jìn)作用、抑制作用（順次利用）第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性24（四）微生物間的相互作用1.協(xié)同作用（共生關(guān)系）類(lèi)型：?jiǎn)我徊荒芙到饣旌夏芙到鈫我唤到饴旌夏芙到饪熳饔脵C(jī)理：

提供生長(zhǎng)因子：提供維生素B、氨基酸等分解中間代謝產(chǎn)物分解共代謝產(chǎn)物分解有毒產(chǎn)物抑制作用（拮抗）：分解產(chǎn)物抑制其他微生物捕食作用第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性25生物分解和轉(zhuǎn)化過(guò)程中，有機(jī)物的毒性往往發(fā)生變化。生物分解產(chǎn)物的毒性低于原化合物時(shí)的生物分解作用，稱去毒作用（Detoxication）。生物分解產(chǎn)物的毒性大于原化合物時(shí)的生物分解作用，稱激活作用（activation）。常見(jiàn)的激活反應(yīng)有：脫鹵作用、亞硝胺的形成、環(huán)氧化作用、硫醚的氧化、甲基化等。（五）生物去毒作用與激活作用1.去毒作用（Detoxication）在毒理學(xué)上：活性物質(zhì)無(wú)活性物質(zhì)有毒物鈍化產(chǎn)物CO2代謝產(chǎn)物去毒作用第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性26去毒作用機(jī)制：水解作用（hudrolysis羥基化作用（hyolroxylation）脫鹵作用（dehalogenation）甲基化（methylation）去甲基（demethylation）硝基還原（nitroreduction）去氨基（deamination）醚鍵斷裂（ethercleavage）腈轉(zhuǎn)化為酰胺R－C－O－R’OR－C－OHORHROHRClRHROHROCH3RNO2RNH2R－C＝NR－C－NH2O第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性272.激活作用（activation）形成有毒產(chǎn)物常見(jiàn)的激活反應(yīng)（1）脫鹵作用三氯乙烷Cl2C＝CHClCl－C＝CH2H氯乙烯（強(qiáng)致癌物）（2）亞硝胺的形成（nitroamineformation）（亞硝胺）（致癌、致畸）RR’NH＋RR’N－N＝ORR’N－R”脫烷基（仲胺）反硝化（叔胺）第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性28（3）環(huán)氧化作用（epoxiadation）－HC＝CH－HC－CH－O（4）硫醚的氧化－C－S－C－－C－S－C－－C－S－C－OOO（5）甲基化HgCH3Hg+CH3HgCH3引自：沈德中：污染環(huán)境的生物修復(fù).化工出版社..2001，10第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性29第二節(jié)有機(jī)物的生物分解性BOD5/CODcr>0.4—0.6可生物處理性好0.2<BOD5/CODcr<0.4含有難生物分解的有機(jī)物，較難生物處理BOD5/CODcr<0.1有機(jī)污染物的生物分解性差，難生物處理（六）污水中有機(jī)污染物的生物分解性評(píng)價(jià)BOD5/CODcr比值預(yù)測(cè)污水可生物處理性的參考標(biāo)準(zhǔn)BOD5/DOC>1.2可生物處理性好0.3<BOD5/DOC<1.2含有難生物分解的有機(jī)物，較難生物處理BOD5/DOC<0.3有機(jī)污染物的生物分解性差，難以生物處理BOD5/DOC比值預(yù)測(cè)污水可生物處理性的參考標(biāo)準(zhǔn)30第三節(jié)不含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解一、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的生物分解二、淀粉的生物分解三、脂肪的生物分解四、芳香族化合物的生物分解五、烴類(lèi)化合物的生物分解六、合成洗滌劑的生物分解311.纖維素—多糖化合物乳酸纖維二糖葡萄糖能降解纖維素的微生物：主要是霉菌和一些特殊的細(xì)菌：纖維粘菌、纖維桿菌、蓮霉菌、曲霉、青霉、木霉一、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素第三節(jié)不含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解酶322.半纖維素分子結(jié)構(gòu)：由聚戊糖、聚己糖、聚糖醛酸構(gòu)成降解過(guò)程：半纖維素單糖+糖醛酸……能降解纖維素的微生物：芽孢桿菌、假單胞菌、放線菌、

根霉、青霉、鐮刀霉和曲霉。第三節(jié)不含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解333.木質(zhì)素（lignin）CCCHOCCCHOH3COCCCHOH3COH3CO基本構(gòu)成單位芳醚鍵降解機(jī)理（較為復(fù)雜）：芳醚鏈斷裂苯丙烷大分子解聚、

、

、能降解木質(zhì)素的微生物：擔(dān)子菌綱，如白腐菌第三節(jié)不含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解34二、淀粉

分子結(jié)構(gòu)：多糖

降解過(guò)程：淀粉糊精麥芽糖葡萄糖

降解微生物：主要有霉菌（曲霉、根霉）三、脂肪

結(jié)構(gòu)：CH2

—O—C—R1CH2

—O—C—R2CH2

—O—C—R3OOO

脂肪甘油+脂肪酸脂肪酶

降解微生物：熒光桿菌、綠膿桿菌放線菌、真霉第三節(jié)不含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解35四、芳香化合物OHOHOHCOOHCOOH酚鄰苯二酚粘康酸（mucomicacid）第三節(jié)不含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解食酚假單胞菌和解酚假單胞菌20h內(nèi)可以分解0.1%濃度的酚CO2、H2O36五、烴類(lèi)（脂肪烴）2.烯烴：烯烴加氧化合物脂肪酸β氧化1.烷烴：CnH2n+2一般從末端氧化，形成醇、醛、酸、CO2β氧化降解微生物：主要是一些細(xì)菌、酵母菌第三節(jié)不含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解37SO3NaCH2－（CH2）10

－CH3十二烷基苯磺酸鈉SO3NaCH2COOHCH3SO3NaCH3OHOHβ氧化….HSO3六、合成洗滌劑降解微生物：主要是芽孢桿菌、假單胞菌（惡臭假單胞菌）第三節(jié)不含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解38第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解一、氮循環(huán)及其微生物的作用二、氨化、硝化與反硝化三、蛋白質(zhì)的生物分解三、尿素的轉(zhuǎn)化39一、氮循環(huán)及其微生物的作用第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解40二、氨化、硝化與反硝化1、氨化作用（含氮有機(jī)物的生物氧化，有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨的過(guò)程）Org－NNH3＋不含氮有機(jī)物好氧、厭氧情況下都生成NH3R－C－COOHNH2RCOOH＋CO2＋NH3RCH2COOH＋NH3O2[H]有氧缺氧氨化細(xì)菌（Ammonifier）：熒光假單胞菌、變形桿菌等；真菌第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解412、硝化作用：氨氧化成亞硝酸、硝酸的過(guò)程分兩步進(jìn)行（好氧條件）：NH3NO2-NO3-第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解硝化菌（nitrifier）亞硝酸菌（nitritebacteria），亦稱氨氧化菌硝酸菌（nitratebacteria），亦稱亞硝酸氧化菌硝化菌的主要特性：G--

化能自養(yǎng)

好氧

適于中性或弱堿性環(huán)境

42硝化菌與活性污泥中異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率比較細(xì)菌種類(lèi)世代時(shí)間(h)最大增長(zhǎng)速率(1/h)亞硝酸菌硝酸菌活性污泥中異養(yǎng)菌8-368-592.3-8.7

0.02-0.090.01-0.060.08-0.3生長(zhǎng)速度慢第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解對(duì)有害化學(xué)物質(zhì)敏感（用于毒性測(cè)定）4310m50mSubstratumProbeNtsoa454-stainedNitrospiraspp.(uncultured)(硝化刺菌屬)ProbeNEU-stainedNitrosomonasspp.(亞硝化單胞菌屬)20mSimultaneousinsituhybridizationofaverticalsectionofanautotrophicnitrifyingbiofilmNH4+NO2-NO3-NitrificationNH4+ NH2OH NO2- NO3-O2O2(NH4+-oxidizers)(NO2--oxidizers)O244（1）溶解氧(DO)：活性污泥中DO>2mg/L，生物膜法應(yīng)>3mg/L（2）溫度：溫度低于12oC，硝化活性明顯下降，30oC時(shí)活性最大，超過(guò)30oC時(shí)，活性反而降低。（3）pH值：亞硝酸菌為7.0-7.8，而硝酸菌為7.7-8.1，硝化過(guò)程常大量產(chǎn)酸，可使pH值降低，限制硝化作用進(jìn)行，運(yùn)行中應(yīng)隨時(shí)調(diào)節(jié)pH值。（4）污泥齡：數(shù)量不多，代時(shí)長(zhǎng)，生長(zhǎng)速度慢，污泥齡一般要大于20—30天。影響硝化作用的主要因素：第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解45(5)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)：硝化菌為自養(yǎng)微生物，生長(zhǎng)不需有機(jī)質(zhì)。在污水處理中，硝化反應(yīng)一般在有機(jī)物濃度較低的條件下較易發(fā)生。(6)氨氮：氨氮濃度大于100-200

mg/L時(shí)，對(duì)硝化反應(yīng)呈現(xiàn)抑制作用。(7)毒物：硝化菌對(duì)毒物的敏感度大于一般細(xì)菌，大多數(shù)重金屬和有機(jī)物對(duì)硝化菌具有抑制作用。第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解46一些化學(xué)物質(zhì)對(duì)活性污泥硝化活性的影響物質(zhì)75%抑制濃度(mg/L)物質(zhì)75%抑制濃度(mg/L)銅酚鄰-甲酚氰三氯甲烷4.05.612.81.318苯胺硫代乙酰胺丙烯醇氨基硫脲丙酮7.70.53200.182000(張希衡，1996)第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解473、反硝化作用（Denitrification）定義：硝酸鹽在無(wú)氧條件下被微生物還原成亞硝酸鹽和氮?dú)獾鹊倪^(guò)程。反硝化菌（Denitrifyingbacteria）及其特征：

大多數(shù)是異養(yǎng)菌（反硝化桿菌、熒光假單胞菌），也

有一些自養(yǎng)菌（硝化硫桿菌）大部分是兼性細(xì)菌，有氧氣時(shí)利用氧氣呼吸，厭氧時(shí)利用硝酸和亞硝酸根呼吸第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解48反硝化機(jī)理：氣態(tài)溫室效應(yīng)氣體上述過(guò)程可以在任何一種氣態(tài)氮中止pH<7N2,NOpH>7N2微生物種類(lèi)不同對(duì)的還原能力和最終產(chǎn)物也不同。熒光桿菌、變形桿菌微球菌、假單胞菌參見(jiàn)：張希衡.廢水厭氧生物處理工程.環(huán)境科學(xué)出版社.P351有些細(xì)菌含有三種厭氧呼吸途徑①②③參：高，微生物學(xué)（上），P85第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解49需要足夠的有機(jī)碳源，BOD5/N>3時(shí)無(wú)需外加碳源即可脫氮。甲醇、乙醇、乙酸、苯甲酸、葡萄糖等均可作為外加碳源。利用最多的是甲醇，因?yàn)樗鼉r(jià)廉，而且氧化分解產(chǎn)物為水和二氧化碳，不留任何難降解中間產(chǎn)物。在飲用水的脫氮處理中宜采用乙醇，以避免殘留甲醇對(duì)人體的危害。影響反硝化作用的主要因素：第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解（1）營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)50(2)溶解氧

活性污泥系統(tǒng)，DO<0.5mg/L；生物膜系統(tǒng)<1.5mg/L(3)溫度最佳溫度為40oC，溫度<0oC，反硝化菌的活動(dòng)終止，

溫度超過(guò)50oC時(shí)，反硝化活性急劇降低。(4)pH值最適pH值范圍為7.0-7.5，pH值對(duì)反應(yīng)成物也產(chǎn)生影響。

pH在中性范圍內(nèi)有利于N2的產(chǎn)生。第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解51三、蛋白質(zhì)的生物分解水解（胞外）四、尿素的生物轉(zhuǎn)化碳酸氨尿素細(xì)菌：球狀和桿狀好氧第四節(jié)含氮有機(jī)物的生物分解52第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用一、硫的生物轉(zhuǎn)化二、磷的生物轉(zhuǎn)化三、金屬的生物轉(zhuǎn)化53一、硫的生物轉(zhuǎn)化（一）循環(huán)過(guò)程及微生物的作用第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用54H2S被氧化生成S和H2SO4的過(guò)程硫化作用微生物硫磺細(xì)菌硫化細(xì)菌1）硫磺細(xì)菌的一般特性能利用還原態(tài)硫化物（H2S、S等）為能源；自養(yǎng)型；在細(xì)胞內(nèi)能積累單質(zhì)硫。①②H2S充足時(shí)，①>②,細(xì)胞內(nèi)積累硫而形成硫磺顆粒。（二）硫化作用第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用55常見(jiàn)的硫磺細(xì)菌無(wú)色硫磺細(xì)菌紫色硫磺細(xì)菌：紫硫菌、八疊硫菌（光能自養(yǎng)）（光合菌著色菌科、舊稱紅硫菌科，俗稱紫硫菌）貝日阿托氏菌，如白硫磺菌(Beggiatoa)發(fā)硫細(xì)菌(Thiothrix)硫磺細(xì)菌的細(xì)胞合成方式：無(wú)色硫磺菌：化學(xué)合成紫色硫磺菌：1）化學(xué)合成；2）光合成第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用56特點(diǎn)：利用硫化物作能源，但不能在細(xì)胞內(nèi)積累硫單體。常見(jiàn)的硫化菌好氧菌厭氧菌脫氮硫桿菌：在缺氧情況下還原硝酸根為氮?dú)?Thiobacillusdenitrificans)排硫桿菌氧化硫桿菌2)硫化細(xì)菌的一般特性第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用57硫酸鹽被還原成硫化氫的過(guò)程反硫化作用微生物：硫酸鹽還原菌（e.g.去硫弧菌）厭氧且在有機(jī)物存在的條件下：硫酸鹽還原菌（反硫化細(xì)菌）：去硫弧菌（Desulfovibriodesulfuricans）巨大脫硫弧菌（Desulfovibriogigas）至黑脫硫腸狀菌（Desulfotomaculumnigrificans）第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用（三）反硫化作用58含SO42-廢水生物處理工藝

第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用59二、磷的生物轉(zhuǎn)化1.無(wú)機(jī)磷的有機(jī)化2.有機(jī)磷化物的生物降解3.磷酸還原：（類(lèi)似于反硝化、反硫化）梭狀芽孢桿菌、大腸桿菌揮發(fā)性細(xì)菌氧化硝化菌、硫化菌pH的降低第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用60三、金屬的生物轉(zhuǎn)化1.鐵化合物的氧化沉淀：鐵細(xì)菌鐵細(xì)菌的特性：能利用還原態(tài)鐵作為能源；自養(yǎng)菌；絲狀菌；一般生活在含氧少、但有較多鐵質(zhì)和CO2的水中。（一）鐵的生物轉(zhuǎn)化第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用613.有機(jī)鐵化物的形成溶解性鐵被植物、微生物吸收利用有機(jī)結(jié)合態(tài)有機(jī)酸鐵鹽2.鐵化合物的還原與溶解1）CO2、無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸的生成鐵沉降溶解2）氧化還原電位的降低第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用62在厭氧條件下，Cr6+被還原成無(wú)毒性的Cr3+。曾報(bào)道的Cr6+還原細(xì)菌有銅綠假單胞菌、螢光假單胞菌、惡臭假單胞菌、含糊假單胞菌、門(mén)多薩假單胞菌、酪鏈球菌、真養(yǎng)產(chǎn)堿菌)、陰溝腸桿菌等。陰溝腸桿菌HO-1菌株是從活性污泥中分離出來(lái)的一種兼性厭氧菌。據(jù)稱該菌株的Cr6+還原能力是其它菌的10倍以上。第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用（二）鉻的生物轉(zhuǎn)化631．汞的生物氧化和還原在好氧條件下，一些細(xì)菌（如枯草芽孢桿菌和巨大芽孢桿菌等）能將元素汞氧化生成二價(jià)汞離子Hg2＋。有些細(xì)菌，如銅綠假單胞菌、大腸桿菌、變形桿菌等在適宜的條件下能將Hg2＋還原為金屬汞。2．汞的甲基化有些微生物能把元素汞和汞離子轉(zhuǎn)化為甲基汞和二甲基汞，這種過(guò)程稱汞的甲基化。汞的甲基化在好氧和厭氧條件下均可能發(fā)生。產(chǎn)甲烷菌、匙形梭狀芽孢桿菌、熒光假單胞菌、大腸桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌和巨大芽孢桿菌等都具有將元素汞轉(zhuǎn)化為甲基汞的能力。甲基汞的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于元素汞和汞離子。第五節(jié)微生物對(duì)無(wú)機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用（三）汞的生物轉(zhuǎn)化64一、生物對(duì)污染物的濃縮作用第六節(jié)生物對(duì)污染物的濃縮與吸附作用（一）生物濃縮一般定義：生物個(gè)體或處于同一營(yíng)養(yǎng)水平的生物種群，從環(huán)境中吸收并蓄積某種元素或化合物，使體內(nèi)該物質(zhì)的濃度超過(guò)環(huán)境中濃度的現(xiàn)象，又稱生物富集。生物濃縮的程度一般用生物濃縮系數(shù)（Bio-concentrationFactor,BCF，亦稱富集因子）來(lái)表示，濃縮系數(shù)越大，生物濃縮的程度越高。65指同一生物個(gè)體在不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段，生物濃縮系數(shù)不斷增加的現(xiàn)象。生物積累的程度也用BCF表示。不同種生物和同一種生物的不同器官和組織對(duì)同一化學(xué)物質(zhì)的生物積累速率有很大的差別。（二）生物積累與生物放大生物積累（Bio-accumulation）第六節(jié)生物對(duì)污染物的濃縮與吸附作用66定義：指生態(tài)系統(tǒng)中，某種化學(xué)物質(zhì)的生物濃縮系數(shù)在同一食物鏈上，由低位營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物到高位營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物逐級(jí)增大的現(xiàn)象。實(shí)例：有關(guān)美國(guó)圖爾湖和克爾馬斯南部保護(hù)區(qū)有機(jī)氯殺蟲(chóng)劑DDT對(duì)生物群落污染的研究表明，湖水中DDT濃度為0.006mg/L情況下，水體中藻類(lèi)細(xì)胞內(nèi)的濃度為0.1－0.3mg/L（BCF為167－500），魚(yú)類(lèi)體內(nèi)的最高濃度為1.6mg/L（BCF為2667）,以魚(yú)類(lèi)為食的水鳥(niǎo)體內(nèi)的濃度高達(dá)63－75.5mg/L（BCF為10,500－125,873）。由于生物濃縮、生物積累和生物放大作用，即使是進(jìn)入環(huán)境中的微量污染物，也會(huì)通過(guò)逐級(jí)生物放大，影響高位營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物，甚至人類(lèi)。生物放大（Bio-magnification）第六節(jié)生