微生物對污染物的降解和轉(zhuǎn)化課件

第二章微生物對污染物的降解和轉(zhuǎn)化一、有機(jī)污染物的降解途徑1.光降解（光解作用）

（具有紫外線吸收峰的化合物）2.化學(xué)降解

（由于溫度、氧氣、pH、金屬離子等發(fā)生化學(xué)降解或轉(zhuǎn)化）3.生物降解

（通過動物、植物和微生物的代謝活動來分解各種有機(jī)物）第一節(jié)有機(jī)污染物的生物降解自然界化學(xué)物質(zhì)的降解主要通過上述三種途徑交叉進(jìn)行，其中與微生物降解作用的關(guān)系最大。光降解作用

光解過程可分為三類：第一類稱為直接光解，這是化合物本身直接吸收了太陽能而進(jìn)行分解反應(yīng)；第二類稱為敏化光解，水體中存在的天然物質(zhì)(如腐殖質(zhì)等)被陽光激發(fā)，又將其激發(fā)態(tài)的能量轉(zhuǎn)移給化合物而導(dǎo)致的分解反應(yīng)；第三類是氧化反應(yīng)，天然物質(zhì)被輻照而產(chǎn)生自由基或純態(tài)氧(又稱單一氧)等中間體，這些中間體又與化合物作用而生成轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物。1、直接光解光化學(xué)反應(yīng)的先決條件應(yīng)該是污染物的吸收光譜要與太陽發(fā)射光譜在水環(huán)境中可利用的部分相適應(yīng)。水環(huán)境中污染物光吸收作用僅來自太陽輻射可利用的能量，太陽發(fā)射幾乎恒定強(qiáng)度的輻射和光譜分布，但是在地球表面上的氣體和顆粒物通過散射和吸收作用，改變了太陽的輻射強(qiáng)度。陽光與大氣相互作用改變了太陽輻射的譜線分布。太陽輻射到水體表面的光強(qiáng)隨波長而變化，特別是近紫外(290—320nm)區(qū)光強(qiáng)變化很大，而這部分紫外光往往使許多有機(jī)物發(fā)生光解作用。其次，光強(qiáng)隨太陽射角高度的降低而降低。

2、敏化光解(間接光解)

除了直接光解外，光還可以用其他方法使水中有機(jī)污染物降解。一個光吸收分子可能將它的過剩能量轉(zhuǎn)移到一個接受體分子，導(dǎo)致接受體反應(yīng)，這種反應(yīng)就是光敏化作用。2，5—二甲基呋喃就是可被光敏化作用降解的一個化合物，在蒸餾水中將其暴露于陽光中沒有反應(yīng)，但是它在含有天然腐殖質(zhì)的水中降解很快，這是由于腐殖質(zhì)可以強(qiáng)烈地吸收波長小于500nm的光，并將部分能量轉(zhuǎn)移給它，從而導(dǎo)致它的降解反應(yīng)。3、氧化反應(yīng)

有機(jī)毒物在水環(huán)境中所常遇見的氧化劑有單重態(tài)氧(1O2)，烷基過氧自由基(RO2·)，烷氧自由基(RO·)或羥自由基(OH·)。這些自由基雖然是光化學(xué)的產(chǎn)物，但它們是與基態(tài)的有機(jī)物起作用的，所以把它們放在光化學(xué)反應(yīng)以外，單獨作為氧化反應(yīng)這一類。

3.脫羧作用：羧酸分子中失去羧基放出二氧化碳的反應(yīng)叫做脫羧反應(yīng)。

4.脫氨基作用：

微生物的特色反應(yīng)

-CH-NH2-CH2+NH3二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用5.水解作用（酯類水解反應(yīng)生成醇+羧酸）酯的水解油脂經(jīng)加堿水解可得高碳脂肪酸鈉(肥皂)和甘油；制脂肪酸要用加酸乳化水解。低碳烯烴與濃硫酸作用所得烷基硫酸酯，經(jīng)加酸水解可得低碳醇。淀粉水解；C6H22O11(麥芽糖)5H2O＋C6H12O6

二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用6.酯化作用（醇+羧酸發(fā)生酯化反應(yīng)）醇跟羧酸或含氧無機(jī)酸生成酯和水，這種反應(yīng)叫酯化反應(yīng)

7.脫水反應(yīng)：指有水分子析出的反應(yīng)過程

①醇的脫水一元醇脫水時，根據(jù)反應(yīng)溫度的不同，生成烯烴或醚。②酸的脫水一元羧酸脫水可生成酐，但通常不用其作為制酐的方法。③酰胺脫水酰胺脫水可得飽和腈(或氫氰酸)二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用8.縮合反應(yīng)兩個或多個有機(jī)分子相互作用后以共價鍵結(jié)合成一個大分子，同時失去水或其他比較簡單的無機(jī)或有機(jī)分子的反應(yīng)。

9.氨化反應(yīng)-C=O-CH-NH2

（酮基發(fā)生氨化）丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙氨酸：

CH3COCOOH－CH3CHNH2COOH二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用10.乙酰化作用氨基轉(zhuǎn)化為酰胺

-NH2―NH-CO-CH3二、微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化作用小結(jié)：以上各種微生物的化學(xué)作用，實質(zhì)上是微生物代謝過程中的酶反應(yīng)！（在化學(xué)條件下也能夠發(fā)生上述反應(yīng)，但是條件苛刻，經(jīng)常是高溫、高壓等，但是酶的反應(yīng)一般在常溫常壓下進(jìn)行。）第二節(jié)酶的催化作用一、概述酉每與發(fā)酵有關(guān)的過程，酒、醋、醬等。（一）什么是酶？全部生命活動和生物化學(xué)變化均在溫和條件下，在酶的催化作用下迅速地進(jìn)行的。生命的基本特征之一是新陳代謝。（一）什么是酶？酶是生物體內(nèi)產(chǎn)生的一類具有特殊催化作用的蛋白質(zhì)。1)離體的酶同樣具有高效催化作用；2)通過各種理化方法分離提取生物體合成的酶所得到的酶制品稱為“酶制劑”。釀酒行業(yè)：酵母（酶催化大麥芽發(fā)酵成酒）造紙行業(yè)：脂肪酶，纖維素酶，半纖維素酶，淀粉酶具有生物活性的生物大分子蛋白質(zhì)核酸生物酶簡介酶在日常生活中無處不有蛋白質(zhì)分為兩類：結(jié)構(gòu)蛋白和生物活性蛋白蛋白質(zhì)是構(gòu)成人體的基礎(chǔ)物質(zhì)——結(jié)構(gòu)蛋白酶是生物活性蛋白——酶是蛋白質(zhì)，但蛋白質(zhì)不一定都是酶。酶由長鏈氨基酸組成酶是三維結(jié)構(gòu)氨基酸的排列順序決定酶的功能酶的活性部位——取決于三維結(jié)構(gòu)酶的活性部位決定了其作用于什么樣的底物（1）用量少而催化效率高；（2）不改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點（3）可降低反應(yīng)的活化能1.酶和一般催化劑比較催化效率高：反應(yīng)速度是無酶催化或普通人造催化劑催化反應(yīng)速度的10的6次方至10的16次方倍。2.酶作為生物催化劑的特性（三）酶的催化特性酶催化的專一性一種酶僅能作用于某一種物質(zhì)或一類結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)并催化某種類型的反應(yīng)，這種特性稱為酶的專一性。

相對專一性（催化具有相同化學(xué)鍵或基團(tuán)的一類物質(zhì)）R-COO-R’＋H2OR-COOH＋R’OH絕對專一性（僅催化一種化合物）（NH2）2CO＋H2OCO2+2NH3立體異構(gòu)專一性(3)敏感性：對環(huán)境條件極為敏感，酶容易失活(4)酶活力的調(diào)節(jié)控制：如抑制劑調(diào)節(jié)、共價修飾調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、酶原激活及激素控制等。調(diào)整的本質(zhì)是酶的活性中心的改變（有或無、優(yōu)或劣）(5)酶的催化活力與輔酶、輔基及金屬離子有關(guān)，有些酶是復(fù)合蛋白質(zhì)，其中的小分子物質(zhì)(輔酶、輔基及金屬離子)與酶的催化活性密切相關(guān)。若將它們除去，酶就失去活性。(6)反應(yīng)條件溫和：常溫、常壓、中性。

（1）酶的蛋白質(zhì)本質(zhì)所有的酶都是蛋白質(zhì)。有的是簡單蛋白質(zhì)，有的是結(jié)合蛋白質(zhì)。酶同其他蛋白質(zhì)一樣，由氨基酸組成。

3.酶的化學(xué)本質(zhì)不能說所有蛋白質(zhì)都是酶，只是具有催化作用的蛋白質(zhì)，才能稱為酶（2）酶的組成

根據(jù)組成成分可分為兩類：簡單蛋白質(zhì)酶結(jié)合蛋白質(zhì)酶（結(jié)合非蛋白組分后才表現(xiàn)出酶的活性）酶蛋白結(jié)合非蛋白組分后形成的復(fù)合物稱“全酶”，全酶=酶蛋白+輔助因子。

彌補氨基酸基團(tuán)催化強(qiáng)度的不足，改變并穩(wěn)定活性中心或改變底物化學(xué)鍵穩(wěn)定性（底物—酶的催化對象）。例如：羧肽酶中的鋅離子：可穩(wěn)定活性中心使肽鍵失穩(wěn)、吸附羧氧原子。輔助因子本身無催化作用，它的主要作用是：

在酶促反應(yīng)中運輸轉(zhuǎn)移電子、原子或某些功能基，如參與氧化還原或運載?；淖饔?，協(xié)助活性中心基團(tuán)快速轉(zhuǎn)移。

輔助因子本身無催化作用，它的主要作用是：根據(jù)酶蛋白分子的特點又可將酶分為三類

單體酶(monomericenzyme)：只有一條多肽鏈。

寡聚酶

(oligomericenzyme)：由幾個甚至幾十個亞基組成，這些亞基可以是相同的多肽鏈，也可以是不同的多肽鏈。

多酶體系

(multienzymesystem)：是由幾種酶彼此嵌合形成的復(fù)合體。

（3）酶的分類（1）水解酶類（2）氧化還原酶類（3）異構(gòu)酶類（4）轉(zhuǎn)移酶類（5）裂解酶類（6）合成酶類按照酶所催化的化學(xué)反應(yīng)類型分類酶在細(xì)胞的不同部位：可分為胞外酶、胞內(nèi)酶和表面酶。按酶作用的底物不同，可分為淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶、核糖核酸酶等。一種酶可以有多個名字，如：淀粉酶也屬于水解酶，還屬胞外酶其他分類米歇里斯－門坦公式（酶促反應(yīng)速度方程）4.影響酶活的因素ν=K3[E][S]Km+[S](Km=K2+K3K1)米氏常數(shù)Km表示反應(yīng)速度為最大速度一半時的底物濃度（又稱為半速度常數(shù)）。Km值越小，表示酶與底物的反應(yīng)越趨于完全；Km值越大，表明酶與底物的反應(yīng)越不完全。（1）酶濃度對酶促反應(yīng)速度的影響在酶促反應(yīng)中，如果底物濃度足夠大，足以使酶飽和，則反應(yīng)速度與酶濃度成正比。底物分子濃度足夠時，酶分子越多，底物轉(zhuǎn)化的速度越快。當(dāng)?shù)孜餄舛群艿蜁r，有多余的酶沒與底物結(jié)合，隨著底物濃度的增加，中間絡(luò)合物的濃度不斷增高。反應(yīng)速度也迅速增加。當(dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r，溶液中的酶全部與底物結(jié)合成中間產(chǎn)物，雖增加底物濃度也不會有