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1、1,第十章 微生物对污染物的分解与转化作用,第一节 微生物对污染物的分解与转化作用第二节 有机物的生物分解性第三节 不含氮有机物质的生物分解第四节 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,2,第一节 微生物对有机物的分解作用,一、生物分解的一般特点与分类二、有机物的好氧生物分解三、有机物的厌氧生物分解,3,一、生物分解的一般特点与分类,4,有机污染物的生物分解过程,有机物的生物分解：通过一系列的生化反应，将有机物分解成小分子有机物或简单无机物的过程,5,有机物的生物分解类型及其特点,6,微生物的分类,好氧微生物（aerobe）：只能在有氧条件
2、下生长，没有氧气无法生存厌氧微生物（anaerobe）：只能在没有氧气的环境下生长，有氧气反而不能生长。兼性微生物（facultative aerobe）：即可在有氧条件下，也可在无氧条件下生长。在自然界中，大多数微生物属于这一类。,7,兼性微生物的代谢：DO0.20.3mg/L条件下：好氧代谢 DO0.20.3mg/L条件下：厌氧代谢一些好氧微生物（好氧细菌，球衣细菌、真菌等）能在微氧环境（DO接近于零）中生长。因此在微氧环境中占优势的微生物常常是好氧微生物。,8,二、 有机物的好氧生物分解,好氧分解过程：（1）消化：由胞外酶把大分子分解为可以被细胞吸收的小分子。（2）小分子的脱氢氧化：产生
3、可进入TCA循环的乙酰CoA。（3）乙酰CoA进入TCA循环和呼吸链被氧化成CO2和H2O,9,三、 有机物的厌氧生物分解,厌氧分解的基本过程：消化（与好氧分解基本一样）、厌氧呼吸、发酵,低级脂肪酸也有臭味,10,厌氧分解（降解）的三阶段、四阶段过程,11,有机物的厌氧分解,12,好氧降解的有机物降解速率快、彻底；能量利用率高；菌体转化率高（合成系数大）、合成速率快,好氧分解与厌氧分解的比较,13,第二节 有机物的生物分解性,一、有机物的生物分解性评价方法二、有机物的生物分解性与分子结构的关系三、值得注意的几个问题,14,一、有机物的生物分解性评价方法,有机物生物分解性评价的意义？如何确定有机
4、物生物分解性评价的实验条件？,15,受试有机化合物,易生物分解试验,本质性生物分解试验,生物分解模拟试验,分解性,分解性,良好,良好,不良,不良,在环境中易生物分解,在环境中难生物分解,有机物生物分解性评价的一般步骤,16,二、有机物的生物分解性与分子结构的关系 （一般规律，但例外较多）,1）增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性。,能使降解性降低的基团称异源基团。（xenophore）,2）异源基团数目增加，降解性越差。,17,3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。,18,19,三、值得注意的几个问题,有些有机物在浓度低时可以降解，高于某一浓度时不能降解（产生抑制作用）。
5、,毒性较大的污染物的生物降解需稀释。,（一）生物分解性与浓度的关系,20,单独存在时不能被降解，只有在其它物质被降解时才能被降解的现象。（不能作为能源或碳源的化合物的代谢）,原因：1）缺少进一步降解的酶系；e.g. 2, 4-D （二氯苯氧乙酸） 2）中间产物的抑制作用； 3）浓度低，不能维持生命代谢。,（二）共代谢现象,21,1. 多基质同时被利用,2. 一种基质促进第二种基质的降解,甲苯促进假单胞菌对苯、二甲苯的降解 易降解物质的添加增加微生物浓度,（三）有机物间的相互作用 互不影响、促进作用、抑制作用（顺次利用）,22,（四）微生物间的相互作用,1. 协同作用（共生关系）,抑制作用（拮抗
6、）：分解产物抑制其他微生物捕食作用,23,生物分解和转化过程中，有机物的毒性往往发生变化。生物分解产物的毒性低于原化合物时的生物分解作用，称去毒作用（Detoxication生物分解产物的毒性大于原化合物时的生物分解作用，称激活作用（activation）。常见的激活反应有：脱卤作用、亚硝胺的形成、环氧化作用、硫醚的氧化、甲基化等。,（五）生物去毒作用与激活作用,1. 去毒作用（Detoxication）,在毒理学上：活性物质无活性物质,24,去毒作用机制：,25,常见的激活反应,（1）脱卤作用,（2）亚硝胺的形成（nitroamine formation）,26,（3）环氧化作用（epoxi
7、adation）,27,BOD5/CODcr0.4-0.6 可生物处理性好0.2BOD5/CODcr0.4 含有难生物分解的有机物，较难生物处理BOD5/CODcr0.1 有机污染物的生物分解性差，难以生物处理,（六）污水中有机污染物的生物分解性评价,BOD5/CODcr比值预测污水可生物处理性的参考标准,BOD5/DOC1.2 可生物处理性好0.3BOD5 /DOC1.2 含有难生物分解的有机物，较难生物处理BOD5/DOC0.3 有机污染物的生物分解性差，难以生物处理,BOD5/DOC 比值预测污水可生物处理性的参考标准,28,第三节 不含氮有机物质的生物分解,一、纤维素、半纤维素、木质素
8、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、烃类化合物的生物分解六、合成洗涤剂的生物分解,29,1. 纤维素多糖化合物,乳酸,纤维二糖,葡萄糖,能降解纤维素的微生物： 主要是霉菌和一些特殊的细菌：纤维粘菌、纤维杆菌、莲霉菌、曲霉、青霉、木霉,一、纤维素、半纤维素、木质素,酶,30,2. 半纤维素,分子结构：由聚戊糖、聚己糖、聚糖醛酸构成降解过程：半纤维素单糖+糖醛酸 能降解纤维素的微生物：芽孢杆菌、假单胞菌、放线菌。,31,3. 木质素（lignin）,降解机理（较为复杂）： 芳醚链断裂苯丙烷大分子解聚、 、 、能降解木质素的微生物：担子菌纲，如白腐菌,Surf
9、ace topography of the outside surface of straw after dewaxing,Surface topography of straw after 5 days of anaerobic treatment,Surface topography of straw after 9 days of anaerobic treatment,Surface topography of straw after 13 days of anaerobic treatment,Surface topography of straw soaked in sterile
10、 rumen fluid,XPS spectra of carbon 1s of straws: (a) after dewaxing; and (b) after 13-d anaerobic treatment,38,二、淀粉,分子结构：多糖 降解过程：淀粉糊精麦芽糖葡萄糖 降解微生物：主要有霉菌（曲霉、根霉）,三、脂肪,39,四、芳香化合物,40,苯甲酸、粘康酸,41,五、烃类（脂肪烃）,降解微生物：主要是一些细菌、酵母菌,42,Steps in oxidation of an aliphatic hydrocarbon.The first of which is catalyzed b
11、y a monooxygenase,43,Mechanism of beta oxidation of a fatty acid（which lead to successive formation of two carbon fragments of acetyl-CoA）,44,六、合成洗涤剂,降解微生物：主要是芽孢杆菌、假单胞菌（恶臭假单胞菌）,45,第四节 含氮有机物的生物分解,一、氮循环及其微生物的作用二、氨化、硝化与反硝化三、蛋白质的生物分解三、尿素的转化,46,一、氮循环及其微生物的作用,47,二、氨化、硝化与反硝化,氨化细菌（Ammonifier）： 种类繁多（荧光假单胞菌、变
12、形杆菌等）,48,2、硝化作用：氨氧化成亚硝酸、硝酸的过程,分两步进行（好氧条件）,限速阶段、控制阶段,几个术语：氨氧化、亚硝（酸）化、亚硝酸氧化、硝酸化,49,常见的硝化细菌,50,化能自养好氧适于中性和弱碱性环境生长速度慢，世代时间824小时对有害化学物质敏感（用于毒性测定）,硝化菌的主要特性,51,亚硝化细菌和硝化细菌的一些特征,1Ch.A代表化能无机营养，2H代表化能有机营养。3 4为最低生长温度(周群英等，p250),52,Substratum,Probe Ntsoa454-stained Nitrospira spp. (uncultured),Probe NEU-stained
13、Nitrosomonas spp.,20 m,Simultaneous in situ hybridization of a vertical section of an autotrophic nitrifying biofilm,53,Microbial Diversity of NH4+- oxidizing Bacteria in Various Environments,54,(1)溶解氧（DO）：DO低于0.5mg/L时，硝酸菌活性受到抑制，而亚硝酸菌（即氨氧化菌）对低溶解氧的耐受程度高于硝酸菌，DO低于0.5mg/L时仍能正常代谢。 (2)温度：温度低于12oC，硝化活性明显下降
14、，30 oC时活性最大，超过30 oC时，活性反而降低。(3)pH值：亚硝酸菌的最适pH范围为7.0-7.8，而硝酸菌的最适pH范围为7.7-8.1。pH值过高或过低都会抑制硝化活性。硝化过程常大量产酸，可使pH值降低，限制硝化作用进行，运行中应随时调节pH值。,影响硝化作用的主要因素,55,(4)营养物质：硝化菌为自养微生物，生长不需有机质。在污水处理中，硝化反应一般在有机物浓度较低的条件下较易发生。(5)氨氮： 氨氮浓度大于100-200mg/L时，对硝化反应呈现抑制作用。(6)毒物： 硝化菌对毒物的敏感度大于一般细菌，大多数重金属和有机物对硝化菌具有抑制作用。一般来说，亚硝酸菌比硝酸菌对
15、毒物更敏感。,56,一些化学物质对活性污泥硝化活性的影响,(张希衡，1996),57,3、反硝化作用（Denitrification）,定义：硝酸、亚硝酸盐在无氧条件下被微生物还原成亚硝酸和氮气的过程。,反硝化菌（Denitrifying bacteria）及其特征： 参与反硝化作用的细菌叫反硝化菌大多数是异养菌（反硝化杆菌、荧光假单胞菌）， 也有一些自养菌（硝化硫杆菌） 大部分是兼性细菌，有氧气时利用氧气呼吸，厌氧时 利 用硝酸和亚硝酸根呼吸,58,反硝化细菌的种类和若干特性,59,有些细菌含有三种厌氧呼吸途径,参：高，微生物学（上），P85,60,反硝化作用需要足够的有机碳源。甲醇、乙醇、
16、乙酸、苯甲酸、葡萄糖等均可作为碳源。利用最多的是甲醇，因为它价廉，而且氧化分解产物为水和二氧化碳，不留任何难降解中间产物。在饮用水的脱氮处理中宜采用乙醇，以避免残留甲醇对人体的危害。,影响反硝化作用的主要因素,（1）营养物质,61,(2)溶解氧 在O2和NO3-同时存在时，反硝化菌首先利用O2作为最终电子受体，只有溶解氧浓度接近零（氧化还原电位 0 - -100mV)时才开始进行反硝化作用。 (3)温度 最佳温度为3040 oC。温度0oC，反硝化菌的活动终止，温度超过50 oC时，反硝化活性急剧降低。(4)pH值 最适合pH值范围为7.0-7.5。pH值对反应成物也产生影响。pH在中性范围内
17、有利于N2的产生。,62,三、蛋白质的生物分解,四、尿素的生物转化,碳酸氨,尿素细菌：引起尿素水解的菌。,63,第五节 微生物对无机元素的转化作用,一、硫的生物转化二、磷的生物转化三、金属的生物转化,64,一、硫的生物转化（一）循环过程及微生物的作用,65,H2S被氧化生成S和H2SO4的过程。,1）硫磺细菌的一般特性能利用还原态硫化物（H2S、S等）为能源的细菌；自养型；在细胞内能积累单质硫。,H2S充足时， , 细胞内积累硫而形成硫磺颗粒。,（二） 硫化作用,66,硫磺细菌的细胞合成方式：,无色硫磺菌：化学合成,67,特点：利用硫化物作能源，但不能在细胞内积累硫单体。,2) 硫化细菌的一般
18、特性,68,几种常见的硫化细菌,69,脱氮硫杆菌的应用：反硝化（硝酸氮的处理）,70,硫酸盐被还原成硫化氢的过程。,反硫化作用微生物：硫酸盐还原菌（e.g. 去硫弧菌）,厌氧且在有机物存在的条件下：,硫酸盐还原菌（反硫化细菌）,严格的厌氧菌，能进行反硫化作用的细菌有：脱硫脱硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans）巨大脱硫弧菌（Desulfovibrio gigas）至黑脱硫肠状菌（Desulfotomaculum nigrificans）,（三） 反硫化作用,71,含SO42-废水生物处理工艺,72,二、磷的生物转化,1. 无机磷的有机化,2. 有机磷化物的生物降解,7
19、3,三、金属的生物转化,1. 铁化合物的氧化沉淀：,铁细菌的特性：能利用还原态铁作为能源；自养菌；丝状菌；一般生活在含氧少、但有较多铁质和CO2的水中。,（一）铁的生物转化,74,75,在厌氧条件下，有些铬耐性细菌可以将Cr6+还原成无毒性的Cr3+。曾报道的Cr6+还原细菌有铜绿假单胞菌、萤光假单胞菌、恶臭假单胞菌、含糊假单胞菌、门多萨假单胞菌、酪链球菌、真养产碱菌)、阴沟肠杆菌等。阴沟肠杆菌HO-1菌株是从活性污泥中分离出来的一种兼性厌氧菌。据称该菌株的Cr6+还原能力是其它菌的10倍以上。,（二）铬的生物转化,76,1汞的生物氧化和还原在好氧条件下，一些细菌（如枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌
20、等）能将元素汞氧化生成二价汞离子Hg2。有些细菌，如铜绿假单胞菌、大肠杆菌、变形杆菌等在适宜的条件下能将Hg2还原为金属汞。2汞的甲基化有些微生物能把元素汞和汞离子转化为甲基汞和二甲基汞，这种过程称汞的甲基化。汞的甲基化在好氧和厌氧条件下均可能发生。产甲烷菌、匙形梭状芽孢杆菌、荧光假单胞菌、大肠杆菌、产气肠杆菌和巨大芽孢杆菌等都具有将元素汞转化为甲基汞的能力。甲基汞的毒性远远大于元素汞和汞离子。,（三）汞的生物转化,77,一、生物对污染物的浓缩作用,（一）生物浓缩,一般定义为：生物个体或处于同一营养水平的生物种群，从环境中吸收并蓄积某种元素或化合物，使体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象，又称
21、生物富集。生物浓缩的程度一般用生物浓缩系数（Bio-concentration Factor, BCF，亦称富集因子）来表示，浓缩系数越大，生物浓缩的程度越高。,78,指同一生物个体在不同的生长发育阶段，生物浓缩系数不断增加的现象。生物积累的程度也用BCF表示。不同种生物和同一种生物的不同器官和组织对同一化学物质的生物积累速率有很大的差别。,（二）生物积累与生物放大,生物积累（Bio-accumulation）,79,指生态系统中，某种化学物质的生物浓缩系数在同一食物链上，由低位营养级生物到高位营养级生物逐级增大的现象。这种现象是由于高位营养级生物捕食低位营养级生物所造成的。有关美国图尔湖和克
22、尔马斯南部保护区有机氯杀虫剂DDT对生物群落污染的研究表明，湖水中DDT浓度为0.006 mg/L情况下，水体中藻类细胞内的浓度为0.10.3 mg/L（BCF为167500），鱼类体内的最高浓度为1.6mg/L（BCF为2667）,以鱼类为食的水鸟体内的浓度高达6375.5 mg/L（BCF为10,500125,873）。,由于生物浓缩、生物积累和生物放大作用，即使是进入环境中的微量污染物，也会通过逐级生物放大，影响高位营养级的生物，甚至人类。,生物放大（Bio-magnification）,80,有机物质的生物吸附是一个快速的物理过程。在污水活性污泥处理系统中，2030min左右的时间即可
23、完成有机颗粒和胶体物质的吸附过程。污水处理AB工艺是基于这种快速生物吸附现象而开发出的一种新型污水生物处理工艺。微生物细胞对溶解性污染物，特别是对疏水性有机污染物，如农药、多氯联苯（PCBs）、多环芳烃（PHA）、挥发性有机物（VOC）等的吸附作用是污水生物处理系统中微量有机污染物去除的重要机理。被吸附去除的有机物将积累在剩余污泥中，从而引起二次污染。,二、微生物对有机污染物的吸附作用,81,生物吸附(biological adsorption）：水中的金属离子与微生物细胞表面的特定基团结合而使其吸附到细胞的表面，这种现象称之为生物吸附)。微生物细胞表面能与重金属吸附结合的基团有巯基、羧基、羟基等。金属离子吸附到微生物细胞表面的过程不依赖于能量代谢，具有快速、可逆的特点，又称为“被动吸附”。在另一些情况下，吸附在细胞表面的金属离子与细胞表面的某些酶相结合而转移到细胞内，这种过程是通过微生物的代谢活动富集金属，又称为“主动吸附”，其特点是速度慢、不可逆。,三、微生物对金属的吸附作用,82,微生物对金属离子的吸附作用,
