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1、第六章水环境中微生物化学过程,6、1天然水中的微生物生境微生态在不同的环境中特征是不同的。生境：指生物生活的空间和其中全部生态因子的总和。1、浮游生物环境浮游生物：在海洋、湖泊及河川等水域的生物中，自身完全没有移动能力，或者有也非常弱，因而不能逆水流而动，而是浮在水面生活，这类生物总称为浮游生物。,食物链:不少鱼类以吃小虾，鱼虫等浮游生物为生，而小虾鱼虫又以浮游植物为食。浮游生物是食物链中的重要一环，所以我们要保护水生生物的生态，否则，池塘，江河，湖泊就会失去渔业上的经济价值。另外，远古时代海洋、湖泊的浮游生物曾是形成石油的重要基础。,2、底栖生物生境底栖生物（benthos）,生活在江河湖海
2、底部的动植物。与浮游环境相比，这个区域的特征是微生物的浓度显著增加。微生物的浓度取决于有机物和氧的可利用性。在界面区的下部，微生物的数量下降。,6.2天然水环境中微生物的特征1、泉主要存在自养生物，也存在少量的异养生物。自养生物，也称为生产者。主要包括绿色植物和许多微生物，它们可以利用阳光、空气中的二氧化碳、水以及土壤中的无机盐等，通过光合作用等生物过程制造有机物，为生态系统中各种生物的生活提供物质和能量。,异养生物指的是那些只能将外界环境中现成的有机物作为能量和碳的来源，将这些有机物摄入体内，转变成自身的组成物质，并且储存能量的生物。如：营腐生活和寄生生活的真菌，大多数种类的细菌。,2、河流
3、和溪流溪流汇入河流，它们又获得更多的DOM，DOM的增加，限制了光的透过，自养群体减少，异养群体增加。污水排放区域明显的地方，异养群体增加23个数量级。,3、湖泊（1）生物群落的分布光合细菌(光线能够透过水体表层）；好氧细菌（有氧浅水层）兼氧细菌（氧气浓度比较低）厌氧细菌（深水层和底泥）（2）湖泊中微生物的分类清水型微生物（洁净湖泊里，主要是化能自养和光能自养菌的清水型微生物）腐生型微生物（贫营养湖中，被污染的湖泊）,4、河口水环境特点：（1）盐度变化很大，微生物必须适应盐度的剧烈波动。（2）全年季节都成为厌氧环境。河流带来大量的有机物，使光穿透量有限，异养活性并不低。,5、海水特点：海水环境
4、呈现出高度的多样性，因而存在多样微生物生境。近海区：海洋中含有大量的有机物和无机盐，总细菌数细菌含量很高，比比远海区高一个数量级。远海区：含菌数低。垂直分布上，距海面0-10m，由于阳光照射，细菌数量较低，浮游藻类数量较高。10-50m，微生物数量较多。50m以下，随深度增加微生物减少。,6、地下水微生物是地下水环境中唯一的栖息者，细菌是其中的优势类型。特点：多数细菌群体被吸附或仅仅短暂的悬浮。活性较低。,6、3有机污染物在水体中的生物降解过程1、有机化合物的生物降解微生物降解作用：可以除去水体、固体废物、废气等介质内的有机污染物，达到无害化的目的。生物降解是有机污染物转化为简单有机物和无机物
5、的最重要的环境过程之一，是影响污染物的归宿和环境效应的最主要因素。,有机物生物降解存在两种代谢模式：（1）生长：微生物代谢时，微生物可对有机物进行较彻底的降解或矿化，是解毒的生长基质，对环境威胁小。（2）共代谢某些有机污染物不能作为微生物的唯一碳源与能源，必须有另外的化合物存在提供微生物碳源或能源时，该有机物才能被降解。,根据微生物对有机物的降解能力大小，有机物的分类（1）易生物降解的有机物，主要指生物代谢过程中产生的物质及生物残体，如蛋白质等，在酶作用下，易被最终分解为CO2、H2O、NH3等。（2）难生物降解有机物。主要指工农业活动中排出的有机污染物。如农药等，能降解，但降解速度慢。（3）
6、不可生物降解的有机物。塑料等一些高分子合成有机物。很难分解，严格控制其生产和排放。,微生物降解与转化污染物的方式：（1）产生诱导酶：在诱导物存在时，会诱导酶合成。（2）形成突变菌株：会发生遗传物质变化，个体性状改变，形成突变菌株。（3）利用降解性质粒：降解比较难降解的有机物。如六六六。（4）组建超级菌：将不同降解质粒转移到同一个受体细胞中，可以讲解复杂芳烃化合物。（5）利用共代谢方式：微生物作为能源和碳源的基质存在，以保证其生长和能量的需要。使有机物得到转化，但不能使其分子完全降解。,6、3有机污染物在水体中的生物降解过程1、有机化合物的生物降解多糖类的生物降解途径纤维素、淀粉、半纤维素降解微
7、生物降解酶，有氧条件下，彻底降解为CO2、H2O。无氧条件下，微生物进行厌氧发酵，将淀粉分子分解为小分子有机物和无机物（CO2、H2）。半纤维素厌氧分解为各种发酵产物。果胶质降解原果胶可溶性果胶果胶酸半乳糖醛酸,木质素的降解不溶于酸性、中性溶剂中，只溶于碱性溶剂中，是植物组中最难分解的部分。降解十分缓慢，厌氧条件下降解更慢。,脂类的生物降解脂类物质不溶于水，但能溶于非极性有机溶剂。脂肪+H2O 甘油+高级脂肪酸类脂质+H2O 甘油+高级脂肪酸+磷酸+有机碱类蜡质+H2O 高级醇+高级脂肪酸水解产物的甘油可以被环境中微生物彻底降解为CO2、H2O，脂肪较难氧化，在有氧条件经过氧化分解为CO2、H
8、2O，在缺氧条件下易累积。,脂肪酶,磷脂酶类,脂类类,蛋白质的降解蛋白质的分解：蛋白质被微生物蛋白酶水解为肽，再经肽酶水解为氨基酸。氨基酸的转化：除了被用来合成微生物中蛋白质作用，可代谢成氨和各种代谢中间产物。微生物分解利用氨基酸的主要3种方式：脱酸作用、脱氨作用、转氨作用。,2石油微生物的降解烯烃最易降解，烷烃次之，芳烃难降解，多环芳烃更难，脂环烃对微生物的作用最不敏感。1）烷烃类微生物降解微生物攻击烷烃的末端甲基，酶催化，生成伯醇，再进一步氧化为醛和脂肪酸，脂肪酸过氧化分解为CO2、H2O。微生物攻击链烷烃的亚末端，在链内插入氧，生成仲醇，生成酮，代谢为脂，脂键断裂，生成伯醇和脂肪酸。,2
9、）脂环烃类微生物降解：通过共代谢进行降解。3）芳香烃微生物降解：双加氧酶作用下为二羟基芳香醇，在形成邻苯二酚，邻苯二酚开环。4）烯烃类微生物降解双键在中间，按烷烃类降解，若双键在1,2碳位时，有三种可能与H2O加成反应，生成醇；受单氧酶作用生成一种环氧化物，在氧化成一个二醇；在分子饱和端发生反应。,（3）人工合成微生物降解1）农药类微生物降解我国使用的农药主要是有机磷、有机氮和机氯农药。有机氯农药不易降解，最具有危险性。有机磷和有机氮一般都具有水溶性，在环境中容易被降解，在土壤中残留时间短。但有机磷和有机氮经微生物转化的中间产物可长期留于环境中，有很大危害。,2）多氯联苯和二噁英的微生物降解a
10、:多氯联苯（PCBs）微生物降解PCBs有毒，化学性质及其稳定，在环境中很难分解，它是脂溶性的，在脂肪中大量积累。微生物能降解（产碱杆菌和不动杆菌）b:二噁英微生物降解,多氯二苯并二噁英（PCDD),多氯二苯并呋喃(PCDF),二噁英是对人体最有毒的化合物之一。是生产农药和化工产品的杂质和副产品，性质相当稳定，在环境中很难降解，可稳定存在与大气中、土壤、水体中。在一定条件下，可被微生物降解，其可降解性随取代氯的增多而减弱。,c:酚类化合物采用活性污泥法易于分解一元酚和二元酚，三元酚难于分解。氯代或硝基代一元酚大多容易生物降解，五氯酚降解时间较长。一般说来，导入甲基，分解性能变得良好。并与甲基的
11、位置相关，对位最易降解。,d:塑料塑料制品具有生物化学惰性，在环境中可长期存留并造成危害。直接以塑料为碳源生长的微生物并不多。分解作用的三种方式：,生物物理代谢：引起塑料制品的机械破坏。,生物化学代谢:作用于聚合物。,直接酶作用：引起氧化分解。,塑料 微生物降解可降解塑料的开发研究增加许多脆弱的化学键；制造新型塑料，用PHB(脂肪族聚脂酯）作原料。用微生物生产PHB。,曲霉光解,e:合成洗涤剂微生物的降解洗涤剂的基本成分：表面活性剂。分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性电解质。只要阴离子型洗涤剂。特点：有大量不消失的泡沫，废水一般偏碱性。主要的降级方式：,生长：以表面活性剂为唯一碳源和能源的
12、微生物。,共代谢,降解性基质,f:染料的降解燃料分为：偶氮类染料、蒽醌染料、硫化染料、三芳基甲烷染料和杂环染料。生产的废水用常规方法很难处理。染料生物降解性与燃料结构有关。苯环上的取代基：羟基、氨基、胺基促进偶氮染料降解；甲氧基、磺酸基、硝基、甲基、羧基抑制偶氮染料降解。结论：促进基团越多，染料易被降解，抑制基团越多，越不易被降解。,不同取代基在苯环上的位置羧基类偶氮染料脱色顺序为邻位间位对位；羟基和磺酸基偶氮染料脱色顺序对位间位邻位；结构相似，分子量越大，越不易降解,6、4天然水体中的生物自净过程1、水体自净 指受污染的水体由于物理、化学、生物等方面的作用，使污染物浓度逐渐降低，经一段时间后
13、恢复到受污染前状态的过程。2、自净作用物理自净：污染物进入水体后，可沉性固体逐渐沉至水底形成污泥，悬浮物、胶体和性污染物则因混合稀释而逐渐降低浓度。,化学自净：污染物进入水体后经络合、氧化还原、沉淀反应等而得到净化。生物自净：在生物的作用下，污染物的数量减少，浓度下降，毒性减轻或消失。,水的净化及污水处理水体自净水的软化水的净化城市污水系统典型工业污水处理流程,水体自净进入水体有机物不多，其耗氧量没有超过水体中氧的补充量，溶解氧始终保持在一定的水平上，表明水体自净能力，水体迅速恢复原状。分解产物：H2O、CO2、NO3、SO42-。如有机物多，溶解氧来不及补充，水体中溶解氧迅速下降，导致缺氧甚
14、至无解，有机物转而进行厌氧分解。分解产物NH3、H2S、CH4,使水质恶化。,根据图得知：清洁区：溶解氧持于平衡状态；分解区：溶解氧降低，大气中氧又不能即使补充，氧垂直线开始下降，有好氧分解转化为厌氧分解。腐化区：水中溶解氧由小增大（水底中氧化过程结束，达到有机化，有机物完全分解）。P值减小，R值增大。结论：有机物引起水体污染的两种效应即微生态学和溶解氧减低效应相互关联。,6、5水体中金属微生物转化1、铁的氧化还原（1）铁的氧化PH4.5时，Fe2+Fe3+Fe(OH)3;PH4.5时,Fe2+氧化极慢，Fe2+的氧化主要是铁氧化菌的作用。（2）铁的还原1）O2 消耗，造成缺氧环境，Fe3+接
15、受电子，被还原为Fe2+。,氧化,OH_,2）存在的NO3-、CO32-、SO42-以及有机酸，使Fe3+Fe2+2、汞的氧化、还原和甲基化环境中汞的三种形式：Hg22+，Hg2+和Hg0。(1)汞的氧化还原1）氧化Hg+O2 Hg2+,还原,细菌,2）还原CH3Hg+2H Hg+CH4+H+HgCl2+2H Hg+2HCl 结论：使得有机汞和无机汞中的Hg2+还原为元素Hg，形成Hg蒸汽挥发至大气减轻Hg在环境中的毒性。,（2）汞的甲基化水体中汞由于微生物的作用，沉积物中的无机汞能转变成剧毒的甲基汞。中性或碱性条件下，主要是二甲基汞，进入大气，污染得到扩散。弱酸条件下，主要分解为甲基汞，溶于
16、水，易为鱼吸收，进入人体。酸性水中捕获的鱼含汞较高，反之则低。日本著名的水俣病就是食用含有甲基汞的鱼造成的。,微生物除Hg的主要方法：选育高效抗汞微生物处理含Hg废水。采用活性污泥除去Hg。采用滤池法除去Hg。使用硫化氢沉淀Hg。,3、锰的氧化还原Mn2+是水溶性的。PH值较高时，中性水体中表层Mn2+Mn2+MnO24、砷的氧化、还原的甲基化As是人体维持生命必须的微量元素，过量有毒性并致癌。元素As几乎无毒，As的有机、无机有毒，As3+比As5+大。,氧化,（1）As的氧化还原湖泊中、土壤中:亚砷酸盐 砷酸盐（使之毒性降低）海洋中：As5+As5+(增大毒性）,氧化,微生物,微生物,还原,（2）As的甲基化水体无机砷化合物还可被环境中厌氧细菌还原而产生甲基化，形成有机砷化合物。但一般认为甲基砷及二甲基砷的毒性仅为砷酸钠的1/200，砷的生物有机化过程，亦可认为是自然界的解毒过程。但是三甲基砷缺是有剧毒，并且容易挥发进入空气。,5、硒的氧化还原1）Se 硒酸盐（毒性增强）2）CuSe Se(毒性降低)3）微生物把元素硒、有机或无机硒转化为二甲基硒化物（毒性明显降低）。,紫色硫细菌,微生物,
