环境工程微生物（三）：第七章微生物在水体自净中的作用-1

? 有机污染物生物净化
? 天然物质、人工合成物质
? 无机污染物生物净化
第一节 有机污染物的生物净化机理
? 净化本质 —— 微生物 转化为无机物
? 依靠 —— 好氧分解与厌氧分解
一, 好氧分解
? 细菌 是其中的主力军
? 原理, 好氧有机物呼吸
? C → CO2 + 碳酸盐和重碳酸盐
? H → H2O
? N → NH3 → HNO2 → HNO3
? S → H2SO4
? P → H3PO4
? 二、厌氧分解
? 厌氧细菌
? 原理,发酵、厌氧无机盐呼吸
无毒无臭！
→ 矿化盐
? C → RCOOH（ 有机酸 ） →CH4 + CO2
? N → RCHNH2COOH → NH3（ 臭味 ） + 有机酸 （ 臭味 ）
? S → H2S（ 臭味 ）
? P → PO43-
? 水体自净的天然过程中
厌氧分解（开始 ） → 好氧分解（后续）
第二节 各类有机污染物的转化
一、碳源污染物的转化
? 包括 糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化
合物等 。
（一）糖类污染物
? 提问,哪些糖类会成为污染物？
? 难溶的多糖, 且当一些难溶解的多糖数量较大时才会
使自净时间大大增加, 从而对环境造成污染 。 这类多
糖主要是 纤维素, 半纤维素, 果胶质, 木质素, 淀粉 。
1,纤维素的转化
? β 葡 萄 糖 高 聚 物, 每 个 纤 维 素 分 子 含
1400~10000个葡萄糖基 （ β1-4糖苷键 ） 。
? 来源,棉纺印染废水, 造纸废水, 人造纤维废
水及城市垃圾等, 其中均含有大量纤维素 。
A,微生物 分解途径
纤维素酶 纤维二糖酶
纤维素 纤维二糖 葡萄糖
糖酵解
A T P 好氧分解
H
2
O
C O
2
葡萄糖
丙酮丁醇发酵
丙酮 + 丁醇 + C O
2
+ H
2
厌氧发酵
丁酸发酵
丁酸 + 乙酸 + C O
2
+ H
2
三羧酸
循 环
厌
氧
发
酵
B,分解纤维素的微生物
? 好氧细菌 —— 粘细菌, 镰状纤维菌和纤维弧菌
? 厌氧细菌 —— 产纤维二糖 芽孢梭菌, 无芽孢厌氧分解菌
及嗜热纤维芽孢梭菌 。
? 放 线 菌 —— 链霉菌属 。
? 真 菌 —— 青霉菌, 曲霉, 镰刀霉, 木霉及毛霉 。
? 需要时可以向 有菌种库的研究机构购买 或 自行筛选 。
2．半纤维素的转化
? 存在于植物细胞壁的 杂多糖 。 造纸废水和人造纤维废水
中含半纤维素 。
? 分解过程
TCA循环
聚糖酶 CO2 + H2O
半纤维素 单糖 + 糖醛酸
H2O 各种发酵产物
厌氧分解
? 分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素 。
? 许多芽孢杆菌, 假单胞菌, 节细菌及放线菌能分解半纤维素 。 霉菌
有根霉, 曲霉, 小克银汉霉, 青霉及镰刀霉 。
Lignin 木质素
木质素 空腔 纤维素
3．木质素的转化
?木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中,由松
柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。
香豆醇 松柏醇 芥子醇
聚合
交联
木质素模式图
自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？
? 确证的只有 真菌中的黄孢原毛平革菌,疑似的
只有 软腐菌。
黄孢原平毛革菌
(Phanerochaete
chrysosprium)是 白腐真菌
的一种，隶属于担子菌纲、
同担子菌亚纲、非褶菌目、
丝核菌科。
白腐 — 树皮上木质素被该菌分
解后漏出 白色 的纤维素部分。
*木质素降解的意义何在呢？如何实现工业化白腐菌降
解木质素呢？
（二）油脂的转化
? 水中来源,毛纺, 毛条厂废水,
油脂厂废水, 肉联厂废水, 制革
厂废水含有大量油脂
? 降解油脂较快的微生物：
? 细 菌 —— 荧光杆菌, 绿脓杆菌,
灵杆菌
? 丝状菌 —— 放线菌, 分支杆菌
? 真 菌 —— 青霉, 乳霉, 曲霉
? 途径,水解 +β 氧化
（三）石油的转化
? 提问,什么是石油？
? 石油是含有烷烃, 环烷烃, 芳香烃及少量非烃化合物的
复杂混合物 。 石油污染主要出现在 采油区 和 石油运输事
故现场 以及 石化行业的工业废水 中 。
? 1,石油成分的生物降解性
? 与分子结构有关
A,链长度
链中等长度（ C10~C24）＞ 链很长的（ C24以上）＞ 短链
（ *？）
B,链结构
? 直链? 支链
? 不饱和? 饱和
? 烷烃? 芳烃
? 链末端有季碳原子 （四周都与 C相连） 的烃以及 多环
芳烃极难降解
>
2．降解石油的微生物
? 降解石油的微生物很多,据报道有 200多种
? 细 菌 —— 假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属
放线菌 —— 诺卡氏菌
? 酵母菌 —— 假丝酵母
? 霉 菌 —— 青霉属、曲霉属
? 藻 类 —— 蓝藻和绿藻
3．石油的降解机理
A,链烷烃的降解
+ O2
R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH β-氧化
CO2 + H2O
CH2-COOH + R-COOH
B,无支链环烷烃的降解
? 以环己烷为例
O H O O
+O
2
+ 2 H － 2H +O
2
+ 2 H
－ H
2
O － H
2
O
+ H
2
O
- 2H
H O O C - （ CH
2
）
4
- C O O H H O O C - （ CH
2
）
4
- C H
2
OH
ω 氧化
C O
2
+ H
2
O
OH
通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将
环己酮氧化开链而不能氧化环己烷,两类以上微生物的 协同作
用 下将污染物 彻底降解 —— 共代谢 。
C,芳香烃
? 芳香烃普遍具有生物毒性, 但在低浓度范围内它们可
以不同程度的被微生物分解 。
已知降解不同芳香烃的细菌类别
苯类
酚类
萘 菲 蒽
微生物
名 称
荧光假单胞
菌、铜绿色
假单胞菌及
苯杆菌
铜 绿 色 假 单 胞
菌, 溶 条 假 单 胞
菌, 诺 卡 氏 菌,
球 形 小 球 菌, 无
色 杆 菌 及 分 枝 杆
菌
菲杆
菌、菲
芽孢杆
菌
荧 光 假 单 胞
菌 和 铜 绿 色
假 单 胞 菌,
小 球 菌 及 大
肠埃希氏菌
苯和酚的代谢
? 苯, 萘, 菲, 蒽的降解为如下图所示
苯的代谢
萘
的
代
谢
菲的代谢
蒽的代谢
? 酚也是 先被氧化为邻苯二酚,这样各类芳香烃在降解
的后半段是相同的，可表示如下
苯
酚 氧化酶 酶
萘 邻苯二酚 酮基己二酸
菲 + O
2
+ O
2
+ 2 H
蒽
琥珀酸 三羧酸循环
CO
2
+ H
2
O
乙酰辅酶 A
? 提问,为什么这些有机物难于生物降解？
? 微生物缺乏相应的水解酶
（四） 人工合成的难降解有机化合
物的生物降解
? 难 ——— 对于 自然生态环境 系统,如果一种化合
物滞留 可达几个月或几年 之久,或在 人工生物处理
系统,几小时或几天之内还未能被分解或消除
? 种类,稳定剂, 表面活性剂, 人工合成的聚合物,
杀虫剂, 除草剂以及各种工艺流程中的废品等 。
1,氯苯类
? 用 途, 稳定剂 （ 润滑油, 绝缘油, 增塑剂, 油漆, 热
载体, 油墨等都含有 ）
? 危 害,急性中毒, 是 一种致癌因子 （ 米糠油事件 ）
? 降 解 菌,产碱杆菌, 不动杆菌, 假单胞菌, 芽孢杆菌以
及沙雷氏菌的突变体
? 通过 共代谢 完成氯苯的完全降解 。
? *共代谢研究进展及其成果对环保的应用现
状？
2．洗涤剂
? 可分为 阴离子型, 阳离子型, 非离子型, 两性电解质 四类 。
? 我国目前生产的洗涤剂属于 阴离子型烷基苯磺酸钠 。 较早
开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐 （ ABS）, C H
3
C H
3
C H
3
| | |
N a S O
3
C C H
2
C H C H
2
C C H
3
| |
C H
3
CH
3
3
ABS
甲基分支干扰生物降解,链末端与 4个碳原子相连的季碳
原子抗攻击的能力更强 。
? 危害,ABS可以在天然水体中 存留 800h以上,使这得接
纳他的水体长时间保持,产生大量泡沫,引起水体缺氧。
? 为使洗涤剂易于生物降解，人们将 ABS的结构改变为线
性的直链 烷基苯磺酸盐（ LAS）：
? 由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。
N a S O
3
C H （ CH
2
）
9
C H
3
|
CH 3
C H
3
C H
3
C H
3
| | |
N a S O
3
C C H
2
C H C H
2
C C H
3
| |
C H
3
CH
3
3ABS
A,降解洗涤剂的微生物
? 细 菌 —— 假单胞菌, 邻单胞菌, 黄单胞菌, 产碱单胞
菌, 产碱杆菌, 微球菌, 大多数固氮菌
? 放线菌 —— 诺卡氏菌
? 由于这些微生物的作用, 虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐
年递增, 但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加 。 因而洗涤
剂一般不会引起环境的有机污染 。 洗涤剂目前存在
的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体 富营养化 问
题 。
B,洗涤剂的降解机理
C O O H
C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C
末端氧化 β - 氧化、脱磺基
苯甲酸
C H
2
C O O H 开环分解
S O
3
-
苯乙酸
CO
2
+ H
2
O
? 对微生物无影响
? （ 1）,土地板结
? （ 2）, 被海鸟及海洋哺乳动物误食, 致使这些动物消化系统停滞,
引起死亡 。 具报道每年海洋中死于废弃塑料的海鸟和海洋哺乳动
物, 数目之多令人触目惊心 。
? （ 3）,影响景观
? 目前发现 能降解塑料的微生物, 种类很少, 而且降解
速度缓慢 。 他们主要是 细菌, 放线菌, 曲霉中的某些
成员 。
3.塑料
? 塑料在环境中积累有哪些危害？
? 危害,白色污染
? 提问,如何解决塑料的难降解问题？
? （ 1）限制使用不可降解塑料
? （ 2） 开发可降解塑料
? 光降解、高填充碳酸钙、填充淀粉、淀粉改性塑
料,化学合成或用微生物、转基因植物直接生产
可生物降解的塑料；
* 如何制造完全生物可降解塑料
？有哪些种类？发展前景如何？
4.农药
? 如 杀虫剂, 除草剂等
? 化学成分,有卤素, 磷酸基, 氨基, 硝基, 羟基及其
它取代物的简单烃骨架 （ 有机磷, 有机锡, 有机氯
等 ） 。
? 相比较其它取代基团而言, 微生物对卤素取代基往往不适应, 因
而随着卤素取代基数量的增多, 农药的生物可降解性大幅度下降 。
水中来源,农田土壤的灌溉水或雨水
? 危害,生物毒性 （急性、慢性、致癌、致畸变）
? 最典型的一个例子就是杀虫剂 DDT（ 二氯二苯三氯乙烷）,由于氯
代基数量大，在自然界的半衰期长达半年以上，由于 DDT不溶于水
而易溶于脂肪，因而可在动物脂肪组织中堆积，并沿着食物链在逐
级向上不断积累，引起生物各种急慢性中毒。
? 降解农药的微生物：
? 细 菌 —— 假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌
? 放线菌 —— 诺卡氏菌
? 真 菌 —— 曲霉
? 这些微生物 往往 需共代谢 将农药逐级降解 。
二、氮源有机污染物的转化
? 蛋白质, 氨基酸, 尿素, 胺类, 腈化物, 硝基化合物等 。
? （ 一 ） 蛋白质的转化
? 水中来源,生活污水, 屠宰废水, 罐头食品加工废水,
制革废水等
1,降解蛋白质的微生物
? 种类很多
? 好 氧 细 菌 —— 链球菌和葡萄球菌
? 好氧芽孢细菌 —— 枯草芽孢杆菌, 巨大芽孢杆菌, 蜡状芽孢杆菌及马铃薯
芽孢杆菌
? 兼 性 厌 氧 菌 —— 变形杆菌, 假单胞菌
? 厌 氧 菌 —— 腐败梭状芽孢杆菌, 生孢梭状芽孢杆菌
? 此外, 还有曲霉, 毛霉和木霉等真菌以及链霉菌 (放线菌 )。
（好氧菌）
O
2
氧化脱氨
蛋白质 胨 肽 进入细胞 羧酸 + N H
3
+H
2
S
H
2
还原脱氨
（厌氧菌）
| 细胞外水解 | 氨化作用 |
β 氧化
羧酸 C O
2
+ H
2
O
作为氮源参与同化代谢
NH
3
亚硝化细菌 硝化细菌
NH
3
H N O
2
H N O
3
硝酸盐
+ O
2
+ O
2
| 硝化作用 |
硫磺细菌 硫化细菌
H
2
S S H
2
SO
4
硫酸盐
+ O
2
+ O
2
2．降解机理
反硝化
N2↑
3.典型含氮有机物的转化
? 氰化物, 乙腈, 丙腈, 正丁腈, 丙烯腈等 腈类化合物 及
硝基化合物
? 水中来源,化工腈纶废水, 国防工业废水, 电镀废水等 。
? 危 害,生物毒害, 环境积累
A,降解这些物质的微生物
? 细 菌 —— 紫色杆菌, 假单胞菌
? 放线菌 —— 诺卡氏菌
? 真 菌 —— 氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌 (茄科病镰刀
霉 ),木霉及担子菌等
B,降解机理
a.氰化物
? 5HCN + 5.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3
b.有机腈 O
RCH 2 C N （ RCH 2 C - N H 2 ） R C H 2 C O O H + N H 3
CO 2 + H 2 O
H 2 O H 2 O
担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下
缩合成为 α— 氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。
HCN
CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH
甲醛 α— 氨基乙腈 丙氨酸