污染物的生物降解.ppt

《污染物的生物降解.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《污染物的生物降解.ppt（93页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、微生物对污染物的降解与转化,Microbiology Department. Resource 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。,自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？,*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,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

2、霉、乳霉、曲霉 途径：水解+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（C10C24）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,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

3、+ O2 R-CH2- CH2-CH3 R- CH2-CH2-COOH -氧化 CO2 + H2O CH2-COOH + R-COOH,B无支链环烷烃的降解 以环己烷为例,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。,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。,C芳香烃,苯和酚的代谢,苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示,苯的降解,萘的代谢,菲的代谢,蒽的代谢,酚的代谢,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,人工合成的难降解有机化合 物的

4、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。,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,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？,指1968年在日本发生的一种食品污染

5、公害事件。 患病者5000多人，其中死亡16人，实际受害者超过1万。 用米糠油中的黑油作家禽饲料，引起几十万只鸡死亡。症状有眼皮肿、掌出汗、全身起红疙瘩，重者呕吐恶心，肝功能下降，肌肉痛，咳嗽不止，甚至死亡。 主要污染物是多氯联苯。 其发生原因是，生产米糠油时用多氯联苯作脱臭工艺中的热载体，因管理不善，混入米糠油中，食后中毒。,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）：,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

6、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）：,ABS,由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。,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,3.塑料,人工合成的高

7、分子聚合物是各种塑料制品的原料。90%是由聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯所构成。 高分子聚合物的分子量在数千至15万的范围内，一般都能抗生物降解。,危害, 对微生物无影响 土地板结 被动物误食：危害消化系统。 影响景观 生物毒性,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。它们主要是细菌、放线菌、曲霉中的某些成员。,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

8、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。,我国每年使用的农药达50 多万吨。 残留在土壤中； 被灌溉水或雨水淋洗冲入水域 被降解或转化成其它物质。,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6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。,DDT经 食

9、 物 链 浓 缩 107 倍,瑞士化学家默勒(Poul Muller)1939年发明DDT(二氯二苯三氯乙烷)并用作杀虫剂，从而开创了以DDT为代表的有机氯农药新时代。 在第二次世界大战期间及以后DDT被广泛用于防治疟疾、脑炎、斑疹伤寒等传染病，挽救了数百万人的生命。 DDT把人类从传染病的“围城”中解救出来，由此默勒获得1948年度的诺贝尔奖。 此后DDT被广泛使用，据估算全世界使用了500万吨。,DDT具有脂溶性、致癌性和难于被降解的特点，DDT对益虫的杀害以及沿食物链富集造成不良的生态效应，鱼类、蛙类、鸟类及其他高营养级生物繁殖能力下降以至灭绝，对人类健康也构成严重威胁。 美国从1973

10、年起，我国从1983年起禁用DDT，其他有机氯农药也相继退出历史舞台； 但残存有机氯农药仍像幽灵一样在生态环境中徘徊，而且其他化学农药污染(以有机磷农药为主)的“围城”仍然存在。,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

11、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)。,2降解机理,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,担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰

12、酸在腈合成酶的作用下缩合成为氨基乙腈，进而合成为丙氨酸。 HCN CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOH 甲醛 氨基乙腈 丙氨酸,无机污染物的转化,主要的无机污染物有 : 磷酸盐、氨氮及硝酸盐、金属离子等 水中来源及危害： 磷酸盐洗涤剂中作为软水剂使用的磷酸盐、土 富营养化 氨氮硝酸盐工业废水和使用硝酸盐化肥的农田冲蚀水 富营养化 金属离子 采矿、冶金、化工等行业的废水 生物中毒,一、磷酸盐的转化,洗涤剂中的磷酸盐为可溶性的磷酸钠 土壤中的磷酸盐则主要是难溶的磷酸钙 微生物产酸 土壤中的难溶磷酸盐 可溶性磷酸盐 洗涤剂中的可溶性磷酸盐 卵磷脂、核酸、ATP 厌氧条件下，磷

13、酸盐还可以被梭状芽孢杆菌、大肠杆菌等还原为PH3。（自燃鬼火） + 8H H3PO4 PH3 4H2O,二、氨氮及硝酸盐的转化,1同化作用 被大多数微生物作为无机氮源营养物，产物为蛋白质、核酸等 2异化作用 硝化细菌及反硝化细菌 硝化作用反硝化作用 N2,三、金属离子,（一）金属离子的毒性 提问：影响金属离子毒性的因素有哪些？ 种类、浓度、存在状态（包括价态、络合态、共存离子性质） 例如，六价铬比三价铬毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有机锡比无机锡毒，有机锡中的烷基锡比芳香基锡毒，烷基锡中三烷基又比其他烷基锡毒。,致毒浓度低；如汞、镉等重金属的致毒浓度范围在110mg/kg以下

14、； 通过食物链积累重金属可在高营养级水平的生物体内成千万倍地富集，然后通过食物进入人体，造成慢性中毒 ； 甲基汞的毒性比无机汞高50100倍，它是亲脂性的，具有很高的神经毒性。,（二）微生物转化 主要是氧化、还原和甲基化作用。,1.汞的形式,无机汞（多难溶）： Hg2+2 Hg0 + Hg2+ 注：Hg2+2=Hg+ Hg+ 零价的金属汞与一价汞盐几乎不溶 二价汞盐除了硫化汞、碘化汞外几乎均可溶解 有机汞（易溶） ： 通式RHgX和R2Hg 其中R为有机原子基团，X为无机离子如卤素原子、硫酸根、硝酸根、磷酸根、氰化物、羟基等。,2汞化合物的毒性,难溶的汞生物吸收困难，毒性很小 易溶的汞容易吸收

15、，毒性很强（其中甲基汞的毒性最强） 毒性体现：神经麻痹以致引起死亡。 日本的水俣湾甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。这类汞中毒一般都不是通过直接饮用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物链积累并由水中的鱼类向上传递给人而引起的。水中的甲基汞到底是怎么来的？,3.汞的甲基化,汞的甲基化是由微生物依靠甲基化辅酶形成的。 汞甲基化微生物： 细 菌甲烷菌、匙形梭菌、荧光假单胞菌、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌、巨大芽孢杆菌 真 菌粗糙链孢霉、黑曲霉、酿酒酵母等。 过程如下： 甲基化辅酶 甲基化辅酶 Hg2+ Hg+ -CH3 Hg(CH3) 2 -CH3 -CH3 鱼类体表粘液中有许多含有甲基化辅酶的微生物

16、，他们将无机汞转化为甲基汞，动物和人体肠道中的细菌大部分也具有这种功能，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。,V1、V2为进出速度,提问：为什么微生物进行汞的甲基化？,4.甲基汞的降解,事实上通常情况甲基汞在天然水体中的浓度十分低 ？,甲基汞降解微生物：柠檬酸杆菌、假单胞菌、节杆菌、 隐球菌 提问：为什么微生物进行甲基汞的降解？ 甲基能源 汞的甲基化与脱甲基化通常保持着一个动态的平衡，从而使环境中的甲基汞浓度维持在低水平。,但是，在有机污染严重、pH较低的环境中，更容易形成和释放甲基汞，对生物的危害巨大。 提问：为什么此时甲基汞的形成更严重？ 答案： 甲基汞降解菌营养品味提高 后果：一方面甲基汞溶

17、于水被鱼、贝吸收浓缩，向食物链上游传递；另一方面甲基汞还会逸出水体，进入大气，使污染扩大 防治汞污染必须先控制有机污染,（三）其它重金属的转化,其它重金属的转化与汞的情况十分相似，重金属普遍可以被微生物甲基化，而且甲基化的重金属普遍毒性大为提高，这些金属包括砷、硒、铅、锡、镉、锑等。 如何治理水中的重金属污染？,微生物回收重金属,(日本)抗汞细菌吸收废水中的汞，然后收集菌体，用活性炭吸收菌体内蒸发的一部分元素汞，另一部分则在反应器的底部沉淀后回收。金属汞的回收率可达80%以上。 李福德等(1992)利用微生物净化回收电镀废水中重金属铬，利用一株耐铬的脱硫弧菌SR 1治理电镀铬废水，使总铬的去除率达99.7%，铬的回收率大于80%。,