污染物生物降解和转化.ppt

上海交通大学农业与生物学院资环系 2011.10 Contents 第一节 微生物对污染物的作用 一、有机污染物的生物降解性 图4-1 有机污染物降解的典型微生物 图4-2 某些基因工程菌的降解活性 二、微生物对污染物的作用 1. 微生物的共代谢作用 （1）定义 ：某些有机物在其生物降解过程中不能作为微生物的惟一碳源，而只能依靠另一种有机物作为碳源与能源的前提下才能被降解的现象。 （2）共代谢基质与微生物 见图4-3 图4-3 纯培养中的一些共代谢基质及其产物 （2）共代谢的原因 提出了各种假设，但都有局限性，主要原因有： 微生物的吸收与同化能力 微生物不能在某种基质上生长的原因并不是由于微生物无法分解代谢这种物质，而是由于微生物本身缺乏吸收、同化其氧化产物的能力。 有毒产物的积累 该机制仅能应用于芳香烃化合物。如：2,3,6-三氯甲苯的共代谢会导致3,5-二氯儿茶酚的积累，最终形成对细胞有毒害的环境。 C. 酶的专一性与抑制作用 卤代二羟基苯与催化芳香核加氧作用的酶活性中心的铁离子发生螯合作用，抑制了酶系统的活性。 2. 微生物的解毒作用 （1）定义 ：通过微生物对污染物的转化、降解、矿化等作用，使污染物的分子结构发生改变，从而降低或去除污染物的毒性的过程。 （2）解毒产物的去处 A. 解毒产物直接分泌到细胞外； B. 经酶反应进入正常代谢途径，碳以CO2的形式释放； C. 经酶反应进入正常代谢途径，以有机废物的形式分泌到胞外。 图4-4 化学品解毒历程 （3）解毒作用 A. 对酯键或酰胺键的水解脱毒； B. 苯环或脂肪链上的羟基化，以OH取代H使毒物失去毒性； C. 杀虫剂中氯和其他卤素的脱卤； D.杀虫剂中与氯、氧或硫相连甲基和烷基的去甲基和去烷基； E. 对有毒酚类物的甲基化，使酚类物钝化； F. 将硝基还原成氨基，以减轻基质的毒性； G. 醚草通脱氨基，变为无毒物； H. 卤代苯氧羧酸类除草剂在植物体内断裂醚键，降解成相应的 酚，消除其对植物的毒害； I. 将腈转化为酰胺，降低毒性； J. 轭合作用，利用植物体内的中间代谢产物和异生素的反应合成 无毒产物 2. 微生物的激活作用 （1）定义 ：无害的前体物质通过微生物的作用转化成有毒产物的过程。 例如： 脱卤作用，三氯乙烯（TCE）在厌氧环境中会发生脱 卤，形成1,1-二氯乙烯、1,2-二氯乙烯和氯乙 烯，降解物均为致癌物； 硫醚的氧化，含有硫醚键（C-S-C）杀虫剂会被氧化成 相应的亚砜和砜，毒性比硫醚更大； N-亚硝化作用，在土壤中仲胺通过N-亚硝化作用形成 “三致”毒物——亚硝胺； 3. 微生物的吸着作用 （1）定义 ：指固液两相中的某些化合物在液相中的浓度降低，而在固相中的浓度升高的现象，包括吸收和吸附，但两者在概念上没有明显的界限。 很多中微生物都能结合金属，作用机理有胞外吸附、细胞表面富集等； （a）胞外吸附 活性污泥和细菌产生胞外多糖，主要是中性多糖，但含有糖醛酸、磷酸盐等可以络合溶解金属离子； （b）细胞表面富集 富集往往发生在细胞壁的表面，主要是由于金属离子与细胞表面活性基团络合用于交换以及以络合基团为晶核进行吸附沉淀。 4. 有机污染物的阈值 痕量有机物的生物降解及阈值问题受到重视（三致毒物、生物富集与放大等毒害）； 当有机基质的浓度低于某一值时，基质虽然仍能被代谢，但不能获得充分的能量供细胞生长，该基质浓度称为阈值。 各种细菌不能生长繁殖的阈值差异很大，碳源、氮源、磷源及某些营养物均存在着阈值现象。 图4-6 河水中不同浓度的2,4-D的矿化作用 图4-7 不发生生物降解或低于预测值的有机化合物 第二节 影响生物降解的因素 一、污染物种类对降解性影响 图4-8 某些物质的生物可降解性 二、化学结构对生物降解的影响 图4-9 两种除草剂在土壤悬  浮液中的微生物分解速度 图4-11 两种洗涤剂结构 三、环境条件对生物降解的影响 第三节 污染物的生物降解反应及其中间产物 一、水解 二、氧化 三、碳羟基化 四、还原 四、还原 五、裂解 六、酰化 七、甲基化 九、二聚 第四节 典型有机污染物的生物降解 一、微生物对自然界中难降解物质的分解和转化 图4-20 木材的细胞结构图 二、微生物对石油化工废水中烃类化合物的分解和转化 三、化学农药的降解 四、氮的微生物转化 五、硫的微生物转化 五、硫的微生物转化 六、铁的微生物转化 七、汞的微生物转化 八