1、第十章第十章 微生物对污染物的分解与转化微生物对污染物的分解与转化第一节第一节 微生物对有机物的分解作用微生物对有机物的分解作用一、生物分解的一般特点一、生物分解的一般特点（一）有机物生物分解的一般特点（一）有机物生物分解的一般特点1 1、概念：、概念：微生物对有机物的分解作用（或降解作用）微生物对有机物的分解作用（或降解作用）常简称为常简称为“生物分解生物分解”或或“生物降解生物降解”。2 2、特点：、特点：有机物经逐步分解后，产生能进入有机物经逐步分解后，产生能进入TCATCA途径途径或能作为合成代谢原料的中间代谢产物，继而被转化或能作为合成代谢原料的中间代谢产物，继而被转化为小分子有机物
2、、无机物等分解产物和微生物细胞。为小分子有机物、无机物等分解产物和微生物细胞。3污染物、细胞构成物C、H、O、N、P、S、矿物元素、维生素等能源化学能(污染物等)、光能受 氢 体O2、CO2、SO42-、NO3-等微生物体合成分解热能生物污泥能分解 产 物+随水排出微生物生物不可降解残留物有机体分解(内源呼吸)CO2、H2O、NH4+、NO2-NO3-、SO42-、PO43-、H2、N2、H2S、CH4、乙醇、有机酸、硫醇等简单化合物有机污染物的生物分解过程生物分解后的去向细胞物质（微生物的生长）分解产物（CO2、小分子有机物等）二、生物分解的分类二、生物分解的分类1、根据生物分解的程度和最终
3、产物的不同，、根据生物分解的程度和最终产物的不同，有机物的生物分解可分为有机物的生物分解可分为生物去除（表观分生物去除（表观分解）、初级分解、环境可接收的分解和完全分解）、初级分解、环境可接收的分解和完全分解（矿化）解（矿化）等不同类型。等不同类型。5生物分解类型生物分解类型特点特点分解对象有机物分解对象有机物的分析方法的分析方法生物去除生物去除（BioeliminationBioelimination）由于微生物细胞、活性污泥等的吸附作用使由于微生物细胞、活性污泥等的吸附作用使化学物质浓度降低的一种现象。这里所说的化学物质浓度降低的一种现象。这里所说的“生物去除生物去除”不是真正意义上的分解
4、，而是不是真正意义上的分解，而是一种表观现象，也可称为一种表观现象，也可称为“表观生物分解表观生物分解”。各种色谱分析各种色谱分析有机碳分析有机碳分析初级分解（初级分解（Primary Primary biodegradationbiodegradation）在分解过程中，化学物质的分子结构发生变在分解过程中，化学物质的分子结构发生变化，从而失去原化学物质特征的分解。化，从而失去原化学物质特征的分解。各种色谱分析各种色谱分析官能团分析官能团分析毒性测试毒性测试环境可接收的分解环境可接收的分解（Environmentally Environmentally acceptable acceptab
5、le biodegradationbiodegradation）经过生物分解，化学物质的物理化学性质和经过生物分解，化学物质的物理化学性质和毒性达到环境安全要求的程度。毒性达到环境安全要求的程度。各种色谱分析各种色谱分析官能团分析官能团分析毒性测试毒性测试完全分解完全分解（Ultimate Ultimate biodegradationbiodegradation）有机化合物被分解成稳定无机物（有机化合物被分解成稳定无机物（COCO2 2、H H2 2O O等）的分解等）的分解总有机碳分析总有机碳分析产生的产生的COCO2 2分析分析有机物的有机物的生物分解类型生物分解类型及其特点及其特点 2
6、、根据是否在有氧气存在的条件下，可分为、根据是否在有氧气存在的条件下，可分为好氧分解和厌氧分解两种类型。与厌氧生好氧分解和厌氧分解两种类型。与厌氧生物分解相比，好氧分解往往具有分解速率物分解相比，好氧分解往往具有分解速率快、分解程度彻底、能量利用率高、转化快、分解程度彻底、能量利用率高、转化为细胞的比例大等特点。为细胞的比例大等特点。7微生微生物的物的分类分类好氧微生物（好氧微生物（aerobe）：只能在有氧条件下生长，：只能在有氧条件下生长，没有氧气无法生存没有氧气无法生存.厌氧微生物（厌氧微生物（anaerobe）：只能在没有氧气的环境：只能在没有氧气的环境下生长，有氧气反而不能生长。下生
7、长，有氧气反而不能生长。兼性微生物（兼性微生物（facultative aerobe）：即可在有氧条：即可在有氧条件下，也可在无氧条件下生长。在自然件下，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。界中，大多数微生物属于这一类。根据分解根据分解条件分类条件分类好氧分解：好氧分解：在好氧条件下进行的分解在好氧条件下进行的分解 好氧呼吸好氧呼吸厌氧分解厌氧分解：在厌氧条件下进行的分解：在厌氧条件下进行的分解厌氧呼吸厌氧呼吸发酵发酵8 兼性微生物的代谢：兼性微生物的代谢：DO0.20.3mg/L条件下：好氧代谢条件下：好氧代谢 DO3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。8）好氧条
8、件下的降解规律与厌氧有时不同9）化学品的生物降解性预测物理化学性质生物降解性/QSBR(Quantitative Structure Biodegradability Relationship)5）脂肪族：分子量越大越不易降解6）芳香族0.4-0.6 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/CODcr1.2 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1.纤维素多糖化合物22323COH O
9、CH CH OHCH CHOHCOOH乳酸42CHCO、61051222116126()nC H OC H OC H O 纤维素纤维二糖酶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、木质素第三节 不含氮有机物质的生物分解酶402.半纤维素 能降解纤维素的微生物：芽孢杆菌、假单胞菌、放线菌。第三节 不含氮有机物质的生物分解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。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。TCA循环循环 聚糖酶聚糖酶 CO2+H2O 半纤维素半纤维素 单糖
10、单糖+糖醛酸糖醛酸 H2O 各种发酵产物各种发酵产物 厌氧分解厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。3.木质素（lignin）CCCHOCCCHOH3COCCCHOH3COH3CO基本构成单位芳醚键降解机理（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，如白腐菌第三节 不含氮有机物质的生物分解二、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）第三节 不含氮有机物质的生物分解 纤维素酶纤维素酶 纤维二糖酶纤维二糖酶 纤维素纤维素 纤维二糖纤维二糖 葡萄糖葡萄糖 糖酵解糖酵解 AT
11、P 好氧分解好氧分解 H2O CO2 葡萄糖葡萄糖 丙酮丁醇发酵丙酮丁醇发酵 丙酮丙酮+丁醇丁醇+CO2+H2 厌氧发酵厌氧发酵 丁酸发酵丁酸发酵 丁酸丁酸+乙酸乙酸+CO2+H2 三羧酸三羧酸 循循 环环 厌厌氧氧发发酵酵 洗毛、肉类加工、生活污水洗毛、肉类加工、生活污水 荧光杆菌、绿浓杆菌、灵杆菌等荧光杆菌、绿浓杆菌、灵杆菌等 脂肪脂肪 脂肪酶脂肪酶 甘油甘油 脂肪酸脂肪酸 简单的酸简单的酸+CO2+CH4 CO2+H2O 三三 脂肪的转化脂肪的转化 炼焦、石油、煤气炼焦、石油、煤气 酚为较重要的一种，对人、畜、水生生物有毒，酚为较重要的一种，对人、畜、水生生物有毒，必须处理。必须处理。分
12、解酚的细菌：食酚假单胞菌、解酚假单胞菌分解酚的细菌：食酚假单胞菌、解酚假单胞菌 酚酚 O2 CO2+H2O 生物法已经广泛用于含酚工业废水的处理生物法已经广泛用于含酚工业废水的处理 四四 芳香族化合物的转化（苯的衍生物）芳香族化合物的转化（苯的衍生物）甲烷假单胞菌、青霉、头孢霉、甲烷极毛杆菌可甲烷假单胞菌、青霉、头孢霉、甲烷极毛杆菌可以分解烷烃。用于天然气的勘探。以分解烷烃。用于天然气的勘探。2O2+CH4 CO2+2H2O 五五 烃类化合物的转化烃类化合物的转化 一、氮的循环一、氮的循环自然界中自然界中除植除植物利用无机氮物利用无机氮转变为有机氮转变为有机氮外外，其它各转其它各转变过程均由微
13、变过程均由微生物作用生物作用 氨化作用氨化作用 硝化作用硝化作用 反硝化作用反硝化作用 硝化作用硝化作用 反硝化作用反硝化作用 氨化作用氨化作用 第四节第四节 含氮有机物的生物分解含氮有机物的生物分解生物体有机酸NO3-NH4+NO2-NON2O大气N2同化作用氨化作用硝化作用硝化作用反硝化作用生物固氮同化作用还原作用自然界中的氮素循环蛋白质的降解机理蛋白质的降解机理反硝化反硝化N2二、蛋白质的转化二、蛋白质的转化R-CH-COOH NH2 R代表不同的基团代表不同的基团 氨基酸氨基酸（一）蛋白质的氨化（一）蛋白质的氨化 氨化作用氨化作用：由有机氮化物转化为氨态氮的过程（由有机氮化物转化为氨态
14、氮的过程（NH3、NH4+）肽肽 蛋白酶蛋白酶 水解水解 肽酶肽酶 水解水解 蛋白质蛋白质 氨基酸氨基酸 1 1、蛋白质初步水解成氨基酸、蛋白质初步水解成氨基酸 氨化细菌：参与氨化作用的细菌。氨化细菌：参与氨化作用的细菌。好氧性：荧光假单胞菌、灵杆菌好氧性：荧光假单胞菌、灵杆菌 厌氧性：腐败梭菌厌氧性：腐败梭菌 兼性菌：变形杆菌。兼性菌：变形杆菌。问题：参加的有哪些微生物呢？问题：参加的有哪些微生物呢？（二）硝化作用（二）硝化作用（Nitrification）1 1、硝化作用概念、硝化作用概念 在有在有氧气氧气时，微生物将时，微生物将氨氨氧化为氧化为硝酸硝酸的作用的作用 2 2、参加硝化作用的
15、微生物、参加硝化作用的微生物 硝化细菌硝化细菌 亚硝酸细菌亚硝酸细菌 硝酸细菌硝酸细菌 两类细菌相伴而生，作用相连。两类细菌相伴而生，作用相连。硝化细菌的特性：硝化细菌的特性：（1）革兰氏阴性菌，不生芽孢）革兰氏阴性菌，不生芽孢 （2）强好氧性）强好氧性 （3）中性或碱性环境。不能在强酸环境生活。）中性或碱性环境。不能在强酸环境生活。（4）对毒物敏感。很少的锰对其有毒害。）对毒物敏感。很少的锰对其有毒害。问题：问题：硝化细菌有哪些特性？硝化细菌有哪些特性？3 3、硝化作用的过程、硝化作用的过程（1 1）亚硝酸形成阶段）亚硝酸形成阶段 2 2NHNH3 3+3O+3O2 2 亚硝酸细菌亚硝酸细菌
16、 2 2HNOHNO2 2+2H+2H2 2O+ATPO+ATP 亚硝酸细菌亚硝酸细菌：亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属：亚硝酸单胞菌属、亚硝酸球菌属 亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属亚硝酸螺菌属、亚硝酸叶菌属 4、硝化作用进行的条件硝化作用进行的条件 O2 NH3 碱性物质（中和产生的亚硝酸和硝酸）碱性物质（中和产生的亚硝酸和硝酸）不需有机物存在不需有机物存在 蛋白质最终被氧化成：蛋白质最终被氧化成：CO2、H2O、HNO3、H2SO4 57硝化菌与活性污泥中异养菌的生长速率比较细菌种类世代时间(h)最大增长速率(1/h)亚硝酸菌硝酸菌活性污泥中异养菌8-368-592.3-8.7 0.02-0.09
17、0.01-0.060.08-0.3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(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，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
18、随时调节pH值。影响硝化作用的主要因素(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毒物更敏感。（三）反硝化作用（三）反硝化作用（Denitrification）概念概念：硝酸盐硝酸盐在通气不良环境中在通气不良环境中（缺氧）（缺氧），被，被 反硝化细菌还原成反硝化细菌还原成NONO2 2或或 N N2 2的过程。的过程。1 1、反硝化过程、反
19、硝化过程 C C6 6H H1212O O6 6+4NO4NO3 3-6H6H2 20+6CO0+6CO2 2+2+2N N2 2+ATP+ATP 缺氧缺氧 N N2 2 NONO3 3-NONO2 2-NONO N N2 2O O 反硝化细菌反硝化细菌 2 2、反硝化作用的微生物、反硝化作用的微生物 类型类型 含有反硝化细菌种的一些属含有反硝化细菌种的一些属有机营养型有机营养型 假单胞菌属、产碱杆菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属、产碱杆菌属、芽孢杆菌属、土壤杆菌属、黄杆菌属、芽生杆菌属、土壤杆菌属、黄杆菌属、芽生杆菌属、盐杆菌属、慢生根瘤菌属盐杆菌属、慢生根瘤菌属 化能无机营养型化能无机营养型
20、硫杆菌属、硫微螺菌属、亚硝化单胞菌属硫杆菌属、硫微螺菌属、亚硝化单胞菌属 光能营养型光能营养型 红假单胞菌属红假单胞菌属 混合型混合型 副球菌属、布兰汉氏菌属、奈氏球菌属副球菌属、布兰汉氏菌属、奈氏球菌属反硝化细菌反硝化细菌：进行反硝化作用的微生物。：进行反硝化作用的微生物。5050多属。多属。反硝化细菌的部分属群反硝化细菌的部分属群 3、反硝化作用发生的条件反硝化作用发生的条件 NO3-有机物质存在有机物质存在 氧气氧气 0.5 mg/L 63 反硝化作用需要足够的有机碳源。甲醇、乙醇、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
21、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(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,细胞内积累硫而形成硫磺颗粒。（二）硫化作用常见的硫磺细菌无色硫磺细菌紫色硫磺细菌：紫硫菌、八叠硫菌（光能自养）（光合菌着色菌科、旧称红硫菌科，俗称紫硫菌）贝日阿托氏菌，如白硫磺菌(Beggiatoa)发硫细菌(Thiothrix)硫磺细菌的细胞合成方式：无色硫磺菌：化学合成2224CO
22、HCH OH O紫色硫磺菌：1）化学合成；2）光合成2224COHCH OH O 日 光菌 紫 素不产生氧气的光合作用循环光合磷酸化第五节 微生物对无机元素的转化作用特点：利用硫化物作能源，但不能在细胞内积累硫单体。常见的硫化菌好氧菌厌氧菌 脱氮硫杆菌：在缺氧情况下还原硝酸根为氮气(Thiobacillus denitrificans)2223246,H S Na S O Na S OS22324,S S OH SO排硫杆菌氧化硫杆菌2 23332424222582644NaSOKNONaHCONaSOKSONCOHO2)硫化细菌的一般特性第五节 微生物对无机元素的转化作用第五节 微生物对无机
23、元素的转化作用几种常见的硫化细菌脱氮硫杆菌的应用：反硝化（硝酸氮的处理）S2进水 3NO出水24SON23324322652223KNOSCaCOK SOCaCOCON能量第五节 微生物对无机元素的转化作用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：242SOH S32423222CH COOHNa SONa COH SCOH O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（
24、Desulfotomaculum nigrificans）第五节 微生物对无机元素的转化作用（三）反硫化作用含硫废水硫酸盐生物还原SO42H2S(厌氧)硫化物生物氧化H2SS0(好氧)H2S空气吹脱NaOH吸收Na2S回收处理水工艺1工艺2处理水含SO42-废水生物处理工艺 第五节 微生物对无机元素的转化作用 在混凝土沟渠中，硫酸盐还原所形成的硫在混凝土沟渠中，硫酸盐还原所形成的硫比氢，为硫磺细菌等氧化成硫酸后，可使比氢，为硫磺细菌等氧化成硫酸后，可使混凝土由于腐蚀而受到损坏。一般说，废混凝土由于腐蚀而受到损坏。一般说，废水中硫酸盐还原菌是不多的，它们比较集水中硫酸盐还原菌是不多的，它们比较集
25、中在沟渠沉淀物中。所以，为了减少沟渠中在沟渠沉淀物中。所以，为了减少沟渠中可能产生的硫化氢，也要求沟渠有适当中可能产生的硫化氢，也要求沟渠有适当的坡度和加强渠道的维护工作。的坡度和加强渠道的维护工作。二、二、磷的转化磷的转化 1、不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。不溶性无机磷酸盐转化成可溶性磷酸盐。Ca3（PO4）2 CaHPO4（1）Ca3（PO4）2+2CO2+2H2O 2CaHPO4+Ca（HCO3）2（2）Ca3（PO4）2+2HNO3 2CaHPO4+Ca（NO3）2 （3）Ca3（PO4）2+H2SO4 2CaHPO4+CaSO4 2、有机磷化物有机磷化物 磷酸盐磷酸盐 解磷大芽
26、孢杆菌解磷大芽孢杆菌 蜡质芽孢杆菌蜡质芽孢杆菌 霉状芽孢杆菌霉状芽孢杆菌 三、铁的转化三、铁的转化1、铁化物的氧化和沉淀铁化物的氧化和沉淀 O2 Fe2+Fe3+铁细菌铁细菌 2、铁化物的还原和溶解铁化物的还原和溶解 Fe3+Fe2+缺氧缺氧 3有机铁化物的形成与溶解有机铁化物的形成与溶解 溶解性的铁可以被动植物及溶解性的铁可以被动植物及微生物吸收利用形成微生物吸收利用形成有机结合的状态有机结合的状态，或与有机酸结合，或与有机酸结合成成有机酸铁盐有机酸铁盐。这种有机态结合铁又可被微生物分解而。这种有机态结合铁又可被微生物分解而无机化，再形成溶解性的铁为微生物等利用。无机化，再形成溶解性的铁为微
27、生物等利用。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。32232464()4167.5FeCOOH OFe OHCOJ一、生物对污染物的浓缩作用第六节 微生物对无机元素的转化作用（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。度物质在环境介质中的浓物质在生物体内的浓度BCF81 指同一
28、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）82 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
29、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）83 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（PC
30、Bs）、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84 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
