1、第六章第六章 农药及其它危险性农药及其它危险性化合物的微生物降解化合物的微生物降解第一节第一节 微生物降解理论基础微生物降解理论基础一、概述一、概述l人工合成的化学物质越来越多人工合成的化学物质越来越多 “CAB”登记的化学物质已经达到登记的化学物质已经达到600多万多万种种 每周以每周以6000种的速度增加；种的速度增加；多数对生物具有毒害作用。多数对生物具有毒害作用。l由于这些化学物质对人有致畸、致突变由于这些化学物质对人有致畸、致突变和致癌作用，故称为危险性化合物和致癌作用，故称为危险性化合物（hazardous chemicals）。）。l理论上，微生物具有降解自然界产生的理论上，微生
2、物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制，但是由于：有机化合物的代谢机制，但是由于：u新合成的化合物结构新颖；新合成的化合物结构新颖；u微生物对这些化合物无降解机制微生物对这些化合物无降解机制 因此，新的化合物往往对微生物的降解因此，新的化合物往往对微生物的降解表现出抗逆性。表现出抗逆性。l环境微生物学工作者的任务环境微生物学工作者的任务从特定环境中分离纯化得到某些具有特定从特定环境中分离纯化得到某些具有特定降解能力的微生物纯培养；降解能力的微生物纯培养；驯化出降解某些污染物的微生物菌株，使驯化出降解某些污染物的微生物菌株，使其降解能力更强大；其降解能力更强大；通过基因工程手段来改造微生物以
3、使其具通过基因工程手段来改造微生物以使其具有特定的降解能力。有特定的降解能力。1.提供特殊营养物质提供特殊营养物质 主要是生长因子类主要是生长因子类物质：物质：Stirling等人（等人（1976）从环己烷上）从环己烷上富集分离得到的微生物群落：富集分离得到的微生物群落：假单孢菌属(Pseudomonas)诺卡氏菌属(Nocadia sp.)产生出生长素Nocadia sp.才具备降解环己烷的能力用甲烷生产单细胞蛋白CH3CH2OH2.去除生长抑制物质抑制CH4SCP假单孢菌生丝微菌CH3CH2OH该群落中的其他菌为：黄杆菌、不动小杆菌3.改善单个微生物的基本生长参数改善单个微生物的基本生长参
4、数l微生物之间构成了类似食物链的关系微生物之间构成了类似食物链的关系 如降解黑苔酚的如降解黑苔酚的3种细菌之间的情况种细菌之间的情况黑苔酚假单孢菌中间代谢产物扩展短杆菌、短小杆菌其他代谢物其他代谢物4.对底物的协调利用l单个微生物对某种物质无降解能力，但混单个微生物对某种物质无降解能力，但混合后则能够降解该物质。合后则能够降解该物质。u除草剂茅草枯的降解除草剂茅草枯的降解 混合菌株的降解率比单个菌株混合菌株的降解率比单个菌株的降解率高的降解率高20%。Arthrobacter sp.u杀虫剂二嗪哝的降解二嗪哝Streptomyces sp.Arthrobacter sp.Streptomyce
5、s sp.被降解5.共代谢（co-metabolism)l共代谢是指生长底物和非生长底物共酶的现象。生长底物是能被微生物用作为唯一碳源的物质。l共酶现象是指一些污染物（非生长底物）不能作为微生物生长的唯一碳源，而只能在生长底物被利用时，通过微生物产生的酶，将该污染物转化为不完全的氧化物。6.电子转移l两种紧密结合的产甲烷菌群落（methanobacillus omelianski）：CH3CH2OHCH3COOH+H2CO2+H2CH47.提供一种以上初级底物利用者l有一种以上初始利用者存在，每个初始利有一种以上初始利用者存在，每个初始利用者都能完全代谢底物。用者都能完全代谢底物。l一类降解除
6、草剂一类降解除草剂Fermon(N,N-二甲基二甲基-N-苯基苯基脲脲)的微生物群落，包括的微生物群落，包括3种种Corynforms菌、菌、1种假单孢菌和一种产碱菌种假单孢菌和一种产碱菌(Alicaligenes sp.)，它们均能够单独降解它们均能够单独降解Fermon。混合培养菌。混合培养菌株的降解能力大大高于单个菌株的纯培养。株的降解能力大大高于单个菌株的纯培养。第二节第二节 农药污染与微生物的作用农药污染与微生物的作用l第二次世界大战后，化学农药得到迅速发第二次世界大战后，化学农药得到迅速发展，至展，至1981年，全世界的农药制剂已达年，全世界的农药制剂已达10000种以上，归属于种
7、以上，归属于600多种化合物。多种化合物。l统计显示，我国农药的使用量已达统计显示，我国农药的使用量已达5060万万t/a。l作用巨大，风险犹存。作用巨大，风险犹存。l持留时间长，控制病虫害和杂草的效持留时间长，控制病虫害和杂草的效果则愈好；但对土壤和环境的污染也果则愈好；但对土壤和环境的污染也越严重。越严重。l选择防治效果佳、持留时间短的农药，选择防治效果佳、持留时间短的农药，既可以有效防治病虫害，又不致污染既可以有效防治病虫害，又不致污染环境。环境。1.取决于农药的化学特性：容易分解的农药，取决于农药的化学特性：容易分解的农药，在土壤中的持留时间短；性质稳定的则持在土壤中的持留时间短；性质
8、稳定的则持留时间长。留时间长。2.农药持留性通常用农药的半衰期表示，也农药持留性通常用农药的半衰期表示，也可以用消失可以用消失75%100%的时间表示。的时间表示。表表3-11部分部分l有机氯杀虫剂持留的时间长，有机磷杀虫有机氯杀虫剂持留的时间长，有机磷杀虫剂持留的时间短。剂持留的时间短。l氯代烃类杀虫剂多稳定地长期残留于土壤氯代烃类杀虫剂多稳定地长期残留于土壤中，如中，如DDT，六六六、七氯、毒杀芬等和，六六六、七氯、毒杀芬等和某些除草剂，如西玛津。某些除草剂，如西玛津。l氯代烃类农药的半衰期一般为氯代烃类农药的半衰期一般为25年，是危年，是危害环境的主要类型之一，我国已经停止生害环境的主要
9、类型之一，我国已经停止生产。产。l有机磷杀虫剂虽有剧毒却很易降解，不会有机磷杀虫剂虽有剧毒却很易降解，不会造成残毒的危害。造成残毒的危害。l一般来说，具有易失去电子的取代基一般来说，具有易失去电子的取代基(如如-OH、-COOH，-NH2)的芳香族化合的芳香族化合物要比具有易获得电子的取代基物要比具有易获得电子的取代基(如如-NO2、-SO3H、卤代基、卤代基)的芳香族化合物的芳香族化合物更易于氧化代谢。更易于氧化代谢。l根据物质结构，各种有机化合物的降根据物质结构，各种有机化合物的降解性能可以排成如下顺序：解性能可以排成如下顺序：脂肪酸脂肪酸有机磷酸盐有机磷酸盐长链苯氧基脂肪酸长链苯氧基脂肪
10、酸短链短链苯氧基脂肪酸苯氧基脂肪酸单基取代苯氧基脂肪单基取代苯氧基脂肪酸酸三基取代苯氧基脂肪酸三基取代苯氧基脂肪酸硝基苯硝基苯氯代烃类氯代烃类。三、农药对土壤微生物的影响三、农药对土壤微生物的影响l与农药本身的特性有关；与农药本身的特性有关；l受土壤受土壤气候条件，农作物种类，土壤耕气候条件，农作物种类，土壤耕作，施肥技术、采样的方法和时间，微生作，施肥技术、采样的方法和时间，微生物分析和化学分析等因子的影响物分析和化学分析等因子的影响。表表3-12部分部分lWainringht认为，各种除草剂，如苯认为，各种除草剂，如苯氧羧酸类氧羧酸类(2,4-D，2甲甲4氯氯)，氯代醋酸，氯代醋酸衍生物衍
11、生物(三氯醋酸钠三氯醋酸钠)，取代脲类，取代脲类(敌草敌草隆，灭草隆、利谷隆、草不隆、莠谷隆，灭草隆、利谷隆、草不隆、莠谷隆隆)，三莠氯苯类，三莠氯苯类(西玛津，阿特拉津、西玛津，阿特拉津、扑灭净、扑草净扑灭净、扑草净)等的常规用量对腐生等的常规用量对腐生真菌、细菌和放线菌的数量和种类组真菌、细菌和放线菌的数量和种类组成都没有明显的影响，但取代脲类和成都没有明显的影响，但取代脲类和三氮苯类能抑制藻类的发育。三氮苯类能抑制藻类的发育。l酚类除草剂酚类除草剂(五氯酚钠、二硝基磷甲酚五氯酚钠、二硝基磷甲酚)对对土壤真菌、硝化细菌和好氧纤维分解菌土壤真菌、硝化细菌和好氧纤维分解菌有抑制作用，对其它腐生
12、细菌没有明显有抑制作用，对其它腐生细菌没有明显影响。稻田施用五氯酚钠后，常刺激作影响。稻田施用五氯酚钠后，常刺激作物产量的增加，这可能与它对硝化作用物产量的增加，这可能与它对硝化作用的抑制、减少氨态氮的转化，从而延长的抑制、减少氨态氮的转化，从而延长肥效有关。肥效有关。l安全系数安全系数(SC)：能使某类微生物数量能使某类微生物数量下降下降50的化学农药的浓度的化学农药的浓度(LC50)和和实际使用浓度（实际使用浓度（mg/kg土）之比。土）之比。l系数愈大愈安全，系数愈小愈易造成系数愈大愈安全，系数愈小愈易造成药害。系数小于药害。系数小于1时，对各类土壤微生时，对各类土壤微生物都有抑制作用。
13、物都有抑制作用。n农药安全系数农药安全系数(SC)生物学过程生物学过程或微生物或微生物草甘膦草甘膦 乐果乐果地亚农地亚农莠去津莠去津灭草隆灭草隆福美双福美双威百亩威百亩土壤呼吸土壤呼吸硝化作用硝化作用氨化作用氨化作用纤维素分解纤维素分解腐生细菌腐生细菌腐生真菌腐生真菌腐生放线菌腐生放线菌微小藻类微小藻类根瘤菌根瘤菌100100100100100100100100-100100100100100 -100100100100 22 3 15 100-100100100100100100100100100 12100100100100100 0.3 3.0100100 30 19 10 3 4 -1
14、1 0.0l-0.1 0.2 0.01 0.1 0.1 0.01表表3-13 3-13 通过土壤微生物估计化学农药毒性的安全系数通过土壤微生物估计化学农药毒性的安全系数(SC)(SC)四、微生物转化农药的生化反应四、微生物转化农药的生化反应 1、脱卤作用、脱卤作用 某些脂肪酸生物降解的起始反应，若干氯某些脂肪酸生物降解的起始反应，若干氯代烃类杀虫剂的降解也有此作用。代烃类杀虫剂的降解也有此作用。2、脱烃作用、脱烃作用 发生在某些有烃基连接在氮、氧或硫原子发生在某些有烃基连接在氮、氧或硫原子上的农药上的农药(如三氯苯类和甲胺类如三氯苯类和甲胺类)。烃基连接。烃基连接在碳原子上的农药则不易被微生物
15、转化。在碳原子上的农药则不易被微生物转化。3、酰胺及酯的水解、酰胺及酯的水解 许多农药是无机酸类的脂，如磷酸酯类许多农药是无机酸类的脂，如磷酸酯类杀虫剂杀虫剂(对硫磷，马拉硫磷对硫磷，马拉硫磷)，或是酰胺类，或是酰胺类，如苯胺类除草剂。这些化合物中的酰胺和如苯胺类除草剂。这些化合物中的酰胺和酯键可被某些微生物水解。酯键可被某些微生物水解。4、氧化作用、氧化作用 微生物通过氧化酶的作用，使分子氧进微生物通过氧化酶的作用，使分子氧进入有机分子或进入带有芳香环的有机分子。入有机分子或进入带有芳香环的有机分子。这样可以插入一个羟基形成一种环氧化物。这样可以插入一个羟基形成一种环氧化物。5、还原作用、还
16、原作用-NO2-NH2对硫磷氨基对硫磷M还原还原醌类酚类M还原还原M还原生成还原生成硫醇硫醇6、环裂解、环裂解 芳香环在芳香环在微生物产生微生物产生的双加氧酶的双加氧酶的作用下，的作用下，使环裂开。使环裂开。微生物作用微生物作用使苯环裂解使苯环裂解邻苯二酚粘康酸酮己二酸琥珀酸、乙酸CO2、H2O7、缩合或共轭形成、缩合或共轭形成 包括将有毒分子或其一部分与另一包括将有毒分子或其一部分与另一有机化合物相结合，从而使农药或其有机化合物相结合，从而使农药或其衍生物失去活性。衍生物失去活性。1、去毒作用、去毒作用 经微生物作用后变有毒为无毒。通常与经微生物作用后变有毒为无毒。通常与矿化作用联系，但有的
17、化合物即使没有矿矿化作用联系，但有的化合物即使没有矿化，只是部分降解，甚至仅经共代谢作用化，只是部分降解，甚至仅经共代谢作用除去个别基团，也可变有毒为无毒。除去个别基团，也可变有毒为无毒。2活化作用活化作用 经微生物作用后变无毒为有毒或使有毒经微生物作用后变无毒为有毒或使有毒物质毒性加剧。有些化合物无毒，但在降物质毒性加剧。有些化合物无毒，但在降解过程中形成的中间产物有毒，而且有的解过程中形成的中间产物有毒，而且有的中间产物能持续一定时间，从而对生态环中间产物能持续一定时间，从而对生态环境带来影响。境带来影响。2,4-DB(2,4-二氯苯氧丁酸二氯苯氧丁酸)(无毒无毒)2,4-D（一种除草剂）
18、（一种除草剂）微生物微生物3、结合、结合 通过复合或加成作用，使微生物的代谢通过复合或加成作用，使微生物的代谢产物与农药结合，形成更复杂的物质，如产物与农药结合，形成更复杂的物质，如氨基酸、有机酸、甲基或其它基团加在作氨基酸、有机酸、甲基或其它基团加在作用底物上。通常是去毒作用，但有例外。用底物上。通常是去毒作用，但有例外。4 4、改变毒性谱、改变毒性谱 一类具有生态意义的转化作用，它能将一类具有生态意义的转化作用，它能将对某一类生物有毒的物质转化成影响另一对某一类生物有毒的物质转化成影响另一类生物的产物。类生物的产物。五氯苯醇五氯苯醇真菌病害真菌病害水稻水稻无害，被吸附无害，被吸附防治防治水
19、稻残茬水稻残茬共代谢作用共代谢作用五氯苯醇被转化为五氯苯醇被转化为三氯或四氯化苯酸三氯或四氯化苯酸抑制抑制水稻后作植物水稻后作植物翻耕翻耕无防治作用无防治作用5、消效作用、消效作用 一种酶促去毒作用一种酶促去毒作用2,4一二氯苯氧乙酸一二氯苯氧乙酸2,4-二氯苯酚二氯苯酚2,4-二氯苯氧丁酸二氯苯氧丁酸(植物毒素植物毒素)(对植物无毒对植物无毒)六、几种农药的微生物转化1、DDT 2,2-双(对氯苯基)-1,1,1-三氯乙烷 l在土壤中，导致农药降解的主导因子是在土壤中，导致农药降解的主导因子是细菌、真菌和放线菌的代谢作用细菌、真菌和放线菌的代谢作用 ClCHClCl3CCCl3CHR2CCl
20、3CHR2CCl3CHR2CNCHR2CCl2CHR2CCl3CR2DicofolDDNCHCl2CR2CH2ClCHR2CH3CR2CH3CHR2CH2OHCHR2COOHCHR2CH2R2CHOHR2CH2RCOOHCRORCOOHClCHCOHOClCOHOClCHClCl3C降解降解DDTDDT的微生物类群的微生物类群l据据Brown的资料，厌氧条件下，有的资料，厌氧条件下，有10属属23种种细菌能对细菌能对DDT发生不同程度的脱氯作用。发生不同程度的脱氯作用。u14个脱氯作用最活跃的细菌：假单孢菌个脱氯作用最活跃的细菌：假单孢菌6个个种，黄单孢菌、欧文氏菌各种，黄单孢菌、欧文氏菌各4
21、个种；个种；u其它细菌：芽孢杆菌其它细菌：芽孢杆菌3个种，无色杆菌、产个种，无色杆菌、产气气杆菌气气杆菌(Aerobacteraerogenes)、根癌土壤杆菌、根癌土壤杆菌(Agrobacterinm tumefaciens)、巴斯德梭菌、巴斯德梭菌(Clostridium pasterianum)和密西根棒杆菌和密西根棒杆菌(Corynebacterium michiganense)各各1个种。个种。l放线菌放线菌 厌氧条件下，链霉菌厌氧条件下，链霉菌(Streptomyces)和诺卡氏和诺卡氏菌菌(Norcardia)两个属中都有能降解两个属中都有能降解DDT为为DDD的种存在。的种存在
22、。l真菌真菌 绿色木霉绿色木霉DDTDDD+(DDE)尖孢镰刀菌尖孢镰刀菌DDTDDD或或 DDE 2、林丹、林丹(Lindane)(高丙体六六六高丙体六六六)ClClClClClClClClClClClClB.cereusE.coliClo.sporogenes+u具有降解能力的微生物：具有降解能力的微生物：腊样芽孢杆菌腊样芽孢杆菌生孢梭菌生孢梭菌(Clostridium sporogenes)和大肠杆菌和大肠杆菌(E.coli)恶臭假单孢恶臭假单孢(P.putida)菌菌的的分解活性最强。分解活性最强。3、对硫磷对硫磷(Parathion)lo,o-二乙基二乙基-o-(对硝基苯对硝基苯)硫
23、代磷酸酯硫代磷酸酯 NO2OPSC2H5OC2H5ONH2OPSC2H5OC2H5OOHPSC2H5OC2H5ONH2HONO2HO对硫磷对硫磷氨基对硫磷氨基对硫磷o,o-o,o-二乙基硫代磷酸二乙基硫代磷酸P-硝基苯硝基苯P-硝基酚硝基酚l易分解，持留期短，在土壤中的易分解，持留期短，在土壤中的半衰期仅数日。半衰期仅数日。l起作用的微生物：起作用的微生物：黄杆菌黄杆菌(Flavobacterium sp.)球拟酵母球拟酵母(Torulopsis sp.)硫杆菌硫杆菌(Thiobacillus sp.)木霉木霉(Trichloderma sp.)4、2,4-D(2,4-二氯苯氧乙酸二氯苯氧乙酸
24、)l参与降解苯氧乙酸类除草剂的已知微生物参与降解苯氧乙酸类除草剂的已知微生物节杆菌属节杆菌属(Arthrobacter)生孢食纤维菌属生孢食纤维菌属(Spotooytophaga)诺卡菌属诺卡菌属(Norcardia)链霉菌属链霉菌属(Streptomyces)曲霉菌属曲霉菌属(Aspergillus)假单孢菌属假单孢菌属(Pseudomomas)枝动菌属枝动菌属(Mycoplana)无色杆菌属无色杆菌属(Achromobacter)黄杆菌属黄杆菌属(Flavobacterium)棒杆菌属棒杆菌属(Corynebaeterium)l微生物对苯氧乙酸的代谢速率和程度微生物对苯氧乙酸的代谢速率和程
25、度各不相同，除黑曲霉各不相同，除黑曲霉(Aspergillus niger)只只能把羟基引入芳香环外，能把羟基引入芳香环外，其余的各个其余的各个种都能完全地或近乎完全地降解苯乙种都能完全地或近乎完全地降解苯乙酸，使其失去芳香环的结构，并使分酸，使其失去芳香环的结构，并使分子上的氯释放出来。子上的氯释放出来。5、五氯苯酚（、五氯苯酚（PCP）l防腐剂、除草剂、杀虫剂和杀菌消毒剂防腐剂、除草剂、杀虫剂和杀菌消毒剂l性质稳定，有剧毒性质稳定，有剧毒l优先控制污染物优先控制污染物五氯苯酚（五氯苯酚（PCP）的微生物降解）的微生物降解第三节第三节 有毒元素的污染与微生物作用有毒元素的污染与微生物作用 l
26、被污染的土壤和水体的有毒元素主要来自被污染的土壤和水体的有毒元素主要来自工业废水，废渣和垃圾。冶炼和采矿工业工业废水，废渣和垃圾。冶炼和采矿工业是向环境中释放有毒元素的主要污染源。是向环境中释放有毒元素的主要污染源。l对人、畜毒害最大的污染元素有汞，镉，对人、畜毒害最大的污染元素有汞，镉，铅三种金属和砷，硒两种非金属，具中等铅三种金属和砷，硒两种非金属，具中等毒性的有铬，镍，钼、锌等金属元素。毒性的有铬，镍，钼、锌等金属元素。l污染的重要特征是能转化成各种不同形态，污染的重要特征是能转化成各种不同形态，并通过分散和富集作用而迁移。并通过分散和富集作用而迁移。一、有毒元素对生物致毒作用的特点：一
27、、有毒元素对生物致毒作用的特点：1很低的浓度即可产生毒性效用很低的浓度即可产生毒性效用 一般的有一般的有毒元素产生毒性的浓度范围在毒元素产生毒性的浓度范围在1l0 mg/ml之之间，毒性较强的金属，如汞、镉，产生毒性间，毒性较强的金属，如汞、镉，产生毒性的浓度范围在的浓度范围在0.010.001mg/ml以下。以下。2通过食物链的生物扩增作用通过食物链的生物扩增作用 有毒元素可有毒元素可以在较高级的营养水平的生物体内成千上万以在较高级的营养水平的生物体内成千上万倍地富集，然后通过食物进入人体，在人体倍地富集，然后通过食物进入人体，在人体某些器官中积累，造成慢性中毒。某些器官中积累，造成慢性中毒
28、。3某些有毒元素通过微生物的转化作用可转某些有毒元素通过微生物的转化作用可转化为毒性更强的化合物。化为毒性更强的化合物。二、汞的污染和微生物转化二、汞的污染和微生物转化 l在土壤和水体等自然环境中，汞的浓度很低，在土壤和水体等自然环境中，汞的浓度很低，一般不超过一般不超过1ppm，但由于它在工业中被广，但由于它在工业中被广泛利用，煤炭，石油等燃料中也含有一定量泛利用，煤炭，石油等燃料中也含有一定量的汞，同时，它也是某些农药的成份。随着的汞，同时，它也是某些农药的成份。随着工业废水的排放，农药的应用和煤炭，石油工业废水的排放，农药的应用和煤炭，石油的燃烧，汞被不断地引入自然环境。通过生的燃烧，汞
29、被不断地引入自然环境。通过生物对它的富集作用和它的高毒性可以造成严物对它的富集作用和它的高毒性可以造成严重的危害。重的危害。l在自然界，汞以三种状态存在：在自然界，汞以三种状态存在：Hg0、Hg+、Hg2+。Hg+常成二聚体：常成二聚体：Hg+-Hg+，但其可，但其可进行如下的化学歧化作用：进行如下的化学歧化作用：Hg+-Hg+Hg2+Hg0u主要的汞矿是硫化物，主要的汞矿是硫化物，HgS俗称朱砂；俗称朱砂；u溶解性极低，在厌氧环境中一般无变化，溶解性极低，在厌氧环境中一般无变化，通气条件下通气条件下HgS发生氧化作用，这可能是发生氧化作用，这可能是由于硫杆菌属的细菌作用，形成了由于硫杆菌属的
30、细菌作用，形成了Hg2+。u可溶性可溶性Hg2+是很毒的，但很多细菌能行解是很毒的，但很多细菌能行解毒作用，使其转化成元素汞：毒作用，使其转化成元素汞：Hg0。Hg2+NADPH+H+Hg0+2H+NADP+l有些细菌能将有些细菌能将Hg2+转化成甲基汞和二甲基转化成甲基汞和二甲基汞，实验室内，芽孢杆菌属，梭菌属，分汞，实验室内，芽孢杆菌属，梭菌属，分枝杆菌属和假单孢杆菌属的细菌，以及曲枝杆菌属和假单孢杆菌属的细菌，以及曲霉属、脉孢霉属霉属、脉孢霉属(Neurospora)的真菌和酵母的真菌和酵母菌都能引起甲基化作用。菌都能引起甲基化作用。l甲基化与辅酶甲基化与辅酶维生素维生素B12的作用分不
31、开，的作用分不开，其转化过程如下：其转化过程如下：Hg0+CH3-B12CH3-Hg+CH3-Hg+CH3-BrCH3-Hg-CH3(二甲基汞二甲基汞)(甲基汞甲基汞)l甲基汞和二甲基汞都是亲脂性的，生物甲基汞和二甲基汞都是亲脂性的，生物摄取后，多富集于细胞的脂类物质中。摄取后，多富集于细胞的脂类物质中。l甲基汞的毒性比汞甲基汞的毒性比汞Hg+或或Hg2+大大100倍，倍，神经毒素，在水体中较多地富集于鱼类和神经毒素，在水体中较多地富集于鱼类和贝类中，人食用了含汞的鱼、贝以后，可贝类中，人食用了含汞的鱼、贝以后，可引起脑细胞的破坏而死亡。引起脑细胞的破坏而死亡。l这两种类型的甲基汞是否稳定决定
32、于它这两种类型的甲基汞是否稳定决定于它们的形成速率和排除速率，因为，有些微们的形成速率和排除速率，因为，有些微生物能还原甲基汞成生物能还原甲基汞成Hg0和甲烷。和甲烷。l二甲基汞可挥发逸入大气，形成速率低二甲基汞可挥发逸入大气，形成速率低于甲基汞。于甲基汞。CH3-Hg-CH3Hg0CH3-Hg-CH3CH3-Hg+Hg0+CH4CH3-Hg+Hg2+Hg0Hg+Hg+HgS化学反应化学反应细菌细菌细菌细菌细菌细菌CH4鱼鱼细菌细菌细菌细菌沉积物沉积物水水大气大气汞循环的可能途径汞循环的可能途径利用细菌消除汞污染利用细菌消除汞污染u从从G+和和G-细菌中分离出的许多质粒上都细菌中分离出的许多质
33、粒上都发现有抗重金属的基因。某些抗药性质粒发现有抗重金属的基因。某些抗药性质粒同时同时 也具有抗汞和抗砷的基因。也具有抗汞和抗砷的基因。u从金黄色葡萄球菌从金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)中分离出的一种大质粒上发现有中分离出的一种大质粒上发现有抗汞、镉，砷等元素的抗性编码。抗汞、镉，砷等元素的抗性编码。l日本用汞细菌吸收并将含汞废水中的甲基日本用汞细菌吸收并将含汞废水中的甲基汞、乙基汞、硝酸汞、乙酸汞和硫酸汞等汞、乙基汞、硝酸汞、乙酸汞和硫酸汞等水溶性化合物成元素汞，然后收集菌体，水溶性化合物成元素汞，然后收集菌体，用活性炭吸收菌体内蒸发的一部分元素汞，用活性炭吸收
34、菌体内蒸发的一部分元素汞，另一部分沉淀在反应器的底部的汞可以回另一部分沉淀在反应器的底部的汞可以回收。金属汞的回收率可达收。金属汞的回收率可达80以上。以上。利用细菌消除汞污染利用细菌消除汞污染uChakrabarty把抗汞质粒转移到恶臭假单孢把抗汞质粒转移到恶臭假单孢菌中，在含菌中，在含5070 g/ml HgCl2的培养液中，该的培养液中，该菌仍能生长，并将离子汞转化成菌仍能生长，并将离子汞转化成Hg0。三、砷的污染和微生物转化三、砷的污染和微生物转化l砷是非金属元素，在自然界主要以氧化物砷是非金属元素，在自然界主要以氧化物(如如白砷石白砷石As2O3，)和硫化物和硫化物(如雄黄如雄黄As
35、4S4，雌，雌黄黄As2S3)存在。存在。l砒霜，即三氧化二砷砒霜，即三氧化二砷 l三氧化二砷为白色晶体，微溶于水。溶于水三氧化二砷为白色晶体，微溶于水。溶于水后生成亚砷酸后生成亚砷酸(H3AsO3)亚砷酸离子亚砷酸离子(3+)比砷比砷酸酸(H3AsO4)离子离子(5+)更毒。更毒。l具挥发性的三甲基砷也对人体有毒害作用。具挥发性的三甲基砷也对人体有毒害作用。1、砷的污染、砷的污染l砷能使人与动物的中枢神经系统中毒，使砷能使人与动物的中枢神经系统中毒，使推动细胞代谢作用的酶系失去作用，还发推动细胞代谢作用的酶系失去作用，还发现它具有致癌作用。现它具有致癌作用。l污染环境的砷化合物的来源是多方面
36、的：污染环境的砷化合物的来源是多方面的：农药和染料：亚砷酸盐和有机砷化物被用农药和染料：亚砷酸盐和有机砷化物被用作原料，作原料，一些含磷酸盐的洗涤剂中也含有少量砷一些含磷酸盐的洗涤剂中也含有少量砷2、微生物对、微生物对砷砷的作用的作用l甲基化：甲基化：如土生假丝酵母如土生假丝酵母(Candidahumicola)、粉、粉红粘帚霉红粘帚霉(Gliocladium roseum)和青霉能使和青霉能使单甲基砷酸盐和二甲基砷酸盐形成三甲基单甲基砷酸盐和二甲基砷酸盐形成三甲基砷。有些甲烷细菌能利用砷酸盐生成甲基砷。有些甲烷细菌能利用砷酸盐生成甲基砷。许多微生物能将污水和污泥中的砷转砷。许多微生物能将污水
37、和污泥中的砷转化成三甲基砷。化成三甲基砷。l氧化为砷酸盐：氧化为砷酸盐：如无色杆菌、假单孢菌、黄杆菌、节杆菌如无色杆菌、假单孢菌、黄杆菌、节杆菌和产碱杆菌能将亚砷酸盐氧化为砷酸盐；和产碱杆菌能将亚砷酸盐氧化为砷酸盐；l还原成亚砷酸盐：还原成亚砷酸盐：甲烷细菌，脱硫弧菌，某些微球菌在厌氧甲烷细菌，脱硫弧菌，某些微球菌在厌氧条件下又能将砷酸盐还原成毒性更强的亚条件下又能将砷酸盐还原成毒性更强的亚砷酸盐。砷酸盐。CH3-As-CH3CH3HO-As-CH3CH3OH-As-CH3CH3HO-As-CH3CH3OHO-As-OHCH3OAs-OHOHOHHO-As-OHOHO细菌细菌细菌细菌细菌细菌砷
38、酸砷酸亚砷酸亚砷酸甲基砷酸甲基砷酸二甲基砷酸二甲基砷酸三甲基砷三甲基砷二甲基砷二甲基砷O2O2细菌细菌空气空气水水土壤土壤沉积物沉积物砷的微生物转化砷的微生物转化第四节第四节 生物吸附剂与重金属去除生物吸附剂与重金属去除 一、概一、概 述述 u生物吸附：即微生物菌体对重金属的吸附生物吸附：即微生物菌体对重金属的吸附作用。作用。u细胞的不同部位对重金属离子的吸附机理细胞的不同部位对重金属离子的吸附机理包括络合、螯合、离子交换、转化、吸收包括络合、螯合、离子交换、转化、吸收和无机微沉淀等。和无机微沉淀等。l金属阳离子可被细胞表面的负电荷位点金属阳离子可被细胞表面的负电荷位点所吸附。所吸附。l许多阴
39、离子参与结合金属离子，如膜蛋许多阴离子参与结合金属离子，如膜蛋白上的磷酸基、羧基、巯基和羟基等。白上的磷酸基、羧基、巯基和羟基等。二、生物吸附的由来二、生物吸附的由来l生物吸附这一概念由生物吸附这一概念由Ruchhoft等人于等人于1949年首先提出，他用活性污泥法从废水中回年首先提出，他用活性污泥法从废水中回收了收了239pu，单级处理获得了，单级处理获得了60的回收率。的回收率。他描述了在清除污染的过程中增殖的微生他描述了在清除污染的过程中增殖的微生物物“有巨大表面积的胶状基质能吸附放射有巨大表面积的胶状基质能吸附放射性材料性材料”。lPolikarpovz在研究水生生物的放射生态学在研究
40、水生生物的放射生态学时指出：海洋环境中存在的核材料可通过时指出：海洋环境中存在的核材料可通过海洋微生物海洋微生物“直接从水中吸附直接从水中吸附”而积累，而积累，而且上述性质与细胞的生命功能无关。而且上述性质与细胞的生命功能无关。l许多微生物细胞，不论死活，都具有同样许多微生物细胞，不论死活，都具有同样好的吸附性质。使用死的微生物细胞的优好的吸附性质。使用死的微生物细胞的优点是微生物的培养与应用可以分开进行，点是微生物的培养与应用可以分开进行，以便更好地控制生物吸附剂吸附重金属离以便更好地控制生物吸附剂吸附重金属离子的。子的。lTezuka（1968）认为：活性污泥细菌在二）认为：活性污泥细菌在
41、二价阳离子如价阳离子如Cu2+或或Mg2+帮助下的可逆絮凝，帮助下的可逆絮凝，是带负电荷的细胞表面与溶液中的阳离子是带负电荷的细胞表面与溶液中的阳离子之间形成离子键桥的结果。之间形成离子键桥的结果。l根霉和枯草芽孢杆菌可能是研究得最广泛根霉和枯草芽孢杆菌可能是研究得最广泛的生物吸附剂，有证据表明这些微生物菌的生物吸附剂，有证据表明这些微生物菌体的离子交换在金属离子的吸附方面起着体的离子交换在金属离子的吸附方面起着重要的作用。重要的作用。l酵母细胞的表面能与阳离子迅速可逆地结酵母细胞的表面能与阳离子迅速可逆地结合而起着离子交换树脂的作用，啤酒酵母合而起着离子交换树脂的作用，啤酒酵母能迅速吸附铀，
42、推测在其表面可能具有磷能迅速吸附铀，推测在其表面可能具有磷酸基和羧基，磷酸二酯键的离解可能在啤酸基和羧基，磷酸二酯键的离解可能在啤酒酵母的细胞表面形成负离子。酒酵母的细胞表面形成负离子。实验依据：实验依据：细胞壁上具有较高的磷酸盐含量。细胞壁上具有较高的磷酸盐含量。磷酸基与铀形成稳定的复合物，羧基只有磷酸基与铀形成稳定的复合物，羧基只有当磷酸基饱和时才起作用。大肠杆菌有羧当磷酸基饱和时才起作用。大肠杆菌有羧基，而巨大芽孢杆菌同时具有羧基和磷酸基，而巨大芽孢杆菌同时具有羧基和磷酸基。分离的枯草芽孢杆菌细胞壁具有结合基。分离的枯草芽孢杆菌细胞壁具有结合大量金属离子的能力。大量金属离子的能力。三、生
43、物吸附材料的种类三、生物吸附材料的种类l重金属的微生物吸附：重金属的微生物吸附：一些微生物如细菌、真菌和藻类对重金一些微生物如细菌、真菌和藻类对重金属有很强的吸附作用，微生物菌体是重金属有很强的吸附作用，微生物菌体是重金属生物吸附剂的首选材料。属生物吸附剂的首选材料。例如，海洋微生物可将例如，海洋微生物可将pb2+和和Cd2+从海水从海水中分别富集中分别富集1.7105倍和倍和1.0105倍。倍。细菌是地球上最丰富的微生物，地球上的细菌是地球上最丰富的微生物，地球上的总生物量大约为总生物量大约为1018g，细菌占了其中的大，细菌占了其中的大部分。部分。许多研究表明细菌及其产物对溶解态的金许多研
44、究表明细菌及其产物对溶解态的金属离子有很强的络合能力。根据它们的结属离子有很强的络合能力。根据它们的结构和组成，细菌细胞壁带有负电荷使得细构和组成，细菌细胞壁带有负电荷使得细菌表面具有阴离子的性质。菌表面具有阴离子的性质。四、生物吸附机理四、生物吸附机理 （一）微生物细胞壁的结构特征（一）微生物细胞壁的结构特征 细菌、真菌和藻类微生物细胞与动物细细菌、真菌和藻类微生物细胞与动物细胞的最大区别在于细胞原生质膜外有明显胞的最大区别在于细胞原生质膜外有明显的细胞壁，其在微生物吸附重金属离子的的细胞壁，其在微生物吸附重金属离子的过程中起着重要作用。过程中起着重要作用。l微生物细胞壁的特殊结构，在很大程
45、度上微生物细胞壁的特殊结构，在很大程度上决定着其对金属的吸附，如细胞壁的多孔决定着其对金属的吸附，如细胞壁的多孔结构使活性化学配位体在细胞表面合理排结构使活性化学配位体在细胞表面合理排列，使细胞易于和金属离子结合。细胞外列，使细胞易于和金属离子结合。细胞外多糖多糖(EPS)在某些微生物吸附重金属离子的在某些微生物吸附重金属离子的过程中也有一定的作用。过程中也有一定的作用。EPS主要由蛋白质主要由蛋白质和多糖构成，其比率大约为和多糖构成，其比率大约为3:1。1、细菌细胞壁（1）革兰阳性细菌的细胞壁）革兰阳性细菌的细胞壁l肽聚糖带有阴离子基团，具有网络结构，肽聚糖带有阴离子基团，具有网络结构，允许
46、分子量为允许分子量为1 20070000的分子通过。的分子通过。l所有细菌的细胞壁都具有共同的特征：所有细菌的细胞壁都具有共同的特征：含有肽聚糖含有肽聚糖。u细胞壁结合金属离子有细胞壁结合金属离子有3个主要的机理：吸个主要的机理：吸附、微沉淀和晶核作用。附、微沉淀和晶核作用。微生物细胞壁结合金属离子的能力不仅微生物细胞壁结合金属离子的能力不仅与功能基团的数量、类型和接近方式有关，与功能基团的数量、类型和接近方式有关，而且与细胞壁网络的孔径、细胞壁骨架的而且与细胞壁网络的孔径、细胞壁骨架的空隙率有关，其中细胞壁骨架的空隙率决空隙率有关，其中细胞壁骨架的空隙率决定沉淀和晶核的形状和数量。定沉淀和晶
47、核的形状和数量。(2)G-细菌的细胞壁细菌的细胞壁 革兰阴性细菌的外膜由脂多糖革兰阴性细菌的外膜由脂多糖(LPS)、磷脂、磷脂和蛋白质组成，镁离子对分子的化学稳定和蛋白质组成，镁离子对分子的化学稳定性具有重要作用。表面负电荷主要来自于性具有重要作用。表面负电荷主要来自于LPS的净负电荷。的净负电荷。外膜通过脂蛋白或离子键外膜通过脂蛋白或离子键(Mg2+、Ca2+等等)结结合到肽聚糖上。合到肽聚糖上。2、真菌细胞壁、真菌细胞壁l真菌细胞壁主要由各种多糖构成，它们经真菌细胞壁主要由各种多糖构成，它们经常和蛋白质、脂和其他物质常和蛋白质、脂和其他物质(如色素如色素)键合在键合在一起。真菌细胞壁是多层
48、、微纤维结构。一起。真菌细胞壁是多层、微纤维结构。l 几丁质是几丁质是N-乙酰乙酰-D-葡萄糖胺的聚合物；纤葡萄糖胺的聚合物；纤维素是由维素是由9-1,4-糖苷键连接起来的吡喃型葡糖苷键连接起来的吡喃型葡萄糖的聚合物；非纤维性的葡聚糖是己糖萄糖的聚合物；非纤维性的葡聚糖是己糖和戊糖，有时是糖醛酸的聚合物。这些物和戊糖，有时是糖醛酸的聚合物。这些物质和蛋白质、脂肪和多糖结合在一起。在质和蛋白质、脂肪和多糖结合在一起。在真菌细胞壁中还存在色素、聚磷酸盐和无真菌细胞壁中还存在色素、聚磷酸盐和无机离子。磷酸二酯和羧基使真菌细胞壁表机离子。磷酸二酯和羧基使真菌细胞壁表面带有电荷。面带有电荷。3、海藻细胞
49、壁、海藻细胞壁l 海藻细胞壁在结构上类似于真菌细胞壁，海藻细胞壁在结构上类似于真菌细胞壁，它是由多层的微纤维素骨架所构成的，其它是由多层的微纤维素骨架所构成的，其主要成分是纤维素，并夹杂有一些无定性主要成分是纤维素，并夹杂有一些无定性的物质。的物质。l大多数海藻细胞壁的外面有一层黏性物质，大多数海藻细胞壁的外面有一层黏性物质，这类物质因含有糖醛酸而具有很大的结合这类物质因含有糖醛酸而具有很大的结合金属离子的能力。金属离子的能力。（二）金属对生物分子的亲和性（二）金属对生物分子的亲和性u根据金属离子与根据金属离子与F-和和I-离子结合强弱来确定离子结合强弱来确定金属金属“硬度硬度”并且对金属进行
50、分类。并且对金属进行分类。u能与能与F-形成很强化学键的金属离子就称为形成很强化学键的金属离子就称为“硬金属硬金属”，如，如Na+、Mg2+和和Ca2+等。相反，等。相反，与与F-形成弱化学键的金属离子被称为形成弱化学键的金属离子被称为“软金软金属属”，比如，比如Hg2+、Cd2+和和pb2+等，一般都是等，一般都是有毒的重金属。有毒的重金属。l在生物体内，硬金属离子一般与在生物体内，硬金属离子一般与OH-、HPO4-、CO32-、R-COO-和和CO等含氧等含氧官能团形成稳定化学键，而软金属离子一官能团形成稳定化学键，而软金属离子一般与般与CN-、R-S-、-SH-、-NH2和咪唑等含氮和咪
