第二章微生物对污染物质的降解ppt课件.ppt

第五节 金属的微生物转化,四、砷的氧化、还原和甲基化砷是介于金属和非金属之间的两性元素，广泛用于合金、农药、木材保存及医药制品中。元素砷不溶于水和强酸，所以几乎无毒。砷的有机、无机化合物有毒，含三价砷的亚砷酸盐的毒性比含五价砷的砷酸盐更大，在有机砷化物中三甲砷是对人具有高毒的物质。,第五节 金属的微生物转化砷的氧化、还原和甲基化,（一）砷的氧化和还原1. As3+氧化成As5+微生物参与As3+氧化成As5+的活动，使之毒性减弱。引起转化的微生物为一些异养型微生物，有无色杆菌属、假单胞菌属、黄单胞菌属、节杆菌属和产碱杆菌属。,第五节 金属的微生物转化砷的氧化、还原和甲基化,2. As5+还原为As3+另一些异养型微生物如微球菌、某些酵母菌、小球藻等可使砷酸盐还原为更毒的亚砷酸盐。,第五节 金属的微生物转化砷的氧化、还原和甲基化,（二）砷的甲基化一些含有砷化物的糊墙纸在潮湿季节生长霉菌，产生带大蒜气味的挥发性气体三甲砷，从而使人中毒的事例，在国外曾有过报道。参与形成三甲砷的微生物颇多，微生物生成甲基砷的可能途径如下：砷生物甲基化中的甲基供体也是甲基钴胺素。,第五节 金属的微生物转化砷的氧化、还原和甲基化,自然界砷循环见图2-13（由J.M.Wood提出）,第五节 金属的微生物转化,五、硒的氧化、还原和甲基化对于许多生物，如细菌、温血动物甚至人来说，硒是必需的微量元素，但它又是剧毒元素，需要量与中毒水平之间的安全幅度很小。自然界的硒，以硒酸盐、亚硒酸盐、元素硒、硒硫矿及有机硒化合物等形式存在。（一）硒的氧化和还原曾发现一株光合紫硫细菌能将元素硒氧化生成硒酸盐，毒性增强。土壤中的大多数微生物都能还原硒酸盐和亚硒酸盐为元素硒，毒性减弱。,第五节 金属的微生物转化硒的氧化、还原和甲基化,（二）硒的甲基化几种无机及有机硒化物，如亚硒酸盐、硒酸盐、硒-氨酸盐、硒半胱氨酸、硒脲、硒-DL-蛋氨酸等，能经微生物转化生成稳定性的二甲基硒化物（CH3）2Se，然后释放到空气中去，毒性明显降低。 使硒化物甲基化的生化过程如下：,第五节 金属的微生物转化硒的氧化、还原和甲基化,（三）有机硒化物矿化为无机硒化物硒蛋氨酸、硒半胱氨酸、二甲硒化物等有机硒化物均可被微生物矿化成无机硒酸盐或亚硒酸盐。,第五节 金属的微生物转化,六、其他重金属的微生物转化（一）铅铅在地球上的分布很广，用途亦非常广泛，主要用作电缆、蓄电池、铸字合金和防放射线材料，也是油漆、农药、医药的原料。有色金属冶炼及煤燃烧产生的铅化物是大气污染的重要来源。污染天然水体的铅化物，可沉积于底泥之中。微生物可使铅甲基化。在实验室内，将适当的碳、氮养料加到几个大湖的底泥样品中，经过培养，可见有挥发性的四甲基铅（CH3）4Pb产生；如果再加入其他铅化物，如硝酸铅、乙酸三甲基铅（CH3）3PbCOOCH3，则可使底泥中四甲基铅产生得更多。纯培养的假单胞菌属、产碱杆菌属、黄色杆菌属及气单胞菌属中的某些种，能将乙酸三甲基铅转化生成四甲基铅，但不能使无机铅化物进行转化。,第五节 金属的微生物转化其他重金属的微生物转化,（二）锡环境中锡的主要污染源有涂锡的容器、锡焊以及广泛用于制造农药的各种有机锡化物。与其他金属相似，有机锡化物比无机锡与元素锡的毒性大得多；锡与烷基结合者之毒性比与芳香基结合者强，而三价锡的有机物又毒于二价或四价锡的有机物。锡能经生物学途径而甲基化，曾分离得到一株假单胞菌，能耐受Sn4+，当Sn4+存在而其他条件适宜时，可使Sn4+转化生成挥发性的甲基锡；该菌亦能将醋酸苯汞代谢而生成元素汞。,第五节 金属的微生物转化其他重金属的微生物转化,甲基锡与甲基汞常相随而生，在这种情况下，甲基汞不是由于生物学甲基化作用，而系非生物学原因产生，是由生物形成的甲基锡经烷基转移作用使汞转化为甲基汞所致。微生物可使有机锡化物分解。曾报道，土壤细菌作用于醋酸三苯锡，可使其芳香锡键裂解。,第五节 金属的微生物转化其他重金属的微生物转化,（三）镉某些细菌和真菌当其在含Cd2+化物中生长时，其体内能浓集大量的镉。微生物也能使镉甲基化，一株能使锡甲基化的假单胞菌，在有维生素B12存在的条件下，能将无机二价镉化物转化，生成少量的挥发性镉化物。这种甲基化了的镉化物，在水体中也可以通过烷基转移作用使汞甲基化而生成甲基汞。（四）锑微生物能使锑化物氧化，一株专性好氧细菌（Stibiobacter Senarmontii）可以将Sb3+氧化生成Sb5+，该菌从此作用中获得化学能量。,第六节 煤的微生物脱硫与降解,一、煤炭微生物脱硫煤炭是我国能源生产消费的主体，在我国国民经济发展中占有十分重要的地位。山西是我国重要的煤炭生产基地，全省煤炭保有储量占到全国总量的1/3，煤炭产量占全国的1/4，煤炭外调量占全国省际间煤炭调运量的80%。山西煤炭的开发供给状况，对整个国民经济发展起着举足轻重的作用。煤中含有一定量的硫化物，其中有机硫占30%40%，主要是芳香族和脂肪族，无机黄铁矿硫占60%-70%。煤在燃烧时产生大量的二氧化硫等有害气体，这些有害气体可形成酸雨，严重污染大气和水体，破坏生态平衡。所以，煤炭脱硫是目前国际上急待解决的重大课题。,第六节 煤的微生物脱硫与降解,无机黄铁矿硫用物理选煤方法只能除去其中一部分，并且有煤粉损失；而有机硫用物理选煤方法则根本无法去除。目前主要采用煤燃烧后脱硫，但由于排烟脱硫装置费用太高，也无法普遍应用。-属污染后治理 而采用燃烧前微生物脱硫具有能耗省、投资少，不造成煤粉损失，且能减少煤中灰分。-属清洁生产,第六节 煤的微生物脱硫与降解,（一）机理1. 黄铁矿（FeS2）硫的微生物脱除微生物对黄铁矿硫的脱除是由于微生物的氧化分解作用，机理有两方面：直接氧化：微生物直接溶化黄铁矿。间接作用：细菌氧化硫酸亚铁生成硫酸高铁，硫酸高铁与黄铁矿迅速反应，生成更多的硫酸亚铁和硫酸。,第六节 煤的微生物脱硫与降解,其实细菌脱除黄铁矿的过程中，上面两个作用是同时进行的。首先，附着在黄铁矿表面的细菌氧化黄铁矿生成硫酸亚铁 然后氧化硫酸亚铁为硫酸高铁,第六节 煤的微生物脱硫与降解,生成的高铁作为氧化剂再氧化黄铁矿生成硫酸亚铁和硫 硫可被细菌氧化生成硫酸,第六节 煤的微生物脱硫与降解,2. 有机硫的微生物脱除二苯噻吩（dibenzothiophene，简称DBT）是煤炭中含量高，比无机硫更难脱除的有机硫化物，微生物降解二苯噻吩有两条途径：环状破坏途径：不直接作用硫原子，而是通过氧化分解碳架，把不溶于水的二苯噻吩变成水溶性的物质。特定硫途径：与环状破坏途径相反，仅对二苯噻吩的硫原子起作用，把硫变成硫酸而不破坏碳架。相比之下由于特定硫途径没有破坏煤的碳架，不损失热量，因而具有很大的经济价值。,第六节 煤的微生物脱硫与降解,（二）方法煤炭微生物脱硫，多数还属于基础性研究，涉及的方法大体有二种：细菌浸出法和表面改性法 1. 细菌浸出法细菌浸出法是利用微生物的作用把煤中不同类型的硫分解成可溶的铁盐和硫酸，然后滤出煤粉达到脱硫的目的。分为堆浸法和空气搅拌法,第六节 煤的微生物脱硫与降解,堆浸法 首先将煤块堆积，再将菌液喷到煤堆上，浸出后收集废液（浸提液），除去酸和铁离子。该方法简便，只是处理时间太长。通常细菌冶金也采用此方法。空气搅拌法 是在一定的反应器中使菌液与煤粉混和反应，同时用空气搅拌，为细菌提供必要的CO2和O2。该方法可缩短反应时间，且脱硫效率较高。,第六节 煤的微生物脱硫与降解,2. 表面改性法表面改性法是利用细菌的氧化作用或附着作用改变黄铁矿的表面性质，疏水性的黄铁矿变为亲水性，提高其分离能力，将黄铁矿从煤中脱除。该方法处理时间较短，脱除黄铁矿的同时伴有灰分沉淀，兼有脱除灰分的效果。,第六节 煤的微生物脱硫与降解,二、煤炭生物液化煤炭作为固体燃料，具有复杂的结构和不均匀等特性，各种脱硫和除灰工艺受到界面影响，所含的硫和灰分不可能完全去除。而将煤液化或气化，使之降解到分子水平，可得到纯粹的燃料，扩大应用范围。通常的化学液化由于采用高温高压，代价昂贵。而微生物液化，总能损失小，在接近自然条件的温度和压力下进行，可节省大量资金。用于煤生物降解的微生物种类很多，主要有变色多孔菌（Polyporus versicolor）、卧孔菌（poria sp.）、青霉菌（penicillium sp.）、曲霉菌（Aspergillus sp.）和假丝酵母（Candida ML13）等。煤炭生物液化技术具有巨大的潜力，但还存在一些问题有待解决。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,一、微生物活性微生物降解污染物的难易程度首先决定于微生物本身的特性，包括微生物的种类和生长速率等。不同种类的微生物对同一有机底物或有毒金属反应不同。例如：元素汞能杀死铜绿假单胞菌（P. aeruginosa），降低荧光假单胞菌（P. fluorescens）的生长速率；而枯草芽孢杆菌（B. subtilis）和巨大芽孢杆菌（B. megaterium）能氧化元素汞，元素汞不影响其生长繁殖。同种微生物的不同菌株反应也不同。例如在含HgCl2的培养基中，E. Coli的敏感菌株不能生长，而E. coli的抗性菌株的生长繁殖不受其影响。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,菌株（strain） ：同种不同来源的微生物纯培养，称为菌株。 由于同种或同一亚种的不同菌株之间，某些生物学特性可能存在一定差异，就某些非鉴别性特征（不是定种或界定亚种的特征）而言，不同菌株可能存在重要差别。因此在实际工作中，除了注意菌株的种名外，还要注意菌株的名称。菌株名称常用数字编号、字母、人名、地名等表示。如: 枯草芽孢杆菌ASI.398 Bacillus subtilis ASI.398 枯草芽孢杆菌BF7658 Bacillus subtilis BF7658 分别代表枯草芽孢杆菌的两个菌株，前者可用于生产蛋白酶，后者则可用于生产-淀粉酶。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,微生物在对数生长期时，代谢最旺盛，生长速率最快，活性最强，此时降解率最大，见图2-14。 图2-14 微生物活性与有机物降解速率的关系 A.微生物生长曲线 B.有机物降解曲线,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,二、物质的化学结构微生物降解污染物的难易程度也与污染物的结构特征有关。化学结构的复杂程度、基团的性质与位置都可能影响微生物对它的正常酶解活动。具体规律可概括为：1. 结构简单的有机物一般先降解，结构复杂的后降解；分子量小的有机物比分子量大的易降解；聚合物和复合物分子抵抗生物降解。 -原因是因为微生物的作用酶不能靠近并破坏聚合物和复合物分子内部敏感的反应键。2. 脂肪族化合物较芳香族化合物易生物降解，多环芳烃降解更慢。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,3. 不饱和脂肪族化合物（如丙烯基和羰基化合物）一般是可以降解的，但有的不饱和脂肪族化合物（如苯代亚乙基化合物）有相对不溶性，会影响它的生物降解程度。4. 有机化合物主要分子链上除碳元素外，有其他元素时，会增加对生物降解的抵抗力（如醚类）。5. 一般情况下，有机物碳支链对代谢作用有一定影响，支链愈多愈难降解，如伯醇、仲醇非常容易被生物降解，而叔醇则能抵抗生物降解。这是因为微生物的酶须适应链的结构，在其分子支链处裂解，叔碳化合物有一对支链，就要将分子作多次裂解，使的生化过程减慢。去垢剂LAS比ABS容易降解。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,6. 官能团的性质、数量和位置亦影响有机化合物的降解。例如羟基取代至苯环上，新形成的化合物比原来的化合物易降解；卤代作用能抵抗生物降解，卤素取代基愈多，抗性愈强；有两个取代基的苯化物，间位异构体往往最能抵抗微生物的攻击，降解最慢。土壤微生物对若干单个取代基苯化物的分解能力见下表。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,表2-1 土壤微生物对单个取代基苯化合物的分解了解了物质的化学结构与微生物降解能力之间的关系，可为合成新的化合物提供参考，防止由于新化合物难于降解而造成环境问题。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,三、温度温度影响酶反应动力学、微生物生长速率以及化合物的溶解度等，因而对控制污染物的降解转化起着关键作用。温度与对苯二甲酸（TPA）降解速度的关系见下图。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,图2-15 温度与TPA降解速度的关系,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,可见，在温度为30时，TPA降解速度最快；降解最大速度随温度变化值，与温度对酶活力影响相符。各种污染物有其最适降解温度，与微生物、酶有其最适温度相符。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,四、酸碱度环境pH可影响微生物代谢过程中酶的活性。各种微生物有其最适pH值和一定的pH范围，强酸强碱对一般微生物有致死作用。通常，酵母菌和霉菌适宜pH4-6的环境、放线菌适宜pH为7.5-8、细菌则为6.5-7.5。氧化亚铁硫杆菌等嗜酸细菌在强酸条件下代谢活性更高，而芽孢杆菌属的细菌可在强碱环境中发挥降解转化作用。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,五、营养微生物的生长繁殖需要碳源、氮源、能源、水份和无机元素，有些微生物还需要一些生长素。 -生长素即生长因子包括维生素、氨基酸、以及嘌呤和嘧啶碱基等，许多微生物能够自己合成所需的全部生长素，有些微生物就没有能力合成足够数量的、生长所需的生长素，这时就需补加一种或几种生长素才能正常生长繁殖，常用作生长素补加物的是酵母膏、玉米浆、肝浸液等，许多用作碳源、氮源的天然成分如麦芽汁、土豆汁、牛肉膏、麸皮、米糠等也含丰富的生长素。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,如果环境中这些营养成分的一种或几种供应不足，则污染物的降解转化就会受到限制。-如造纸废水的处理需添加N、P；焦化废水的处理需添加P；纺织废水的处理需添加N。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,六、氧和氧化还原电位（Eh）好氧微生物在有氧条件下生长，进行有氧呼吸；厌氧微生物的生长不需要分子氧，只能在缺氧条件下生长，有的进行无氧吸收，有的进行发酵生活；兼性厌氧微生物在有氧及无氧条件下均生长，有氧时以氧作为受氢体进行有氧呼吸，无氧时则以代谢的中间产物为受氢体进行发酵作用。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,微生物的生长也要求适宜的氧化还原电位（Eh）。好氧微生物在Eh值+0.1V以上均可生长，以0.3V-0.4V为宜；厌氧微生物需Eh值0.1V才能生长；兼性厌氧微生物在0.1V以上进行好氧呼吸，在0.1V以下进行厌氧呼吸。-往培养基中通入空气或降低pH、加氧化剂均可提高Eh；反之，提高pH值或加入还原性物质，可降低Eh。微生物降解转化污染物的过程可能是好氧的，也可能是厌氧的。在污水生化处理的活性污泥法和生物膜法中主要利用好氧微生物作用，所以必须满足其对氧气的需要。而在氧浓度低的湖泊淤泥、沼泽、水淹的土壤等自然环境中，厌氧过程占优势，这时可形成一些有害物质如NO-2 、H2S等。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,七、有机底物或金属的浓度有机底物的浓度对其降解速率有明显的影响。有些化合物在高浓度时由于微生物量的迅速增加而致快速降解；而有些化合物在高浓度时会抑制微生物的活性，在低浓度时易被降解。汞甲基化的研究表明，当无机汞含量在100g/g以内时，生成甲基汞的量随无机汞的增加而增加；当无机汞含量超过100g/g以上时，生成甲基汞的量随无机汞的增加而急剧减少。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,八、适应-驯化适应与驯化也是影响微生物降解转化作用的重要因素。适应是微生物自发的，不经人为控制的过程。当环境条件发生改变，例如有新的污染物存在时，有些微生物或是通过自然突变形成新的突变种、或是通过诱导产生新的降解酶、或是在不改变基因型的情况下只改变其表现型来逐步改变自身条件以适应变化的环境，从而能降解或转化那些原来“陌生的”化合物。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,驯化是一种人为的定向选育微生物的方法与过程，也就是通过人工措施使微生物逐步适应某种特定条件，从而获得具有高耐受力和代谢活性的菌株。在环境科学中通过驯化，可获得对污染物具有高效降解性能的菌株，用于废水与废物的净化处理。,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,驯化的方法有多种：(1) 最常用的方法是以目标化合物为唯一碳源或主要碳源来培养微生物，在逐步提高该目标化合物浓度的条件下，经多代传种而获得高效降解菌株。(2)也可以采用在驯化初期配加与目标化合物类似的若干种营养物，而后逐步提高目标化合物浓度，降低营养物浓度，直到只剩目标化合物，最后获得高效降解菌株。 -污水生物处理系统的培菌、驯化（生活污水与有毒废水不同）,第七节 影响微生物降解转化作用的因素,从上面所讲可看出，影响微生物降解转化作用的因素比较多，所以在实际工作中，应创造条件使微生物发挥其最佳效果。,第八节 治理污染基因工程菌,具有降解污染物基因的土著菌株有时适应性能差，而且繁殖速度慢，清除污染物的速度和效果达不到治理工程的要求，所以有必要将土著菌株含有的可降解污染物的基因转入繁殖能力强和适应性能佳的受体菌株内，构建出高效降解菌株用于治理污染或用于建立清洁生产工艺以及生产有利于环境保护的生物制品。土著菌: 自然界中稳定的微生物类群。,第八节 治理污染基因工程菌,例如利用降解石油烃的基因构建出基因工程菌用于清除大面积海洋石油污染，利用木质素降解基因构建出基因工程菌用于建立生物制浆造纸的清洁生产工艺，利用毒性蛋白基因构建出基因工程菌用于生产生物农药等等。构建基因工程菌来治理环境污染是环境微生物工程中的前沿课题。它能定向有效地利用微生物细胞中降解污染物的基因，去执行净化污染物的功能。,第八节 治理污染基因工程菌,一、基因工程菌构建的基本过程1. 降解菌株的筛选：首先从环境中分离筛选出具有高效降解污染物功能的微生物菌株。2. 降解基因的分离：从具有降解功能的菌株细胞内分离出具有降解污染物功能的基因片段，经鉴定确认后作为目的基因使用。3. 目的基因重组：在细胞外将目的基因片段与作为载体的DNA片段通过一系列酶学反应，重组为新的DNA。,第八节 治理污染基因工程菌,4. 重组DNA的转入：将重组后的DNA分子转入受体菌细胞内，即形成转化细胞，这时转化细胞仅占所有受体细胞中的极少部分。选择受体菌时应选择对人类无害、繁殖能力强、生长速度快的微生物作为受体菌。,第八节 治理污染基因工程菌,二、转化细胞的筛选与鉴定目的基因DNA片段是否已转入受体细胞内必须通过严格鉴定才能确认。一般可通过联合使用分子杂交技术、基因体外扩增技术和基因DNA序列分析技术进行鉴定。,第八节 治理污染基因工程菌,三、目的基因的表达降解污染物基因经确认存在于转化细胞内，并不等于该转化细胞就一定能表达目的基因的功能，因为目的基因的表达既受到重组DNA分子内启动子等调控单元的控制、也受到细胞内其他因素的影响，还受到外界环境因素的干扰。因此，在基因工程菌构建成功之后，还需对其目的基因的表达进行研究。,第八节 治理污染基因工程菌,四、连续发酵与追踪考察当确认转化菌具有高效表达功能之后，一般用连续发酵自控反应技术使构建的基因工程菌增殖并制成产品，用于具体的污染治理。另外，对其性能稳定性、遗传稳定性和生态学安全性还需要进行跟踪考察。,