有机物质的化学结构与其生物氧化性能的关系.doc

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1、有机物质的化学结构与其生物氧化性能的关系理刀布,碲第29卷第5期哈尔滨建筑大学1996年10月JournalofHarbinUniversityoArchitectureandVO129No.5Oct】996有机物质的化学结构与其生物氧化性能的关系张自杰绪水排求教研室)7.;摘要本文归纳整理了目前国外已发表的一些有关有机物质的化学结构对其生物氧化的影响.文章分别对碳氢化告物,醇,有机酸,碳水化物及表面活性物质等常见有机物的生物氧化性能,氧化进程化学结构的某些特征对其生物氧化性骺的影响以及参与生物氧化作用的微生物种属等进行了阐述.文章还对上述物质中的某些物质,通过化学结构的改变以改进其生物氧化性

2、能的途径作了阐述.关键词生物处理;生物氧化性能:有机物质的化学结构;生物群集分类号X703十几年来,一些从事污水生物处理工作的专家,在有机物化学构造与其生物氧化性能(即可生化性)之间关系方面进行了大量的科学试驻工作,取得了不少成果,发表了数以百计的论文,现综述如下1烃(碳氢化合物)的生物氧化图l所示是烷属烃(RCH2-CH3)的生物氧化性能(即可生化性).从图可见,烷属烃的生物氧化性能是低的,含有l5个碳原子的烷属烃完全不能被降解,68个碳原子的烷属烃有毒性反应,含有8个以上碳原子的烷属烃,其20生物氧化性能随碳原子数的增加誉有所提高,但也比较微弱,而且在一碳原子数达到l2以上时,氧化性能就开

3、始下降.能够对烷属进行氧化的生物污泥(活性柯泥及生物膜),其生物群集主要组成的细菌是假单孢l兰兰:一翌墨些广rT_厂T一jIfIf.叶02468101214l618碟原子数图】烷属烃(Rci一CH)的生物氧化性能(可生化性)E一在试验期间的耗氧量.计算的o0D值的%计收稿日期:199607一l9张自杰男教授/哈尔滨建筑大学市政环境工程学院(150O08)/,L第5期张自杰:有机物质的化学结构与其生物氧化性能的羌系23杆菌属分枝杆菌属等.烷属烃的生物氧化,一般按下列反应链进行:饱和烃一不饱和烃一醇一+酮类化合物一脂肪酸一CoHlo也可能按下列反应链中之一进行.RCH3一RCH2一ORCH20HR

4、COOH或RCH2一CH3RCHCHRCOCH3一RCOOH或OHRCH3一RCH20HRCHORCOOH烷属烃能够从二侧进行氧化,并形成单羧酸和二羧酸.首先被氧化的是位于末端的甲基,辅助性的氧化是形成二羧酸的,一氧化,继之则进行口一氧化.芳香族化合物较脂肪族化合物易于氧化分解.已判明芳香族环在羟基化的作用下,产生裂解的二项机制.解lOHa?.H间位裂解使12一二甲苯邻位裂解的作用细菌是珊瑚诺卡氏菌:使2,4一二氯苯氧醋酸产生邻位裂解反应的细菌则是假单孢菌属.裂解的结果形成顺位牯康酸的衍生物,而在球形微球菌作用下,则形成反位的牯康酸的衍生物.产生间位裂解的作用细菌是解韧带假单孢菌,结果形成牯康

5、酸的取代醛口.对甾族化合物中的11一羟基孕甾酮的氧化就属于这一类的氧化.牯康酸及其衍生物能够继续氧化到非常简单的化合物.2醇的生物氧化图2所示是醇生物氧化的试验结”.从图可见,碳原子数在10个以下的伯醇易于氧化.但是,当碳原子数在10个以上时,氧化性能即开始低下,而且当C时,完全不能氧化.将醇的氧化程度与丰目应的烷属烃相比,则清楚地可见,引人OH根就能够提高后者的生物氧化性能.从图2还可见,仲醇的可氧化性低于伯醇.2l<1024581012141618碳原子数图2醇生物氧化结果伯醇RCH2一CH2OH;2甲基衍生物ROH(Oh0一CHOH3仲醇RCHOH一.,4叔醇R-qO(01一aE在

6、试验过程中的需氧量,以计算COD的%计.一/兰l_!竺兰竺兰查兰兰兰兰竺兰-_-_-h_-_-一.将甲基引人仲醇,会大幅度地提高化台物的阻力但是,如果将甲基引A伯醇,则所产生的影响很小.多数的细菌都能够对醇进行氧化,但是占优势的是假单孢菌属.醇的生物氧化(脱氢)能够通过不同的途径进行,例如:伯醇一醛一酸一+H20伯醇一酮一酸一CO2+Hp3有机酸的生物氧化对有机酸生物氧化性能的试验结果,见图3.对饱和羧酸已确证,碳原子数增高,而生物氧化性能却有所降低,从c开始降低的很快,到即完全不能氧化分解.与上述规律相反,碳原子数为c6C的有机酸较C一C更易于氧化.从C开始,进行有机酸的生物氧化,就应当对微

7、生物进行驯化了当在酸中有双键时,生物氧化性能将有所增高,如有二个双键,生物氧化性能将大幅度地提高.在二羧酸中,生物氧化性能高的仅仅是碳原子数为4的琥珀酸(丁二酸).试验还确证:碳原子数为双数的有机酸,其生物氧化性能高于碳原子数为奇数的有机酸.将双键引人二羧酸,所得结果与在羧酸产生的结果相反.l/i;lif1一f1-1f/,.JI,厂jJ卜Il】U246810121416182022碳原子数图3有机酸的生物氧化性能的试验结果I饱和一羧酸R一0H,2不饱和一羧酸R一(c一CH:CHOOH;3一饱和二教酸HOOC一0c一co0H;试验期间的耗氧量.以计算COD值的%表示三羧酸的生物氧化性能低于二羧酸

8、.所有已知的芳香族酸和氨基酸,它们的生物氧化性能都较高J.对脂族酸代谢反应进程顺序的研究比较深人氧化的第一步是卢氧化.这是由5个连续反应组成的氧化反应,每一反应都由专门的酶进行催化,反应结果酸链被打开,形成乙酸的”碎块.这反应是生物重要的能源.脂肪酸生物氧化的作用细菌,占优势的仍然是假单孢菌属,其次(按数量排列)则是4碳水化物的生物氧化所有碳水化物,除纤维外,都是易于生物氧化的.淀粉和纤维有着同样的分子式(cd)但聚合作用的程度,纤维大于淀粉.此外,纤维的构造是由一葡糖苷键第5期张自杰:有机物质的化学姑构与其生物氧化性能的关系25所结合成的,而淀粉则是由口一键所结合.这二种聚合物在构造上的不同

9、,以致淀粉易于生物氧化,而纤维则难于生物氧化.5表面活性物质的生物氧化表面活性物质的生物氧化问题是当今污水生物处理领域和水环境保护领域的热门课题之一.对此,下列二项因素有着重要意义Itj.l高浓度的表面活性物质能够对微生物产生抑制作用,甚至能够加以杀死,但当低浓度时,细菌能够对表面活性物质加以分解;2.细菌及生物污泥能够通过吸附作用而不是氧化分解作用将表面活性物质加以去除,在这种情况时,表面活性物质的去除与生物污泥的增长呈比例.表面活性物质对细菌的抑制是表面活性物质对细菌细胞蛋白作用的结果.表面活性物质的生物氧化,是一个由多阶段组成的过程,已知有下列各阶段氧化机制:1)甲基的氧化,末端的碳原子

10、被氧化,通过氧的鞋结,形成了过氧化氢,继之,过氧化氢叉连续地转换为乙醇,醛和羧酸.羧酸则被口一氧化;2)口一氧化,氧化反应的结果使碳链缩短2个碳原子,并从羧基的一端开始.由脱氢和水化双重作用的结粜,在双键处形成口一酮酸,后者又分解为乙酸和脂肪酸,碳原子数比原来的酮酸少2个.新形成的酸从新进入一氧化环.醋酸进一步分解的C和H2o;3)芳香族表面活性物质的氧化从苯环破裂形成粘康酸(一已酮二酸),后者则继之按口一氧化进行氧化.以上为表面活性物质生物氧化过程的第一步,也是表面活性物质生物降解的共同过程,由于被氧化物质的化学构造不同,以上这些共同过程可能有某些变化,例如,阴离子表面活性物质可能为微生物所

11、分解,微生物的表面活性物质为c源和s源,使芳香环上的磺酸基分离,并用其取代OH基(见图4).表面活性物质生物氧化过程的第二步是烃基链的氧化,从末端的碳原子开始,然后氧化逐步扩展到链的整个长度.表面活性物质生物氧化过程的第三步是芳香核的分离.烷基苯磺酸盐烷墓0链已确定,芳香环鞋结在碳链末端的同分异构体,其生物氧化速度快于联结在中心部位的同分异构体.这一情况适用子碳链原子数在616的同系物.氧化速度快于邻位同分异构体.亚硫酸盐离子图4烷基苯磺酸盐分解途径之一实验结果还证明,对位同分异构体的生物26哈尔滨建筑走学第29卷业已确证,碳原子数为l4的磺酸盐比原子数为12者更易于生物氧化,而且所有的c的同

12、分异构体都较c易于生物氧化.也已确证,碳链中的c是易于生物氧化和难于生物氧化的分界点用甲基和芳香基取代所有的氢,将会形成非常稳定并难于生物氧化的化合物.具有四元碳原子的烷基苯磺酸盐最难于生物氧化.非离子化的表面活性物质,具有由有机物质形成的疏水和亲水基,原则上能够从分子的两端开始氧化.聚羟乙基是最广泛应用的一种非离子化的表面活性物质,它氧化的第一步是末端CH2OH基的氧化,形成醛,继之又形成援基.从表I及表2I所列数据能够看到物质化学结构的变化对该物质生物氧化速度的影响.如表l所列举,随氧乙烯的mol数的增大,生物氧化性能随之下降表2所列数据说明当存在支链时,生物氧化受到阻碍.袅1链长度对非离

13、子化表面活性物质生物氧化性能的影响氧乙烯耗氧量(理论氧乙烯耗氧量(理论的mol数耗氧量的%)的mol数耗氧量的%,393I314484584l5l9416973舶29”10l264袅2烃链分支对非离子化表面活性物质生物氧化性能的影响氧乙烯烷基苯酚理论需氧量的mol数直链支链阳离子表面活性物质对细菌有比较强的抑制性能,但是如果浓度较低,对细菌进行必要适当的驯化,这种物质是能够被生物氧化的.能够对表面活性物质进行生物氧化的仍首推假单孢菌属.6结论综合上述,可以就有机物质化学构造对其生物氧化性能的影响,作出以下结论:1.在物质的分子上增加碳原子数目,就会使其生物氧化性能降低2.当向直碳链引人一个甲基

14、时,支链对生物氧化性能的影响还不明显.如引人第二个甲基,就会使该分子的生物氧化性能大幅度降低具有四个甲基支链的有机物质,生物氧化能力最低.3当在分子中存在有功能团,其化学组成及位置对该分子的生物氧化性能有较强的影响.4.当在有机物质的分子中除c,Hs,O,P等外,还存在着其他原子时,浚物质的生物氧化性能就要降低.5.当在化台物中存在着特殊的化学键,例如乙烯键C=C,该化合物的生物氧化性能就会提高,含有羟基和援基的化合物,生物氧化性能也较高.7结束语对有机物质化学构造与其生物氧化性能的研究工作,在当前还处于起步阶段.由于第5期张自杰:有机物质的化学蛄构与其生物氧化性能的茭系27对有机物生物降解的

15、影向冈索,有机物的化学结构仪是其中的一项,还有一系列物殚的,化学的以及物理化学的困素,更加上污水成份的复杂性和多变性,使对这一一问题的研究探讨存在着相当的实际难度.但是,对这一问题的研究探讨是有一定迫切性的.当前国内外一些有关专家已发现有数百种化学物质对有机物的生物氧化进程产生影响,而且这个数目还在不断地增加对这一类物质的发现是问题的一方面,问题的另一方面也是关键的一面是寻求解决措施.在找到共同的原则后,通过物理的,化学的以及物理化学和生物措施,改变这些物质的化学结构,改善其生物氧化性能是对这一问题研究探|寸的宗旨和目的.参考文献】C.BgKOBJCBbltox3tl,2qeCKtleIrpo

16、leccblBOq14CTKCCTOtlItldKBog】9802CBJ:ixoB.qeBB000珀.丑IuHcc埋I删咀d岫eHIx叩e皿p瑚.】9903福井三郎.微生物【=于5有机化合物0变换4淹VI宽治微生物17.于5化学物蕊0分解除去(I)生分解化学构造;()(Il1)有机环状化合物0生分解RelationshipbetweentheStructureofOrganicsandTheirBiologicalOxidationPropertyZfiangZJjieAbstractInthispaper,anextensivereviewwasconductedontherecentdev

17、elopmentoftherelationshipbetweenthechemicalstructuresoforganicsandtheirbiologicaloxidationproperties.TheauthorhasdiscussedthebiologicaloxidationpropertiesandtheOXidationmechanismsofawiderangeoforganics.Theeffectofchemicalstructuresoftheaboveorganicsontheiroxidationproperties,andthetypesofmicroorganismsparticipatedintheiroxidationarealsodiscussed.Keywordsbiologicaltreatment;oxidationproperty;structureoforganics;miCrOorganism