污染环境的微生物修复技术.ppt

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1、污染环境的微生物修复技术,环境的化学污染,化学曾经为社会的进步发现了或合成了成千上万种新的化合物，到了1985年，在美国化学文摘（Chemical Abstracts,CA）上正式登录的化合物数目已达到了600万种，1990年就超过了1000万种，目前已知的化合物远远超过3000万种！全球人工合成的化学物质，1970年已达6000多万吨，到1985年增加到2亿5千万吨。大量的环境异生物质通过各种途径进入环境，含量不一，变化多端，对环境带来巨大影响，给地球生物带来各种即时的或潜在的危害。,进入自然界中的化合物（污染物）受到物理、化学、光化学和生物的作用而降解转化。研究证明，生物作用是物质降解的主

2、要机制，而微生物又在其中占重要地位。,微生物具有强大的降解转化能力,微生物种类繁多，分布广，代谢类型多样微生物个体微小，比表面积大，代谢速率快微生物繁殖快，易变异，适应性强具有多种降解酶微生物的降解性质粒对环境异生物质的降解,天然降解性质粒,微生物对污染物降解机制,矿化作用（mineralization）指有机物在微生物的作用下彻底分解为H2O、CO2和简单的无机化合物的过程，是彻底的生物降解（终极降解)，可从根本上清除有毒物质的环境污染。实质都是酶促反应。共代谢作用（Co-metabolism）当环境中存在其他可利用的碳源和能源时，难降解的化合物才能被利用（被修饰或转化但非彻底降解）。,生物

3、降解与生物催化数据库共收集了 1147 种化合物；178 条代谢途径；1236 种反应；802 种酶；共涉及467 种微生物总结了252 条生物降解与转化的规律,Dehalococcoides ethenogenes,清除有机溶剂造成的污染；,Pseudomonas putida KT2440,有机污染物的生物修复中潜力巨大，该菌株甚至还能促进植物生长并具有抗植物病害作用；,Alcanivoraxborkumensis,海洋石油消除。,Caulobacter crescentus,应用于低营养水环境的生物修复；,完成全基因组测序的环境修复修复相关,Geobacter sulfurreducen

4、s,帮助转化铀和其它一些放射性金属物质,Desulfovibrio vulgaris,帮助修复铀和铬等重金属污染；,Shewanella oneidensis去除铬、铀等环境有毒金属；,Deinococcus radiodurans，地球上最耐辐射的的生物，耐受的辐射剂量150万拉德，是人类耐受1000-3000倍；,微生物修复技术,是指利用处理系统中的微生物的代谢活动来减少污染现场污染物的浓度，或者使环境中的污染物的危害减少到最低程度。这种技术的最大特点是可以对大面积的污染环境进行治理，目前所处理的对象主要有石油、废水及农药污染。,微生物修复的产业化水平 国外尤其是美国许多生物修复公司，针对

5、土壤污染物种类，研制了相应的微生物制剂、营养添加剂和配套的工艺措施，开展了土壤中化学农药、石油烃、重金属等污染的微生物治理。美国BCI公司（Bioremediation Consulting Inc.）美国WIK Associates Inc美国工程服务生物修复公司（Engineering Services and Bioremediation Company）。,美国WIK Associate Inc.开发的Bugs+plus系列环境修复用生物制剂产品,石油污染的微生物降解与修复,石油是含有多种烃类（正烷烃、支链烷烃、芳烃、环烃）及少量其他有机物（硫化物、氮化物、酸类）的复杂混合物。,石油废

6、水中常见的有毒烃类有机化合物,石油废水中常见的有毒的含氮、含硫有机化合物,目前环境中烃类化合物污染的主要来源是石油污染，石油开采、运输、加工、使用过程均可对环境造成污染；油轮失事、油田漏油、喷井等使大面积海域或土地受严重的污染。,2003年，载有7.7万吨燃料油的“威望号”油轮13日在西班牙加利西亚省海域搁浅，船体破裂，有5000吨料油泄漏，形成一条巨大的污染带。原油在强风大浪的作用下，已经蔓延到加利西亚海岸。,船体侧翻,正在下沉,沉没瞬间,平静下的不安,海底“定时炸弹”,“威望”号油轮上共载有7万多吨原油，目前，泄漏的原油总数已猛增至5000 吨，对西班牙境内腓尼斯特雷角和马尔皮卡间33.6

7、 公里的海域造成严重污染。在污染最严重的海域，泄漏的原油有38.1厘米深，一眼看去海面上一片黑。由于数十万鸟类都在事发海域过冬，原油的泄漏将会对当地的生态环境造成毁灭性打击，一些珍贵物种从此不复存在。,海洋表面的石油经扩散、挥发、乳化、沉淀后，部分可能受紫外线作用而发生光分解，但速度很慢。石油降解微生物广泛分布于自然界。微生物可在12周内形成细菌群落，23月内石油被分解消失。石油降解微生物目前已知有100余属，200多种，分属于细菌、放线菌、霉菌、酵母和藻类。,石油降解微生物细菌：假单胞菌属(G-)、黄杆菌属、棒杆菌属、无色杆菌属、不动杆菌属、小球菌属、弧菌属、蓝细菌等放线菌：洛卡氏菌属和分支

8、杆菌属，但对烃类降解不彻底，有中间产物积累。真菌：有枝孢霉、曲霉、青霉等属的菌株；酵母有假丝酵母属（Candida），红酵母属、球拟酵母属中的菌。,石油生物降解机理：（1）烷烃的分解过程是逐步氧化，微生物攻击链烷的末端（次末端）甲基，由加氧酶催化生成相应的醇、醛（酮）和酸（酯），而后经-氧化，形成短链脂肪酸和乙酰CoA进入三羧酸循环。,环烷烃降解途径,芳香烃化合物好氧代谢途径,芳香烃被微生物降解时，如有侧链，一般先从侧链开始氧化。然后发生芳香环的氧化：由加氧酶氧化为邻苯二酚（儿茶酚），二羟基化的芳香环再氧化，邻位或间位开环（如苯）。多环芳烃的生物降解，现先是一个环二羟基化、开环，然后第二个环以

9、同样的方式降解。,咔唑(Carbozole，简称CA)的代谢,由于大部分咔唑类、噻吩类杂环化合物的化学键相当牢固，在常温常压下，化学法几乎不可能降解石油中有机硫、有机氮及其它难以降解的杂环化合物。,含原油废水的处理效果,化石燃料煤和石油的微生物脱硫技术,化石燃料煤和石油中所含有的有机硫和无机硫是环境的重要污染源,严重性 1998年我国有一半以上城市降水pH低于5.6。华中地区酸雨出现频率大于70%，降水的年均pH低于5.0，酸雨面积占国土面积的30%，是继欧洲、北美后世界第三大中酸雨区。迫切性 随着能源危机的逐步加剧，开采高硫化石燃料成为必然。高硫化石燃料必须预先经过脱硫处理才能进一步使用。,

10、煤炭的化学结构模型,石油大分子的放大结构图,有机硫类型,有机硫化物包括硫醇、硫化物及含硫的杂环化合物，共分为13类，包括176种不同结构，其中噻吩含量最多。,炼油过程中物理和化学的除硫成本大,原油中大多数的H2S是在油井现场的油气分离过程中除去的。在炼油厂采用催化裂解和加氢脱硫(HDS)过程，加热到350C后蒸馏除去结合硫，但这些技术需高温、高压，且能耗大。目前相当多的资金用于石油的物理化学法脱硫上，1993年全世界用于HDS过程的资金达250亿美元。到下个世纪，随着需求的增加和低硫原油的耗尽，高硫原油将不断增加，因此石油脱硫成为必然。,生物脱有机硫的优势,BDS在常温常压下操作，而且能耗比H

11、DS低70-80%。该过程还可回收有机磺酸盐等高值化学品，可为炼油厂增加经济效益。采用BDS技术的投资额约为加氢脱硫技术(HDS)的一半，操作费用比HDS低10%-25%。据报道，采用BDS可使FCC汽油的硫含量从1400ppm降至150ppm(以满足整个汽油组分平均硫质量含量为50ppm的要求)。从整个汽油组分来讲，炼油厂每m3成品汽油的BDSUS$，低于HDS成本。,FCC汽油中硫化合物的分布及炼制油品要求,微生物脱硫的途径,以二苯并噻吩为模式化合物的脱硫途径以苯并噻吩为模式化合物的脱硫途径以噻吩为模式化合物的脱硫途径,二苯噻吩(Dibenzothiophene,简称DBT)被作为一个脱有

12、机硫模式化合物来研究,在高馏分油中，超过60%的硫是以二苯噻吩及其衍生物的形式存在的，因此实验室一般使用DBT作为生物脱硫研究的模式化合物。,生物脱有机硫代谢途径类型,碳架破坏途径(C-C键被切断)碳架保留途径(专一地切断C-S键而保留完整的碳架),(1)碳架破坏途径(C-C键被切断),(1)碳架保留途径(专一地切断C-S而保留完整的碳架),苯并噻吩（Benzothiophene，BTH）脱硫代谢途径,FCC汽油中主要的含硫有机化合物包括BTH及其衍生物，其中BTH占30%。Finnerty et al.（1983）报道了几株可以利用BTH为专一硫源和碳源进行生长的菌株，不过由于其损失燃料热值

13、而没有应用价值。近几年发现能够了专一性降解BTH菌株，主要包括戈登氏菌株、类芽孢杆菌、中华根瘤菌以及红球菌。,微生物脱有机硫BTH降解途径,A是BTHB是BTH sulfoxideC，D是BTH sulfoneF是benzoe1,2oxathiin S-xoideE是o-hydroxystyreneG是2-(2-hydroxyphenyl)ethan-1-al微生物包括：戈登氏菌株（Gordonia sp.）213E类芽孢杆菌（Paenibacillus sp.）A11-2红球菌（Rhodococcus sp.）T09 中华根瘤菌（Sinorhizobium sp.）KT55红球菌KT462,

14、噻吩（Thiophene）代谢,噻吩代表了最简单的杂环含硫化合物。生物处理方法，一般都会导致噻吩的降解，而得到开环的化合物。至今还没有报道通过硫专一途径脱除噻吩中硫的菌株。,其它含硫化合物的代谢,硫醇和烷烃化的硫醇。菌株为排硫硫杆菌（Thiobacillus thioparus），可以通过甲基硫醇氧化酶作用，氧化硫醇定量生成甲醛，S0和过氧化氢。,处理柴油（535 ppm）含硫化合物检测,X7B休止细胞作用于柴油后，GC-AED检测含硫化合物变化,535 ppm,72 ppm,柴油（535 ppm）中烷烃变化情况,GC-FID检测柴油经过生物催化剂处理前后烷烃变化，图中显示烷烃为C12-C25

15、。,汽油脱硫前后含硫有机化合物的变化,汽油脱硫前后烃类物质变化情况,脱前,脱后,农药的微生物降解与修复技术,农药作为农业丰收的重要保障，在世界各地范围内广泛使用,世界各地的农药使用情况,(2002 数据)世界年使用量为140万吨（纯品）北美占30.3%(美国28%)欧洲占22.7%亚洲占25.8%南美占12.3%其它占9%全球市场达277 亿美元;除草剂占48%杀虫剂占28%杀真菌剂占19%其它占5%,世界上超过1亿公顷的土壤受到污染美国3.2千万公顷欧盟超过1亿处地方受污染 其中 3万处急需处理，超过10亿m3的土壤 European Topic Centre Soil,1998,世界各地的

16、土壤污染问题,农药的污染现状,除草剂的药害问题,磺酰脲类除草剂在土壤中降解缓慢，残效期长，土壤中的累积残留往往对下茬作物产生药害。2005年内蒙古呼伦贝尔市1300万亩大豆田因除草剂药害减产30%；黑龙江省5000万亩大豆田因除草剂药害，减产25亿公斤。,降解农药的微生物种类,对硫磷、甲基对硫磷降解途径,假单胞菌属和枯草芽孢杆菌等都能通过硝基还原作用或磷酯键上酶促水解作用，最终产物可能生成CO2 和NO2-。,均三氮苯类除草剂,S-阿特拉律降解的一般过程（引自C Yanze-Kontchou 和 N Gschwind,1994）,三聚氰胺(Melamine),除草剂2,4-D,，的降解途径（引

17、自Walter Mulbry 和 Philip C.Kearney,1991）,HCH在Sphingobium japonicum UT26中的代谢途径1，HCH；2，-五氯环己烯（-PCCH）；3，1,3,4,6-四氯-1,4-环己二烯(1,4-TCDN)；4，1,2,4-三氯苯(1,2,4-TCB)；5，2,4,5-三氯-2,5-环己二烯-1-醇(2,4,5-DNOL)；6，2,5-二氯苯酚(2,5-DCP)；7，2,5-二氯-2,5-环己二烯-1,4-二醇(2,5-DDOL)；8，2,5-二氯对苯二酚（2,5-DCHQ）；9，氯代对苯二酚（CHQ）；10，对苯二酚（HQ）；11，酰氯；1

18、2，-羟基己二烯二酸半醛(-HMSA)；13，顺丁烯乙酸；14，-酮己二酸,-HCH的降解途径（-HCH）,Keisuke M详细研究了UT26对-HCH的降解途径。-HCH的降解途径分为上游和下游途径。首先-HCH 连续脱去两分子HCl经历五氯环己烯（PCCH）后生成 1,3,4,6-四氯-1,4-环己二烯(1,4-TCDN)。再连续经历两步水解脱氯反应后生成 2,5-二氯-2,5-环己二烯-1,4-二醇（2,5-DDOL）。再被脱氢生成2,5-二氯对苯二酚（2,5-DCHQ）。下游途径中2,5-DCHQ被进一步的降解为氯代对苯二酚（CHQ）、（对苯二酚）HQ直至CO2和H2O。,农药微生物

19、降解的代谢途径与降解基因,农药污染土壤的微生物修复研究,一方面在许多研究中，通过添加营养元素等外在条件刺激土著降解性微生物的作用来达到修复效果。Fulthorpe（1996）等从巴基斯坦土壤中分离的微生物都能矿化2,4-D，并发现添加硝酸盐、钾离子和磷酸盐能增加降解率。加拿大的Stauffer Management 公司数年来发展了一些农药污染土壤的生物修复技术，他们在特定环境中通过激发降解性土著微生物群落的功能达到修复目的，并且在美国专利局获得了3项专利。,另一方面，许多研究证实了通过接种外源降解性微生物可以达到很好的生物修复效果。Nassser从污染了氯乙异丙嗪的土壤中分离到混和微生物培养

20、物，接种到土壤中可将0.14mM的氯乙异丙嗪在25d内完全降解，使其矿化速度提高了20倍。Shapir等人报道，在受除草剂阿特拉津污染的土壤中投加Pseudomonas sp.ADP进行生物强化，可使阿特拉津达到90-100%的降解。Struthers等分离到A.radiobacter J14a，并将其接种到只具有少量野生降解菌的阿特拉津的土壤中，发现阿特拉津的矿化速度提高了2-5倍；而将其接种到含大量阿特拉津降解菌的土壤中则缩短了降解的延滞时间。,农药污染土壤微生物修复的小规模田间试验,南京农业大学农药残留微生物修复技术的研究进展,高效降解菌株筛选与菌种库的建立,利用微生物分离筛选技术，从环

21、境中获得有研究意义或实用价值的微生物资源一直是研究重点。目前分离筛选到农药和有毒有机污染物降解的微生物菌种资源500株以上，农药降解效率国际领先的菌株30余株，建立了种类齐全的我国最大的农药降解菌种库，能降解的农药有有机磷、有机氮、有机氯、菊酯类、氨基甲酸酯、磺酰脲类等农药。,2 h内完全矿化5mg/L的、四种六六六异构体。国际报道的S.paucimobilis UT26只能降解 和 两种异构体，完全矿化 需要4h，20h才能降解12.6%的异构体。,六六六降解菌BHC-A（Sphingomonas sp.）,部分高效菌株介绍,DDT降解菌株 DB-1（Sphingomonas sp.）,菌株

22、DB-1的电镜照片,DDT降解的紫外扫描图谱,10d中对DDT的降解率在75.7-83.6%之间。而国外报道的菌株（Cladosporium sp.）要达到相同的降解率的时间长达30d。,呋喃丹农药降解菌CDS-1（Sphingomonas agerus）,24h内矿化100 mg/kg的呋喃丹,国际报道的同类菌株需15d。,阿特拉津降解菌ADP-1（Micrococcus sp.）,24 h内完全矿化100 mg/kg的阿特拉津,24h内完全矿化500mg/kg的甲基对硫磷，效果稳定，降解谱广，能降解对硫磷、辛硫磷、马拉硫磷、敌敌畏、乐斯本等有机磷农药。,甲基对硫磷降解菌DLL-1（Pseu

23、domonas putida）,三唑磷降解菌mp-4（Ochrobactrum sp.）,国际首次报道能降解三唑磷的高效菌株，大田水稻上的三唑磷农药降解效果90%以上。,菊酯类农药降解菌,甲氰菊酯富集液 92.15%,甲氰菊酯CK,甲氰菊酯处理,氯菊酯富集液 99.28%,氯菊酯CK,氯菊酯处理,氰戊菊酯富集液 55%,氰戊菊酯CK,氰戊菊酯处理,溴氰菊酯富集液 89.10%,溴氰菊酯CK,溴氰菊酯处理,培养36hr完全降解100ppm的多菌灵农药,多菌灵农药降解菌,杀螟硫磷降解菌株FDS-1,FDS-1对杀螟硫磷的降解,甲拌磷降解菌株M-1,DSP-1对毒死蜱的降解,毒死蜱降解菌DSP-1,

24、M-1对甲拌磷的降解,处理（农药+降解菌）,对照（农药）,发现使用六六六降解菌可以在15d内将30 mg/kg 的、四种六六六异构体降解低到0.33 mg/kg,降解菌株的盆钵试验,发现使用阿特拉津降解菌可以明显解除阿特拉津除草剂对小麦生长的抑制,降解菌剂在土壤中降解农药的动态,结论：降解菌剂能有效降解农药并最终消亡，不会成为优势菌群，不会影响土壤环境的生态安全,结论：降解菌剂的使用能恢复因农药使用而造成的土壤微生物多样性的减少,降解菌剂应用对土壤微生物多样性的影响,降解菌剂使用对作物的影响,结论：降解菌剂的使用对小麦株高、根长和鲜重等没有不良影响,平板培养法检测土壤中GFP基因标记的降解菌菌

25、落A：未接种 B：接种,A,B,GFP基因标记的降解菌菌落发荧光,土著微生物菌落无荧光,菌剂跟踪与定殖,绿色荧光蛋白（GFP）基因标记的降解菌在植株根内的激光共聚焦扫描,绿色荧光蛋白（GFP）基因标记的降解菌在土壤中的激光共聚焦扫描,绿色荧光蛋白（GFP）基因标记菌株的激光共聚焦扫描结果表明，降解菌能在土壤和植株中定殖,新的甲基对硫磷水解酶基因mpd,从甲基对硫磷降解菌M6中克隆到一个新的甲基对硫磷水解酶基因mpd(AF338729)；从三唑磷降解菌mp-4中克隆到一个三唑磷水解酶tpd基因（AY627036）。,农药降解关键酶基因的克隆（18个降解基因）,还从BATH1(Arthrobact

26、e sp.)中克隆到atzA、atzB和atzC基因；六六六降解菌BHC-A中克隆到linA、linB、linC、linD、linE、linR基因。从呋喃丹和氯氰菊酯降解菌CDS-1和CDT3中分别克隆到一个新的酯酶水解酶基因。,mpd基因在E.coli中高效表达,表达量占菌体总蛋白的20%,mpd基因在Bacillus subtilis WB800中的高效分泌表达,酶活提高了28倍，简化了酶的后续纯化步骤，延长了菌剂货架期,基因工程菌构建,利用同源重组技术还构建了多功能基因工程菌6株。能同时降解有机磷/呋喃丹农药的基因工程菌m-CDS-1。高效分泌表达有机磷水解酶的基因工程菌BS-M。能同时

27、降解呋喃丹/六六六农药的基因工程菌。能同时降解多菌灵/六六六的基因工程菌Lin-Djl-1。,基因工程菌的构建与环境释放安全性评价,同时降解呋喃丹和MP的遗传稳定符合环境释放要求的基因工程菌,12h出现呋喃丹降解中间红色产物（2，4-二叔丁基苯醌）,工程菌降解MP出现的水解圈,mpd基因通过同源重组插入到呋喃丹降解菌的染色体上，遗传稳定，没有带入其它抗性，已获批准进行环境释放。,已经完成转mpd的呋喃丹降解菌m-CDS-1和转甲基对硫磷水解酶的BS-m分别获准中间试验农业部转基因生物安全评估(农基安办字2003-T085，2004-T065)，即将进入环境释放阶段的安全评价。,工程菌的中间试验

28、安全评价,工程菌m-CDS-1环境释放中间试验现场,工程菌在田间能高效降解两种农药工程菌在田间逐渐消亡，不会成为优势菌群工程菌的释放不会对土著微生物的数量造成显著影响,农药残留生物修复技术应用于：土壤中残留的六六六、DDT、呋喃丹等农药的修复及除草剂药害的消除。大宗农作物（水稻、小麦、玉米等）、经济附加值高的蔬菜、茶叶、早竹笋、芦笋、金丝小枣、冬枣等当季使用有机磷、菊酯等农药残留的去除。,农药残留微生物降解菌剂获国家重点新产品称号,获农业部肥料正式登记证,农业部成果转化项目立项建设年产3000吨的降解菌剂的发酵工厂。,厂区鸟瞰效果图,“农药残留微生物降解技术的研究与应用”获得2005年度国家科技进步二等奖。,谢谢！,