7.1微生物降解概述（课件）- 《环境生物化学》同步教学（机工版·2020）

7.有害有机物微生物降解中的生物化学 1 7.1.1微生物降解的基本概念 微生物降解（Microbial degradation）：指通过微生物作用将有机物降解成小分子化合物的过程。 有—部分有机化合物是能够被水或土壤中的微生物很快地进行生物降解的，有很多化合物表现出生物难降解性。 因其中有些化合物毒性很大，对环境和人类健康造成威胁。难降解化合物的降解研究始终是很重要的一个方面。 7 有害有机物微生物降解中的生物化学 7.1微生物降解概述 2 在有机污染物生物降解研究中，很重要的一点是有机污染物的生物降解究竟能进行到怎样的程度，Mausnet等曾根据有机污染物生物降解的进行程度将生物降解分为三种(或者说是三个阶段)，即： 7 有害有机物微生物降解中的生物化学 初级生物降解(Primary biodegradation)：是指有机污染物在微生物的作用下，母体化合物的化学结构发生变化，并改变了原污染物分子的完整性，即有机污染物本来的结构发生部分变化。 环境容许的生物降解（Environmentally acceptable biodegradation）：是指可除去有机污染物的毒性或者人们所不希望的特性，例如在表面活性剂的降解过程中那种使表面活性剂失去起泡性能的降解作用，或者是在有毒有机污染物讲解过程中使其降低或完全去除对水生生物毒性的降解作用。 最终生物降解(Ultimate biodegradation)：指有机污染物通过生物降解，从有机物向无机物转化，完全被降解成CO2、水和其他无机物，并被同化为微生物的一部分。例如在聚乙烯醇(PVA)的生物降解中就明显地存在着这三个降解阶段(见图7-1和图7-2)。 3 图7-1聚乙烯醇的生物降解中的三个阶段 7 有害有机物微生物降解中的生物化学 4 图7-2 2小时中PVA生物降解进程和矿化度的变化 1. PVA浓度；2. CODcr；3.CO2；4. PVA的矿化度；5. CODcr的矿化度 7 有害有机物微生物降解中的生物化学 5 比较图7-2中PVA浓度和CODcr值两条随时间变化的曲线可以发现，在反应开始阶段，PVA浓度迅速下降，PVA曲线下降的斜率明显大于CODcr曲线。这是由于PVA的初级生物降解所造成的，PVA的大分子被生物降解，失去原有的物理、化学性质，但其产生的降解产物仍保留着CODcr值，大约10小时后，PVA浓度的下降趋于缓慢而CODcr在继续下降，PVA浓度与CODcr的比值有回升趋势，这是初级生物降解产物继续生物降解乃至彻底矿化的结果。在整个PVA生物降解的过程中，关键是大分子断裂成小分子的速度，在此过程中胞外酶起着重要作用。 初级生物降解反应(半衰期为0.23天左右)较最终生物降解反应(半衰期为0.5-18天)要快得多。两者的生物降解速率的差别随有机化合物的不同而不同，一般为几倍到十几倍。这是有机化合物生物降解的一般规律。 从环境保护的观点来看，总是希望有机污染物能完全降解，尽管这种完全降解比较困难，而且也很难实际验证。 7 有害有机物微生物降解中的生物化学 6 7.1.2 微生物降解有机污染物的作用 污染物在环境中的降解有多种途径，由于生物的作用而引起的污染物的分解或降解，即为生物降解。在生物降解中，作用最大的生物类群是微生物。微生物在环境中与污染物发生相互作用，通过其代谢活动，会使污染物发生氧化反应、还原反应、水解反应、脱羧基反应、脱氨基反应、羟基化反应、酯化反应等多种生理生化反应。 微生物在环境中的几种主要的生物化学降解转化作用有以下几种类型： 7 有害有机物微生物降解中的生物化学 7 （1）氧化作用 包括Fe、S等单质的氧化，NH3、NO2 等化合物的氧化，也包括一些有机物基团的氧化，如甲基、羟基、醛等。在环境中，这些氧化作用大都是由微生物引起的，如氧化亚铁硫杆菌Thiobacilius ferrooxidans 对亚铁的氧化，铜绿假单胞杆菌Pseudomonas aenurinosa对乙醛的氧化，以及亚硝化菌和硝化菌对氨的氧化作用等。 氧化作用普遍存在于各种好氧环境中，是最常见的也是最重要的生物代谢活动。 7 有害有机物微生物降解中的生物化学 8 1）醇的氧化 醋化醋杆菌（Acetobacteraceti）将乙醇氧化为乙酸，氧化节杆菌（Arthrobacterozydans）将丙二醇氧化为乳酸。 2）醛的氧化 铜绿假单胞菌（Pseudompnas aeruginosa）将乙醛氧化为乙酸。 3）甲基的氧化 铜绿假单胞菌将甲苯氧化为安息香酸