微生物对污染物的分解与转化
2023-06-24 18:43:10 0 举报AI智能生成
水处理微生物学思维导图 微生物对污染物的分解与转化
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大纲/内容
不含氮有机物质的生物分解
纤维素、半纤维素、木质素的生物分解
纤维素一多糖化合物
霉菌和一些特殊的细菌：纤维粘菌、纤维杆菌、莲霉菌、曲霉青霉、木霉
半纤维素
半纤维素--->单糖+糖醛酸
木质素
芳醚链断裂——>苯丙烷大分子解聚
淀粉的生物分解
多糖
主要有霉菌
淀粉——>糊精——>麦芽糖——>葡萄糖
脂肪的生物分解
脂肪——>甘油+脂肪酸
芳香族化合物的生物分解
烃类化合物的生物分解
烷烃
一般从末端氧化，形成醇、醛、酸、(β氧化) ——>CO2
烯烃
烯烃——>加氧化合物——>脂肪酸——>β氧化
合成洗涤剂的生物分解
含氮有机物的生物分解
氮循环
蛋白质的生物分解
氨化作用
氨化作用是氨化细菌将有机氮转化成氨的过程
蛋白质一>朊一>胨一>肽一>氨基酸
硝化作用
氨氧化成亚硝酸、硝酸的过程
好氧条件下
NH3——>NO2-——>NO3-
硝化菌的主要特性
化能自养
好氧
适于中性和弱碱性环境
生长速度慢，世代时间8 - 24小时
对有害化学物质敏感 (用于毒性测定)
影响硝化作用的主要因素
(1)溶解氧 (DO)
(2)温度
(3)pH值
(4)营养物质
(5)氨氮
(6)毒物
反硝化作用
硝酸、亚硝酸盐在无氧条件下被微生物还原成亚硝酸和氮气的过程。
PH>7，N2,NO
PH<7，N2
影响反硝化作用的主要因素
(1)营养物质
足够的有机碳源
(2)溶解氧
(3)温度
最佳温度为30℃- 40℃
(4)pH值
最适合pH值范围为7.0-7.5
尿素的转化
微生物对无机元素的转化作用
硫的生物转化
硫化作用
H,S被氧化生成S和H,SOa的过程
硫磺细菌，硫化细菌
硫磺细菌的一般特性
能利用还原态硫化物 (H2S、S等)为能源的细菌
自养型
在细胞内能积累单质硫
硫化细菌
利用硫化物作能源，但不能在细胞内积累硫单体
反硫化作用
硫酸盐被还原成硫化氢的过程
硫酸盐还原菌
循环过程及微生物的作用
磷的生物转化
无机磷的有机化
有机磷化物的生物降解
磷酸还原
类似于反硝化、反硫化
金属的生物转化
铁的生物转化
1. 铁化合物的氧化沉淀
铁细菌的特性
能利用还原态铁作为能源
自养菌
丝状菌
一般生活在含氧少、但有较多铁质和CO2的水中
2.铁化合物的还原与溶解
1) CO2、无机酸、有机酸的生成一>铁沉降溶解
2) 氧化还原电位的降低 Fe3+——>Fe2+
3.有机铁化物的形成
溶解性铁——>被植物、微生物吸收利用
有机结合态
有机酸铁盐
铬的生物转化
在厌氧条件下，有些铬耐性细菌可以将Cr6+还原成无毒性的Cr3+
汞的生物转化
1.汞的生物氧化和还原
在好氧条件下，一些细菌 (如枯草芽抱杆菌和巨大芽抱杆菌等) 能将元素汞氧化生成二价汞离子Hg2+
有些细菌，如铜绿假单胞菌、大肠杆菌、变形杆菌等在适宜的条件下能将Hg2+还原为金属汞
2.汞的甲基化
有些微生物能把元素汞和汞离子转化为甲基汞和二甲基汞，这种过程称汞的甲基化。
汞的甲基化在好氧和厌氧条件下均可能发生
甲基汞的毒性远远大于元素汞和汞离子
生物对污染物的浓缩与吸附作用
生物对污染物的浓缩作用
生物浓缩
一般定义: 生物个体或处于同一营养水平的生物种群，从环境中吸收并蓄积某种元素或化合物，使体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象，又称生物富集。
生物浓缩的程度一般用生物浓缩系数来表示，浓缩系数越大，生物浓缩的程度越高
生物积累与生物放大
生物积累
指同一生物个体在不同的生长发育阶段，生物浓缩系数不断增加的现象。
生物积累的程度也用BCF表示
不同种生物和同一种生物的不同器官和组织对同一化学物质的生物积累速率有很大的差别。
生物放大
指生态系统中，某种化学物质的生物浓缩系数在同一食物链上，由低位营养级生物到高位营养级生物逐级增大的现象。
这种现象是由于高位营养级生物捕食低位营养级生物所造成的
微生物对有机污染物的吸附作用
有机物质的生物吸附是一个快速的物理过程
在污水活性污泥处理系统中，20-30min左右的时间即可完成有机颗粒和胶体物质的吸附过程。
微生物细胞对溶解性污染物，特别是对疏水性有机污染物，如农药、多氯联苯、多环芳烃，挥发性有机物等的吸附作用是污水生物处理系统中微量有机污染物去除的重要机理
被吸附去除的有机物将积累在剩余污泥中，从而引起二次污染
微生物对金属的吸附作用
生物吸附
水中的金属离子与微生物细胞表面的特定基团结合而使其吸附到细胞的表面，这种现象称之为生物吸附
微生物细胞表面能与重金属吸附结合的基团有疏基、羚基、轻基等
金属离子吸附到微生物细胞表面的过程不依赖于能量代谢，具有快速、可逆的特点，又称为“被动吸附”
在另一些情况下，吸附在细胞表面的金属离子与细胞表面的某些酶相结合而转移到细胞内，这种过程是通过微生物的代谢活动富集金属，又称为“主动吸附”其特点是速度慢、不可逆
微生物对有机物的分解与转化作用
生物分解的一般特点与分类
概念
有机物生物分解是通过一系列的生化反应，最终将有机物分解成小分子有机物或简单无机物的过程
一般机制
有机物经逐步分解后，产生能进入TCA循环或(和)能作为合成代谢原料的中间代谢产物。
逐步分解过程因化合物而异，但后面的分解过程基本相同
生物分解后的去向( 产物 )
细胞物质(微生物的生长)
分解产物(CO2、小分子有机物等)
分类及特点
生物去除
由于微生物细胞、活性污泥等的吸附作用使化学物质浓度降低的一种现象。这里所说的“生物去除”不是真正意义上的分解，而是一种表观现象，也可称为“表观生物分解”。
初级分解
在分解过程中，化学物质的分子结构发生变化，从而失去原化学物质特征的分解。
环境可接收的分解
经过生物分解，化学物质的物理化学性质和毒性达到环境安全要求的程度。
完全分解(矿化)
有机化合物被分解成稳定无机物 (CO2、H2O）等的分解。
有机物的好氧生物分解
在好氧条件下进行的分解
好氧呼吸
好氧微生物（包括兼性微生物）
好氧分解过程
(1) 消化:由胞外酶把大分子分解为可以被细胞吸收的小分子
(2) 小分子脱氢氧化:产生可进入TCA循环的乙酰 - CoA。
(3) 乙酰- CoA进入TCA循环和呼吸链被氧化成CO2和H20
好氧分解的最终产物:
有机物CHONP
CO2.H20.NO3-.H2SO4.H3PO4
有机物的厌氧生物分解
在厌氧条件下进行的分解
厌氧呼吸
厌氧微生物（包括兼性微生物）
发酵
厌氧分解的基本过程
厌氧分解( 降解 )的三阶段、四类群理论:
最终产物:
好氧分解与厌氧分解的比较
好氧降解的有机物降解速率快、彻底
能量利用率高
菌体转化率高(合成系数大) 、合成速率快
有机物的生物分解性
有机物的生物分解性评价方法
生物分解性实验
生物分解潜能实验
易生物分解试验
目的
评价有机物是否很容易地被生物完全分解，一般在不利于生物分解的条件下进行
过程
试验通常以受试化合物作为唯一碳源，接种的微生物浓度较低，利用总有机碳分析等非特异性方法进行分解对象物质分析
所采用的接种微生物事先不经过驯化。
在易生物分解试验中得到良好分解效果的化合物，可以认为在一般环境中也很容易被生物分解。
但是，在易生物分解试验中分解效果较差的化合物，并不能判断其在环境中不能被生物分解。
本质性生物分解试验
目的
评价有机物是否具有被微生物分解的潜在性质
过程
试验接种微生物事先进行充分驯化，接种浓度高，试周期长，尽可能添加各种必需的营养物质
在本质性分解试验中能良好分解的化合物，在实际环境中不一定能被较快分解
在本质性分解实验中不能很好分解的化合物，在实际环境中一定也很难被分解。
生物分解模拟实验
目的
评价有机物在特点的环境条件下的生物分解性
污水生物处理系统试验(好氧、厌氧)
河流、湖泊模拟试验
河口模拟试验
海洋模拟试验
土壤模拟试验
有机物生物分解性评价的一般步骤
有机物的生物分解性与分子结构的关系
1) 增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性
2) 异源基团数目增加，降解性越差
3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响
4）甲基分支越多越不易降解
5）脂肪族:分子量越大越不易降解
6）芳香族<脂肪族 (小分子)
7)复环芳烃中环越多越难降解
8)好氧条件下的降解规律与厌氧有时不同
值得注意的几个问题
生物分解性与浓度的关系
有些有机物在浓度低时可以降解，高于某一浓度时不能降解(产生抑制作用)
共代谢现象
单独存在时不能被降解，只有在其它物质被降解时才能被降解的现象
原因
1)缺少进一步降解的酶系
2)中间产物的抑制作用
3)浓度低，不能维持生命代谢
有机物间的相互作用
互不影响、促进作用、抑制作用(顺次利用)
(1)多基质同时被利用
(2)一种基质促进第二种基质的降解
甲苯促进假单胞菌对苯、二甲苯的降解
易降解物质的添加->增加微生物浓度
(3)一种基质阻碍另一基质的降解
抑制作用
顺次利用:一种基质的分解只发生在另一种基质大部分或全部降解之后
微生物间的相互作用
(1)协同作用(共生关系)
(2)抑制作用(拮抗):分解产物抑制其他微生物
(3)捕食作用
生物去毒作用
生物分解和转化过程中，有机物的毒性往往发生变化
生物分解产物的毒性低于原化合物时的生物分解作用，称去毒作用
去毒作用机制:
水解作用
羟基化作用
脱卤作用
甲基化
去甲基
硝基还原
去氨基
醚键断裂
睛转化为酰胺
生物激活作用
生物分解产物的毒性大于原化合物时的生物分解作用，称激活作用 (activation)。常见的激活反应有:脱卤作用、亚硝胺的形成、环氧化作用、硫醚的氧化、甲基化等
污水中有机污染物的生物分解性评价
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