第6章水環(huán)境中的微生物化學(xué)過(guò)程第6章水環(huán)境中的微生物化學(xué)過(guò)程1物質(zhì)在生物作用下經(jīng)受的化學(xué)變化，稱(chēng)為生物轉(zhuǎn)化或代謝。生物轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化和光化學(xué)轉(zhuǎn)化構(gòu)成了污染物質(zhì)在環(huán)境中的三大主要轉(zhuǎn)化類(lèi)型。物質(zhì)在環(huán)境中的生物轉(zhuǎn)化，微生物起著關(guān)鍵作用。由于微生物大量存在于自然界，生物轉(zhuǎn)化呈多樣性，又具有大的表面/體積值，繁殖非常迅速，對(duì)環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。物質(zhì)在生物作用下經(jīng)受的化學(xué)變化，稱(chēng)為生物轉(zhuǎn)化或代謝。2微生物一詞并非生物分類(lèi)學(xué)(種、屬、科、目、綱、門(mén)、界)的專(zhuān)門(mén)名詞。微生物是一切肉眼看不見(jiàn)或看不清、個(gè)體微小、構(gòu)造簡(jiǎn)單的低等生物的統(tǒng)稱(chēng)，它包括原核生物（細(xì)菌、古細(xì)菌、放線(xiàn)菌、立克次氏體、支原體、衣原體）、真核生物（原生動(dòng)物、真菌、藻類(lèi)）、非細(xì)胞生物（噬菌體、病毒）等個(gè)體微小，必須借助光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡才能看清其形態(tài)構(gòu)造及測(cè)量其大小的生物。微生物一詞并非生物分類(lèi)學(xué)(種、屬、科、目、綱、門(mén)、界)的專(zhuān)門(mén)3水環(huán)境化學(xué)-6-水環(huán)境中的微生物化學(xué)過(guò)程ppt課件4水環(huán)境化學(xué)-6-水環(huán)境中的微生物化學(xué)過(guò)程ppt課件5水環(huán)境化學(xué)-6-水環(huán)境中的微生物化學(xué)過(guò)程ppt課件6濕地——大自然的“腎”濕地是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，與森林、海洋并稱(chēng)為全球三大生態(tài)系統(tǒng)?！稘竦毓s》對(duì)濕地的定義為“濕地是指天然或人工、長(zhǎng)久或暫時(shí)的沼澤地、泥炭地、靜止或流動(dòng)的淡水、半咸水、咸水水域，包括低潮時(shí)水深不超過(guò)6米的海水區(qū)?！睗竦亍笞匀坏摹澳I”濕地是地球生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，與森7人工濕地：指用人工筑成水池或溝槽，底面鋪設(shè)防滲漏隔水層，充填一定深度的基質(zhì)層，種植水生植物，利用基質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用使污水得到凈化。按照污水流動(dòng)方式，分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。中華人民共和國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范HJ2005-2010》，環(huán)境保護(hù)部發(fā)布。人工濕地：指用人工筑成水池或溝槽，底面鋪設(shè)防滲漏隔水層，充填8活性污泥法生化處理池活性污泥法生化處理池9活性污泥法處理污水，是利用活性污泥在廢水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀等作用，去除廢水中有機(jī)污染物的一種廢水處理方法?；钚晕勰嗷靖拍钍怯?912年英國(guó)人ClarkandCage發(fā)現(xiàn)對(duì)廢水進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間曝氣會(huì)產(chǎn)生污泥并使水質(zhì)明顯改善，其后ArdenandLackett進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)由于實(shí)驗(yàn)容器洗不干凈，瓶壁留下殘?jiān)炊固幚硇Ч岣?，從而發(fā)現(xiàn)活性微生物菌膠團(tuán)，定名為活性污泥而來(lái)?；钚晕勰喾ㄌ幚砦鬯脑硇蜗笳f(shuō)法：微生物“吃掉”了污水中的有機(jī)物，這樣污水變成了干凈的水。它本質(zhì)上與自然界水體自?xún)暨^(guò)程相似，只是經(jīng)過(guò)人工強(qiáng)化，污水凈化的效果更好?；钚晕勰喾ㄌ幚砦鬯?，是利用活性污泥在廢水中的凝聚、吸附、氧化106.1天然水體中的微生物環(huán)境6.2有機(jī)污染物在水體中的生物降解過(guò)程6.3水體中金屬的微生物轉(zhuǎn)化6.1天然水體中的微生物環(huán)境111、浮游微生物群落6.1天然水體中的微生物環(huán)境2、底棲微生物群落1、浮游微生物群落6.1天然水體中的微生物環(huán)境2、底棲微生12

浮游植物：包括真核生物（藻類(lèi)）和原核生物（藍(lán)細(xì)菌（藍(lán)藻））兩類(lèi)生物在內(nèi)的光自養(yǎng)生物。

浮游細(xì)菌原生動(dòng)物1、浮游微生物群落浮游植物：包括真核生物（藻類(lèi)）和原核生物（藍(lán)細(xì)菌（藍(lán)藻））13

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15水環(huán)境化學(xué)-6-水環(huán)境中的微生物化學(xué)過(guò)程ppt課件16

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212.底棲微生物群落海（河、湖）底是水體與地表之間的一個(gè)過(guò)渡區(qū)，是含有有機(jī)物、礦物顆粒物質(zhì)以及水的一個(gè)擴(kuò)散和松散型的復(fù)合體。在沉積物的下部，微生物數(shù)量由于氧的消耗而下降，利用硝酸鹽、硫酸鹽和鐵作為末端電子受體的厭氧微生物過(guò)程顯示了較深的沉積物層特征。2.底棲微生物群落海（河、湖）底是水體與地表之間的一個(gè)過(guò)渡22活性污泥微生物的分類(lèi)1）細(xì)菌：異養(yǎng)型原核細(xì)菌（107～108個(gè)/mL）動(dòng)膠桿菌屬假單胞菌屬（在含糖類(lèi)、烴類(lèi)污水中占優(yōu)勢(shì)）產(chǎn)堿桿菌屬（在含蛋白質(zhì)多的污水中占優(yōu)勢(shì)）黃桿菌屬大腸埃希式桿菌2）真菌：微小的腐生或寄生絲狀菌3）原生動(dòng)物：鞭毛蟲(chóng)，纖毛蟲(chóng)等。通過(guò)辨認(rèn)原生物的種類(lèi)，能夠判斷處理水質(zhì)的優(yōu)劣，它是一種指示性生物。原生物攝食水中的游離細(xì)菌，是細(xì)菌的首次捕食者。4）后生動(dòng)物：主要是輪蟲(chóng)，它在活性污泥中的不經(jīng)常出現(xiàn)，輪蟲(chóng)的出現(xiàn)是水性穩(wěn)定的標(biāo)志。后生動(dòng)物是細(xì)菌的第二捕食者?；钚晕勰辔⑸锏姆诸?lèi)23由于溫度、pH值、氧氣濃度等因素影響微生物群落的組成、生長(zhǎng)速率和酶含量，這些環(huán)境條件不僅能影響微生物參與的轉(zhuǎn)化速率，有時(shí)還能成為這些反應(yīng)能否進(jìn)行的控制因素。許多烴類(lèi)在好氧條件下可生物降解，但在缺氧條件下的存在要持久得多。在高度還原條件下可觀察到某些有機(jī)氯溶劑（如CCl4）的生物轉(zhuǎn)化，而在有氧條件下，這些化合物卻是持久性的。由于溫度、pH值、氧氣濃度等因素影響微生物群落的組成、生長(zhǎng)速24

6.2有機(jī)污染物在水體中的生物降解過(guò)程6.2有機(jī)污染物在水體中的25水環(huán)境中有機(jī)物的生物降解依賴(lài)于微生物通過(guò)酶催化反應(yīng)分解有機(jī)物，其本質(zhì)是酶促反應(yīng)。微生物能否利用環(huán)境中的污染物，取決于其能否合成降解污染物的酶。

6.2.1有機(jī)化合物的生物降解水環(huán)境中有機(jī)物的生物降解依賴(lài)于微生物通過(guò)酶催化反應(yīng)分解有機(jī)物26細(xì)菌對(duì)有機(jī)物的氧化分解作用往往超過(guò)一般的化學(xué)氧化作用，在反應(yīng)進(jìn)行的速度和深度方面勝過(guò)強(qiáng)的化學(xué)氧化劑。細(xì)菌對(duì)有機(jī)物新陳代謝過(guò)程的各種反應(yīng)都是依靠稱(chēng)為酶的一種生物催化劑來(lái)完成的。細(xì)菌對(duì)有機(jī)物的氧化分解作用往往超過(guò)一般的化學(xué)氧化作用，在反應(yīng)27酶是一類(lèi)由細(xì)胞制造和分泌的、以蛋白質(zhì)為主要成分的、具有催化活性的生物催化劑。80年代初發(fā)現(xiàn)了具有催化功能的RNA——核酶(ribozyme)，這一發(fā)現(xiàn)打破了酶是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念，開(kāi)辟了酶學(xué)研究的新領(lǐng)域。1、酶(Enzyme)酶是一類(lèi)由細(xì)胞制造和分泌的、以蛋白質(zhì)為主要成28酶與一般催化劑的共同點(diǎn):在反應(yīng)前后沒(méi)有質(zhì)和量的變化；只能催化熱力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng)；只能加速可逆反應(yīng)的進(jìn)程，而不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)。酶與一般催化劑的共同點(diǎn):29酶促反應(yīng)具有極高的效率:酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍;酶加速反應(yīng)的機(jī)理是降低反應(yīng)的活化能(activationenergy)?；罨?又被稱(chēng)為閾能,用來(lái)定義一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生所需要克服的能量障礙,表示一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生所需要的最小能量。酶促反應(yīng)具有極高的效率:酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高1030反應(yīng)總能量改變非催化反應(yīng)活化能酶促反應(yīng)活化能一般催化劑催化反應(yīng)的活化能能量反應(yīng)過(guò)程底物產(chǎn)物酶促反應(yīng)活化能的改變活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。反應(yīng)總能量改變非催化反應(yīng)活化能酶促反應(yīng)一般催化劑催能31生物技術(shù)的四大支柱生物技術(shù)的四大支柱32

根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：氧化還原酶（催化氧化還原反應(yīng)）轉(zhuǎn)移酶（催化化學(xué)基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)）水解酶（催化水解反應(yīng)）裂解酶（催化底物分子某些鍵非水解性斷裂反應(yīng)）異構(gòu)酶（催化異構(gòu)反應(yīng)）合成酶（與高能磷酸化合物分解相耦聯(lián)，催化兩種底物結(jié)合的反應(yīng)）根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：33根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：氧化還原酶（催化氧化還原反應(yīng)）過(guò)氧化氫酶：是一種廣泛存在于各類(lèi)生物體中的酶，它是一類(lèi)抗氧化劑，其作用是催化過(guò)氧化氫轉(zhuǎn)化為水和氧氣的反應(yīng)。2H2O2

→2H2O+O2根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：過(guò)氧化氫酶：是一種廣泛存在34

根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：轉(zhuǎn)移酶（催化化學(xué)基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)）谷丙轉(zhuǎn)氨酶：是一種轉(zhuǎn)氨酶，存在于血漿及多種身體組織中，但最常見(jiàn)與肝臟關(guān)聯(lián)。也叫血清谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶（serumglutamatepyruvatetransaminase，簡(jiǎn)稱(chēng)SGPT）或丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶（alanineaminotransferase，簡(jiǎn)稱(chēng)ALAT）。α-酮戊二酸+丙氨酸?谷氨酸+丙酮酸根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：谷丙轉(zhuǎn)氨酶：是一種轉(zhuǎn)氨酶35

根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：水解酶（催化水解反應(yīng)）酯酶：是一種水解酶，可在水分子的參與下，經(jīng)由水解作用，將酯類(lèi)切割成酸類(lèi)與醇類(lèi)。此類(lèi)酶參與多種生物化學(xué)反應(yīng)，依其專(zhuān)屬受質(zhì)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及功能而有所不同。根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：酯酶：是一種水解酶，可在36根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：裂解酶（催化底物分子某些鍵非水解性斷裂反應(yīng)）谷氨酸脫羧酶(GAD)：是一個(gè)催化谷氨酸脫羧為γ-氨基丁酸并釋放CO2的酶。此反應(yīng)以如下方式進(jìn)行：HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH→CO2

+HOOC-CH2-CH2-CH2NH2根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：谷氨酸脫羧酶(GAD)：是37根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：異構(gòu)酶（催化異構(gòu)反應(yīng)）異構(gòu)酶：是一種催化同分異構(gòu)體轉(zhuǎn)換的酶。葡萄糖-6-磷酸異構(gòu)酶：D-葡萄糖-6-磷酸?D-果糖-6-磷酸根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：異構(gòu)酶：是一種催化同分異構(gòu)38根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：合成酶（與高能磷酸化合物分解相耦聯(lián)，催化兩種底物結(jié)合的反應(yīng)）谷氨酰胺合成酶：是一種控制氮代謝的酶，催化銨離子和谷氨酸合成谷氨酰胺，同時(shí)消耗ATP(三磷酸腺苷)。這個(gè)反應(yīng)分成兩步進(jìn)行：酶先讓ATP和谷氨酸反應(yīng)，生成γ-谷氨酰磷酸；接著銨離子上來(lái)，替換掉磷酸。谷氨酸+NH3→谷氨酰胺根據(jù)催化反應(yīng)類(lèi)型，酶可分成六大類(lèi)：谷氨酰胺合成酶：是一種控制39

酶按照成分，分為單成分酶和雙成分酶兩大類(lèi)。單成分酶只含有蛋白質(zhì)，如脲酶、蛋白酶。雙成分酶除含蛋白質(zhì)外，還含有非蛋白質(zhì)部分，前者稱(chēng)酶蛋白，后者稱(chēng)輔基、輔酶。輔基同酶蛋白的結(jié)合比較牢固，不易分離。輔酶與酶蛋白結(jié)合松弛，易于分離。兩者區(qū)別僅在于同酶蛋白結(jié)合的牢固程度不同，而無(wú)嚴(yán)格的界線(xiàn)。為了簡(jiǎn)便，均稱(chēng)為輔酶。酶按照成分，分為單成分酶和雙成分酶兩大類(lèi)。40

在雙成分酶催化反應(yīng)時(shí)，一般是輔酶起著傳遞電子、原子或某些化學(xué)基團(tuán)的功能，酶蛋白起著決定催化專(zhuān)一性和催化高效率的功能。只有雙成分酶的整體才具有酶的催化活性，而當(dāng)酶蛋白與輔酶經(jīng)分離后各自單獨(dú)存在時(shí)則均失去相應(yīng)作用。在雙成分酶催化反應(yīng)時(shí)，一般是輔酶起著傳遞電子、原子或某些化41

輔酶的成分是金屬離子、含金屬的有機(jī)化合物或小分子的復(fù)雜有機(jī)化合物。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的輔酶有30余種。同一輔酶可以結(jié)合不同的酶蛋白，構(gòu)成許多種雙成分酶，可對(duì)不同底物進(jìn)行相同反應(yīng)。輔酶的成分是金屬離子、含金屬的有機(jī)化合物或小分子的復(fù)雜有機(jī)42FMN和FADNAD+和NADP+輔酶Q細(xì)胞色素酶系的輔酶輔酶A若干重要輔酶的功能黃素單核苷酸黃素腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷FMN和FAD若干重要輔酶的功能黃素單核苷酸煙酰胺43FMN和FAD輔酶FMN和FAD分別是黃素單核苷酸和黃素腺嘌呤二核苷酸的縮寫(xiě)，是一些氧化還原酶的輔酶，在酶促反應(yīng)中具有傳遞氫原子的功能。腺嘌呤異咯嗪基異咯嗪基黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)FMN和FAD腺嘌呤異咯嗪基異咯嗪基黃素單核苷酸(FMN44腺嘌呤異咯嗪基異咯嗪基黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)腺嘌呤異咯嗪基異咯嗪基黃素單核苷酸(FMN)黃素腺嘌呤二核苷45NAD+和NADP+輔酶NAD+和NADP+分別稱(chēng)為輔酶Ⅰ和輔酶Ⅱ，依次是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷的縮寫(xiě)，是一些氧化還原酶的輔酶，在酶促反應(yīng)中具有傳遞氫原子的功能。輔酶Ⅰ輔酶Ⅱ煙酰胺腺嘌呤NAD+和NADP+輔酶Ⅰ輔酶Ⅱ煙酰胺腺嘌呤46水環(huán)境化學(xué)-6-水環(huán)境中的微生物化學(xué)過(guò)程ppt課件47

輔酶Q輔酶Q又稱(chēng)泛醌，簡(jiǎn)寫(xiě)CoQ,是一些氧化還原酶的輔酶，在酶促反應(yīng)中具有傳遞氫原子的功能。共軛環(huán)己二烯二酮輔酶Q共軛環(huán)己二烯二酮48

細(xì)胞色素酶系的輔酶細(xì)胞色素酶系是催化底物氧化的一類(lèi)酶系，主要有細(xì)胞色素b,c1,c,a和a3等幾種。它們的酶蛋白部分各不相同，但是輔酶都是鐵卟啉。

在酶促反應(yīng)時(shí)輔酶鐵卟啉中的鐵不斷地進(jìn)行氧化還原，起到傳遞電子的作用。鐵卟啉細(xì)胞色素酶系的輔酶鐵卟啉49

輔酶A輔酶A是泛酸的一個(gè)衍生物，簡(jiǎn)寫(xiě)為CoASH,是一種轉(zhuǎn)移酶的輔酶，所含的巰基與酰基形成硫酯，在酶促反應(yīng)中起著傳遞?；墓δ?。巰基乙?；；蛑o酶A巰基乙?；；蛑?0

2、有機(jī)物的生物降解性易生物降解的有機(jī)物來(lái)源于動(dòng)、植物殘?bào)w及生物代謝過(guò)程中產(chǎn)生的物質(zhì)和排泄物。如碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪、核酸等。這些物質(zhì)，通過(guò)微生物所產(chǎn)生的酶，很容易被分解成糖、氨基酸、甘油、脂肪酸等簡(jiǎn)單的有機(jī)物，并最終分解為CO2、H2O、NH3等。難生物降解的有機(jī)物主要是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中排出的有機(jī)污染物，如農(nóng)藥、烴類(lèi)等。2、有機(jī)物的生物降解性易生物降解的有機(jī)物51DDT殺蟲(chóng)劑DDT能讓人產(chǎn)生心醉神迷似的感受。20世紀(jì)50年代一種流行的雞尾酒――名叫“MickeySlim”，據(jù)悉是將少量的DDT加入杜公子酒中制成的。此圖為二名女士在飄飄欲仙地“喝”DDT。

DDT殺蟲(chóng)劑DDT能讓人產(chǎn)生心醉神迷似的感受。20世紀(jì)50年52DDT在自然環(huán)境中可通過(guò)生物過(guò)程轉(zhuǎn)化為DDD和DDE，兩種產(chǎn)物更難于進(jìn)一步被生物降解。DDT的微生物分解主要是在厭氧條件下通過(guò)脫氯作用形成DDD的過(guò)程中而發(fā)生的。DDTDDT在自然環(huán)境中可通過(guò)生物過(guò)程轉(zhuǎn)化為DDD和DDE，兩種產(chǎn)536.2.2.1天然大分子有機(jī)物的降解6.2.2主要有機(jī)污染物的微生物降解途徑6.2.2.2有毒有機(jī)污染物質(zhì)的降解6.2.2.1天然大分子有機(jī)物的降解6.2.2主要有機(jī)54

生物氧化是指有機(jī)物質(zhì)在機(jī)體細(xì)胞內(nèi)的氧化，并伴隨有能量的釋放。生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律。6.2.2.1天然大分子有機(jī)物的生物氧化生物氧化是指有機(jī)物質(zhì)在機(jī)體細(xì)胞內(nèi)的氧化，并伴隨有能量的釋放55

在生物氧化中有機(jī)物質(zhì)的氧化大多為去氫氧化，所脫落的氫由相應(yīng)氧化還原酶按一定順序傳遞至受氫體。去氫氧化在生物氧化中有機(jī)物質(zhì)的氧化大多為去氫氧化，所脫落的氫由相應(yīng)56

生物氧化中的氫傳遞過(guò)程有氧氧化中以分子氧為直接或間接受氫體的氫傳遞過(guò)程無(wú)氧氧化中有機(jī)底物轉(zhuǎn)化中間產(chǎn)物作受氫體的氫傳遞過(guò)程無(wú)氧氧化中某些無(wú)機(jī)含氧化合物作受氫體的氫傳遞過(guò)程這類(lèi)氫傳遞過(guò)程中最常見(jiàn)的受氫體是硝酸根、硫酸根和二氧化碳。它們接受來(lái)源于有機(jī)底物由酶?jìng)鬟f來(lái)的氫，而被分別被還原為分子氮（或一氧化二氮）、硫化氫和甲烷。生物氧化中的氫傳遞過(guò)程有氧氧化中以分子氧為直接或間接受氫體57糖(carbohydrates)即碳水化合物，其化學(xué)本質(zhì)為多羥醛或多羥酮類(lèi)及其衍生物或多聚物。多糖類(lèi)有機(jī)物是異養(yǎng)微生物的主要能源，也是生物細(xì)胞重要的結(jié)構(gòu)物質(zhì)和儲(chǔ)藏物質(zhì)，廣泛地存在于動(dòng)植物的尸體及廢料中，如纖維素、淀粉、果膠質(zhì)等。糖類(lèi)的微生物降解糖(carbohydrates)即碳水化合物，其化學(xué)本質(zhì)為多58糖類(lèi)通式為Cx（H2O）y，分成單糖、二糖和多糖類(lèi)。

單糖包括戊糖如木糖和己糖如葡萄糖、果糖等。

二糖如蔗糖、乳糖和麥芽糖。

多糖如淀粉、纖維素等。糖類(lèi)通式為Cx（H2O）y，分成單糖、二糖和多糖59葡萄糖（glucose）結(jié)構(gòu)葡萄糖（glucose）結(jié)構(gòu)60

多糖水解成單糖單糖酵解成丙酮酸丙酮酸的轉(zhuǎn)化微生物降解糖類(lèi)的基本途徑：多糖水解成單糖微生物降解糖類(lèi)的基本途徑：61

多糖水解成單糖多糖在胞外水解酶催化下水解成單糖。多糖水解生成的單糖產(chǎn)物以葡萄糖為主。多糖水解成單糖62

單糖酵解成丙酮酸細(xì)胞內(nèi)單糖不論在有氧氧化或在無(wú)氧氧化條件下，都可經(jīng)過(guò)相應(yīng)的一系列酶促反應(yīng)形成丙酮酸。這一過(guò)程稱(chēng)為單糖酵解。單糖酵解成丙酮酸63

丙酮酸的轉(zhuǎn)化

有氧條件下的轉(zhuǎn)化

無(wú)氧條件下的轉(zhuǎn)化丙酮酸的轉(zhuǎn)化64

丙酮酸的轉(zhuǎn)化在有氧氧化條件下，丙酮酸通過(guò)酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A,乙酰輔酶A與草酰乙酸經(jīng)酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)成檸檬酸。檸檬酸通過(guò)一系列酶促反應(yīng)又形成草酰乙酸，可重新進(jìn)行新一輪的轉(zhuǎn)化。這種生物轉(zhuǎn)化的循環(huán)途徑稱(chēng)為三羧酸循環(huán)或檸檬酸循環(huán)，簡(jiǎn)稱(chēng)TCA循環(huán)。丙酮酸的轉(zhuǎn)化65丙酮酸的氧化脫羧經(jīng)脫氫、脫羧、?；梢阴oA，這是不可逆反應(yīng)。丙酮酸的氧化脫羧經(jīng)脫氫、脫羧、?；梢阴oA，這是不可逆66水環(huán)境化學(xué)-6-水環(huán)境中的微生物化學(xué)過(guò)程ppt課件67

在TAC中，1分子乙酰CoA經(jīng)2次脫羧（即去CO2)，生成2個(gè)CO2，這是體內(nèi)CO2的主要來(lái)源；4次脫氫，其中3次以NAD+為受氫體，1次以FAD為受氫體?？偡磻?yīng)式：乙酰CoA+3NAD++FAD+2H2O→2CO2+3NADH+3H++FADH2+HSCoA在TAC中，1分子乙酰CoA經(jīng)2次脫羧（即去CO2)，生成68三羧酸循環(huán)的生理意義三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的共同氧化途徑。

三羧酸循環(huán)的生理意義三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的共同氧化途徑。69

丙酮酸的轉(zhuǎn)化

在無(wú)氧氧化條件下丙酮酸通過(guò)酶促反應(yīng)，往往以其本身作受氫體而被還原為乳酸，或以其轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物作受氫體，發(fā)生不完全氧化生成低級(jí)的有機(jī)酸、醇及二氧化碳等。丙酮酸的轉(zhuǎn)化70糖酵解的全過(guò)程糖酵解的全過(guò)程716.2.2.2有毒有機(jī)污染物質(zhì)的降解6.2.2.2有毒有機(jī)污染物質(zhì)的降解72一、反應(yīng)類(lèi)型氧化反應(yīng)還原反應(yīng)水解反應(yīng)加成反應(yīng)一、反應(yīng)類(lèi)型氧化反應(yīng)731、氧化反應(yīng)類(lèi)型（1）加氧氧化（2）脫氫酶脫氫氧化（3）氧化酶脫氫氧化1、氧化反應(yīng)類(lèi)型（1）加氧氧化74（1）加氧氧化通常，這涉及帶有金屬的酶（如加氧酶）和像NAD(P)H這樣的輔酶作用。如果O2的兩個(gè)氧原子都被轉(zhuǎn)化，這種酶被稱(chēng)作雙加氧酶；相反地，單加氧酶僅能分離出一個(gè)氧原子。這種過(guò)程只能在有氧環(huán)境中進(jìn)行反應(yīng)。（1）加氧氧化通常，這涉及帶有金屬的酶（如加75水環(huán)境化學(xué)-6-水環(huán)境中的微生物化學(xué)過(guò)程ppt課件76水環(huán)境化學(xué)-6-水環(huán)境中的微生物化學(xué)過(guò)程ppt課件77（2）脫氫酶脫氫氧化脫氫酶是伴隨有氫原子或電子轉(zhuǎn)移，以非分子氧化合物為受氫體的酶類(lèi)。脫氫酶能使相應(yīng)的底物脫氫氧化。例如：醇氧化成醛RCH2OH→RCHO+2H醇氧化成酮R1CHOHR2→R1COR2+2H（2）脫氫酶脫氫氧化脫氫酶是伴隨有氫原子或電子轉(zhuǎn)移，78（3）氧化酶脫氫氧化氧化酶是伴隨有氫原子或電子轉(zhuǎn)移，以分子氧為直接受氫體的酶類(lèi)。氧化酶使相應(yīng)底物氧化。例如：RCH2NH2+H2O→RCHO+NH3+2H（3）氧化酶脫氫氧化氧化酶是伴隨有氫原子或電79

還原反應(yīng)時(shí)將電子轉(zhuǎn)移到有機(jī)化合物的特定部位。微生物的還原轉(zhuǎn)化涉及的化學(xué)結(jié)構(gòu)和非生物還原反應(yīng)易受影響的結(jié)構(gòu)相同。2、還原反應(yīng)還原反應(yīng)時(shí)將電子轉(zhuǎn)移到有機(jī)化合物的特定80三硝基芳香化合物代謝途徑三硝基芳香化合物代謝途徑81對(duì)硝基苯甲酸的代謝途徑對(duì)硝基苯甲酸的代謝途徑82

微生物用來(lái)引發(fā)外源有機(jī)化合物降解的一個(gè)重要途徑是水解反應(yīng)。這種反應(yīng)可以在任何環(huán)境條件下進(jìn)行，而且能夠催化這種降解反應(yīng)的酶都是基本酶（即總是存在），盡管它們的活性水平是可調(diào)節(jié)的。當(dāng)以微生物為媒介進(jìn)行水解反應(yīng)時(shí)，其速率要比非生物水解反應(yīng)快得多。3、水解反應(yīng)微生物用來(lái)引發(fā)外源有機(jī)化合物降解的一個(gè)重要83（1）羧酸酯酶使脂肪族酯水解（2）芳香酯酶使芳香族酯水解（3）磷酸酯酶使磷酸酯水解（4）酰胺酶使酰胺水解水解反應(yīng)類(lèi)型（1）羧酸酯酶使脂肪族酯水解（2）芳香酯酶使芳香族酯水解（384

微生物用來(lái)引發(fā)外源有機(jī)化合物降解的最后一種方法是在結(jié)構(gòu)中加入含碳基團(tuán)或水。兩種含碳基團(tuán)是延胡羧酸根（反丁烯二酸根）和重碳酸根。4、加成反應(yīng)微生物用來(lái)引發(fā)外源有機(jī)化合物降解的最后一種85

當(dāng)提供的環(huán)境中外源化合物結(jié)構(gòu)中沒(méi)有可以進(jìn)攻的官能團(tuán)時(shí)主要發(fā)生這種轉(zhuǎn)化，如在缺氧環(huán)境中氧化酶中氧的親電形式不能起作用時(shí)就可能會(huì)發(fā)生這種加成。通過(guò)含碳基團(tuán)的加成可以使產(chǎn)生的化合物更容易進(jìn)一步降解。當(dāng)提供的環(huán)境中外源化合物結(jié)構(gòu)中沒(méi)有可以進(jìn)攻的86二、化學(xué)結(jié)構(gòu)-生物降解性為了辨別能夠增強(qiáng)或抑制生物降解性的結(jié)構(gòu)特征，最近開(kāi)始關(guān)注結(jié)構(gòu)-生物降解性的相關(guān)性。在這些研究中，已經(jīng)有了一些數(shù)據(jù)來(lái)判斷化合物生物降解的難易。在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下，當(dāng)一種物質(zhì)在28天內(nèi)消耗溶解氧的量超過(guò)其完全礦化所需要的理論需氧量的60%，即可稱(chēng)之為易降解物質(zhì)。二、化學(xué)結(jié)構(gòu)-生物降解性為了辨別能夠增強(qiáng)或抑制87目前，在厭氧環(huán)境中，探究結(jié)構(gòu)-活性趨勢(shì)所需要的數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)少于在好氧環(huán)境中相應(yīng)的數(shù)據(jù)。好氧環(huán)境的結(jié)構(gòu)-生物降解性目前，在厭氧環(huán)境中，探究結(jié)構(gòu)-活性趨勢(shì)所需要的數(shù)據(jù)庫(kù)遠(yuǎn)88一些包含可水解基團(tuán)的化合物，比如羧酸酯、氨基化合物、酐類(lèi)或磷酸酯都很容易被降解。這些結(jié)構(gòu)基團(tuán)在蛋白質(zhì)、多聚糖、脂肪等天然化合物中廣泛存在。其次，羥基、醛基、羰基基團(tuán)的存在表明化合物是易于生物降解的。此外，含氧基團(tuán)在有機(jī)物的降解產(chǎn)物中也是很常見(jiàn)的。好氧環(huán)境的易降解結(jié)構(gòu)特征一些包含可水解基團(tuán)的化合物，比如羧酸酯、氨基化合物、酐類(lèi)或磷89氯和硝基在芳環(huán)上時(shí)，都和化學(xué)拮抗性有關(guān)。季碳原子（CR1R2R3R4）和叔胺化合物（NR1R2R3）這種結(jié)構(gòu)可以阻礙生物降解。某些結(jié)構(gòu)基團(tuán)可使生物降解性降低或消失氯和硝基在芳環(huán)上時(shí)，都和化學(xué)拮抗性有關(guān)。某些結(jié)構(gòu)基團(tuán)可使生物90碎片片段系數(shù)-CHO0.34-C(O)OR0.28-C(O)NR20.22-C(O)OH0.2-OH0.1叔-N-0.03季-C-0.04脂肪-Cl-0.03芳香-Cl-0.1芳香-NO2-0.24給定結(jié)構(gòu)影響生物降解性的片段系數(shù)舉例易降解難降解碎片片段系數(shù)-CHO0.34-C(O)OR0.28-C(O)91三、微生物利用酶的特點(diǎn)（1）環(huán)境中結(jié)構(gòu)特殊的化合物對(duì)微生物轉(zhuǎn)化來(lái)說(shuō)是困難的。當(dāng)化合物的結(jié)構(gòu)與微生物通常利用的化合物有很大差異，當(dāng)微生物初次碰到它們時(shí)，通常沒(méi)有適于處理它們的現(xiàn)成的酶系。三、微生物利用酶的特點(diǎn)（1）環(huán)境中結(jié)構(gòu)特殊的化合物對(duì)微生物轉(zhuǎn)92（2）酶并不具備完全的底物（酶作用的物質(zhì)）選擇能力。酶雖然是用來(lái)結(jié)合和催化特定化合物的，但也能夠與結(jié)構(gòu)相似的化合物結(jié)合或誘導(dǎo)其反應(yīng)。酶對(duì)部分結(jié)構(gòu)與常見(jiàn)基質(zhì)類(lèi)似的化合物也能發(fā)生生物轉(zhuǎn)化。三、微生物利用酶的特點(diǎn)（2）酶并不具備完全的底物（酶作用的物質(zhì)）選擇能力。酶雖然是93例如，5-苯基戊酸可以被那些用來(lái)處理脂肪酸（硬脂酸）的酶作用。與天然存在的有機(jī)物有相似性的外源有機(jī)物也能發(fā)生不同程度的生物降解，非目標(biāo)化合物可以被本來(lái)是用來(lái)轉(zhuǎn)化其它基質(zhì)的酶系統(tǒng)所降解。（2）酶并不具備完全的底物（酶作用的物質(zhì)）選擇能力。例如，5-苯基戊酸可以被那些用來(lái)處理脂肪酸（硬94（3）微生物似乎總有一些相對(duì)非選擇性的酶存在，以便用于進(jìn)攻和利用未知的和不需要的化合物。微生物在消除化學(xué)干擾時(shí)，大部分細(xì)菌的策略通常是保持一個(gè)初始氧化步驟，將這些有毒的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為極性更大的物質(zhì)，轉(zhuǎn)化產(chǎn)物或能進(jìn)入常規(guī)的代謝途徑，或因其水溶性增加，可以返回到環(huán)境中。即使對(duì)相關(guān)微生物來(lái)說(shuō)不常見(jiàn)的有機(jī)物，有時(shí)也通過(guò)這種相對(duì)非選擇性酶的作用慢慢降解。（3）微生物似乎總有一些相對(duì)非選擇性的酶存在，以便用于進(jìn)攻和95（3）微生物似乎總有一些相對(duì)非選擇性的酶存在，以便用于進(jìn)攻和利用未知的和不需要的化合物。例如苯的微生物降解。苯可被氧化酶和脫氫酶氧化為鄰苯二酚及其衍生物。鄰苯二酚及其衍生物也可由許多天然芳香化合物如水楊酸根和香草酸根代謝產(chǎn)生，而在許多微生物中都存在將二羥基苯衍生物代謝的途徑。（3）微生物似乎總有一些相對(duì)非選擇性的酶存在，以便用于進(jìn)攻和96四、微生物降解與轉(zhuǎn)化污染物的方式（P159）產(chǎn)生誘導(dǎo)酶形成突變菌株利用降解性質(zhì)粒組建超級(jí)菌利用共代謝方式四、微生物降解與轉(zhuǎn)化污染物的方式產(chǎn)生誘導(dǎo)酶97根據(jù)酶的合成方式和存在時(shí)間，微生物細(xì)胞內(nèi)的酶可分為組成酶和誘導(dǎo)酶。

組成酶是細(xì)胞內(nèi)一直存在的酶，它的合成僅受遺傳物質(zhì)控制即受內(nèi)因控制。

誘導(dǎo)酶是在環(huán)境中有誘導(dǎo)物（一般是反應(yīng)的底物）存在時(shí)，微生物會(huì)因誘導(dǎo)物存在而產(chǎn)生一種酶就是誘導(dǎo)酶，誘導(dǎo)酶的合成除取決于環(huán)境中誘導(dǎo)物外，還受基因控制即受內(nèi)因和外因共同控制。1、產(chǎn)生誘導(dǎo)酶根據(jù)酶的合成方式和存在時(shí)間，微生物細(xì)胞內(nèi)的酶可分為98

例如，催化淀粉分解為糊精、麥芽糖等的α-淀粉酶也是一種誘導(dǎo)酶，多種微生物都能產(chǎn)生這種酶。如果將能合成α-淀粉酶的菌種培養(yǎng)在不含淀粉的葡萄糖溶液中，它就直接利用葡萄糖而不產(chǎn)生α-淀粉酶。如果將它培養(yǎng)在含淀粉的培養(yǎng)基中，它就會(huì)產(chǎn)生活性很高的α-淀粉酶。例如，催化淀粉分解為糊精、麥芽糖等的α-淀99

微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中偶爾會(huì)發(fā)生遺傳物質(zhì)變化，從而引起個(gè)體性狀的改變，形成了突變菌株?？梢酝ㄟ^(guò)定向馴化或誘變技術(shù)獲得具有高效降解能力的變種，使得難降解的、不可降解的有機(jī)物得到轉(zhuǎn)化。2、形成突變菌株微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中偶爾會(huì)發(fā)生遺傳物質(zhì)變化，從100在許多微生物中存在由較短的DNA構(gòu)成的質(zhì)粒已被發(fā)現(xiàn)為多種降解酶提供編碼。質(zhì)粒是指一種獨(dú)立于染色體外，能自我復(fù)制并穩(wěn)定遺傳的環(huán)狀DNA分子。存在于許多細(xì)菌以及酵母菌等生物中，乃至于植物的線(xiàn)粒體等胞器中。天然質(zhì)粒的DNA長(zhǎng)度從數(shù)千堿基對(duì)至數(shù)十萬(wàn)堿基對(duì)都有。質(zhì)粒天然存在于這些生物里面，有時(shí)候一個(gè)細(xì)胞里面可以同時(shí)有一種乃至于數(shù)種的質(zhì)粒同時(shí)存在。

3、利用降解性質(zhì)粒在許多微生物中存在由較短的DNA構(gòu)成的質(zhì)粒已被發(fā)現(xiàn)為多種降解101

20世紀(jì)70年代初,Chakrabarty證明惡臭假單胞菌R1菌株中降解水楊酸的酶系由質(zhì)?；蚩刂?開(kāi)創(chuàng)了降解質(zhì)粒研究的新領(lǐng)域.到目前為止,國(guó)際上從自然界分離的菌株中發(fā)現(xiàn)的天然降解性質(zhì)粒共有幾十種.20世紀(jì)70年代初,Chakrab102

現(xiàn)代微生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，許多有毒化合物，尤其是復(fù)雜芳烴類(lèi)化合物的生物降解，往往需要多種質(zhì)粒參與。將各供體細(xì)胞的不同降解性質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到同一個(gè)受體細(xì)胞中，可構(gòu)建多質(zhì)粒超級(jí)菌株。4、組建超級(jí)菌現(xiàn)代微生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，許多有毒化合物，尤其是103

有機(jī)物生物降解存在兩種代謝模式：生長(zhǎng)代謝和共代謝。

共代謝是指一些難降解的有機(jī)物質(zhì)不能直接作為碳源或能源物質(zhì)被微生物利用，當(dāng)環(huán)境中存在其它可利用的碳源或能源物質(zhì)時(shí)，此類(lèi)有機(jī)物才可被轉(zhuǎn)化降解的過(guò)程。5、利用共代謝方式有