1、1,2 污染物的生化降解與環(huán)境生物工程,李艷菊 ,生物工程與技術(shù)導論,2,參考書,王建龍.現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)，清華大學出版社，2008 倫世議.環(huán)境生物工程，化工出版社，2002 文湘華等譯.環(huán)境生物原理與應(yīng)用，清華大學出版社,2004 馬 放.環(huán)境生物技術(shù)，化工出版社，2003 周少奇.環(huán)境生物技術(shù)，科學出版社，2003 邢新會譯.環(huán)境生物理論與應(yīng)用，化工出版社，2006 楊柳燕.環(huán)境微生物技術(shù)，科學出版社，2003 孔繁翔.環(huán)境生物學, 高教出版社,2000,3,講授內(nèi)容,一、緒論 二、污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,2 污染物的生化降解與環(huán)境生物工程,4,人類社會的發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的文明，但同

2、時也帶來許多生態(tài)環(huán)境問題。,(一) 環(huán)境問題,一、緒論,5,1. 什么是環(huán)境問題？,廣義：由自然力或人力引起生態(tài)平衡破壞，最后直接或間接影響人類的生存和發(fā)展的一切客觀存在的問題。,狹義：由于人類生產(chǎn)和生活活動，使自然生態(tài)系統(tǒng)失去平衡，反過來影響人類生存和發(fā)展的一切問題。,環(huán)境問題,（一） 環(huán)境問題,6,環(huán)境問題產(chǎn)生是人類社會發(fā)展到一定階段人類與環(huán)境矛盾激化的產(chǎn)物。 其實質(zhì)是由于人類活動超出了環(huán)境的承受能力，對其所賴以生存的自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了破壞作用，導致人與其生存環(huán)境的不協(xié)調(diào)。,（一） 環(huán)境問題,生態(tài)環(huán)境破壞 環(huán)境污染,引起,7,環(huán)境污染：是指有害物質(zhì)或因子進入環(huán)境，并在環(huán)境中擴散

3、、遷移、轉(zhuǎn)化、使環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，對人類以及其他生物的生存和發(fā)展產(chǎn)生不利影響的現(xiàn)象。如，工業(yè)廢水和生活污水的排放，使湖泊等水體水質(zhì)變壞。 具體地說：環(huán)境污染就是指有害物質(zhì)對大氣、水、土壤和動植物污染并達到有害的程度。,生態(tài)環(huán)境破壞：人類活動直接作用于自然生態(tài)系統(tǒng)，造成生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力顯著減少和結(jié)構(gòu)顯著改變，如草原退化、物種滅絕、水土流失等。,生態(tài)環(huán)境破壞和環(huán)境污染,（一） 環(huán)境問題,8,2. 我國環(huán)境現(xiàn)狀,我國是世界上環(huán)境污染最為嚴重的國家之一。 我國在過去幾十年的經(jīng)濟發(fā)展中，由于忽視了發(fā)展中的環(huán)境保護 ，目前環(huán)境狀況十分嚴峻。近年來雖采取了大量控制措施，但環(huán)境質(zhì)量下降的趨勢仍在繼

4、續(xù) 。,9,生態(tài)環(huán)境問題 我國的生態(tài)環(huán)境問題主要是： （1）森林生態(tài)功能較弱； （2）草原退化與減少的狀況難以根本改變； （3）水土流失、土壤沙化、耕地被占； （4）水旱災(zāi)害日益嚴重； （5）水資源短缺。,我國的環(huán)境問題 : 生態(tài)環(huán)境問題、環(huán)境污染嚴重,10,被毀滅的林區(qū),11,荒漠化的土地,12,環(huán)境污染嚴重,(3)工業(yè)固體廢棄物增加,(2)水污染嚴重,(1)大氣污染仍十分嚴重,我國的環(huán)境問題 : 生態(tài)環(huán)境問題、環(huán)境污染嚴重,13,我國大氣污染十分嚴重。貴陽、重慶、北京、蘭州等城市位于世界十大空氣污染最嚴重的城市之列。全國600多個城市中、大氣質(zhì)量符合國家一級標準的不足1%。,（1）空氣污染

5、,環(huán)境污染嚴重,14,沙塵的危害,15,被污染的空氣所籠罩的城市,16,我國約有三分之一的工業(yè)廢水和三分之二的生活污水未經(jīng)處理直接排入水體。 其他未經(jīng)處理的污水直接排人江河湖海，致使我國的水環(huán)境遭受嚴重污染和破壞。,(2) 水體污染,環(huán)境污染嚴重,17,年全國廢污水排放量達億噸，比 年增加了倍多。,18,水維持著整個自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡與運動，在其流動過程中，將人們一味追求財富的過程中，排泄的有毒、有害、致畸、致癌及其它廢棄物輸送到每一個角落，導致生態(tài)平衡的破壞，最終威脅人類的生存和發(fā)展。水就象生物圈的血液一樣，水污染可以說是自然界的血液病。,(2) 水體污染,環(huán)境污染嚴重,19,指水體因某種物

6、質(zhì)的介入，而導致其化學、物理、生物或者放射性等方面特性的改變，從而影響水的有效利用、危害人體健康、破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。,環(huán)境污染嚴重,（2） 水體污染,水體污染？,20,21, 類：主要適用于源頭水、國家自然保護區(qū)。 類：主要適用于集中式生活飲用水水源地一級保護區(qū)、珍貴魚類保護區(qū)、魚蝦產(chǎn)卵場等。 類：主要適用于集中式生活飲用水水源地二級保護區(qū)、一般魚類保護區(qū)及游泳區(qū)。 類：主要適用于一般工業(yè)區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)。 類：主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。,依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護目標，按功能高低依次劃分為五類:,地表水環(huán)境質(zhì)量標準 （GB 3838-2002）2

7、002年4月26日 頒布,22,(2) 水體污染,據(jù)統(tǒng)計： 全國七大水系(遼河、海河、淮河、黃河、松花江、珠江、長江)和內(nèi)陸河流的110個重點河段中，屬4類和5類水體的占39%； 約50%的城市地下水受到不同程度的污染。 全國大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富 營養(yǎng)化程度逐年加??； 一些地區(qū)的飲用水源受到嚴重污染，對人民健康造成嚴重危害。,23,我們的母親 河,24,綠藻泛濫的滇池,25,水體富營養(yǎng)化,水體富營養(yǎng)化的概念：人類將富含氮、磷的生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田退水等排放入湖泊、河流、海洋，使上述水體的氮、磷營養(yǎng)過剩，促使水體中藻類過量生長的現(xiàn)象。,26,目前我國在河流、湖泊的治理和修復中投入了

8、大量人力、物力，獲得許多成功經(jīng)驗，但仍有許多研究和工作有待提高和改進。,我國的環(huán)境問題 : 生態(tài)環(huán)境問題、環(huán)境污染嚴重,（2） 水體污染,作為我國建設(shè)創(chuàng)新型國家的綱領(lǐng)性文件，國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（20062020年）確定了16個重大科技專項研究，“水體污染控制與治理”是其中的第七個，著重解決制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展可持續(xù)的水污染重大技術(shù)瓶頸問題。,27,16個重大專項包括：核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件，極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)軟件，極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝，新一代寬帶無線移動通信，高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造技術(shù)，大型油氣田及煤層氣開發(fā)，大型先進壓水堆及高溫氣冷堆核電站，水

9、體污染控制與治理，轉(zhuǎn)基因生物新品種培育，重大新藥創(chuàng)制，艾滋病和病毒性肝炎等重大傳染病防治，大型飛機，高分辨率對地觀測系統(tǒng)，載人航天與探月工程。,28,國家重大水專項（水體污染控制與治理科技重大專項），涵蓋6個主題、33個項目、總計238個課題，示范工程分布在全國27個省、市、自治區(qū)，實施周期長達15年（2006-2020年） 。 “十一五”期間總投資112.66億元，其中中央財政投入45.43億元，是新中國成立以來環(huán)境領(lǐng)域最大的科研項目。,29,(3)城市污染,城市垃圾和工業(yè)固體廢棄物與日俱增，使200多個城市陷入垃圾包圍之中。,我國的環(huán)境問題 : 生態(tài)環(huán)境問題、環(huán)境污染嚴重,全國工業(yè)固體廢物

10、年產(chǎn)生量達8.2億噸，綜合利用率約46%。 全國城市生活垃圾年產(chǎn)生量為1.4億噸，達到無害化處理要求的不到10%。 塑料包裝物和農(nóng)膜導致的白色污染已蔓延全國各地。,30,(4)土壤污染,農(nóng)用化工產(chǎn)品：化肥,殺蟲劑,殺菌劑,除草劑 其它化學物品：石油污染，重金屬污染等 工業(yè)廢棄物：塑料，玻璃制品，電池等 農(nóng)業(yè)廢棄物：塑料，秸稈,我國的環(huán)境問題 : 生態(tài)環(huán)境問題、環(huán)境污染嚴重,31,當前，我國社會經(jīng)濟仍然保持著高速發(fā)展的態(tài)勢，由人類活動所造成的環(huán)境污染和環(huán)境質(zhì)量的惡化已成為制約我國社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的障礙。,解決環(huán)境問題的根本途徑是調(diào)節(jié)人類社會活動與環(huán)境的關(guān)系。要掌握自然生態(tài)規(guī)律，通曉環(huán)境變化過

11、程，科學地利用自然資源、改造自然。,我國的環(huán)境問題 : 生態(tài)環(huán)境問題、環(huán)境污染嚴重,32,二、污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,(一) 環(huán)境污染物及其來源(二)污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,33,(一) 環(huán)境污染物及其來源,排入大氣、水域和土壤內(nèi)的引起環(huán)境污染、對人和環(huán)境有不利影響的物質(zhì)稱為環(huán)境污染物。,1、環(huán)境污染物,34, 無直接毒害作用的無機污染物：主要指顆粒物；酸、堿及無機鹽；N、P等植物營養(yǎng)物質(zhì)。 有直接毒害作用的無機污染物：主要指毒性強、作用快的，國際公認的6大毒性物質(zhì)（氰化物、砷化物、Hg、Cd、Pb 、Cr）。,無機污染物：,2、污染物分類,35,(一) 環(huán)境污染物及其來源,地表水體污染物

12、 生活污水 工業(yè)廢水 農(nóng)業(yè)廢水和灌溉水 大氣污染物 粉塵、煙、飛灰、霧等； 含硫化合物、含氮化合物、碳氫化合物、碳氧化合物、鹵素化合物等 固體廢棄物,3、環(huán)境污染物的來源,36,1.生物降解與生物凈化,生物降解（Biodegradation）:指由于生物的氧化及其它轉(zhuǎn)化作用，把污染物大分子轉(zhuǎn)會為小分子過程，從而實現(xiàn)污染物的分解或降解。,其中微生物所起的作用最大。,生物凈化：生物通過自身的代謝，使環(huán)境中的污染物數(shù)量減少，濃度下降，毒性減輕 ，有害成分轉(zhuǎn)化、分解 ，直至消失的過程。,（二）污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,37,3.微生物對物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點,（1）微生物個體微小，比表面積大，代謝速率大

13、； 21012個細菌平均重1克，大腸桿菌比表面積 約為人的30萬倍。 （2）種類繁多，分布廣泛，代謝類型多樣； （3）微生物具有多種降解酶； （4）微生物繁殖快，易變異，適應(yīng)性強； 對于進入環(huán)境中的“陌生”污染物，微生物可通過突變而改變原來的代謝類型而降解之。,微生物具有巨大的降解能力,（二）污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,利用微生物消除污染物是廣泛采用的一種方法,38,4. 微生物對污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑,微生物代謝活動中的化學作用（實質(zhì)是酶反應(yīng)） 氧化作用 還原作用 脫羧作用 水解作用 脫氨基作用等,酶(Enzyme )：一類由細胞制造和分泌、以蛋白質(zhì)為主要成分的、具有催化活性的生物催化劑。,生

14、物轉(zhuǎn)化中的酶,（二）污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,39,5.微生物對天然污染物的降解過程,天然污染物和以生物原料進行生產(chǎn)的各種廢水中，往往含有大量的的大分子有機物及其中間代謝物如碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等，這些物之不具毒性，容易被微生物降解。,（二）污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,40,5.微生物對天然污染物的降解過程,微生物對天然有機物降解轉(zhuǎn)化過程可概括成如下圖式：,微生物對天然有機污染物代謝的基本過程包括：向基質(zhì)接近，吸附在固體基質(zhì)上，分泌胞外酶，可滲透物質(zhì)的吸收和細胞內(nèi)代謝。,（二）污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,41,（1）碳水化合物的微生物降解,5.微生物對天然污染物的降解過程,來源：棉紡印染廢水、

15、造紙廢水、人造纖維廢水及生活垃圾等。,纖維素的降解,42,（1）碳水化合物的微生物降解,5.微生物對天然污染物的降解過程,淀粉的降解,來源：淀粉廠、酒廠廢水、印染廢水、抗生素發(fā)酵廢水及生活污水等均含有淀粉。,43,甘油轉(zhuǎn)化成丙酮酸 脂肪酸的轉(zhuǎn)化 有氧條件下，經(jīng)-氧化，最后進入TCA循環(huán) 無氧條件下，轉(zhuǎn)化成為有機酸、醇、二氧化碳,（2）脂肪的微生物降解,脂肪水解成脂肪酸和甘油,5.微生物對天然污染物的降解過程,（二）污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,44,5.微生物對天然污染物的降解過程,（3）蛋白質(zhì)的微生物降解,蛋白質(zhì)水解成氨基酸,氨基酸脫氨成脂肪酸 總之，蛋白質(zhì)通過微生物作用: 有氧條件二氧化碳、水

16、、氨；（降解徹底） 無氧條件簡單有機酸、醇、二氧化碳。（降解不徹底）,（二）污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,45,（4）微生物對烴類化合物的降解過程,（三）微生物對污染物降解與轉(zhuǎn)化,46,芳香族化合物的生物降解過程 第一步：芳香族化合物中大部分被微生物 作用去掉環(huán)上的側(cè)鏈基團，使之 轉(zhuǎn)變成兒茶酚或原兒茶酸. 第二步：形成有機酸. 第三步：進入TCA 循環(huán)形成二氧化碳和水.,來源：煉油廠、煤氣廠、焦化廠、化肥廠。,(5)芳香族化合物的生物降解,（三）微生物對污染物降解與轉(zhuǎn)化,47,芳香族化合物的生物降解,(5)芳香族化合物的生物降解,48,苯、萘、菲、蒽的降解為如下圖所示(苯的代謝),芳香族化合物先被

17、氧化為鄰苯二酚(兒茶酚)或原兒茶酸，芳香烴在降解的后半段基本相同.,(5)芳香族化合物的生物降解,49,6.影響微生物對物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素（1）,微生物的代謝活性 不同種類微生物對同一底物的反應(yīng)不同； 微生物在不同的生長時期的活性是不相同的，在對數(shù)期代謝最旺盛，活性最強。 微生物的種類組成決定化合物降解的方向和速度，同時微生物的種類組成又與環(huán)境中的化學物質(zhì)有關(guān)。 微生物的適應(yīng)性 馴化（Domestication）：是一種定向選育微生物的方法與過程，通過人工措施使微生物逐步適應(yīng)某特定條件，最后獲得具有較高耐受力和代謝活性的菌株。,（二）污染物質(zhì)的生物降解與轉(zhuǎn)化,50,6.影響微生物對物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素（2）,化合物的結(jié)構(gòu) 分子大??； 鏈狀或環(huán)狀；取代基的類型（羥基、胺基有利；鹵代結(jié)果不利）、數(shù)目和位置（鏈狀或環(huán)狀）等 烴類：鏈烴的易降解性大于環(huán)烴，直鏈烴大于支鏈烴，不飽和烴大于飽和烴，支鏈烷基越多，越不易被降解 當主鏈上的C被S、N、O取代時，對生物氧化的阻抗上升 官能團的性質(zhì)和數(shù)量 分子量大小 環(huán)境因素