1、主要教學(xué)內(nèi)容： 第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用 第二節(jié) 有機(jī)物的生物分解性 第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物的分解 第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物的生物分解 第五節(jié) 微生物對無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用 第六節(jié) 生物對污染物的濃縮與吸附作用,第九章 微生物對污染物的分解與轉(zhuǎn)化,教學(xué)目的要求： 掌握： 1、生物分解的一般特點(diǎn)與分類。 2、有機(jī)物好氧生物分解及厭氧生物分解的概念、最終產(chǎn)物及其特點(diǎn)。 3、有機(jī)物的好氧生物分解過程及厭氧生物分解過程。,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,*一、生物分解的一般特點(diǎn)與分類 （一）、有機(jī)物生物分解的一般特點(diǎn) 微生物對有機(jī)物的分解作用稱為“生物分解”或“生物降解”。 有機(jī)物的生物分解是

2、通過一系列的生化反應(yīng)，最終將有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物或無機(jī)物的過程。 污水中有機(jī)污染物的生物分解過程見下圖。,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,圖9-1 有機(jī)污染物在污水生物處理過程中的轉(zhuǎn)化途徑,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,（二）、生物分解的分類 生物分解根據(jù)是否有氧氣存在，分為好氧分解和厭氧分解兩種類型。 有機(jī)物在有氧情況下的微生物分解，叫好氧分解。 好氧分解是好氧微生物（包括兼性微生物，主要是好氧細(xì)菌和兼性細(xì)菌）活動(dòng)的結(jié)果。,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,有機(jī)物在無氧情況下的微生物分解，叫厭氧分解。 是厭氧微生物（包括兼性微生物，主要是厭氧細(xì)菌和兼性細(xì)菌）活動(dòng)的結(jié)果。 好氧分解與

3、厭氧分解相比，有機(jī)物的好氧分解速率快，分解程度徹底，轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的比例大等特點(diǎn)。,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,1、有機(jī)物好氧分解的最終產(chǎn)物 有機(jī)物中的元素（C、H、N、P、S）經(jīng)好氧分解的最終產(chǎn)物主要是：二氧化碳、水、硫酸鹽、磷酸鹽等。 分解反應(yīng)概括地表示如下：,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,CCO2+碳酸鹽和重碳酸鹽 HH2O NNH3HNO2HNO3 SH2SO4 PH3PO4 上式中的各種酸又可與水中的堿性物質(zhì)作用，形成相應(yīng)的鹽類。,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,2、有機(jī)物厭氧分解的最終產(chǎn)物 有機(jī)物中的元素（C、H、N、P、S）經(jīng)厭氧分解的產(chǎn)物主要是：甲烷、二氧化碳、氨、硫化

4、氫等。 分解反應(yīng)概括地表示如下： C有機(jī)酸（脂肪酸）等 CO2、CH4 N氨基酸NH3+有機(jī)酸 SH2S（有臭味、能和廢水中的鐵形成黑色的硫化鐵） PPO43-,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,圖9-2,此時(shí)有機(jī)物有2/3合成菌體，1/3分解。,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,二、有機(jī)物的好氧分解 *有機(jī)物的好氧分解過程：,注意：上述生物氧化過程同時(shí)存在著內(nèi)源呼吸。 當(dāng)有機(jī)物充足時(shí)，細(xì)胞物質(zhì)大量合成，內(nèi)源呼吸不顯著，所以圖中未表示細(xì)胞物質(zhì)的氧化過程。 有機(jī)物幾乎耗盡時(shí)，內(nèi)源呼吸成為供應(yīng)能量的主要方式，最后細(xì)菌由于缺乏能量而死亡。 生物處理構(gòu)筑物內(nèi)新增長細(xì)胞物質(zhì)量的計(jì)算以及有機(jī)物降解需氧量的

5、計(jì)算見后續(xù)專業(yè)課。,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,三、有機(jī)物的厭氧分解 有機(jī)物厭氧分解過程： 早期的有機(jī)物厭氧分解過程有兩階段理論、三階段理論。 20世紀(jì)70年代提出三階段理論和四類群理論。 厭氧分解時(shí)，有機(jī)物有10%合成菌體。 兩階段理論、三階段理論、三階段理論和四類群理論的厭氧分解過程如下：,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,圖9-3 有機(jī)物厭氧分解兩階段理論,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,圖9-4 厭氧消化三階段理論,第一節(jié) 微生物對有機(jī)物的分解作用,*,圖9-5 厭氧消化三階段、四階段過程,教學(xué)目的要求： 掌握： 1、微生物的共代謝現(xiàn)象。,第二節(jié) 有機(jī)物的生物分解性,一、有機(jī)物

6、的生物分解性與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系 （一）、增加A類取代基（即異源基團(tuán)）一般分解性變差，增加B類取代基，有時(shí)可以增加生物分解性。 A類取代基：-CI，-SO3H，-CH3等。 B類取代基：-0H，-COH等。 （二）、異源基團(tuán)數(shù)目增加越多，生物分解性越差。 （三）、異源基團(tuán)的位置對生物分解性產(chǎn)生顯著影響。 （四）、甲基分支越多，生物分解性越差。,第二節(jié) 有機(jī)物的生物分解性,（五）、對于脂肪族化合物，其分子量越大越不易生物分解。 （六）、芳香族化合物的生物分解性一般低于小分子的脂肪族化合物。 （七）、對于復(fù)環(huán)芳烴，其苯環(huán)越多越難生物降解。 （注意：好氧條件下的分解規(guī)律與厭氧條件下的分解規(guī)律有時(shí)不同。上

7、述情況有時(shí)也存在例外。）,第二節(jié) 有機(jī)物的生物可分解性,二、共代謝現(xiàn)象 *共代謝現(xiàn)象一些有機(jī)化合物，單獨(dú)存在時(shí)不能進(jìn)行生物分解，但在與其他有機(jī)化合物同時(shí)存在時(shí)，可以進(jìn)行生物分解，這種現(xiàn)象稱共代謝現(xiàn)象。 微生物的共代謝作用舉例： 直腸梭菌在有蛋白胨類物質(zhì)存在時(shí)，才能降解丙體六六六。 鏈霉菌需節(jié)桿菌的協(xié)同作用，才能降解二嗪農(nóng)(農(nóng)藥）。（兩種微生物共代謝二嗪農(nóng)）,第二節(jié) 有機(jī)物的生物可分解性,在實(shí)踐中，已有某些難降解的有機(jī)物，經(jīng)合適的微生物的一系列共代謝作用而徹底降解。因此，共代謝在難生物降解化合物的降解轉(zhuǎn)化中將起重要的作用。 共代謝作用的機(jī)理有待于繼續(xù)研究。,第二節(jié) 有機(jī)物的生物可分解性,三、污水

8、中有機(jī)物的生物分解性評價(jià) 污水中混合有機(jī)污染物可生物降解性評價(jià)方法主要有： BOD5/CODCr比值法、瓦氏呼吸儀測量法、BOD5和TOC的比值等。 常用的簡單易行的方法是BOD5/CODCr比值法。一般認(rèn)為：,第二節(jié) 有機(jī)物的生物可分解性,BOD5/CODCr比值大于0.40.6(0.45)，該廢水可生化性較好。 0.2BOD5/CODCr0.4,較難生物處理。 BOD5/CODCr0.1，難以生物處理。,第二節(jié) 有機(jī)物的生物可分解性,教學(xué)目的要求： 掌握： 1、纖維素、淀粉的微生物分解過程。,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物的生物分解,一、纖維素、半纖維素的生物分解 （一）、纖維素的生物分解 纖維

9、素是在自然界分布很廣的一種多糖。 1、纖維素的來源 樹木、農(nóng)作物中都含有大量纖維素。 纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分，也是數(shù)量最大的一類環(huán)境污染物。 印染廢水由于洗布、上漿和造紙廢水由于用木材等做原料，中含有較多的纖維素。,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物的生物分解,*2、纖維素在微生物作用下的降解過程,葡萄糖好氧生物分解：,葡萄糖厭氧生物分解：,第三節(jié) 典型的不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,第一階段：,第二階段：,在厭氧情況下，許多微生物還可以將一些簡單的有機(jī)酸分解生成二氧化碳和氫氣等。,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,3、分解纖維素的微生物 分解纖維素的微生物主要有纖維黏菌、生孢纖維黏菌、纖維桿菌、纖維弧菌

10、、纖維單胞菌、鏈刀霉、青霉、木霉、曲霉、毛霉以及某些放線菌。（有纖維素酶） 上述微生物將纖維素水解為葡萄糖后，葡萄糖的分解則可以由不能產(chǎn)生纖維素酶的細(xì)菌或微生物協(xié)助完成。（不能產(chǎn)生纖維素酶的細(xì)菌或微生物能參與上述葡萄糖的分解。）,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,（二）、半纖維素的生物分解 1、半纖維素的來源 人造纖維工業(yè)廢水、造紙工業(yè)廢水等。,2、半纖維素在微生物作用下的降解過程,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,切入酵解途徑,3、分解半纖維素的微生物 許多芽孢桿菌、假單胞菌、放線菌、根霉、青霉、鐮刀霉、曲霉等。 上述微生物將半纖維素水解后，水解后的產(chǎn)物則可以由其它微生物協(xié)助完成。,第三節(jié)

11、典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,二、淀粉的生物分解 1、淀粉的來源 糧食中含有淀粉，所以生活污水中有淀粉。 紡織、印染等工業(yè)廢水中含有淀粉。 *2、淀粉的降解過程 葡萄糖的好氧分解和厭氧分解同上。,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,淀粉,淀粉酶,葡萄糖,3、降解淀粉的微生物 主要有曲霉、根霉等霉菌。（產(chǎn)生淀粉酶） 上述微生物將淀粉水解為葡萄糖后，葡萄糖的分解則由不能產(chǎn)生淀粉酶的細(xì)菌或微生物協(xié)助完成。,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,三、脂肪的生物分解 1、來源 動(dòng)植物體。 毛紡廠、肉類加工廠、食品加工廠、油脂廠、制革廠廢水及生活污水中都含有大量脂肪類。 2、降解過程,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分

12、解,（1）、甘油的轉(zhuǎn)化 甘油3-磷酸甘油磷酸二羥丙酮丙酮酸,脂肪+水甘油+脂肪酸,甘油激酶,磷酸甘油脫氫酶,脂肪酶,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,切入酵解途徑,丙酮酸： 好氧分解：丙酮酸TCA循環(huán) 厭氧分解：丙酮酸小分子有機(jī)酸、醇等。 （2）、脂肪酸的轉(zhuǎn)化 脂肪酸進(jìn)入細(xì)胞后，在通氣良好的情況下，通過-氧化，轉(zhuǎn)化為乙酰CoA，進(jìn)入TCA循環(huán)，進(jìn)行好氧分解。 在厭氧的情況下，脂肪酸被分解為較簡單的醋酸，之后被轉(zhuǎn)化為二氧化碳、甲烷。,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,3、分解脂類的主要微生物 主要是好氧性種類，如熒光桿菌、綠膿桿菌、靈桿菌、分枝桿菌、無色桿菌、芽孢桿菌、青霉和曲霉等霉菌、某些放線

13、菌等，厭氧性細(xì)菌中的莢膜梭菌也能分解脂類物質(zhì)。 上述微生物將脂類水解后，水解后產(chǎn)物的進(jìn)一步分解由其它相應(yīng)的微生物協(xié)助完成。,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,四、芳香族化合物的生物分解 酚的微生物轉(zhuǎn)化途徑P99 五、烴類化合物的生物分解 甲烷 烯烴P206,第三節(jié) 典型不含氮有機(jī)物質(zhì)的分解,教學(xué)目的要求： 掌握： 1、蛋白質(zhì)的微生物分解過程。 2、含氮有機(jī)物質(zhì)的生物降解中生物脫氨氮的基本原理（過程）、相關(guān)概念及硝化細(xì)菌的主要特點(diǎn)。,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,一、蛋白質(zhì)的生物分解 蛋白質(zhì)是有許多氨基酸分子所組成。 （一）、來源 生活污水、屠宰廢水、罐頭食品加工廢水、乳品加工廢水及制革廢

14、水等均含有蛋白質(zhì)。 （二）、降解過程,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,1、氨化作用 *氨化作用有機(jī)氮化物轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的過程。 氨化作用包括蛋白質(zhì)的水解作用和氨基酸的脫氨基作用。 水解作用： 蛋白質(zhì)水解氨基酸進(jìn)入細(xì)菌的細(xì)胞（水解作用）,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,蛋白酶,微生物對氨基酸進(jìn)行脫氨基作用（氨基酸分解）： 在有氧條件下 RCHNH2COOH+O2RCOOH+CO2+NH3 在厭氧條件下 RCHNH2COOH+H2RCH2COOH+NH3,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,脫氨基作用形成的不含氮有機(jī)物遵循不含氮有機(jī)物的分解過程繼續(xù)分解，或進(jìn)行生物合成為細(xì)胞物質(zhì)。 如有氧存在

15、時(shí)，構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種氨基酸通過脫氨基作用可分別轉(zhuǎn)變?yōu)?酮戊二酸、草酰乙酸、延胡索酸、丙酮酸等進(jìn)入TCA循環(huán)進(jìn)行氧化分解。 無氧存在時(shí)，則進(jìn)行厭氧分解。 脫氨基作用形成的NH3，一部分可以作為微生物所需氮的來源，多余的即排泄到環(huán)境中。,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,能分解蛋白質(zhì)和氨基酸的微生物有： 氨化細(xì)菌（占主導(dǎo)作用） 好氧細(xì)菌如熒光假單胞菌、靈桿菌等。 兼性厭氧細(xì)菌如變形桿菌等。 厭氧細(xì)菌有腐敗梭菌等。 霉菌有曲霉、毛霉、木霉、鏈霉菌等。,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,2、硝化作用 *NH3的脫除：脫氨基后經(jīng)微生物體內(nèi)排出的NH3超標(biāo)，則通過生物脫氮（硝化作用、反硝化作用）進(jìn)一

16、步分解而無害化。 *硝化作用由氨氧化成硝酸的過程稱為硝化作用。,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,參與硝化作用的微生物主要是硝化細(xì)菌。 硝化細(xì)菌包括：亞硝酸細(xì)菌和硝酸細(xì)菌。 亞硝酸細(xì)菌有：亞硝化單胞菌屬、亞硝化球菌屬、亞硝化螺菌屬、亞硝化葉菌數(shù)等。 硝酸細(xì)菌有：硝化桿菌屬、硝化球菌屬、硝化刺菌屬等。 幾種亞硝酸菌和硝酸菌的典型形態(tài)：,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,亞硝酸菌,硝酸菌,圖 9-6 幾種硝化細(xì)菌,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,*硝化細(xì)菌的主要特點(diǎn) 革蘭氏染色陰性。 有強(qiáng)烈的好氧性。 適宜于中性或堿性（偏堿性）環(huán)境（pH7.0-8.1)。 是化能自養(yǎng)菌。 對毒質(zhì)十分敏感。

17、 世代時(shí)間長，824小時(shí)。 菌體收率低。,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,3、反硝化作用（硝酸鹽呼吸） *反硝化作用硝酸鹽在缺氧的情況下可被厭氧菌(多數(shù)是兼性厭氧菌或兼性細(xì)菌）作用而還原成亞硝酸鹽和氮?dú)獾?，這一過程稱為反硝化作用。 步驟（過程）：（需要有機(jī)物的供應(yīng)） 即：NO3-NO2-N2,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,參與微生物主要是反硝化細(xì)菌。反硝化細(xì)菌多數(shù)是異養(yǎng)的、兼性的，如反硝化桿菌、熒光假單胞菌等等；少數(shù)反硝化細(xì)菌是自養(yǎng)菌。 二、尿素的轉(zhuǎn)化 自然界中，尿素是人、畜尿的主要成分，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也合成和使用尿素，所以尿素在環(huán)境中大量存在。,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,（

18、一）、尿素的來源 人、畜的尿液。 某些工業(yè)廢水。 （二）、降解過程,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,尿素細(xì)菌產(chǎn)生的尿素酶（胞外酶）可以把尿素水解成碳酸銨，碳酸銨不穩(wěn)定，分解成氨、二氧化碳和水。,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,參與微生物：分解尿素的細(xì)菌有尿芽孢八疊球菌、巴斯德氏芽孢桿菌等。 氨則進(jìn)行硝化作用與反硝化作用 含氮有機(jī)物除蛋白質(zhì)和尿素以外，其它在此不作介紹，課后可參閱有關(guān)資料。,第四節(jié) 典型含氮有機(jī)物質(zhì)的生物分解,教學(xué)目的要求： 本節(jié)作一般性了解。,第五節(jié) 微生物對無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用,一、硫的生物轉(zhuǎn)化（2個(gè)典型例子） （一）、硫磺細(xì)菌對無機(jī)硫的轉(zhuǎn)化,第五節(jié) 微生物對無機(jī)元素的

19、轉(zhuǎn)化作用,（二）、硫化細(xì)菌對硫的轉(zhuǎn)化,二、磷的生物轉(zhuǎn)化 （一）、不溶性磷酸鹽的轉(zhuǎn)化,（二）、厭氧條件下磷酸鹽的轉(zhuǎn)化,第五節(jié) 微生物對無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用,三、金屬的生物轉(zhuǎn)化 （一）、鉻的生物轉(zhuǎn)化 六價(jià)格可以被某些微生物還原為三價(jià)鉻。即微生物解毒作用。,第五節(jié) 微生物對無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用,細(xì)菌還原Cr（VI）為低毒或無毒的Cr（） 典型的還原細(xì)菌有：銅綠假單胞菌、熒光假單胞菌、惡臭假單胞菌、陰溝腸桿菌等等。 曲霉菌還原Cr（VI）為低毒或無毒的Cr（）等。,第五節(jié) 微生物對無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用,Cr（VI）還原菌典型形態(tài)之一（桿菌）,圖9-7 Cr（VI）還原菌典型形態(tài)之一（桿菌）,第五節(jié) 微生物對

20、無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用,（二）、汞的生物轉(zhuǎn)化 微生物對汞的轉(zhuǎn)化作用有氧化、還原和甲基化等。 甲基化 某些微生物可以把元素汞和汞離子轉(zhuǎn)化為甲基汞等。甲基汞的毒性大于元素汞和汞離子。甲基汞可以導(dǎo)致水俁病的發(fā)生。,第五節(jié) 微生物對無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用,圖9-8 水俁病典型癥狀,第五節(jié) 微生物對無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用,短時(shí)間攝入甲基汞過多（1000mg），將導(dǎo)致痙攣、麻痹、意識障礙等急性中毒癥狀，并很快死亡。 短時(shí)間攝入甲基汞過多500mg以上，則導(dǎo)致感覺障礙運(yùn)動(dòng)失調(diào)語言障礙視野縮小聽力障礙。,第五節(jié) 微生物對無機(jī)元素的轉(zhuǎn)化作用,教學(xué)目的要求： 掌握： 1、生物對污染物的濃縮作用與放大作用的概念。,第六節(jié) 生物對污染物的濃縮與吸附作用,第六節(jié) 生物對污染物的濃縮與吸附作用,一、生物對污染物的濃縮作用 * （一）、生物濃縮 生物濃縮作用當(dāng)生物對某種化學(xué)物質(zhì)的吸收速率大于體內(nèi)分解速率與排泄速率之和時(shí)，化學(xué)物質(zhì)就會(huì)在體內(nèi)積累，這種現(xiàn)象稱為生物濃縮作用。 * （二）、生物放大 生物放大作用是指某種化學(xué)物質(zhì)在食物鏈上有低位營養(yǎng)級生物到高位營養(yǎng)級生物逐級增大的現(xiàn)象。,舉例： 湖中有機(jī)氯殺蟲劑DDT由湖水到水鳥逐級增高。 湖中有機(jī)氯殺蟲劑DDT由湖水 魚類 人類逐級增高。 二、微生物對有機(jī)污染物的吸附作用 微生物特別是細(xì)菌很小