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第二章微生物對(duì)污染物的降解和轉(zhuǎn)化 第五節(jié)有機(jī)污染物生物降解途徑 自然界物質(zhì)循環(huán)中微生物的作用 一 生物組分的大分子有機(jī)物降解 1 多糖類的生物降解纖維素的降解纖維素 植物結(jié)構(gòu)多糖生物降解必須在產(chǎn)纖維素酶的微生物作用下分解成單糖 纖維素酶包括 C1酶和Cx酶 1 4 葡聚糖酶 葡萄糖苷酶 微生物分解纖維素的生化機(jī)制 纖維素單糖 纖維素復(fù)合酶的類型 按作用場(chǎng)所分 表面酶 分布于細(xì)胞表面 不能在其細(xì)胞培養(yǎng)液中起作用的酶 食纖維菌 外酶 分泌到胞外 在細(xì)胞生活環(huán)境中起作用的酶 真菌的纖維素酶 內(nèi)切葡萄糖酶外切葡萄糖酶 葡萄糖苷酶 纖維素復(fù)合酶 分解纖維素的微生物 1 有氧 中溫條件 a 真菌 木霉屬 木材腐朽 棕色腐朽 褐腐 真菌分解纖維素剩下木質(zhì)素白腐 真菌分解木質(zhì)素剩下纖維素 b 細(xì)菌 食纖維菌屬 c 放線菌 2 無氧中溫條件細(xì)菌 纖維分解梭菌 真菌 木朽菌 層孔菌放線菌 3 高溫條件 在60 70 條件下生長(zhǎng) 并分解纖維素細(xì)菌 熱纖維菌放線菌 鏈霉菌屬 小單孢菌屬 1 多糖類的生物降解 一 生物組分的大分子有機(jī)物降解 淀粉 植物的貯存多糖由產(chǎn)淀粉酶的微生物將淀粉水解成麥芽糖 在進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)被微生物分解 利用 1 多糖類的生物降解 一 生物組分的大分子有機(jī)物降解 原果膠 半乳糖醛酸以 1 4糖苷鍵連成的多糖由原果膠酶分解成可溶性果膠 再進(jìn)一步降解成果膠酸 半乳糖醛酸 半纖維素的分解 五碳糖 六碳糖及糖醛酸的組成的多糖 分解半纖維素的微生物 一 生物組分的大分子有機(jī)物降解 2 木質(zhì)素的生物降解 微生物不可以直接將木素作為碳源來利用 可降解木素的酶 Mn過氧化物酶 漆酶 木素降解酶 木素一般是先被降解成芳香族化合物 再由多種微生物繼續(xù)進(jìn)行分解 一 生物組分的大分子有機(jī)物降解 3 脂類生物降解脂質(zhì)或稱脂類 lipids 是由脂肪酸與醇縮合生成的酯及其衍生物 根據(jù)脂類的主要成分分類 可將脂類分為單脂和復(fù)脂 單脂是由各種高級(jí)脂肪酸和醇構(gòu)成的酯 如常說的油脂 僅含有脂肪酸和醇 復(fù)脂是除含有脂肪酸和各種醇以外還含有其它成分的酯 如結(jié)合磷酸的稱為 磷脂 phopholipids 等 顯著特點(diǎn)是一般不溶于水 而溶于乙醚 氯仿 苯等有機(jī)溶劑 這種溶于有機(jī)溶劑而不溶于水的特性稱為 脂溶性 酯類物質(zhì)一般先通過脂肪酶降解成甘油和脂肪酸 甘油能被大多數(shù)微生物所利用 脂肪酸通過 氧化 分解成多個(gè)乙酸 二 烴類化合物的微生物降解 1 烷烴類的微生物降解 1 甲烷的氧化 CH4 CH3OH HCHO HCOOH CO2 2 乙烷 丙烷 丁烷的氧化 在甲烷菌的共代謝作用下 生成相應(yīng)的酮 進(jìn)一步被微生物降解 3 高級(jí)烷烴類的氧化 高級(jí)烷烴低級(jí)化 低級(jí)形成相應(yīng)的醛 酸 酮等 2 烯烴類的微生物降解 根據(jù)雙鍵位置不同 中部或C1 C2之間 氧化途徑不同 圖2 5有三種可能 二 烴類化合物的微生物降解 3 芳烴類的微生物降解 如有側(cè)鏈 一般先從側(cè)鏈開始分解 各種芳烴類化合物雖然最終的步驟可能不同 但他們都有共同的中間產(chǎn)物 雙酚類化合物 4 脂環(huán)烴類的微生物降解 烴類中 此類的抗生物降解性最強(qiáng) 5 海洋油污的微生物降解及其生態(tài)學(xué)特征 1 海洋中石油污染物的遷移途徑主要由于石油降解微生物作用得以凈化 2 海洋石油降解微生物的特點(diǎn)分布上在近海 不在遠(yuǎn)海 石油降解菌的生長(zhǎng)位置在水油交界處 而不是在油液中 3 環(huán)境因子的影響溫度 氧和N P 二 烴類化合物的微生物降解 三 農(nóng)藥的微生物降解與轉(zhuǎn)化 1 農(nóng)藥的環(huán)境污染 目前使用的農(nóng)藥主要有有機(jī)氯 有機(jī)磷 有機(jī)氮和有機(jī)硫類 其中有機(jī)氯類最具危險(xiǎn)性 有機(jī)氯類農(nóng)藥為脂溶性的 易進(jìn)入生物體內(nèi) 富集于內(nèi)臟中 2 微生物對(duì)農(nóng)藥的降解和轉(zhuǎn)化 都是先被降解成雙酚結(jié)構(gòu) 再被其他微生物繼續(xù)降解 2 4 D 2 4 二氯苯氧乙酸 草芽蘋和2 4 5 T的降解 DDT的降解 僅能通過微生物的共代謝得到降解 1 2 4 D 2 4 二氯苯氧乙酸 真菌中黑曲霉 僅能將 OH基引入芳香環(huán) 2 草芽蘋和2 4 5 T的降解 四 其它合成有機(jī)物的微生物降解與轉(zhuǎn)化 1 合成洗滌劑的降解和轉(zhuǎn)化 LAS經(jīng)末端氧化 氧化 脫磺基等作用產(chǎn)生苯甲酸或苯乙酸 產(chǎn)生鄰苯二酚降解 2 多氯聯(lián)苯 Polychlorobiphenyl PCB 的降解 廣泛應(yīng)用于化工 電氣 橡膠和塑料工業(yè) 氯含量與降解難易程度相關(guān) 光降解作用有利于脫氯 提高多氯聯(lián)苯可生物降解性能 3 聚乙二醇 Polyethylenglycol PEG 的降解 PEG400易降解 PEG1500降解速度下降 PEG4000難降解 4 增塑劑的降解 光降解作用使塑料粉末化 相對(duì)分子量降至5000以下 利用微生物利用 五 有機(jī)汞的微生物分解 轉(zhuǎn)化 抗汞微生物將有機(jī)汞還原為無機(jī)汞化物或金屬汞 一 氨化作用 1 蛋白質(zhì)分解 2 核酸的分解的氨化 六 氮素循環(huán)中微生物的作用 一 氨化作用 3 尿素的氨化 尿素細(xì)菌 1 球菌 尿素生孢八疊球菌2 芽孢桿菌 巴斯德尿素芽孢桿菌 六 氮素循環(huán)中微生物的作用 一 氨化作用 3 尿素的氨化 尿素細(xì)菌的生理特點(diǎn) 喜好堿性條件 以尿素 銨鹽為N源 以有機(jī)C為C源 能源 二 硝化作用 銨氧化形成硝酸的微生物學(xué)過程 硝化作用 化能自養(yǎng)型 異養(yǎng)型 1 硝化細(xì)菌和硝化作用的過程 2 影響硝化作用的環(huán)境因素 1 pH值 適宜微堿性 2 溫度 4 40 最適 25 35 3 通氣 需氧 4 濕度 過量影響通氣 不足引起細(xì)胞缺水 3 硝化作用的農(nóng)業(yè)意義 淋溶硝化作用的化學(xué)抑制 二 硝化作用 六 氮素循環(huán)中微生物的作用 三 反硝化作用 微生物還原硝酸為亞硝酸 氨和N2的作用 HNO3 N2O或N2 NH3 合成性硝酸還原作用 硝酸鹽的異化還原作用 脫氮 1 反硝化作用的過程 三 反硝化作用 2 反硝化作用微生物大多數(shù) 異養(yǎng)兼厭氣性極少數(shù) 化能自養(yǎng)型 脫氮硫桿菌 三 反硝化作用 3 環(huán)境對(duì)反硝化作用的影響 水分及通氣狀況 pH值 有機(jī)質(zhì)與NO 3含量 水稻土長(zhǎng)期的干濕交替的狀況 思考題 1簡(jiǎn)要說明多糖類化合物 纖維素 半纖維素 淀粉 原果膠 的生物代謝途徑 2芳香族化合物的生化降解途徑有何特點(diǎn)