环境生物化学第七章PPT格式课件下载.ppt

1、a.初级生物降解：有机污染物本来的结构发生部分变化 b.环境容许的生物降解：除去有机污染物的毒性或者人们所不希望的特性 c.最终生物降解：有机物完全被降解成CO2、水和其他无机物，并被同化为微生物的一部分 环境生物化学环境生物化学 图7-1聚乙烯醇的生物降解中的三个阶段 环境生物化学环境生物化学 图7-2 2小时中PVA生物降解进程和矿化度的变化1.PVA浓度；2.CODcr；3.CO2；4.PVA的矿化度；5.CODcr的矿化度 环境生物化学环境生物化学 污染物在环境中的降解有多种途径，由于生物的作用而引起的污染物的分解或降解，即为生物降解。在生物降解中，作用最大的生物类群是微生物。微生物在

2、环境中与污染物发生相互作用，通过其代谢活动，会使污染物发生氧化反应、还原反应、水解反应、脱羧基反应、脱氨基反应、羟基化反应、酯化反应等多种生理生化反应。7.1.2 微生物降解有机微生物降解有机污染物的作用污染物的作用环境生物化学环境生物化学 7.1.2 微生物降解有机微生物降解有机污染物的作用污染物的作用（1）氧化作用（2）还原作用（3）基团转移作用（4）水解作用（5）酯化作用（6）缩合作用（7）氨化作用（8）乙酰化作用（9）双键断裂反应（10）卤原子移动 环境生物化学环境生物化学 （1）氧化作用）氧化作用包括Fe、S等单质的氧化，NH3、NO2 等化合物的氧化，也包括一些有机物基团的氧化，如

3、甲基、羟基、醛等。在环境中，这些氧化作用大都是由微生物引起的，如氧化亚铁硫杆菌Thiobacilius ferrooxidans 对亚铁的氧化，铜绿假单胞杆菌Pseudomonas aenurinosa对乙醛的氧化，以及亚硝化菌和硝化菌对氨的氧化作用等。氧化作用普遍存在于各种好氧环境中，是最常见的也是最重要的生物代谢活动。环境生物化学环境生物化学 醇的氧化 醋化醋杆菌（Acetobacteraceti）将乙醇氧化为乙酸，氧化节杆菌（Arthrobacterozydans）将丙二醇氧化为乳酸。醛的氧化 铜绿假单胞菌（Pseudompnas aeruginosa）将乙醛氧化为乙酸。甲基的氧化 铜绿

4、假单胞菌将甲苯氧化为安息香酸。表面活性剂的甲基氧化主要是亲油基末端的甲基氧化为羧基的过程。（1）氧化作用）氧化作用环境生物化学环境生物化学 氨的氧化 亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）可进行此反应。亚硝酸的氧化 硝化杆菌属（Nitrobacter）可进行此反应。硫的氧化 氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）可进行此反应。铁的氧化 氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）可进行此反应。（1）氧化作用）氧化作用环境生物化学环境生物化学 过氧化 艾氏剂和七氯可被微生物过氧化苯环羟基化 尼古丁酸，2，4D和苯甲酸等化合物可通过微生物的氧化

5、作用使苯环羟基化。芳环裂解 苯酚系列的化合物可在微生物的作用下使环裂解。杂环裂解 五元环（杂环农药）和六元环化合物的裂解（1）氧化作用）氧化作用环境生物化学环境生物化学 环氧化 对于环戊二烯类杀虫剂来说，其生物降解作用机制包括脱卤，水解，还原和羟基化作用，但是环氧化作用是生物降解的主要机制。（1）氧化作用）氧化作用环境生物化学环境生物化学 （2）还原作用）还原作用包括高价铁和硫酸盐的还原、NO3-的还原、羟基或醇的还原等，还原作用与氧化作用所存在的环境不同，还原作用需要缺氧或者厌氧（无氧）的环境。有些还原作用是氧化作用的逆过程，但有些则不是逆过程，如NH3被氧化为NO3-,而NO3-被还原为N

6、2。乙烯基的还原 如大肠杆菌（Escherichia coliform）可将延胡索酸还原为琥珀酸。环境生物化学环境生物化学 醇的还原 如丙酸羧菌（Clostridium propionicum）可将乳酸还原为丙酸。醌类的还原 醌类可以被还原成酚类。芳环羟基化 苯甲酸盐在厌氧条件下可以羟基化。双键还原作用三键还原作用（2）还原作用）还原作用环境生物化学环境生物化学 （3）基团转移作用）基团转移作用 脱羧作用 有机酸是普遍存在于受有机污染的各种环境中，通过脱羧基直接使有机酸分子变小（脱羧基减少一个碳原子，形成一个CO2分子）。连续的脱羧基反应可以使有机酸得到彻底的降解。一些小分子（短链）的有机酸经

7、脱羧基作用很快得到降解。如戊糖丙酸杆菌（Propionibacterium pentosaceum）可使琥珀酸等羧酸为丙酸。尼古丁酸和儿茶酸也可进行脱羧反应。环境生物化学环境生物化学 （3）基团转移作用）基团转移作用 脱氨基作用 使带有氨基（-NH2）的有机物质脱除氨基，并能得到进一步的降解。主要是在蛋白质降解方面作用很大。构成蛋白质的氨基酸的降解必须先经脱氨基作用，然后才像普通有机酸一样经过脱羧基作用等得到进一步的降解。如丙氨酸可在腐败芽孢杆菌（Bacillus putrificus）作用下脱氨基而成为丙酸。环境生物化学环境生物化学 脱卤作用 常见于农药的生物降解，是某些脂肪酸生物降解的起始

8、反应，若干氯代烃农药的生物降解也有此种反应。脱烃反应 常见于某些有烃基链接在氨，氧或硫原子上的农药。脱氢卤 可发生此反应的典型化合物为BHC和p,p-DDT等。脱水反应 如芽孢杆菌属（Bacillus）可使甘油脱水为丙烯醛。（3）基团转移作用）基团转移作用 环境生物化学环境生物化学 （4）水解作用）水解作用 水解作用是一种很基本的生物代谢作用，许多种微生物可以发生水解作用，水解作用在处理一些有机大分子时，经常会用到水解作用这一特殊的生物化学反应，使有机大分子转化为根小的分子，甚至接近其他生物或者其他反应所要求的污染物质特征。环境生物化学环境生物化学 （4）水解作用）水解作用 酯类的水解 多种微

9、生物可发生此反应 氨类也可被许多微生物水解 磷酸酯水解 腈水解 卤代烃水解去卤 卤代苯甲酸盐、苯氧基乙酸盐、芳草枯等可通过水解进行降解 环境生物化学环境生物化学 （5）酯化作用）酯化作用羧酸与醇发生酯化反应。如Hansenula anomola可将乳酸转变为乳酸酯。（6）缩合作用）缩合作用（7）氨化作用氨化作用如乙醛可在某些酵母的作用下缩合成3羟基丁酮如丙酮酸可在某些酵母作用下发生氨化反应，生成丙氨酸环境生物化学环境生物化学 （9）双键断裂反应）双键断裂反应偶氮染料在厌氧菌的作用下，先发生脱氯反应生成两个中间产物，再经好氧过程才进一步生物降解（8）乙酰化作用）乙酰化作用如克氏梭菌（Clostr

10、idium kluyueri）等可进行乙酰化作用（10）卤原子移动卤原子移动卤代苯，2，4D等污染物降解时可进行此反应。环境生物化学环境生物化学 7.1.3污染物生物降解污染物生物降解的动力学的动力学 动力学是指标靶化合物的微生物降解速率。生物系统包含多微生物,每种微生物有不同的酶系，因此经常用总的速率常数来描述降解速度。这个常数一般在试验室模拟测定。通过研究基质浓度与降解速率之间的关系，提出两类常用的经验模式:幂指数定律（Power rate law）不考虑微生物生长的基质降解模式。双曲线定律（Hyperbolic rate law）考虑微生物生长的基质降解模式。环境生物化学环境生物化学 冪

11、指数定律冪指数定律 在基质降解过程中，如果不考虑微生物生长这一因素可以用幂指数定律来描述基质降解速率（反应速率）与基质浓度的关系。降解速率与基质浓度n次幂成正比：7-1 式中 为基质浓度；为生物降解速率常数；为反应级数。环境生物化学环境生物化学 反应可以是零级反应，即反应速率与任何基质浓度无关，即式（71）可以用下式表示：7-2 对式（72）积分，速率定律的形式为：7-3 式中 o为基质的起始浓度；为任意时间的基质浓度。适用情况：单一反应物转变为单一的生成物或基质浓度很高。冪指数定律冪指数定律 环境生物化学环境生物化学 如果基质浓度很低，又不了解系统的动力学关系的情况下，可以假定n为1，即一级

12、反应关系。可以下式表示：7-4对方程（7-4）积分，得到速率的积分形式 7-5 或 7-6 根据 和时间t的斜率即可以求出k值 冪指数定律冪指数定律 环境生物化学环境生物化学 图7-3 基质浓度随时间以一级反应速率消失 冪指数定律冪指数定律 环境生物化学环境生物化学 原始基质浓度降解一半所需要的时间称为半衰期。半衰期（1/2）为：7-7 类别半衰期类别半衰期生物降解快17d生物降解慢424周生物降解较慢728d抗生物降解612月冪指数定律冪指数定律 环境生物化学环境生物化学 反应还可以是二级反应 7-8 式（7-8）的积分形式为：7-9 在下列反应中，反应会呈二级反应：2A（反应物）P（产物）

13、7-10 不同环境中反应级数不同，根据特定的一组浓度和时间t的实验数据,式（7-3）、式（7-6）和式（7-9）来判断其反应级数。冪指数定律冪指数定律 环境生物化学环境生物化学 双曲线定律双曲线定律双曲线定律是出Monod于1949年提出的，又称Monod方程 7-11 式中 为微生物的比增长速率，即单位生物量的增长速率，单位为时间-1，max为微生物的最大比增长速率；Ks为饱和常数；当max/2时所对应的基质浓度，单位为浓度单位，比如mg/L。环境生物化学环境生物化学 图7-4 基质浓度与微生物比增长速率之间关系双曲线方程 基质浓度较低时，微生物的比增长速率随基质浓度的增加而线性增加；在基质

14、浓度较高时，比增长速率接近最大值，微生物的比增长速率与基质浓度无关。双曲线定律双曲线定律环境生物化学环境生物化学 可以看到营养富集环境中的细菌比低有机成分的生境中的细菌有较高的s值；在天然水中代谢的微生物可以迅速代谢加入的分子。当然，在培养基加入的碳源的浓度远远高于表7-2所列的s值。双曲线定律双曲线定律环境生物化学环境生物化学 7.2典型有害有机污染物典型有害有机污染物微生物降解的生物化学微生物降解的生物化学7.2.1卤代烃类微生物降解的生物化学卤代烃类微生物降解的生物化学7.2.2农药微生物降解的生物化学农药微生物降解的生物化学 7.2.3洗剂剂微生物降解的生物化学洗剂剂微生物降解的生物化

15、学 7.2.4石油污染物微生物降解的生物化学石油污染物微生物降解的生物化学环境生物化学环境生物化学 卤代烃类微生物降解卤代烃类微生物降解的生物化学的生物化学 卤代有机化合物是一类非常重要的化合物，卤代有机化合物是一类非常重要的化合物，被广泛地应用于工业、农业、农药、有机合成。被广泛地应用于工业、农业、农药、有机合成。由于应用广泛，因此，卤代有机化合物进入环境由于应用广泛，因此，卤代有机化合物进入环境的机会也就很大，途径也很多。概括起来，环境的机会也就很大，途径也很多。概括起来，环境中的卤代有机物主要来自人工应用、自然生成和中的卤代有机物主要来自人工应用、自然生成和人工条件下的有机物卤化。人工条件下的有机物卤化。卤代有机化合物中卤代脂肪烃和卤代芳香族卤代有机化合物中卤代脂肪烃和卤代芳香族