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环境生物学——共代谢!

花匠小妙招
2025-01-17 18:35

1、1第四章第四章微生物对污染物的作用微生物对污染物的作用1.1.微生物的降解作用微生物的降解作用 2.2.共代谢共代谢3.3.微生物的去毒作用微生物的去毒作用4.4.微生物的激活作用微生物的激活作用2第一节第一节微生物的降解作用微生物的降解作用降解微生物降解微生物基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学3降解微生物降解微生物降解微生物的种类繁多，降解微生物的种类繁多，细菌、真菌和藻类细菌、真菌和藻类都可以降都可以降解有机污染物解有机污染物4细菌细菌v细菌是不具有细胞核的微生物细菌是不具有细胞核的微生物v细菌大约有细菌大约有2929门门包括：真细菌

2、（包括：真细菌（bacteriabacteria）蓝细菌（蓝细菌（cyanobacteriacyanobacteria）古细菌（古细菌（archaeaarchaea）v很多种类都可以对有机物进行降解很多种类都可以对有机物进行降解见表见表4-14-1（1 1）（3 3）v细菌是降解有机污染物的细菌是降解有机污染物的“主力军主力军”5细菌细菌细菌的基本形态细菌的基本形态（1 1）球菌：按其排列方式又可分为单球菌、）球菌：按其排列方式又可分为单球菌、双双球菌球菌、四联球菌、八叠球菌，、四联球菌、八叠球菌，葡萄球菌葡萄球菌、链球菌链球菌（2 2）杆菌：细胞形态较复杂，有短杆状、棒杆）杆菌：细胞

3、形态较复杂，有短杆状、棒杆状、梭状、月亮状、分枝状。状、梭状、月亮状、分枝状。（3 3）螺旋状：可分为弧菌（螺旋不满一环）和）螺旋状：可分为弧菌（螺旋不满一环）和螺菌（螺旋满螺菌（螺旋满2626环，小的坚硬的螺旋状细菌）。环，小的坚硬的螺旋状细菌）。此外，人们还发现星状和方形细菌。此外，人们还发现星状和方形细菌。 6细菌细菌7细菌细菌细菌与真菌的不同细菌与真菌的不同v生物类型不同生物类型不同v细胞结构不同细胞结构不同v细胞大小不同细胞大小不同v增殖方式不同增殖方式不同v名称组成不同名称组成不同8细菌细菌细菌的结构细菌的结构9细菌细菌梭菌属梭菌属脱硫肠状菌属脱硫肠状菌属10细菌细菌代表性蓝细菌

4、代表性蓝细菌11细菌细菌一些产甲烷细菌一些产甲烷细菌12细菌细菌表表4-1 4-1 主要降解细菌及其作用基质举例（主要降解细菌及其作用基质举例（1 1）类群和代表种群类群和代表种群作用基质作用基质好氧革兰阴性杆菌和球菌好氧革兰阴性杆菌和球菌假单胞菌属假单胞菌属(Pseudomonas) 甲基球菌属甲基球菌属(Methylococcus) 甲基单胞菌属甲基单胞菌属(Methylomonas) 莫拉氏菌属莫拉氏菌属(Moraxella) 不动杆菌属不动杆菌属(Acinetobacter) 黄杆菌属黄杆菌属(Flavobacterium) 产碱菌属产碱菌属(Alcaligenes)石油、苯甲酸、石

5、油、苯甲酸、PAHsPAHs、氯代烃、氯苯、氯代烃、氯苯、DDTDDT2,4-D2,4-D、有机磷农药、甲草胺、克百威、有机磷农药、甲草胺、克百威石油烃、卤代脂肪烃石油烃、卤代脂肪烃石油烃、氯代苯胺石油烃、氯代苯胺石油烃、石油烃、PCBsPCBs石油烃、石油烃、PAHsPAHs、氯代脂肪烃、氯代脂肪烃、PCPPCP石油烃、石油烃、PAHsPAHs、PCBsPCBs兼性厌氧兼性厌氧革兰阴性杆菌革兰阴性杆菌埃希氏菌属埃希氏菌属(Escherichia) 肠杆菌属肠杆菌属(Enterobacter) 气单胞菌属气单胞菌属(Aeromonas) 弧菌属弧菌属(Vibrio)林丹林丹DDTDDTPAH

6、sPAHs石油烃石油烃13细菌细菌表表4-1 4-1 主要降解细菌及其作用基质举例（主要降解细菌及其作用基质举例（2 2）类群和代表种群类群和代表种群作用基质作用基质异化性硫酸盐或硫还原菌异化性硫酸盐或硫还原菌脱硫细菌类脱硫细菌类异化金属还原菌异化金属还原菌铁还原细菌类铁还原细菌类烃类、卤代烃类烃类、卤代烃类烃类、卤代烃类、苯系物烃类、卤代烃类、苯系物革兰阳性产革兰阳性产芽孢芽孢杆菌和球菌杆菌和球菌芽孢杆菌属芽孢杆菌属（Bacillus）梭菌属梭菌属（Clostridium）石油烃、偶氮染料石油烃、偶氮染料氯代脂肪烃、偶氮染料、林丹、氯代脂肪烃、偶氮染料、林丹、DDTDDT14细菌

7、细菌表表4-1 4-1 主要降解细菌及其作用基质举例（主要降解细菌及其作用基质举例（3 3）类群和代表种群类群和代表种群作用基质作用基质放线菌和相关微生物放线菌和相关微生物棒杆菌属棒杆菌属（Corynebacterium）节杆菌属节杆菌属（Arthrobacter）放线菌属放线菌属（Actinomyces）分枝杆菌属分枝杆菌属（Mycobacterium）诺卡氏菌属诺卡氏菌属（Nocardia）红球菌属红球菌属（Rhodococcus）小单胞菌属小单胞菌属（Micromonospora）石油烃、石油烃、PCBsPCBs石油烃、氯代脂肪烃、石油烃、氯代脂肪烃、PCPPCP、PC

8、BsPCBs石油烃石油烃石油烃、烷基苯、石油烃、烷基苯、PAHsPAHs、氯代烃、氯代烃、PCPPCP石油烃、石油烃、PAHsPAHsPAHsPAHs、氯酚、氯酚石油烃石油烃15细菌细菌表表4-1 4-1 主要降解细菌及其作用基质举例（主要降解细菌及其作用基质举例（4 4）带附器的细菌带附器的细菌生丝微菌属生丝微菌属（Hyphomicrobium）氯代烷烃氯代烷烃化能自养菌化能自养菌亚硝化单胞菌属亚硝化单胞菌属( (Nitrosomonas)卤代脂肪烃卤代脂肪烃古细菌古细菌产甲烷菌类（产甲烷菌类（methogenesismethogenesis）烃类、卤代烃类烃类、卤代烃类16细菌细菌海

9、岸石油污染的清除海岸石油污染的清除费时、费力、成本高、清除不完全费时、费力、成本高、清除不完全17细菌细菌细菌的应用实例（废水处理）：细菌的应用实例（废水处理）：日本的科研人员在土壤中发现一种细菌，具有把工业废水中的三日本的科研人员在土壤中发现一种细菌，具有把工业废水中的三氯乙烯分解成二氧化碳和别的无害物质，使浓度极高的废水得到净氯乙烯分解成二氧化碳和别的无害物质，使浓度极高的废水得到净化。据称，利用这种细菌是迄今为止最有效的分解含氯溶剂的办法。化。据称，利用这种细菌是迄今为止最有效的分解含氯溶剂的办法。德国科研人员在一座铜矿中发现了一种被称为德国科研人员在一座铜矿中发现了一种被称为“氧化铁

10、硫杆菌氧化铁硫杆菌”的细菌，它能将大量珍贵的重金属从废水中分离出来，得以重新利的细菌，它能将大量珍贵的重金属从废水中分离出来，得以重新利用，废水经过细菌净化后，再用其他方法将这种细菌杀死，这样的用，废水经过细菌净化后，再用其他方法将这种细菌杀死，这样的废水就不会对环境造成任何危害了。废水就不会对环境造成任何危害了。英国利兹大学研究人员新发现一种爱吃工业染料的细菌。这种在英国利兹大学研究人员新发现一种爱吃工业染料的细菌。这种在工厂排水管中发现的腐败细菌，喜食染料，并能最终将染料完全分工厂排水管中发现的腐败细菌，喜食染料，并能最终将染料完全分解。研究人员在试验室中进行的测试显示，仅需少量的细菌即

11、可在解。研究人员在试验室中进行的测试显示，仅需少量的细菌即可在一天内净化一天内净化2525升含染料的废水。升含染料的废水。 18真菌真菌真菌是一大类真核异养微生物真菌是一大类真核异养微生物v 包括：酵母包括：酵母v 霉菌霉菌v 大型真菌大型真菌v能降解有机物的一些真菌列于表能降解有机物的一些真菌列于表4-2。 19真菌真菌单细胞酵母单细胞酵母面包酵母面包酵母20真菌真菌曲霉的分生孢子曲霉的分生孢子曲霉引起的真菌性角膜炎曲霉引起的真菌性角膜炎21真菌真菌青霉青霉孢子囊孢子囊黑曲霉黑曲霉22真菌真菌双孢菇双孢菇23真菌真菌金针菇金针菇杏鲍菇杏鲍菇24真菌真菌表表4-2 4-2 几类能降解有机污染物

12、的真菌举例几类能降解有机污染物的真菌举例种种类类种种属属代表污染物代表污染物酵酵母母假丝酵母属假丝酵母属酵母属酵母属丝孢酵母属丝孢酵母属红酵母属红酵母属石油烃石油烃石油烃石油烃, ,克霉丹克霉丹, ,氨氯吡啶酸氨氯吡啶酸石油烃石油烃石油烃石油烃霉霉菌菌曲霉属曲霉属葡萄孢属葡萄孢属枝孢属枝孢属小克银汉霉属小克银汉霉属石油烃石油烃,2,4-D,2,4-D,扑草净扑草净, ,敌百虫等敌百虫等石油烃石油烃, , 扑草净扑草净, ,西草净等西草净等石油烃石油烃, , 扑草净扑草净, ,西草净等西草净等石油烃石油烃, PAHs, PAHs,甲霜灵甲霜灵白腐菌白腐菌黄孢原毛平革菌黄孢原毛平革菌云芝

13、云芝PAHs, PCDDPAHs, PCDDPCPPCP25藻类藻类藻类是含有叶绿素并能产生氧的光能自养菌藻类是含有叶绿素并能产生氧的光能自养菌v生活在水中，利用生活在水中，利用COCO2 2合成有机物，但在黑暗时也会利用少合成有机物，但在黑暗时也会利用少量有机物。量有机物。v利用藻类和菌类共栖可降解有机物利用藻类和菌类共栖可降解有机物v 氧化塘氧化塘( (稳定塘稳定塘) )是降解有机物的例证是降解有机物的例证v藻类可降解酚类化合物藻类可降解酚类化合物v 苯酚、邻甲酚、苯酚、邻甲酚、1,2,31,2,3苯三酚等苯三酚等v2020种不同藻类培养物具有氧化降解萘的能力。种不同藻类培养物具有氧化降解

14、萘的能力。26藻类藻类v小球藻小球藻(Chlorella vulgaris)(Chlorella vulgaris)对大部分偶氮染料有一定的对大部分偶氮染料有一定的脱色能力脱色能力v藻类对偶氮染料的脱色程度与染料化学结构有关藻类对偶氮染料的脱色程度与染料化学结构有关藻类降解偶氮化合物的特点藻类降解偶氮化合物的特点v对对pHpH、光强度及温度均有较宽的适应范围、光强度及温度均有较宽的适应范围v能保持较高的降解活性能保持较高的降解活性v在水中的藻菌共生体系中可以彻底矿化有机物在水中的藻菌共生体系中可以彻底矿化有机物v在污水生物净化中应用较多在污水生物净化中应用较多27基质代谢的生理过程基质代谢的生

15、理过程有机物（基质）受微生物作用而分解的过有机物（基质）受微生物作用而分解的过程。一般分好氧分解（主要是好氧细菌活动的结程。一般分好氧分解（主要是好氧细菌活动的结果）和厌氧分解（主要是厌氧细菌活动的结果）。果）和厌氧分解（主要是厌氧细菌活动的结果）。 28基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程以污染物质作为基质的代谢基本过程和其他化合物的代以污染物质作为基质的代谢基本过程和其他化合物的代谢相似，可能包括如下过程：谢相似，可能包括如下过程：向基质接近向基质接近对固体基质的吸附对固体基质的吸附分泌胞外酶分泌胞外酶可渗透物质的吸收和胞内代谢可渗透物质的吸收和胞内代谢通常采用的研究方法通常采用

16、的研究方法用单一菌种在高浓度纯品下进行的间歇式培养。这种方用单一菌种在高浓度纯品下进行的间歇式培养。这种方法虽然很重要，但会掩盖自然界的很多真相。法虽然很重要，但会掩盖自然界的很多真相。29基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程（一）向基质接近（一）向基质接近v 生物体要降解基质必须先与之接近并接触生物体要降解基质必须先与之接近并接触v 接近意味着接近意味着 (1)(1)微生物处于这种物质的可扩散范围之内微生物处于这种物质的可扩散范围之内 (2)(2)胞外酶处于这种物质可扩散范围之内胞外酶处于这种物质可扩散范围之内 (3)(3)微生物处于细胞外消化产物扩散距离之内微生物处于细胞外消化产物扩散距离

17、之内v 不同环境微生物的作用差别很大不同环境微生物的作用差别很大液体环境液体环境( (湖泊、河流、海洋湖泊、河流、海洋) )混合良好混合良好固体环境固体环境( (土壤、沉积物土壤、沉积物) )基本不相混合基本不相混合v 运动扩散障碍对土壤中微生物的移动有显著影响。运动扩散障碍对土壤中微生物的移动有显著影响。30基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程v某些微生物表现出朝向基质的趋向性，许多丝状某些微生物表现出朝向基质的趋向性，许多丝状真菌表现为朝向基质生长。真菌表现为朝向基质生长。例如例如：担子菌垂幕菇属：担子菌垂幕菇属( (HypholomaHypholoma) )和原毛平革菌和原毛平革菌

18、属属( (PhanerochaetePhanerochaete) )能够能够“探查探查”环境，找到没有环境，找到没有接种过的木块，然后在其上定殖。接种过的木块，然后在其上定殖。 HypholomaPhanerochaete31基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程（二）对固体基质的吸附（二）对固体基质的吸附v 吸附作用对于保证污染物质代谢是必不可少的。吸附作用对于保证污染物质代谢是必不可少的。v 研究发现研究发现土壤中微生物通常聚集在微团聚体中土壤中微生物通常聚集在微团聚体中用水或土壤分散剂浸提的微生物数量不同用水或土壤分散剂浸提的微生物数量不同纤维素消化过程需要有物理附着纤维素消化过程需

19、要有物理附着在沥青降解菌的分离过程中，发现细菌和固体基在沥青降解菌的分离过程中，发现细菌和固体基质之间有非常紧密的结合。质之间有非常紧密的结合。32基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程（三）胞外酶的分泌（三）胞外酶的分泌一般来说，不溶性的多聚体不论是天然的一般来说，不溶性的多聚体不论是天然的( (如木质素如木质素) )还是人工合成的还是人工合成的( (如塑料如塑料) )都难降解。都难降解。v 不能降解的原因不能降解的原因分子太大分子太大v 生物采取的办法生物采取的办法（1 1）微生物分泌胞外酶）微生物分泌胞外酶（2 2）将其水解成小分子量的可溶性产物）将其水解成小分子量的可溶性产物v

20、影响胞外酶活动性的障碍因素影响胞外酶活动性的障碍因素胞外酶被吸附、胞外酶变性、胞外酶蛋白生物降胞外酶被吸附、胞外酶变性、胞外酶蛋白生物降解以及产物被与之竞争的生物所利用。解以及产物被与之竞争的生物所利用。33基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程（四）基质的跨膜运输（四）基质的跨膜运输v 基质通常要由特定的、诱导性的运输系统吸收基质通常要由特定的、诱导性的运输系统吸收到细胞内。这在自然环境中尤其重要。到细胞内。这在自然环境中尤其重要。v在环境中基质浓度很低，通常只有微摩尔级，在环境中基质浓度很低，通常只有微摩尔级，而微生物生理学家的研究经常在毫摩尔级。在而微生物生理学家的研究经常在毫摩尔级。在

21、低浓度下需要有积累机制。低浓度下需要有积累机制。v 高浓度污染物对微生物是有害的，将影响细胞高浓度污染物对微生物是有害的，将影响细胞膜的正常结构和生理功能。膜的正常结构和生理功能。34基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程v 营养物质必须通过细胞膜才能进入细胞，细胞营养物质必须通过细胞膜才能进入细胞，细胞膜为磷脂双分子层，其中嵌合蛋白质分子。膜为磷脂双分子层，其中嵌合蛋白质分子。v 细胞膜控制着营养物进入和代谢产物的排出。细胞膜控制着营养物进入和代谢产物的排出。v 细胞膜以四种方式控制物质的运输细胞膜以四种方式控制物质的运输单纯扩散单纯扩散促进扩散促进扩散主动运输主动运输基团转位基团转

22、位35基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程1.1.单纯扩散单纯扩散(simple diffusion)(simple diffusion) 又称被动运输又称被动运输(passive transport)(passive transport)v细胞膜这层疏水性屏障可以让很多小分子、非电细胞膜这层疏水性屏障可以让很多小分子、非电离分子尤其是亲脂性分子通过物理扩散方式被动离分子尤其是亲脂性分子通过物理扩散方式被动地通过。地通过。v主要包括主要包括氧、二氧化碳、乙醇和某些氨基酸。氧、二氧化碳、乙醇和某些氨基酸。 C C1212以下的烃类可以扩散进入细胞膜以下的烃类可以扩散进入细胞膜v被动扩散方式不需

23、要载体蛋白，不需要提供能量，被动扩散方式不需要载体蛋白，不需要提供能量，扩散动力是内外浓度梯度差。扩散动力是内外浓度梯度差。v被动运输在自然环境中不多，它不是主要的基质被动运输在自然环境中不多，它不是主要的基质转移方式。转移方式。36基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程2.2.促进扩散促进扩散(facilitated diffusion)(facilitated diffusion) v和单纯扩散一样，必须是从环境中的高浓度向和单纯扩散一样，必须是从环境中的高浓度向细胞内的低浓度扩散，同样不需要额外提供能细胞内的低浓度扩散，同样不需要额外提供能量。量。v与单纯扩散的主要差别与单纯扩散的主要差别

24、基质越过细胞膜要依靠膜上特异性的载体基质越过细胞膜要依靠膜上特异性的载体蛋白通道。蛋白通道。v载体蛋白具有酶的性质，又称透性酶、移位酶载体蛋白具有酶的性质，又称透性酶、移位酶或移运蛋白，可以通过诱导产生。或移运蛋白，可以通过诱导产生。v这种方式只能在高营养物浓度时发挥作用。这种方式只能在高营养物浓度时发挥作用。37基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程促进扩散模式图促进扩散模式图38基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程3.3.主动运输主动运输 (active transport)(active transport) v是微生物吸收基质的主要方式是微生物吸收基质的主要方式v特点特点需要特异性载

25、体蛋白作为载体，需要能量需要特异性载体蛋白作为载体，需要能量( (质子质子势、势、ATP)ATP)，溶质和载体结合发生构象变化，可，溶质和载体结合发生构象变化，可以逆浓度梯度运输，从而使生活在低基质环境中以逆浓度梯度运输，从而使生活在低基质环境中的微生物获得营养物。的微生物获得营养物。v可运送的营养物有可运送的营养物有无机离子，有机物分子，一些糖类无机离子，有机物分子，一些糖类39基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程40基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程4.4.基团转位基团转位v是一种既需要特异性载体蛋白又要耗能的运是一种既需要特异性载体蛋白又要耗能的运送方式。送方式。v基质在转运前后分子

26、结构会发生变化基质在转运前后分子结构会发生变化因此，不同于主动运输。因此，不同于主动运输。v基团转位主要作用基团转位主要作用用于葡萄糖、果糖、甘露糖、核苷酸等物用于葡萄糖、果糖、甘露糖、核苷酸等物质的运输。质的运输。 41基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程基团转位：细菌基团转位：细菌PTSPTS运输系统运输系统42基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程 molecule to be transportedchannel proteincarrier proteinsextracellular spacelipid bilayercytoplasmsimple diffusionchanne

27、l-mediated transportcarrier-mediated transportenergyelectrochemical gradientpassive transport (facilitated diffusion)active transport43基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程（五）细胞内代谢（五）细胞内代谢v环境污染物质进入细胞后可以通过周边代谢途径环境污染物质进入细胞后可以通过周边代谢途径被降解。被降解。v这类代谢通常是有诱导性的，并且有些是由质粒这类代谢通常是有诱导性的，并且有些是由质粒编码的。编码的。v初始代谢产物通常汇集到少数一些中央代谢途径初始代谢产物通

28、常汇集到少数一些中央代谢途径之中。之中。例如例如在芳香族化合物的代谢中，通过在芳香族化合物的代谢中，通过B-B-酮己二酸盐途酮己二酸盐途径，进入中央代谢途径。径，进入中央代谢途径。44基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程1.1.遗留代谢物遗留代谢物v基质生物降解，除去完全矿化或共代谢作用外，基质生物降解，除去完全矿化或共代谢作用外，还可以有遗留代谢物产生，它们可以被其他生物还可以有遗留代谢物产生，它们可以被其他生物作为代谢基质或作为共代谢基质所利用。作为代谢基质或作为共代谢基质所利用。v例如例如以葡萄糖为基质，间歇式培养大肠杆菌的生长过以葡萄糖为基质，间歇式培养大肠杆菌的生长过程中会有乙

29、酸盐暂时积累。程中会有乙酸盐暂时积累。v难降解的环境污染物在代谢过程中多数会有遗留难降解的环境污染物在代谢过程中多数会有遗留代谢物产生。代谢物产生。45基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程2.2.终死产物终死产物v终死产物会短暂地积累，不能继续代谢。终死产物会短暂地积累，不能继续代谢。芳香化合物上的甲基氧化产生的甲醇芳香化合物上的甲基氧化产生的甲醇v终死产物本身是持久性化合物（终死产物本身是持久性化合物（POPsPOPs）如：多聚儿茶酚如：多聚儿茶酚3.3.副反应产物副反应产物v有益的副反应产物可以被其他生物利用有益的副反应产物可以被其他生物利用v有害的副反应产物不被利用有害的副反应产物不

30、被利用卤代酚由微生物的甲氧化反应形成，有很强的卤代酚由微生物的甲氧化反应形成，有很强的生物积累潜力并且有毒。生物积累潜力并且有毒。46基质代谢的生理过程基质代谢的生理过程4.4.致死性代谢物致死性代谢物v由氟取代的基质通过酶促反应形成氟代乙酸盐，由氟取代的基质通过酶促反应形成氟代乙酸盐，它可抑制三羧酸循环。它可抑制三羧酸循环。v可以通过突变作用避免产生致死性代谢物。突可以通过突变作用避免产生致死性代谢物。突变作用可使有机体不形成致死代谢物或可以抵变作用可使有机体不形成致死代谢物或可以抵抗致死代谢物。抗致死代谢物。47污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学v研究动力学过程对评价微生物系统

31、降解有机物质研究动力学过程对评价微生物系统降解有机物质的能力具有重要意义。的能力具有重要意义。v降解动力学指靶化合物的微生物降解速率降解动力学指靶化合物的微生物降解速率v由于生物系统包含许多不同的微生物，每种微生由于生物系统包含许多不同的微生物，每种微生物又有不同的酶系，各自的降解反应可以有很大物又有不同的酶系，各自的降解反应可以有很大差异。因此，常用总的差异。因此，常用总的“表观速率常数表观速率常数”来描述来描述生物体系的降解速度。生物体系的降解速度。v降解速率常数一般在实验室模拟测定降解速率常数一般在实验室模拟测定48污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学通过研究基质浓度与降解速率

32、之间的关系，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：提出两类常用的经验模式：幂指数定律幂指数定律不考虑微生物生长的基质降解模式不考虑微生物生长的基质降解模式根据幂指数定律，降解速率与基质浓度根据幂指数定律，降解速率与基质浓度n n次幂次幂成正比成正比( (式式4-1)4-1)：式中式中: S: S为基质浓度为基质浓度 k k为生物降解速率常数为生物降解速率常数 n n为反应级数为反应级数49污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学v反应可以是零级反应，即反应速率与任何基质浓反应可以是零级反应，即反应速率与任何基质浓度无关，即度无关，即(4-1)(4-1)式可以表示

33、为：式可以表示为： (4-2)(4-2) 对其积分，速率定律的形式转化为：对其积分，速率定律的形式转化为： S St t - S - S0 0 = - kt (4-3) = - kt (4-3) 式中：式中：S S0 0为基质的起始浓度为基质的起始浓度 S St t为任意时间为任意时间t t的基质浓度的基质浓度v零级反应适应于单一的反应物转变为单一的生成零级反应适应于单一的反应物转变为单一的生成物的情况，或基质浓度很高的情况。物的情况，或基质浓度很高的情况。50污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学v当基质浓度很低，又不了解系统的动力学关系当基质浓度很低，又不了解系统的动力学关系的情况时

34、，可假定的情况时，可假定n n为为1 1（一级反应）。（一级反应）。v一级反应为反应速率与基质浓度成正比。降解一级反应为反应速率与基质浓度成正比。降解速率取决于基质浓度，而基质浓度又随时间而速率取决于基质浓度，而基质浓度又随时间而变化。变化。v一级反应中基质浓度随时间的变化如图一级反应中基质浓度随时间的变化如图4-1a4-1a所所示。通过半对数坐标转换，基质浓度的对数随示。通过半对数坐标转换，基质浓度的对数随时间的变化为线性关系时间的变化为线性关系( (图图4-1b)4-1b)。 v在一级反应中在一级反应中, ,降解速率方程降解速率方程: : (4-4) (4-4)51污染物生物降解的动力学污

35、染物生物降解的动力学 a. a. 基质浓度不做处理基质浓度不做处理 b. b. 基质浓度取对数基质浓度取对数图图4-1 4-1 基质浓度随时间以一级反应速率消失基质浓度随时间以一级反应速率消失52污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学对方程对方程(4-4)(4-4)积分积分, ,得到速率的积分形式：得到速率的积分形式： S St t = S = S0 0e-kt (4-5) e-kt (4-5) 或或 ln(Sln(St t/S/S0 0)=-kt (4-6)=-kt (4-6)v根据根据ln(Sln(St t/S/S0 0) )和时间和时间t t的斜率即可求出的斜率即可求出k k值

36、。值。v半衰期半衰期(t(t1/21/2) )：原始基质浓度降解一半所需要的时间原始基质浓度降解一半所需要的时间 t t1/21/2 =ln2/k (4-7) =ln2/k (4-7)v已经得到了一些不同基质条件下有机化合物的半已经得到了一些不同基质条件下有机化合物的半衰期。衰期。v表表4-34-3中，根据有机物在环境中的半衰期，对其生中，根据有机物在环境中的半衰期，对其生物降解性进行分类。物降解性进行分类。53污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学表表4-3 4-3 有机物的生物降解作用与半衰期有机物的生物降解作用与半衰期在多种基质的混合废水中，每种基质的去除虽以在多种基质的混合废

37、水中，每种基质的去除虽以恒速进行（零级反应），不受其他基质的影响，但恒速进行（零级反应），不受其他基质的影响，但基质的总去除量则为每个单一基质去除量总和。所基质的总去除量则为每个单一基质去除量总和。所以，可以认为整个系统的动力学循环仍然为一级反以，可以认为整个系统的动力学循环仍然为一级反应关系。应关系。类别类别半衰期半衰期类别类别半衰期半衰期生物降解快生物降解快生物降解较快生物降解较快1-7d1-7d7-28d7-28d生物降解慢生物降解慢抗生物降解抗生物降解4-244-24周周6-126-12月月54污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学对二级反应，其反应速率方程式表示为：对二级反应

38、，其反应速率方程式表示为：（4-84-8）式（式（4-84-8）的积分形式为：）的积分形式为：（4-94-9）在下列反应中，反应会呈二级反应：在下列反应中，反应会呈二级反应： 2A2A（反应物）（反应物） P P（产物）（产物）（4-104-10）在不同的环境中反应级数不同，可根据特定的一在不同的环境中反应级数不同，可根据特定的一组浓度组浓度S S和时间和时间t t的实验数据，根据式的实验数据，根据式(4-3)(4-3)、(4-(4-6)6)和和(4-9)(4-9)来判断反应级数。来判断反应级数。55污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学双曲线定律双曲线定律考虑微生物生长的

39、基质降解模式考虑微生物生长的基质降解模式在基质降解过程中，考虑微生物的生长时，基质浓在基质降解过程中，考虑微生物的生长时，基质浓度与微生物生长速率之间关系可以用双曲线定律来度与微生物生长速率之间关系可以用双曲线定律来描述。描述。 (4-11) (4-11) 双曲线定律又称双曲线定律又称 MonodMonod方程方程(1949(1949年年) )，其形式与，其形式与 Michaelis-MentenMichaelis-Menten方程类似。方程类似。56污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学式中：式中：为微生物的比增长速率，即单位生物量为微生物的比增长速率，即单位生物量的增长速率，单位为的

40、增长速率，单位为( (时间时间) ) -1-1； maxmax为微生物的最大比生长速率，单位为为微生物的最大比生长速率，单位为( (时间时间) ) -1-1； KsKs为饱和常数，当为饱和常数，当=maxmax /2 /2 时所对应的时所对应的基质浓度，单位为基质浓度，单位为 mg/Lmg/L。57污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学图图4-2 4-2 基质浓度与微生物比增长速率之间关基质浓度与微生物比增长速率之间关双曲线方程双曲线方程58污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学基质浓度与微生物种群生长速率之间的关系基质浓度与微生物种群生长速率之间的关系基质浓度较低时，微生物的比

41、增长速率随基质浓基质浓度较低时，微生物的比增长速率随基质浓度的增加呈线性增加。度的增加呈线性增加。在基质浓度较高时，比增长速率接近最大值，微在基质浓度较高时，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。生物的比增长速率与基质浓度无关。微生物对基质的降解作用以及微生物的生长都要微生物对基质的降解作用以及微生物的生长都要靠各种酶的催化作用。靠各种酶的催化作用。59污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学KsKs的物理意义的物理意义代表微生物与支持其生长的有机物的亲和力。代表微生物与支持其生长的有机物的亲和力。数值越小，细菌对基质的亲和力越大。数值越小，细菌对基质的亲和力越大

42、。KsKs值的跨度大值的跨度大对一种细菌，不同的基质有不同的对一种细菌，不同的基质有不同的KsKs 对同一基质，对同一基质，KsKs值与细菌菌株有关，值与细菌菌株有关，同一个菌株在低浓度有一个同一个菌株在低浓度有一个KsKs值，在高浓度值，在高浓度有另一个有另一个KsKs值。值。60污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学表表4-4 4-4 某些细菌或水样的某些细菌或水样的KsKs值值基基质质微生物源微生物源KsKs值值/(mg/L)/(mg/L)葡糖糖葡糖糖谷氨酸盐谷氨酸盐麦芽糖麦芽糖木糖木糖间甲酚间甲酚氯苯氯苯NTA NTA 苯酚苯酚黄杆菌黄杆菌1 1黄杆菌黄杆菌2 2河水河水气

43、单孢菌气单孢菌溶纤维丁酸弧菌溶纤维丁酸弧菌溶纤维丁酸弧菌溶纤维丁酸弧菌天然水天然水天然水天然水天然水天然水废水废水0.007129.1314260.16 - 1.32.1550.0006 - 0.00180.0010 - 0.00510.060 - 0.1701.3 - 27061污染物生物降解的动力学污染物生物降解的动力学由表由表4-44-4的数据可以看出的数据可以看出: : Ks Ks的差别很大，似乎无规律可循。的差别很大，似乎无规律可循。营养富集环境中的细菌比低有机成分的生境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中的细菌有较高的KsKs值。值。在天然水中代谢的微生物可

44、以迅速代谢加入在天然水中代谢的微生物可以迅速代谢加入的分子。的分子。62第二节第二节共代谢共代谢共代谢基质与共代谢微生物共代谢基质与共代谢微生物混合菌株的协同矿化作用混合菌株的协同矿化作用共代谢的原因共代谢的原因与共代谢相关的酶与共代谢相关的酶共代谢的环境意义共代谢的环境意义63共代谢共代谢v发现发现早在早在20世纪世纪60年代的研究中，发现一株能在一氯年代的研究中，发现一株能在一氯乙酸上生长的假单胞菌能够使三氯乙酸脱卤。然而，乙酸上生长的假单胞菌能够使三氯乙酸脱卤。然而，该菌株不能利用三氯乙酸作为碳源生长。该菌株不能利用三氯乙酸作为碳源生长。共代谢作用（共代谢作用（Cometabol

45、ism）v 某些有机物不能作为微生物培养的某些有机物不能作为微生物培养的唯一碳源唯一碳源，必，必须有另外的化合物提供微生物碳源或能源，该有机须有另外的化合物提供微生物碳源或能源，该有机物才降解，这类降解称共代谢作用。物才降解，这类降解称共代谢作用。64共代谢基质与共代谢微生物共代谢基质与共代谢微生物一、共代谢基质与共代谢微生物一、共代谢基质与共代谢微生物1.共代谢基质共代谢基质v有许多化学品在培养物中可进行共代谢有许多化学品在培养物中可进行共代谢v例如例如环己烷、环己烷、PCBs、3-三氟甲基苯甲酸、氯三氟甲基苯甲酸、氯酚、酚、3,4-二氯苯胺、二氯苯胺、1,3,5-三硝基苯、三硝基苯、

46、毒草胺、甲草胺、禾草敌、毒草胺、甲草胺、禾草敌、2,4-D、麦草畏等。麦草畏等。65共代谢基质与共代谢微生物共代谢基质与共代谢微生物基基质质产产物物氟甲烷氟甲烷二甲醚二甲醚二甲基硫醚二甲基硫醚四氯乙烯四氯乙烯苯并噻吩苯并噻吩3-羟基苯甲酸羟基苯甲酸环己烷环己烷3-氯酚氯酚氯苯氯苯3-硝基酚硝基酚三硝基甘油三硝基甘油对硫磷对硫磷4-氯苯胺氯苯胺甲醛甲醛甲醇甲醇二甲基亚砜二甲基亚砜三氯乙烯三氯乙烯苯并噻吩苯并噻吩-2,3-双酮双酮2,3-羟基苯甲酸羟基苯甲酸环己醇环己醇4-氯儿茶酚氯儿茶酚3-氯儿茶酚氯儿茶酚硝基氢醌硝基氢醌1-和和2-硝基甘油硝基甘油4-硝基酚硝基酚4-氯乙酰替苯胺氯乙

47、酰替苯胺表表4-5 4-5 纯培养中的一些共代谢基质及其产物纯培养中的一些共代谢基质及其产物(1)(1)66共代谢基质与共代谢微生物共代谢基质与共代谢微生物表表4-5 4-5 纯培养中的一些共代谢基质及其产物纯培养中的一些共代谢基质及其产物(2)(2)基基质质产产物物丙烷丙烷2-丁醇丁醇苯酚苯酚DDT邻二甲苯邻二甲苯2,4,5-T4-氟苯甲酸氟苯甲酸4,4-二氯二苯基甲烷二氯二苯基甲烷2,3,6-三氯苯甲酸三氯苯甲酸3-氯苯甲酸氯苯甲酸三硝基甘油三硝基甘油开蓬开蓬(kepone：十氯酮）：十氯酮）4-三氟甲基苯甲酸三氟甲基苯甲酸丙酸、丙酮丙酸、丙酮2-丁酮丁酮顺，顺顺，顺-粘康酸（已二烯二

48、酸）粘康酸（已二烯二酸）DDD、DDE、DBP邻邻-甲苯甲酸甲苯甲酸2,4,5-三氯酚三氯酚4-氟儿苯酚氟儿苯酚4-氯苯乙酸氯苯乙酸3,5-二氯儿茶酚二氯儿茶酚4-氯儿茶酚氯儿茶酚苄基醇苄基醇一氢开蓬一氢开蓬4-三氟甲基三氟甲基-2,3-二羟基甲酸二羟基甲酸67共代谢基质与共代谢微生物共代谢基质与共代谢微生物2.实验室培养基中进行共代谢反应的细菌实验室培养基中进行共代谢反应的细菌假单胞菌属、不动杆菌属、诺卡氏菌属、假单胞菌属、不动杆菌属、诺卡氏菌属、芽孢杆菌属、分枝杆菌属、节杆菌属、芽孢杆菌属、分枝杆菌属、节杆菌属、无色杆菌属无色杆菌属(Achromobacter)(Achromobac

49、ter)、产碱菌属、产碱菌属、甲基弯曲菌属甲基弯曲菌属(Methylosinus)(Methylosinus)、红球菌属、红球菌属、黄色杆菌属黄色杆菌属(Xanthobacter)(Xanthobacter)和亚硝化单胞菌届等。和亚硝化单胞菌届等。3.进行共代谢反应的真菌进行共代谢反应的真菌有青霉属有青霉属(Penicillium) 丝核菌属丝核菌属(Rhizoctoia)等。等。 68共代谢基质与共代谢微生物共代谢基质与共代谢微生物4.共代谢中需要酶参与共代谢中需要酶参与v 一系列酶系在进行共代谢转化时进行着羟基化、一系列酶系在进行共代谢转化时进行着羟基化、氧化、去硝基、去氨基、水解、

50、酰化或醚键裂等氧化、去硝基、去氨基、水解、酰化或醚键裂等作用。作用。v 异养细菌和真菌进行的共代谢反应是多种多样的。异养细菌和真菌进行的共代谢反应是多种多样的。v 甲基营养菌的甲烷单加氧酶能够氧化烷烃、烯烃、甲基营养菌的甲烷单加氧酶能够氧化烷烃、烯烃、仲醇、二仲醇、二(或三或三)氯甲烷、二烷基醚、环烷烃和芳香氯甲烷、二烷基醚、环烷烃和芳香族等多种化合物。族等多种化合物。v 珊瑚状诺卡氏菌珊瑚状诺卡氏菌(Ncorallina)可以共代谢三可以共代谢三(或或四四)甲基苯、二乙基苯、联苯、四氢化萘和二甲基甲基苯、二乙基苯、联苯、四氢化萘和二甲基萘并产生多种产物。萘并产生多种产物。 69混合菌株的协同

51、矿化作作用混合菌株的协同矿化作作用v 协同矿化作用协同矿化作用共代谢产物在培养液中积累，在自然界未必会积共代谢产物在培养液中积累，在自然界未必会积累。产物可在第二个菌株的作用下继续共代谢或累。产物可在第二个菌株的作用下继续共代谢或完全矿化。完全矿化。v 互补分解代谢互补分解代谢混合菌株能使基质完全矿化，使得基质完全降解。混合菌株能使基质完全矿化，使得基质完全降解。菌株互补分解代谢途径的出现启发人们通过遗传菌株互补分解代谢途径的出现启发人们通过遗传工程技术构建能够矿化母体化合物的新菌株。工程技术构建能够矿化母体化合物的新菌株。70混合菌株的协同矿化作作用混合菌株的协同矿化作作用基基质质过过

52、程程对应的菌株对应的菌株对硫磷对硫磷对硫磷对硫磷4-4-硝基酚和二乙硝基酚和二乙基磷酸基磷酸4-4-硝基酚为碳源和能源硝基酚为碳源和能源施氏假单胞菌施氏假单胞菌铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌环己烷环己烷环己烷环己烷环己醇环己醇环己醇矿化环己醇矿化两种假单胞菌之两种假单胞菌之间间4,4-4,4-二氯联二氯联苯苯4,4-4,4-二氯联苯二氯联苯4-4-氯苯氯苯甲酸甲酸4-4-氯苯甲酸为碳源和能源氯苯甲酸为碳源和能源不详不详不动杆菌不动杆菌表表4-6 4-6 一些双菌株的协同矿化作用一些双菌株的协同矿化作用(1)(1)71混合菌株的协同矿化作作用混合菌株的协同矿化作作用基基质质过过程程对应的菌株对应

53、的菌株DDTDDTDDT 4-DDT 4-氯苯乙酸氯苯乙酸4-4-氯苯乙酸用于生长氯苯乙酸用于生长假单胞菌假单胞菌节杆菌节杆菌2,4,5-T2,4,5-T2,4,5-T 2,4,5-2,4,5-T 2,4,5-三氯酚三氯酚2,4,5-2,4,5-三氯酚代谢三氯酚代谢荧光假单胞菌荧光假单胞菌另一种微生物另一种微生物4-4-氯氯-3,5-3,5-二硝二硝基苯甲酸基苯甲酸4-4-氯氯-3,5-3,5-二硝基苯甲酸二硝基苯甲酸 2-2-羟基粘康酸半醛羟基粘康酸半醛2-2-羟基粘康酸半醛矿化羟基粘康酸半醛矿化不详不详链霉菌链霉菌表表4-6 4-6 一些双菌株的协同矿化作用一些双菌株的协同矿化作用(2)(

54、2)72共代谢的原因共代谢的原因一种有机物可以被微生物转化为另一种有机物，一种有机物可以被微生物转化为另一种有机物，但它们却不能被微生物所利用，原因有以下几个但它们却不能被微生物所利用，原因有以下几个方面方面(Alexander，1999)：(1)缺少进一步降解的酶系缺少进一步降解的酶系微生物第一个酶或酶系可以将基质转化为产物，微生物第一个酶或酶系可以将基质转化为产物，但该产物不能被这个微生物的其他酶系进一步转但该产物不能被这个微生物的其他酶系进一步转化，故代谢中间产物不能供生物合成和能量代谢化，故代谢中间产物不能供生物合成和能量代谢用。这是共代谢的主要原因。用。这是共代谢的主要原因。73共

55、代谢的原因共代谢的原因细胞中微生物酶对有机物矿化作用的过程如下细胞中微生物酶对有机物矿化作用的过程如下: a b c ABCDCO2 +能量能量+细胞细胞-C在正常代谢过程中，在正常代谢过程中，a酶参与酶参与AB的转化，的转化，b酶参与酶参与BC的转化。的转化。如果第一个酶如果第一个酶a底物专一性较低，它可以作用许多结底物专一性较低，它可以作用许多结构相似的底物，如构相似的底物，如A或或A，产物分别为，产物分别为B或或B。酶。酶b却不能作用于却不能作用于B或或B使其转化为使其转化为C或或C,结果造成结果造成B或或B积累，积累，即即: a A B X74共代谢的原因共代谢的原因v 这种现象是由

56、于最初的酶系作用的底物较宽，后这种现象是由于最初的酶系作用的底物较宽，后面酶系作用的底物较窄而不能识别前面酶系形成面酶系作用的底物较窄而不能识别前面酶系形成的产物造成的。的产物造成的。这种解释的最初的证据来自对除草剂这种解释的最初的证据来自对除草剂 2,4-D 代谢的研代谢的研究。究。v 2,4-D首先转化为首先转化为2,4-二氯酚，但是只有部分酶或很少的二氯酚，但是只有部分酶或很少的酶能进一步代谢酶能进一步代谢2,4-二氯酚。当发生这种情况时，共代谢二氯酚。当发生这种情况时，共代谢产物几乎全部积累。产物几乎全部积累。75共代谢的原因共代谢的原因(2)中间产物的抑制作用中间产物的抑制作用有

57、机物在代谢过程中，最初基质的转化产物有机物在代谢过程中，最初基质的转化产物抑制了在以后起矿化作用酶系的活性或抑制抑制了在以后起矿化作用酶系的活性或抑制该微生物的生长。该微生物的生长。例如：例如：恶臭假单胞菌恶臭假单胞菌(Ps. putida)能共代谢氯苯形成能共代谢氯苯形成3-氯儿茶酚，但不能将后者降解，因为它抑氯儿茶酚，但不能将后者降解，因为它抑制了进一步降解的酶系。制了进一步降解的酶系。76共代谢的原因共代谢的原因恶臭假单胞菌可以将恶臭假单胞菌可以将4-乙基苯甲酸转化为乙基苯甲酸转化为4-乙乙基儿茶酚，而后者可以使以后代谢步骤必要基儿茶酚，而后者可以使以后代谢步骤必要的酶系失活。由于抑

58、制酶的作用造成了恶臭的酶系失活。由于抑制酶的作用造成了恶臭假单胞细菌不能在氯苯或假单胞细菌不能在氯苯或4-乙基苯甲酸上生乙基苯甲酸上生长。长。77共代谢的原因共代谢的原因(3)需要另外的基质需要另外的基质v有些微生物需要第二种基质进行特定的反应。有些微生物需要第二种基质进行特定的反应。v第二种基质可以提供当前细胞反应中不能充分第二种基质可以提供当前细胞反应中不能充分供应的物质，例如转化需要电子供体。供应的物质，例如转化需要电子供体。v有些第二种基质是诱导物，例如一株铜绿假单有些第二种基质是诱导物，例如一株铜绿假单胞菌要经过正庚烷诱导才能产生羟化酶系，使胞菌要经过正庚烷诱导才能产生羟化酶系，使链

59、烷烃羟基化转化为相应的醇链烷烃羟基化转化为相应的醇(王家玲，王家玲，1988)。78与共代谢相关的酶与共代谢相关的酶有些酶的专一性较差，可以作用于多种底物，有些酶的专一性较差，可以作用于多种底物，这样导致了共代谢。这样导致了共代谢。一些作用于一系列底物的单一酶系一些作用于一系列底物的单一酶系（1）甲烷营养细菌的甲烷单加氧酶）甲烷营养细菌的甲烷单加氧酶甲烷营养细菌生长在甲烷、甲醇和甲酸中时，能甲烷营养细菌生长在甲烷、甲醇和甲酸中时，能够共代谢多种有机分子，其中包括一些主要污染物够共代谢多种有机分子，其中包括一些主要污染物分子（如下反应所示）。分子（如下反应所示）。在这些反应中，甲烷单加氧酶起

60、催化作用。在这些反应中，甲烷单加氧酶起催化作用。79与共代谢相关的酶与共代谢相关的酶发孢甲基弯曲菌可以转化氯代脂肪烃为反式发孢甲基弯曲菌可以转化氯代脂肪烃为反式或顺式或顺式1,2-二氯乙烯二氯乙烯,1,1-二氯乙烯二氯乙烯, 1,2-二氯二氯丙烷丙烷,1,3-二氯丙烯二氯丙烯生长在甲烷中的其他一些细菌的酶可以催化生长在甲烷中的其他一些细菌的酶可以催化正烷烃正烷烃(C2-C8),正烯烃正烯烃(C2-C6)和单或双氯脂和单或双氯脂肪烃肪烃(C5-C6)80与共代谢相关的酶与共代谢相关的酶(2)甲苯双加氧酶甲苯双加氧酶 (dioxygenase) 许多好氧细菌中存在甲苯双加氧酶许多好氧细菌中存在