1、环环境境生生物物工工程程微生物生态及其对污染物的作用环境工程的微生物学基础环境工程的微生物学基础Chapter 22.1 微生物多样性2.4 微生物的驯化2.2 微生物的营养2.5 常见污染物治理的微生 物操作技术2.3 微生物对污染物的作用1 1FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程第二节 微生物的营养n n营养：生物体从外界摄取物质和能量，满足自身营养：生物体从外界摄取物质和能量，满足自身生长和繁殖需要的一种生理功能。生长和繁殖需要的一种生理功能。类类 型型碳源碳源能源能源微生物举例微生物举例
2、光能自养菌光能自养菌光能异养菌光能异养菌化能自养菌化能自养菌化能异养菌化能异养菌COCO2 2有机物有机物COCO2 2有机物有机物光能光能光能光能无机还原物无机还原物有机物有机物蓝细菌、紫蓝细菌、紫/绿硫细菌、藻绿硫细菌、藻类类紫色非硫细菌（红螺菌科细紫色非硫细菌（红螺菌科细菌）菌）硝化细菌、硫化细菌、铁细硝化细菌、硫化细菌、铁细菌、氢细菌菌、氢细菌绝大多数细菌和全部的真核绝大多数细菌和全部的真核微生物微生物2 2FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程微生物的营养要求n n六大要素：C、N、En
3、ergy、GF、H2O、Mineral saltsn nCarbon source:“细胞骨架”，能生物降解的菌可以利用多种有机物作为碳源。但利用的能力不同：eg：Pseudomonas cepacia可以利用90种不同的有机物，而Methanobacterium 仅仅利用CO2和少数C1和C2化合物。3 3FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程n nNitrogen source：蛋白质合成和核酸合成的必需物质。1.1.环境中N的存在形式：氮气、铵盐、硝酸盐、尿素、有机含氮化合物等；2.2.微生
4、物可以利用多种形式的氮源：肺炎克雷伯氏菌：利用农药溴苯腈肺炎克雷伯氏菌：利用农药溴苯腈氨氨 假单胞菌：二硝基苯酚假单胞菌：二硝基苯酚硝酸盐硝酸盐氨氨3、有机污染环境中，N源是微生物种群的生长限制因子。污染物完全降解的碳氮比范围：200:110:14 4FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程n nGrowth factors:vv主要是氨基酸amino acid、嘌呤purine、嘧啶pyridine、维生素vitaminvv需要的量少，但有些微生物不能自身合成，必需依赖外源提供，如乳酸菌必需提供多
5、种维生素的供应。Auxoautotroph：生长素自养型Auxoheterotroph：生长素异养型5 5FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程n nMineral salts：微生物生长需要多种矿质元素：Macroelements常量元素：构成生物分子成分，如磷是核酸、细胞膜的重要成分，硫是蛋氨酸、硫胺素的成分，这些元素有P、S、K、Mg、Ca、Na、Fe，浓度104103mol/L；Microelements微量元素：Cu、Zn、Mn、Co、Mo，浓度108106mol/L；酶代谢中起作用。6
6、 6FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程自然环境中矿质元素含量较高，但是少数难溶的矿质如磷，成为水环境和土壤环境中的限制因子。一般要求碳磷比的范围：1000:1100:1用C/N和C/P来评判环境的营养状况要谨慎！7 7FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程qq水：水：一般用一般用水活度水活度（Water activityWater activity，A Aw w)或或水势水势（water wate
7、r potentialpotential，）来表示微生物可利用的水。来表示微生物可利用的水。水活度水活度 水活度事实上与平衡相对湿度含义一致，但它不是水活度事实上与平衡相对湿度含义一致，但它不是以以0100%RH0100%RH标志标志,而是以而是以0.1.0 Aw0.1.0 Aw标志。平衡湿标志。平衡湿度定义为没有了物质与空气中水的交换情况下，由度定义为没有了物质与空气中水的交换情况下，由周围空气获取的湿度值。周围空气获取的湿度值。水势水势 某一系统中水的化学势与处于相同温度和压力的纯某一系统中水的化学势与处于相同温度和压力的纯水的化学势之差，除以水的偏摩尔体积所得的商。水的化学势之差，除以水
8、的偏摩尔体积所得的商。它是水分转移本领大小的指标。它是水分转移本领大小的指标。水总是从水势高的一方流向水势低的一方。水总是从水势高的一方流向水势低的一方。8 8FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程n n一般微生物需要水活度在0.9001.000范围内存活，除了极少数菌体如Halobacter外。n n水活度值和细菌繁殖 n naw=0.910.95 细菌最多 n naw=0.88 酵母最多 n naw=0.80 霉菌最多 n naw=0.75 喜盐细菌 n naw=0.70 osmiophile
9、某些酵母 n naw=0.65 xerophile 某些霉菌9 9FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程第三节 微生物对污染物的作用n n微生物对污染物的作用是多方面的。包括：降解作用，共代谢作用，去毒作用，激活作用。1010FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程1.微生物的降解作用n n降解微生物 种类繁多，细菌、真菌、藻类1）细菌 降解污染物的主力军，29类，广泛对污染物产生降解，包括真细菌、蓝细
10、菌和古菌1111FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程n n2 2）真菌）真菌 酵母、霉菌、大型真菌对污染物都有降解。酵母、霉菌、大型真菌对污染物都有降解。种类种类种属种属代表污染物代表污染物 酵母酵母CandidaCandidaSaccharomycesSaccharomycesTrichosporonTrichosporonRhodotorulaRhodotorula石油烃石油烃石油烃，克菌丹等石油烃，克菌丹等石油烃石油烃石油烃石油烃 霉菌霉菌AspergillusAspergillusBot
11、rytisBotrytisCladosporiumCladosporiumCunninghamellaCunninghamella石油烃，敌百虫石油烃，敌百虫石油烃、扑草净石油烃、扑草净石油烃、扑草净石油烃、扑草净石油烃、甲霜灵石油烃、甲霜灵 白腐菌白腐菌平革菌平革菌云芝云芝PAHsPAHs/TCDD/TCDDPCPPCP1212FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程n n藻类 自然界藻类和菌类共栖，降解有机物。如氧化塘。藻类降解：A、多种酚类化合物（苯酚、邻甲酚、苯三酚等）、萘。B、偶氮染料：小
12、球藻对33种偶氮染料脱色能力。1313FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程2.基质代谢的生理过程n n微生物降解基质过程和其他化合物的代谢相似：向基质接近 对固体基质吸附分泌胞外酶可渗透物质的吸收和胞内代谢1414FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程n n向基质接近 接近的意思：微生物处在这种物质的可扩散范围内，或者胞外酶处于这种范围内。细菌和其他微生物表现出向基质的趋向性。如：丝状真菌向基质生长
13、，担子菌的探查环境行为。n n对固体基质的吸附 微生物和固体基质间有非常紧密地结合 如：纤维素分解菌吸附纤维素，沥青降解菌牢固附着。1515FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程n n胞外酶的分泌 天然和人工合成的大分子物质都难降解，生物采取分泌胞外酶来达到降解作用。胞外酶活动失效的原因：1）酶被吸附；2）变性；3）被生物降解；4）分解产物被竞争生物利用。1616FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程
14、n n细胞内代谢 异生素进入细胞后，可以通过周边代谢途径被降解。初始代谢产物通常汇集到少数中央代谢途径，参与细胞成分构建。副反应产物：代谢产生的副反应产物可能产生终死产物终死产物和致死性产物致死性产物。终死产物本身就是持久性的，若无其他生物代谢，将是有害的；致死性产物就是代谢过程中产生的产物抑制生物体生命循环的关键步骤使得细胞死亡。如：氟代乙酸盐是由氟取代的基质降解形成，抑制 TCA循环。1717FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程n n测定出不同基质条件下有机化合物的半衰期，这测定出不同基质条
15、件下有机化合物的半衰期，这些与环境因素关系很大。些与环境因素关系很大。类别类别半衰期半衰期生物降解快生物降解快1717天天生物降解较快生物降解较快728728天天生物降解慢生物降解慢424424周周抗生物降解抗生物降解612612月月1818FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程2.共代谢n n现象：1960s，一氯乙酸上生长的假单胞菌使三氯乙酸脱卤，却不能利用三氯乙酸n n微生物不能从共代谢中受益，在纯培养中，共代谢终死转化1919FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工
16、程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程n n共代谢基质与共代谢微生物 许多化合物在培养物中行共代谢。如：环己烷、氯酚、二氯苯胺、三硝基苯、甲草胺、禾草敌、2，4D。微生物：无色杆菌属、节杆菌属、假单胞菌属、黄杆菌属、产碱菌属、诺卡氏菌属、芽孢杆菌属；青霉属、丝核菌属等 共代谢转化涉及单个或多种酶，进行羟基化、氧化、去硝基、去氨基、水解、酰化等作用。2020FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程共代谢的原因（1）缺少进一步降解的酶系（2）中间产物的抑制作用最初的转化产物抑制了后续酶的活性。例如：恶臭假单胞菌共代谢形成3-氯儿茶酚，抑制了后续酶系活性导致不能降解。2121FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程FEL,bio-vaxFEL,bio-vax环环境境生生物物工工程程（3）需要另外的基质 需要第二种基质因为：可提供电子供体或者起诱导作用。如：铜绿假单胞菌要经过正庚烷诱导产生羟化酶系，使链烷烃转化为相应的醇。2222FEL,
