危险性化合物的微生物降解-中国石油大学环境生物工程.pptx
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1、n危险性化合物(hazardouschemicals)由于这些化学物质对人具有三致效应三致效应(致癌、致畸、(致癌、致畸、致突变),致突变),故称之为危险性化合物。故称之为危险性化合物。n理论上微生物具有降解自然界产生的有微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制,但是由于:机化合物的代谢机制,但是由于:新合成的化合物结构新颖;微生物对这些化合物无降解机制微生物对这些化合物无降解机制 因此新的化合物往往对微生物的降解表现出抗因此新的化合物往往对微生物的降解表现出抗逆性逆性n来源人工合成的农药、人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂防腐剂、溶剂的主要成分或的主要成分或石
2、油化工产品的中石油化工产品的中间产物间产物n化学本质脂肪烃、芳香烃类及其衍生物;脂肪烃、芳香烃类及其衍生物;n最常见的为多环芳烃最常见的为多环芳烃(PAHs)PAHs)、多氯联苯多氯联苯(PCBs)PCBs)、氯代氯代烃(如三氯乙烷)、有机氮、有机氯、有机磷农药等烃(如三氯乙烷)、有机氮、有机氯、有机磷农药等要回答的实际问题要回答的实际问题n能否生物降解?是否完全?能否生物降解?是否完全?可行性可行性n哪种或哪几种微生物降解?后者中的分哪种或哪几种微生物降解?后者中的分工脚色如何?工脚色如何?菌种选育及基因工程菌菌种选育及基因工程菌改造方向以及好厌氧工艺选择改造方向以及好厌氧工艺选择n降解生化
3、反应机理如何?哪些酶参与?降解生化反应机理如何?哪些酶参与?限速步骤为哪一步?限速步骤为哪一步?酶工程强化的可酶工程强化的可行性行性微生物通常通过生态学协同作用完成为此类污染物的降解环境生物工程学工作者的任务n从特定环境中分离纯化得到具有某些特定降解能力的微生物纯培养物n驯化出降解某些污染物的微生物菌株,使其降解能力更强大n通过基因工程手段来改造微生物使其具有特定的降解能力n通常,任何有毒物质在混合培养条件下的速率均快于单个菌群的速率n为什么要研究单个的、纯化了的微生物菌株,并研究其特点?微生物本身的特性必须要清楚:生理生化、遗传、降解能力降解机制、代谢过程二、二、微生物菌群的生态学地位微生物
4、菌群的生态学地位 (微生物群落的生物降解功能)(微生物群落的生物降解功能)n属于通常意义上共生、互生共生、互生共生、互生共生、互生、寄生、拮抗、寄生、拮抗的前两种。n目前主要通过试验室混合菌培养模拟环境实际情况n以下实验中发现的微生物现象是否与实际既然环境中真实情况完全一致不能确定,但可提供类比参考但可提供类比参考n根据不同代谢作用进行职责划分,可以将微生物群落分为7种:n(相当于我们人类社会职业分工,如厨师、医生、球员等等)nStirling等人(1976年)从环己烷上富集分离得到微生物群落:诺卡氏菌属(诺卡氏菌属(Nocardia sp.Nocardia sp.)(放线菌中一种)可独立分解
5、环己烷,但只有在能提供生物素(维生素生物素(维生素B B族)族)的假单胞菌属的假单胞菌属(PseudomonasPseudomonas)存在情况下才能生存。n假单胞菌属的角色n n(1 1)提供特殊营养物质(主要是生长因)提供特殊营养物质(主要是生长因子)子)(相当于(相当于(相当于(相当于“厨师厨师厨师厨师”或或或或“营养师营养师营养师营养师”)n类似于我们肠道中的微生物为我们提供身体所需的维生素n在利用甲烷生产单细胞蛋白的微生物群落中分离得到四种微生物:氧化甲烷的假单胞菌会受到体系中甲醇甲醇的毒害的毒害,体系中的生丝微菌确可将甲醇生丝微菌确可将甲醇氧化去除氧化去除。(该群落中的其余两个成员
6、是黄细菌与不动杆菌)。对于甲烷的氧化,n生丝微菌的脚色n n(2 2)去除生长抑制产物)去除生长抑制产物(相当于(相当于(相当于(相当于“大夫大夫大夫大夫”或或或或“环卫工环卫工环卫工环卫工”)n微生物之间构成了类似食物链的关系,如降解黑苔酚的3种细菌之间的关系,假单胞菌、扩展短杆菌、短假单胞菌、扩展短杆菌、短小杆菌三者均可降解小杆菌三者均可降解3 3,5-5-二羟基甲苯(又称苔黑酚)二羟基甲苯(又称苔黑酚),但后两者,但后两者只有在假单胞菌首先生长后才能降解苔黑只有在假单胞菌首先生长后才能降解苔黑酚酚。n假单胞菌的角色n n(3 3 3 3)改善单个微生物的基本生长参数(条件)改善单个微生物
7、的基本生长参数(条件)改善单个微生物的基本生长参数(条件)改善单个微生物的基本生长参数(条件)(相当(相当(相当(相当于于于于“大哥大大哥大大哥大大哥大”或或或或“大姐大大姐大大姐大大姐大”)n上述三类主要在简单有机物的降解中较为重要,对于复杂或异型有机物,危险性化合物和难降解化合物主要依靠下面四种类型生物代谢n n(4 4 4 4)对底物协调利用)对底物协调利用)对底物协调利用)对底物协调利用(相当于(相当于(相当于(相当于“足球队足球队足球队足球队”或或或或“流水作业流水作业流水作业流水作业”)n单个微生物对某种物质没有降解能力,但混合后则能单个微生物对某种物质没有降解能力,但混合后则能够
8、降解该物质够降解该物质以协同代谢降解为基础。以协同代谢降解为基础。n如如没有一种微生物可以没有一种微生物可以杀虫剂二嗪农杀虫剂二嗪农硫代磷酸硫代磷酸O O,O O二乙基二乙基O O(2 2异丙基异丙基4 4甲基甲基6 6嘧啶嘧啶基)酯为唯一碳源生长基)酯为唯一碳源生长n原因何在?原因何在?n都不具有完整的降解酶。都不具有完整的降解酶。n但节杆菌、链霉菌但节杆菌、链霉菌同时同时同时同时存在时,可将其降解存在时,可将其降解n“分工协作分工协作”第四类微生物第四类微生物再如,除草剂茅草枯(达拉朋;达拉朋;,-二氯二氯丙酸钠丙酸钠)的降解n一个从除草剂茅草枯上分离得到的多成员微生物群落,混合菌株的降解
9、率比单个菌株的降解率之和之和还高高20%n n(5 5)共代谢)共代谢(相当于(相当于“友情客串友情客串”)n共代谢共代谢指某种生长底物和某种非生长底指某种生长底物和某种非生长底物物(污染物污染物,不作为生长必需的能源或碳源提供物,不作为生长必需的能源或碳源提供物)共用同一种酶的现象。共用同一种酶的现象。生长底物是能被微生物用作为唯一碳源的物质。n共酶现象共酶现象是指一些污染物(非生长底物)不能作为微生物生长的唯一碳源,而只能在生长底物被利用时,通过微生物产生的酶,将该污染物转化为不完全的氧化物。如n如土壤中广泛存在的如土壤中广泛存在的好氧嗜甲烷菌好氧嗜甲烷菌只能利用甲烷生存,其只能利用甲烷生
10、存,其产生的单产生的单加氧酶专一性较差,可同时启动烃加氧酶专一性较差,可同时启动烃类的初始降解反应类的初始降解反应,为其他微生物,为其他微生物进一步降解创造便利进一步降解创造便利。第五类微生物第五类微生物注意:注意:该特殊生长底物存在及数该特殊生长底物存在及数量的重要性!量的重要性!人工强化人工强化第六类微生物第六类微生物n n(6 6 6 6)氢)氢)氢)氢(电子)转(电子)转(电子)转(电子)转移移移移(相当于(相当于(相当于(相当于“接线生接线生接线生接线生”)复杂有机物复杂有机物1 1水解菌水解菌 2 2发酵菌发酵菌脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸 乙酸乙酸乙酸乙酸 HH2 2 +CO+CO2
11、 23 3产乙酸菌产乙酸菌 CHCH4 4+CO+CO2 2HH2 2S+COS+CO2 2硫酸盐还原菌4 4产甲烷菌产甲烷菌4 4产甲烷菌产甲烷菌厌氧代谢与去除生长抑制物、及协同作用的区别在于,氢受体物质氢受体物质存在存在的重要性硫酸硫酸盐、硝酸盐、盐、硝酸盐、碳酸盐碳酸盐解除过多解除过多氢氢对产乙酸菌对产乙酸菌的产物抑制的产物抑制n有一种以上初始利用者存在,有一种以上初始利用者存在,n每个初始利用者作用相同,都每个初始利用者作用相同,都可以将某特殊污染可以将某特殊污染物降解利用物降解利用(区别于协同利用之处)(区别于协同利用之处)但但n混合菌群合力速率混合菌群合力速率任何一个菌种单独降解速
12、率任何一个菌种单独降解速率n如对除草剂对硫磷和苯甲酸降解菌群中各种微生物均可独立在以上唯一碳源培养基上生存,但混合菌对其降解速度远高于各自单独降解速率n n?尚不清楚?尚不清楚?尚不清楚?尚不清楚第七类微生物第七类微生物n n(7 7 7 7)提供一种以上初级底物利用者)提供一种以上初级底物利用者)提供一种以上初级底物利用者)提供一种以上初级底物利用者(相当于(相当于(相当于(相当于“男女搭配干活不累男女搭配干活不累男女搭配干活不累男女搭配干活不累 ”)n确定某种污染物自然状态的生态降解菌确定某种污染物自然状态的生态降解菌群种类及其生态作用的目的?群种类及其生态作用的目的?n找出人工强化的关键
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