第四章-环境生物工程的最新进展7.ppt

第四章 环境生物工程 的最新进展 4.1.1 天然有机物的生物可降解性 4.1.2 合成有机物的生物可降解性 4.1.3 定向选育的方法 4.1.4 应用实例 天然有机物是自然环境的代谢产物，包括腐殖质、微生物分泌物，溶解的动植物组织及动植物物的废弃物等。 因为这类化合物在自然界是以微生物合成的方法形成的，在合成过程中，很多酶参与反应，而酶反应大多数是可逆的。因此，这类化合物可以在生物降解过程中很容易被相应的酶所分解，即天然有机物的生物降解性是普遍存在的，并且已经与物质转化（循环）相平衡。 自然界存在的碳循环、氧循环、氮循环、氢循环、硫循环和磷循环等都存在着天然有机物的合成与分解。微生物与碳循环之间的关系可以用一个理想化的食物网来表示，如下图所示。 在大多数陆地和浅水环境中，初级生产者主要是高等植物，主要的食草动物为无脊椎或脊椎动物，微生物是分解者。 在极端环境中，如裸露的岩石表石、地球两极地区、高盐和高温地区，微生物是食物网主要的初级生产者和分解者。 在类似于陆地和水的环境中，食物网的分解者主要是微生物，降解动物和植物的尸体，分解其他生物未完全消化的有机物，如粪便和尿素等等。 对于绝大多数合成有机化合物来说，生物降解是最重要的降解过程之一，生物降解速率对于估计合成有机物在环境中的转化、归宿和风险性起着重要的作用。 合成有机化合物的生物降解性可分为易生物降解和难生物降解。 所谓难生物降解，是相对于易生物降解而言。 如果一种化合物在自然环境中在任意长的时间内保持它的固有性质和状态，则认为它是难于生物降解； 在一个不太明确停留时间系统中，如果一种化合物滞留可达几个月或几年之久，也认为是难于生物降解的； 对于人工生物处理系统，例如，在活性污泥或厌氧反应器中，如果一种化合物通过一定的处理，在几天之内还未被分解或消除，则同样被认为是难于生物降解的－通常使用B/C比来衡量 而影响合成有机化合物生物降解性的因素包括： 这是最重要的影响因素，包括微生物的种类、生长速率和适应-驯化程度等方面。 a.微生物的种类组成： 微生物的种类组成可以决定化合物降解的方向和程度。 而微生物的种类组成又与环境中化学物质有关。在特殊环境中某些微生物占优势，主要是因为环境中存在能被这种微生物代谢的化学物质。 例如：在含有烃类的水、土中，利用烃类的微生物占优势，这是自 然富集的结果。 微生物的种类组成除与底物有关外，也随温度、湿度、酸碱度、氧气和营养供应以及种间竞争等的改变而改变－取决于生长特性。 b.微生物的生长速率 ： 在生长速率最快的对数期，代谢最旺盛，活性最强。以污染物为唯一碳源或主要碳源作降解试验（见右图），显示微生物经停滞期进入对数生长期，污染物相应由停滞期进入迅速降解期。同样道理，在微生物稀少的自然环境中可存留几天或几周的有机物，在活性污泥中几小时就被降解。 c.适应-驯化程度 污染物的降解转化，适应是一个重要因子。 通过适应过程，新的、为微生物陌生的化合物能诱导必需的降解酶的合成；或由于自发突变而建立新的酶系；或虽不改变基因型，但显著改变其表现型，进行自我代谢调节，来降解转化污染物。以上过程中，微生物群体向着适应环境条件的方向变化。 其中驯化是定向培育微生物的方法与过程，它通过人工措施使微生物逐步适应某特定条件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性的菌株。在环境生物学中常通过驯化，获取对污染物具有较高降解效能的菌株，用于废水、废物的净化或有关科学实验中。 驯化的方法有多种，最普遍的途径是以目标化合物为唯一或主要碳源来培养微生物，在逐步提高该化合物浓度的条件下，经多代传种而获得高效降解菌。 ② 化合物的化学组成和结构的影响 从60年代起，对化合物的化学结构和生物降解性关系的研究逐渐活跃，尤其是近几年，该领域的研究有了很大的发展，并逐渐应用于降解动力学和对降解机理的探讨－产生了QSBR（南开戴树桂）。 有机化合物本身的化学组成和结构，形成空间障碍使其具有抗降解性。规律为： 结构简单的较复杂的易降解； 分子量小的较分子量大的易降解； 聚合物和复合物抗生物降解； 烃类化合物一般是链烃比环烃容易降解； 不饱和烃比饱和烃容易降解，直链烃比支链烃容易降解，支链烷基愈多愈难降解； 碳原子上的氢都被烷基或芳基取代时会形成生物阻抗物质； 环状化合物中环数目增加妨碍生物降解； 另外，取代基对有机化合物的生物降解性影响很大，如果以偶氮染料为例具体规律有： 偶氮染料分子包括1~3个偶氮键(-N=N-),键上连有苯基或萘基。在苯基和萘基上一般又连有氨基(-NH2),氯基(-Cl),羟基(-OH),甲基