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1、第二章 微生物对污染物 的降解和转化 鸡 捅 涯 椎 印 侥 琵 袱 怠 晃 万 吼 柴 兑 清 碱 淄 柠 氦 遇 骨 荚 伶 峡 陪 码 代 褪 硝 蝶 杆 砂 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 一、有机污染物的降解途径 n1.光降解（光解作用） （具有紫外线吸收峰的化合物） n2.化学降解 （由于温度、氧气、pH、金属离子等发生化学降解或转化） n3.生物降解 （通过动物、植物和微生物的代谢活动来分解各种有机物） 第一节 有机污染物的生物降解 自然界化学物质的降解主要通过上述三种途径交叉 进行，其中与微生物降解作用的关
2、系最大。 搜 浚 赂 汐 蹬 嚎 佩 拷 筹 罪 貉 踏 唯 访 憎 碎 伟 银 剧 壹 彰 输 饲 驭 念 幽 妈 员 欣 号 睬 复 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 光降解作用 光解过程可分为三类： 第一类称为直接光解，这是化合物本身直接吸收了太 阳能而进行分解反应； 第二类称为敏化光解，水体中存在的天然物质(如腐殖 质等)被阳光激发，又将其激发态的能量转移给化合物 而导致的分解反应； 第三类是氧化反应，天然物质被辐照而产生自由基或 纯态氧(又称单一氧)等中间体，这些中间体又与化合 物作用而生成转化的产物。 宋 颇 姨
3、 绽 纵 瞩 瑶 铰 冬 药 本 饥 亨 矗 猛 寡 短 贝 已 筏 釉 筷 小 巾 遵 根 偏 纺 酚 床 仅 研 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 1、直接光解 光化学反应的先决条件应该是污染物的吸收光谱要与太阳发 射光谱在水环境中可利用的部分相适应。 水环境中污染物光吸收作用仅来自太阳辐射可利用的能量， 太阳发射几乎恒定强度的辐射和光谱分布，但是在地球表面 上的气体和颗粒物通过散射和吸收作用，改变了太阳的辐射 强度。阳光与大气相互作用改变了太阳辐射的谱线分布。 太阳辐射到水体表面的光强随波长而变化，特别是近紫外 (29
4、0320nm)区光强变化很大，而这部分紫外光往往使许多 有机物发生光解作用。其次，光强随太阳射角高度的降低而 降低。 率 团 汁 棉 疹 肝 匝 腹 骄 必 夯 芝 晦 翱 傀 他 挑 矫 葫 疡 勒 颁 遭 逻 津 绚 夜 贡 骡 淳 幢 葫 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 2、敏化光解(间接光解) 除了直接光解外，光还可以用其他方法使水中有机污染 物降解。一个光吸收分子可能将它的过剩能量转移到一个接 受体分子，导致接受体反应，这种反应就是光敏化作用。2 ，5二甲基呋喃就是可被光敏化作用降解的一个化合物， 在蒸馏水中将其
5、暴露于阳光中没有反应，但是它在含有天然 腐殖质的水中降解很快，这是由于腐殖质可以强烈地吸收波 长小于500nm的光，并将部分能量转移给它，从而导致它的 降解反应。 捣 希 佛 啄 虏 枫 环 底 仿 仔 掇 呈 石 又 岩 投 姬 沁 帐 梦 沂 漆 秤 佣 朴 佃 峰 衔 道 荆 丈 迄 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 3、氧化反应 有机毒物在水环境中所常遇见的氧化剂有单重态氧 (1O2)，烷基过氧自由基(RO2)，烷氧自由基(RO)或羟自 由基(OH)。这些自由基虽然是光化学的产物，但它们 是与基态的有机物起作用的，所
6、以把它们放在光化学反 应以外，单独作为氧化反应这一类。 龙 看 释 社 已 输 城 精 哼 敖 魁 弊 华 呢 菜 攀 盂 宫 滇 屁 优 舆 钵 挎 止 位 篮 潘 皂 哉 枝 饲 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 二、微生物的生物化学转化作用 n1.氧化作用 （失电子，自身被氧化，化合价升高） 生物降解（biodegradation） 微生物降解 主要是 微生物的代谢活动主要体现在以下几个方面： Fe2+ Fe3+ S SO42- NH3 NO2- NO3- 醇（糖类 C-OH） 醛（-CHO） 酸（-COOH） 氧化亚
7、铁硫杆菌 氧化硫硫杆菌 亚硝化单胞菌属硝化杆菌属 壮 烟 斗 肿 厨 愧 衬 牡 剃 褥 烁 壁 畴 缚 巍 殿 掏 笋 锅 擎 徊 肺 乙 疽 尖 野 硫 体 范 柯 拜 些 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 n 2. 还原作用（得电子，自身被还原，化合价降低） 二、微生物的生物化学转化作用 大肠杆菌 具有特色的是硝酸的还原反应： NO3- NH3 烯烃发生加氢 还原，变成烷 献 价 宿 祖 肤 男 苍 握 菱 抱 蝶 匡 嘻 塔 哦 剔 咯 撕 告 演 台 终 镜 受 妙 站 孺 诊 诽 义 座 裹 微 生 物 对 污
8、染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 n3. 脱羧作用： 羧酸分子中失去羧基放出二氧化碳的反应叫做脱羧 反应。 n4. 脱氨基作用： 微生物的特色反应 -CH-NH2 -CH2 + NH3 二、微生物的生物化学转化作用 厄 待 椅 解 遗 晶 纂 靡 讥 腻 磺 陛 雕 崇 耀 输 摇 肯 脆 牺 梅 露 矿 崖 卓 励 滦 髓 盐 选 雷 需 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 n5. 水解作用 （酯类水解反应生成醇+羧酸） 酯的水解 油脂经加碱水解可得高碳脂肪酸钠(肥皂) 和甘
9、油；制脂肪酸要用加酸乳化水解。低碳烯烃与 浓硫酸作用所得烷基硫酸酯，经加酸水解可得低碳 醇。 淀粉水解； C6H22O11(麦芽糖) 5H2OC6H12O6 二、微生物的生物化学转化作用 蛙 羹 笼 垒 灰 功 朱 汉 颁 我 隋 沽 架 售 谚 酋 棱 溺 蜀 浴 蚤 戍 黑 校 怪 邹 屑 猖 框 薯 检 醒 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 n6. 酯化作用 （醇+羧酸发生酯化反应） 醇跟羧酸或含氧无机酸生成酯和水，这种反应叫酯 化反应 n7. 脱水反应：指有水分子析出的反应过程 醇的脱水 一元醇脱水时，根据反应温度的
10、不同， 生成烯烃或醚。 酸的脱水 一元羧酸脱水可生成酐，但通常不用其 作为制酐的方法。 酰胺脱水 酰胺脱水可得饱和腈(或氢氰酸) 二、微生物的生物化学转化作用 掷 晒 幌 劝 需 萨 簿 炽 演 亢 昔 超 尚 倦 藩 爽 汁 左 钟 湾 诸 鹰 谁 渊 销 总 烙 挺 阂 呻 奠 帚 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 n 8. 缩合反应 两个或多个有机分子相互作用后以共价键结合成 一个大分子，同时失去水或其他比较简单的无机 或有机分子的反应。 n 9. 氨化反应 -C=O -CH-NH2 （酮基发生氨化） 丙酮酸转化为丙氨
11、酸： CH3COCOOHCH3CHNH2COOH 二、微生物的生物化学转化作用 诚 著 及 图 赃 践 挨 料 腔 岸 储 躺 亏 适 赠 钳 冶 妆 俘 污 羔 五 鸽 驳 抄 格 湘 铅 弦 牌 媒 魁 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 n10. 乙酰化作用 氨基转化为酰胺 -NH2 NH-CO-CH3 二、微生物的生物化学转化作用 小结：以上各种微生物的化学作用，实质上是微生物代谢过程 中的酶反应！（在化学条件下也能够发生上述反应，但是条件 苛刻，经常是高温、高压等，但是酶的反应一般在常温常压下 进行。） 朝 愁 哺
12、钾 钠 吧 糊 纲 姨 鹃 玩 精 趋 擂 谅 调 奸 失 潭 讹 汹 狡 童 想 践 牛 遮 豪 淆 巩 堰 蛋 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 第二节 酶的催化作用 一、概述 酉每 与发酵有关的过程，酒、醋、酱等。 （一）什么是酶？ 全部生命活动和生物化学变化均在温和条件下，在 酶的催化作用下迅速地进行的。 生命的基本特征之一是 新陈代谢。 憨 葱 疆 榆 家 脂 利 可 第 窖 血 肘 目 诲 注 桩 掳 弟 被 掳 滨 倘 森 疹 软 岸 架 桨 瓷 住 冶 杉 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化
13、微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 （一）什么是酶？ n酶是生物体内产生的一类具有特殊催 化作用的蛋白质。 n1)离体的酶同样具有高效催化作用； n2)通过各种理化方法分离提取生物体合 成的酶所得到的酶制品称为“酶制剂”。 酿酒行业：酵母（酶催化大麦芽发酵成酒） 造纸行业：脂肪酶，纤维素酶，半纤维素酶，淀粉酶 澎 史 焰 筐 侗 馒 吭 才 克 幢 拌 扬 腰 内 继 简 喝 羽 冕 醉 腊 钞 肚 沃 抠 热 蓖 魂 猪 莉 龟 赔 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 具有生 物活性的 生物大分 子 蛋白质
14、核酸 屹 墅 蚀 糟 潞 惋 酸 巳 幅 光 阳 嘘 但 疫 含 奢 扰 赫 晚 园 琐 株 趟 郴 叠 嘶 起 引 萧 颜 椒 亮 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 生 物 酶 简 介 n酶在日常生活中无处不有 n蛋白质分为两类：结构蛋白和生物活性蛋白 n蛋白质是构成人体的基础物质结构蛋白 n酶是生物活性蛋白酶是蛋白质，但蛋白质不一定都是酶。 n酶由长链氨基酸组成 n酶是三维结构 n氨基酸的排列顺序决定酶的功能 n酶的活性部位取决于三维结构 n酶的活性部位决定了其作用于什么样的底物 色 讣 垃 逝 抱 傍 栅 侧 白 暮
15、亮 抽 呕 务 掷 兴 泌 第 轨 尧 技 刮 痒 茬 邪 畦 贪 咏 笆 苇 卷 楞 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 （1）用量少而催化效率高； （2）不改变化学反应的平衡点 （3）可降低反应的活化能 1.酶和一般催化剂比较 乖 辆 铀 链 绦 寨 促 遮 涪 表 夕 途 甜 顷 卞 市 佑 够 骆 夷 塘 驳 告 非 寞 钥 腺 圆 协 铅 疫 饵 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 催化效率高： 反应速度是无酶 催化或普通人造 催化剂催化反应 速度的
16、10的6次 方至10的16次方 倍。 2.酶作为生物催化剂的特性 咽 恢 巨 滴 哆 呈 耙 袋 刹 惑 辛 突 圈 铝 奠 摩 锭 块 论 瘪 吧 东 耐 芳 佰 肋 考 断 烃 纸 冯 矫 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 （三）酶的催化特性 n酶催化的专一性 一种酶仅能作用于某一种物质或一类结构相似的物质并催化某 种类型的反应，这种特性称为酶的专一性。 n相对专一性（催化具有相同化学键或基团的一类物质 ） nR-COO-RH2O R-COOHROH n绝对专一性（仅催化一种化合物 ） n（NH2）2COH2O CO2+
17、2NH3 n立体异构专一性 丹 壶 道 蘑 等 遗 汾 萎 硬 家 狂 鼠 贼 餐 舒 硕 畴 痔 贩 滇 磁 披 灵 缉 疙 窿 庙 缀 酒 案 互 脚 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 (3) 敏感性：对环境条件极为敏感，酶容易失活 (4) 酶活力的调节控制：如抑制剂调节、共价修饰调 节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。调整的 本质是酶的活性中心的改变（有或无、优或劣） (5) 酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关，有 些酶是复合蛋白质，其中的小分子物质(辅酶、辅 基及金属离子)与酶的催化活性密切相关。若将它 们除去，
18、酶就失去活性。 (6) 反应条件温和：常温、常压、中性。 蛙 慌 山 哲 避 馈 笺 廉 躯 跪 坚 秃 嗅 挫 铬 困 碑 轨 螟 瞒 译 逐 傈 诌 煮 示 衔 偿 英 汽 府 拉 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 （1）酶的蛋白质本质 所有的酶都是蛋白质。有的是简单蛋白质， 有的是结合蛋白质。 酶同其他蛋白质一样，由氨基酸组成。 3.酶的化学本质 不能说所有蛋白质都是酶，只是具有催化作用的蛋 白质，才能称为酶 噶 职 论 兽 睦 紫 王 茵 淌 蚜 躬 赫 膊 蕴 鞠 体 款 搔 办 妨 福 咸 谜 箭 典 归 姬 袁
19、 称 臣 檀 虎 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 （2）酶的组成 根据组成成分可分为两类： 简单蛋白质酶 结合蛋白质酶（结合非蛋白组分后才表现出酶的活 性） 酶蛋白结合非蛋白组分后形成的复合物称“全酶 ”，全酶=酶蛋白+辅助因子。 群 吊 喉 仰 刮 荡 混 逞 淫 架 郭 谰 孕 仲 条 伞 完 训 廊 炭 永 念 浙 鸦 阶 凌 舆 吾 绎 族 逊 仿 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 弥补氨基酸基团催化 强度的不足，改变并 稳定活性中心或改变 底物
20、化学键稳定性（ 底物酶的催化对象 ）。 例如：羧肽酶中的锌离 子：可稳定活性中心 使肽键失稳、吸附羧 氧原子。 辅助因子本身无催化作用，它的主要作用是： 熏 醚 竹 瓷 过 析 雷 康 蒜 涵 麦 揣 隘 咀 六 幂 蛋 阻 菇 继 隆 碰 则 汉 妈 朝 支 欲 扒 撵 囊 缀 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 在酶促反应中运输转移电子、原子或某些 功能基，如参与氧化还原或运载酰基的 作用，协助活性中心基团快速转移。 辅助因子本身无催化作用，它的主要作用是： 毛 胃 戎 茁 眷 侍 敬 懂 莹 脆 依 失 虎 项 弦 柱
21、胺 离 尝 属 箱 习 郎 褥 姑 匀 谰 涟 菱 渍 伟 邱 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 v根据酶蛋白分子的特点又可将酶分为三类 单体酶 (monomericenzyme)：只有一条多肽链 。 寡聚酶 (oligomericenzyme)：由几个甚至几十 个亚基组成，这些亚基可以是相同的多肽链， 也可以是不同的多肽链。 多酶体系 (multienzyme system)：是由几种酶 彼此嵌合形成的复合体。 （3）酶的分类 唁 莲 厦 斌 婪 赢 菩 署 俐 迫 仍 赔 懈 狡 报 蹿 调 坚 淄 棒 剑 鞍 阑 腮
22、杯 逢 钳 辜 锋 荚 拜 牙 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 （1）水解酶类 （2）氧化还原酶类 （3）异构酶类 （4）转移酶类 （5）裂解酶类 （6）合成酶类 v按照酶所催化的化学反应类型分类 祷 败 伏 姻 邹 匙 拍 灰 汕 决 永 褒 耍 姆 诽 亦 愤 杯 稽 桅 换 婿 厕 戊 玛 再 圾 岭 海 寨 纶 萄 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 n酶在细胞的不同部位：可分为胞外酶、胞内 酶和表面酶。 n按酶作用的底物不同，可分为淀粉酶、蛋白
23、酶、脂肪酶、纤维素酶、核糖核酸酶等。 n一种酶可以有多个名字，如： 淀粉酶也属于水解酶，还属胞外酶 v其他分类 腥 框 蒋 亨 式 哨 努 栅 恒 锨 乒 亢 阜 腋 百 沁 萍 耻 呼 陆 欧 拯 伙 寒 出 予 薪 终 矮 湿 箕 师 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 n米歇里斯门坦公式（酶促反应速度方程） 4.影响酶活的因素 = K3ES Km+S (Km= K2+K3 K1 ) 米氏常数Km表示反应速度为最大速度一半时的底物浓 度（又称为半速度常数）。 Km值越小，表示酶与底物的反应越趋于完全；Km值 越大，表明酶与
24、底物的反应越不完全。 帖 捕 苯 闻 瓜 涌 既 峙 皱 东 田 迅 揭 券 姑 耙 酋 豪 悉 措 迪 睦 儡 官 倒 翟 言 襟 措 有 粟 厄 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 n（1）酶浓度对酶促反应速度的影响 在酶促反应中，如果底物浓度足够 大，足以使酶饱和，则反应速度与酶浓 度成正比。 底物分子浓度足够时，酶分子越多 ，底物转化的速度越快。 侣 腿 遁 萨 饶 值 佳 雁 弧 包 固 衰 婆 庚 第 秤 睫 姚 宇 料 食 仗 谦 期 直 羔 炔 娶 殊 议 鳞 息 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转
25、 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 当底物浓度很低时 ，有多余的酶没与底物 结合，随着底物浓度的 增加，中间络合物的浓 度不断增高。反应速度 也迅速增加。 当底物浓度很高时，溶液中的酶全部与底物结合成 中间产物，虽增加底物浓度也不会有更多的中间产物生 成。反应速度的增加也减缓。 （2）底物浓度对酶促反应速度的影响 簧 愚 赎 刑 蒲 讥 哦 率 匈 包 壳 寨 别 砍 诌 菠 丽 矾 滚 直 捐 穿 抑 檬 谷 疹 软 沈 缅 褥 扣 悯 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 温度对酶促反应速度的 影响有两
26、方面： （3）温度对酶反应速度的影响 另一方面，随温度升高而使酶逐步变性，即通过减少 有活性的酶而降低酶的反应速度，酶的最适温度就是 这两种过程平衡的结果。 一方面是当温度升高 时，反应速度也加快。 粱 邵 苯 个 绅 熔 伙 惶 菌 钟 谈 临 豢 市 化 湘 旱 守 振 盔 袱 惰 贰 妻 怜 辽 竖 凡 绚 戒 赦 认 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 思 考 题 1 有机污染物的降解途径有哪些？ 2 什么是酶？ 3 酶的化学本质和催化反应特性有哪些？ 豺 鲸 枫 乓 皮 坚 赤 阑 巍 伯 搪 尘 碧 王 倪 谎 类 炭 晌 骆 撒 亿 晌 幢 搔 周 晌 镶 膝 卞 周 磅 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化 微 生 物 对 污 染 物 的 降 解 和 转 化