环境生物学——共代谢.ppt
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1、第四章 微生物对污染物的作用,1.微生物的降解作用 2.共代谢 3.微生物的去毒作用 4.微生物的激活作用,第一节 微生物的降解作用,降解微生物 基质代谢的生理过程 污染物生物降解的动力学,降解微生物,降解微生物的种类繁多,细菌、真菌和藻类都可以降解有机污染物,细菌,细菌是不具有细胞核的微生物 细菌大约有29门 包括:真细菌(bacteria) 蓝细菌(cyanobacteria) 古细菌(archaea) 很多种类都可以对有机物进行降解 见表4-1(1)(3) 细菌是降解有机污染物的“主力军”,细菌,细菌的基本形态 (1)球菌:按其排列方式又可分为单球菌、双球菌、四联球菌、八叠球菌,葡萄球菌
2、、链球菌 (2)杆菌:细胞形态较复杂,有短杆状、棒杆状、梭状、月亮状、分枝状。 (3)螺旋状:可分为弧菌(螺旋不满一环)和螺菌(螺旋满26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。,细菌,细菌,细菌与真菌的不同 生物类型不同 细胞结构不同 细胞大小不同 增殖方式不同 名称组成不同,细菌,细菌的结构,细菌,梭菌属,脱硫肠状菌属,细菌,代表性蓝细菌,细菌,一些产甲烷细菌,细菌,表4-1 主要降解细菌及其作用基质举例(1),细菌,表4-1 主要降解细菌及其作用基质举例(2),细菌,表4-1 主要降解细菌及其作用基质举例(3),细菌,表4-1 主要降解细菌及其作用基质举例(4),细菌
3、,海岸石油污染的清除,费时、费力、成本高、清除不完全,细菌,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。 德国科研人员在一座铜矿中发现了一种被称为“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。 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解。研究人员在
4、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25升含染料的废水。,真菌,真菌是一大类真核异养微生物 包括:酵母 霉菌 大型真菌 能降解有机物的一些真菌列于表4-2。,真菌,单细胞酵母,面包酵母,真菌,曲霉的分生孢子,曲霉引起的真菌性角膜炎,真菌,青霉,孢子囊,黑曲霉,真菌,双孢菇,真菌,金针菇,杏鲍菇,真菌,表4-2 几类能降解有机污染物的真菌举例,藻类,藻类是含有叶绿素并能产生氧的光能自养菌 生活在水中,利用CO2合成有机物,但在黑暗时也会利用少量有机物。 利用藻类和菌类共栖可降解有机物 氧化塘(稳定塘)是降解有机物的例证 藻类可降解酚类化合物 苯酚、邻甲酚、1,2,3苯三酚等 2
5、0种不同藻类培养物具有氧化降解萘的能力。,藻类,小球藻(Chlorella vulgaris)对大部分偶氮染料有一定的脱色能力 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 对pH、光强度及温度均有较宽的适应范围 能保持较高的降解活性 在水中的藻菌共生体系中可以彻底矿化有机物 在污水生物净化中应用较多,基质代谢的生理过程,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果)和厌氧分解(主要是厌氧细菌活动的结果)。,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谢相似,可能包括如下过程: 向基质接近 对固体基质的吸附 分
6、泌胞外酶 可渗透物质的吸收和胞内代谢 通常采用的研究方法 用单一菌种在高浓度纯品下进行的间歇式培养。这种方法虽然很重要,但会掩盖自然界的很多真相。,基质代谢的生理过程,(一)向基质接近 生物体要降解基质必须先与之接近并接触 接近意味着 (1)微生物处于这种物质的可扩散范围之内 (2)胞外酶处于这种物质可扩散范围之内 (3)微生物处于细胞外消化产物扩散距离之内 不同环境微生物的作用差别很大 液体环境(湖泊、河流、海洋)混合良好 固体环境(土壤、沉积物)基本不相混合 运动扩散障碍对土壤中微生物的移动有显著影响。,基质代谢的生理过程,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。
7、 例如:担子菌垂幕菇属(Hypholoma)和原毛平革菌属(Phanerochaete)能够“探查”环境,找到没有接种过的木块,然后在其上定殖。,Hypholoma,Phanerochaete,基质代谢的生理过程,(二)对固体基质的吸附 吸附作用对于保证污染物质代谢是必不可少的。 研究发现 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 纤维素消化过程需要有物理附着 在沥青降解菌的分离过程中,发现细菌和固体基质之间有非常紧密的结合。,基质代谢的生理过程,(三)胞外酶的分泌 一般来说,不溶性的多聚体不论是天然的(如木质素)还是人工合成的(如塑料)都难降解。 不能降解的原因
8、 分子太大 生物采取的办法 (1)微生物分泌胞外酶 (2)将其水解成小分子量的可溶性产物 影响胞外酶活动性的障碍因素 胞外酶被吸附、胞外酶变性、胞外酶蛋白生物降解以及产物被与之竞争的生物所利用。,基质代谢的生理过程,(四)基质的跨膜运输 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。 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。在低浓度下需要有积累机制。 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。,基质代谢的生理过程,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。 细胞膜控制着
9、营养物进入和代谢产物的排出。 细胞膜以四种方式控制物质的运输 单纯扩散 促进扩散 主动运输 基团转位,基质代谢的生理过程,1.单纯扩散(simple diffusion) 又称被动运输(passive transport) 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地通过。 主要包括 氧、二氧化碳、乙醇和某些氨基酸。 C12以下的烃类可以扩散进入细胞膜 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。 被动运输在自然环境中不多,它不是主要的基质转移方式。,基质代谢的生理过程,2.促进扩散(facilitated diffusion
10、) 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量。 与单纯扩散的主要差别 基质越过细胞膜要依靠膜上特异性的载体蛋白通道。 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。 这种方式只能在高营养物浓度时发挥作用。,基质代谢的生理过程,促进扩散模式图,基质代谢的生理过程,3.主动运输 (active transport) 是微生物吸收基质的主要方式 特点 需要特异性载体蛋白作为载体,需要能量(质子势、ATP),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的微生物获得营养物。 可运送的营养物有 无机离子,有机物分
11、子,一些糖类,基质代谢的生理过程,基质代谢的生理过程,4.基团转位 是一种既需要特异性载体蛋白又要耗能的运送方式。 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。 基团转位主要作用 用于葡萄糖、果糖、甘露糖、核苷酸等物质的运输。,基质代谢的生理过程,基团转位:细菌PTS运输系统,基质代谢的生理过程,基质代谢的生理过程,(五)细胞内代谢 环境污染物质进入细胞后可以通过周边代谢途径被降解。 这类代谢通常是有诱导性的,并且有些是由质粒编码的。 初始代谢产物通常汇集到少数一些中央代谢途径之中。 例如 在芳香族化合物的代谢中,通过B-酮己二酸盐途径,进入中央代谢途径。,基质代谢的生理过程,1.
12、遗留代谢物 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作为代谢基质或作为共代谢基质所利用。 例如 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酸盐暂时积累。 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。,基质代谢的生理过程,2.终死产物 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 终死产物本身是持久性化合物(POPs) 如:多聚儿茶酚 3.副反应产物 有益的副反应产物可以被其他生物利用 有害的副反应产物不被利用 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。,基质代谢的生理过程,4.致死性代
13、谢物 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。 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抗致死代谢物。,污染物生物降解的动力学,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。 降解动力学指靶化合物的微生物降解速率 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差异。因此,常用总的“表观速率常数”来描述生物体系的降解速度。 降解速率常数一般在实验室模拟测定,污染物生物降解的动力学,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: 幂指数定律 不考虑微生物生长的基质降解
14、模式 根据幂指数定律,降解速率与基质浓度n次幂成正比(式4-1): 式中: S为基质浓度 k为生物降解速率常数 n为反应级数,污染物生物降解的动力学,反应可以是零级反应,即反应速率与任何基质浓度无关,即(4-1)式可以表示为: (4-2) 对其积分,速率定律的形式转化为: St - S0 = - kt (4-3) 式中:S0为基质的起始浓度 St为任意时间t的基质浓度 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。,污染物生物降解的动力学,当基质浓度很低,又不了解系统的动力学关系的情况时,可假定n为1(一级反应)。 一级反应为反应速率与基质浓度成正比。降解速率取决于
15、基质浓度,而基质浓度又随时间而变化。 一级反应中基质浓度随时间的变化如图4-1a所示。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(图4-1b)。 在一级反应中,降解速率方程: (4-4),污染物生物降解的动力学,a. 基质浓度不做处理 b. 基质浓度取对数 图4-1 基质浓度随时间以一级反应速率消失,污染物生物降解的动力学,对方程(4-4)积分,得到速率的积分形式: St = S0e-kt (4-5) 或 ln(St/S0)=-kt (4-6) 根据ln(St/S0)和时间t的斜率即可求出k值。 半衰期(t1/2): 原始基质浓度降解一半所需要的时间 t1/2 =ln2/k (4
16、-7) 已经得到了一些不同基质条件下有机化合物的半衰期。 表4-3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。,污染物生物降解的动力学,表4-3 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。所以,可以认为整个系统的动力学循环仍然为一级反应关系。,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: (4-8) 式(4-8)的积分形式为: (4-9) 在下列反应中,反应会呈二级反应: 2A(反应物) P(产物) (4-10) 在不同的环境中反应级数不同,可根据特
17、定的一组浓度S和时间t的实验数据,根据式(4-3)、(4-6)和(4-9)来判断反应级数。,污染物生物降解的动力学,双曲线定律 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,基质浓度与微生物生长速率之间关系可以用双曲线定律来描述。 (4-11) 双曲线定律又称 Monod方程(1949年),其形式与 Michaelis-Menten方程类似。,污染物生物降解的动力学,式中:为微生物的比增长速率,即单位生物量的增长速率,单位为(时间) -1; max为微生物的最大比生长速率,单位为(时间) -1; Ks为饱和常数,当=max /2 时所对应的基质浓度,单位为 mg/L。,污
18、染物生物降解的动力学,图4-2 基质浓度与微生物比增长速率之间关双曲线方程,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。 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。 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。,污染物生物降解的动力学,Ks的物理意义 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。 Ks值的跨度大 对一种细菌,不同的基质有不同的Ks 对同一基质,Ks值与细菌菌株有关, 同一个菌株在低浓度有一个Ks值,在高浓度有另一个
19、Ks值。,污染物生物降解的动力学,表4-4 某些细菌或水样的Ks值,污染物生物降解的动力学,由表4-4的数据可以看出: Ks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中的细菌有较高的Ks值。 在天然水中代谢的微生物可以迅速代谢加入的分子。,第二节 共代谢,共代谢基质与共代谢微生物 混合菌株的协同矿化作用 共代谢的原因 与共代谢相关的酶 共代谢的环境意义,共代谢,发现 早在20世纪60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,该菌株不能利用三氯乙酸作为碳源生长。 共代谢作用(Cometabolism) 某些有机物不能作为微生物培养的唯一
20、碳源,必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。,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 有许多化学品在培养物中可进行共代谢 例如 环己烷、PCBs、3-三氟甲基苯甲酸、氯 酚、3,4-二氯苯胺、1,3,5-三硝基苯、 毒草胺、甲草胺、禾草敌、2,4-D、 麦草畏等。,共代谢基质与共代谢微生物,表4-5 纯培养中的一些共代谢基质及其产物(1),共代谢基质与共代谢微生物,表4-5 纯培养中的一些共代谢基质及其产物(2),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 假单胞菌属、不动杆菌属、诺卡氏菌属、 芽孢杆
21、菌属、分枝杆菌属、节杆菌属、 无色杆菌属(Achromobacter)、产碱菌属、 甲基弯曲菌属(Methylosinus)、红球菌属、 黄色杆菌属(Xanthobacter)和亚硝化单胞菌届等。 3.进行共代谢反应的真菌 有青霉属(Penicillium) 丝核菌属(Rhizoctoia)等。,共代谢基质与共代谢微生物,4.共代谢中需要酶参与 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、酰化或醚键裂等作用。 异养细菌和真菌进行的共代谢反应是多种多样的。 甲基营养菌的甲烷单加氧酶能够氧化烷烃、烯烃、仲醇、二(或三)氯甲烷、二烷基醚、环烷烃和芳香族等多种化合物。 珊瑚状
22、诺卡氏菌(Ncorallina)可以共代谢三(或四)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。,混合菌株的协同矿化作作用,协同矿化作用 共代谢产物在培养液中积累,在自然界未必会积累。产物可在第二个菌株的作用下继续共代谢或完全矿化。 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。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。,混合菌株的协同矿化作作用,表4-6 一些双菌株的协同矿化作用(1),混合菌株的协同矿化作作用,表4-6 一些双菌株的协同矿化作用(2),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,但它们却不能被微生
23、物所利用,原因有以下几个方面(Alexander,1999): (1)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,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用。这是共代谢的主要原因。,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: a b c ABCDCO2 +能量+细胞-C 在正常代谢过程中,a酶参与AB的转化,b酶参与BC的转化。 如果第一个酶a底物专一性较低,它可以作用许多结构相似的底物,如A或A,产物分别为B或B。酶b却不能作用于B或B使其转化为C或C,结果造成B或B积累, 即: a A B X,共代谢的原因,这种
24、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的产物造成的。 这种解释的最初的证据来自对除草剂 2,4-D 代谢的研究。 2,4-D首先转化为2,4-二氯酚,但是只有部分酶或很少的酶能进一步代谢2,4-二氯酚。当发生这种情况时,共代谢产物几乎全部积累。,共代谢的原因,(2)中间产物的抑制作用 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该微生物的生长。 例如: 恶臭假单胞菌(Ps. putida)能共代谢氯苯形成3-氯儿茶酚,但不能将后者降解,因为它抑制了进一步降解的酶系。,共代谢的原因, 恶臭假单胞菌可以将4-乙基苯甲酸转化为
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