染物的生化可降解性与环境工程2011讲稿

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,§2,污染物的生化降解与环境生物工程,,,,生物工程与技术导论,1,,参考书,,王建龙,.,现代环境生物技术，清华大学出版社，,2008,,伦世议,.,环境生物工程，化工出版社，,2002,,文湘华等译,.,环境生物原理与应用，清华大学出版社,,2004,,马 放,.,环境生物技术，化工出版社，,2003,,周少奇,.,环境生物技术，科学出版社，,2003,,邢新会译,.,环境生物理论与应用，化工出版社，,2006,,杨柳燕,.,环境微生物技术，科学出版社，,2003,,孔繁翔,.,环境生

2、物学,,,高教出版社,,2000,,2,,讲授内容,一、绪论,,二、污染物质的生物降解与转化,§2,污染物的生化降解与环境生物工程,3,,,,人类社会的发展创造了前所未有的文明，但同时也带来许多生态环境问题。,,,(,一,),环境问题,一、绪论,4,,1.,什么是环境问题？,,,,,,广义：,由自然力或人力引起生态平衡破坏，最后直接或间接影响人类的生存和发展的一切客观存在的问题。,,狭义：,由于人类生产和生活活动，使自然生态系统失去平衡，反过来影响人类生存和发展的一切问题。,环境问题,（一） 环境问题,5,,环境问题产生是人类社会发展到一定阶段人类与环境矛盾激化的产物。,,其实质是由于人类活

3、动超出了环境的承受能力，对其所赖以生存的自然生态系统的结构和功能产生了破坏作用，导致人与其生存环境的不协调。,（一） 环境问题,生态环境破坏,,环境污染,,引起,6,,,环境污染：,是指有害物质或因子进入环境，并在环境中扩散、迁移、转化、使环境系统结构和功能发生变化，对人类以及其他生物的生存和发展产生不利影响的现象。如，工业废水和生活污水的排放，使湖泊等水体水质变坏。,,,具体地说：,环境污染就是指有害物质对大气、水、土壤和动植物污染并达到有害的程度。,,生态环境破坏：,人类活动直接作用于自然生态系统，造成生态系统的生产能力显著减少和结构显著改变，如草原退化、物种灭绝、水土流失等。,,生态环境

4、破坏和环境污染,,（一） 环境问题,7,,2.,我国环境现状,,我国是世界上环境污染最为严重的国家之一。,,我国在过去几十年的经济发展中，由于忽视了发展中的环境保护 ，目前环境状况十分严峻。近年来虽采取了大量控制措施，但环境质量下降的趋势仍在继续 。,8,,,生态环境问题,,我国的生态环境问题主要是,：,,（,1,）森林生态功能较弱；,,（,2,）草原退化与减少的状况难以根本改变；,,（,3,）水土流失、土壤沙化、耕地被占；,,（,4,）水旱灾害日益严重；,,（,5,）水资源短缺。,我国的环境问题,:,生态环境问题、,环境污染严重,9,,被毁灭的,,林区,10,,荒漠化的土地,11,,,,环

5、境污染严重,(3),工业固体废弃物增加,(2),水污染严重,(1),大气污染仍十分严重,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,我国的环境问题,:,生态环境问题、,环境污染严重,12,,我国大气污染十分严重。贵阳、重庆、北京、兰州等城市位于,世界十大空气污染,最严重的城市之列。,全国,600,多个城市中、大气质量符合国家一级标准的不足,1%,。,,,（,1,）空气污染,,环境污染严重,,13,,沙尘的危害,14,,被污染的空气所笼罩的城市,15,,我国约有,三分之一,的工业废水和,三分之二,的生活污水未经处理直接排入水体。,,其他未经处理的污水直接排人江河湖海，致使我国的水环境遭受严重

6、污染和破坏。,(2),水体污染,,环境污染严重,16,,２００３年全国废污水排放量达６８０亿吨，比,,１９８０年增加了,２倍多。,17,,水维持着整个自然生态系统的平衡与运动，在其流动过程中，将人们一味追求财富的过程中，排泄的,有毒、有害、致畸、致癌及其它废弃物输送到每一个角落,，导致生态平衡的破坏，最终威胁人类的生存和发展。水就象生物圈的血液一样，,水污染可以说是自然界的,血液病。,(2),水体污染,,环境污染严重,18,,指水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用、危害人体健康、破坏生态环境，造成水质恶化的现象。,,环境污染严重,（,2

7、,） 水体污染,水体污染？,19,,,20,,Ⅰ,类：,主要适用于源头水、国家自然保护区。,,Ⅱ,类：,主要适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵鱼类保护区、鱼虾产卵场等。,,Ⅲ,类：,主要适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、一般鱼类保护区及游泳区。,,Ⅳ,类：,主要适用于一般工业区及人体非直接接触的娱乐用水区。,,Ⅴ,类：,主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。,依据地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为五类,:,地表水环境质量标准,,（,GB 3838-2002,）,2002,年,4,月,26,日 颁布,21,,(2),水体污染,据统计：,,全国七大水系,(,辽河、

8、海河、淮河、黄河、松花江、珠江、长江,),和内陆河流的,110,个重点河段中，,属,4,类和,5,类水体的占,39%,；,,约,50%,的城市地下水受到不同程度的污染。,,全国大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富 营养化程度逐年加剧；,,一些地区的饮用水源受到严重污染，对人民健康造成严重危害。,22,,我们的,母亲 河,23,,绿藻泛滥的滇池,24,,水体富营养化,,水体富营养化的概念：,人类将富含氮、磷的生活污水、工业废水、农田退水等排放入湖泊、河流、海洋，使上述水体的氮、磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长的现象。,25,,目前我国在河流、湖泊的治理和修复中投入了大量人力、物力，获得许多成功

9、经验，但仍有许多研究和工作有待提高和改进。,我国的环境问题,:,生态环境问题、,环境污染严重,（,2,） 水体污染,作为我国建设创新型国家的纲领性文件，,《,国家中长期科学和技术发展规划纲要（,2006—2020,年）,》,确定了,16,个重大科技专项研究，,“水体污染控制与治理”是其中的第七个,，着重解决制约我国经济社会发展可持续的水污染重大技术瓶颈问题。,26,,16,个重大专项包括：,核心电子器件、高端通用芯片及基础软件，极大规模集成电路制造技术软件，极大规模集成电路制造技术及成套工艺，新一代宽带无线移动通信，高档数控机床与基础制造技术，大型油气田及煤层气开发，大型先进压水堆及高温气冷堆

10、核电站，,水体污染控制与治理，,转基因生物新品种培育,，重大新药创制，艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治，大型飞机，高分辨率对地观测系统，,载人航天与探月工程,。,27,,国家重大水专项（水体污染控制与治理科技重大专项），涵盖,6,个主题、,33,个项目、总计,238,个课题，示范工程分布在全国,27,个省、市、自治区，实施周期长达,15,年（,2006-2020,年） 。,,“十一五”期间总投资,112.66,亿元，其中中央财政投入,45.43,亿元，,是新中国成立以来环境领域最大的科研项目。,28,,(3),城市污染,城市垃圾和工业固体废弃物与日俱增，使,200,多个城市陷入垃圾包围之中。

11、,我国的环境问题,:,生态环境问题、,环境污染严重,全国工业固体废物年产生量达,8.2,亿吨，综合利用率约,46%,。,,全国城市生活垃圾年产生量为,1.4,亿吨，达到无害化处理要求的不到,10%,。,,塑料包装物和农膜导致的白色污染已蔓延全国各地。,29,,(4),土壤污染,农用化工产品：化肥,,,杀虫剂,,,杀菌剂,,,除草剂,,其它化学物品：石油污染，重金属污染等,,工业废弃物：塑料，玻璃制品，电池等,,农业废弃物：塑料，秸秆,我国的环境问题,:,生态环境问题、,环境污染严重,30,,当前，我国社会经济仍然保持着高速发展的态势，由人类活动所造成的环境污染和环境质量的恶化已成为制约我国社会

12、和经济可持续发展的障碍。,解决环境问题的根本途径是,调节人类社会活动与环境的关系,。要掌握自然生态规律，通晓环境变化过程，科学地利用自然资源、改造自然。,我国的环境问题,:,生态环境问题、,环境污染严重,31,,二、污染物质的生物降解与转化,(,一,),环境污染物及其来源,(,二,),污染物质的生物降解与转化,32,,(,一,),环境污染物及其来源,排入大气、水域和土壤内的引起环境污染、对人和环境有不利影响的物质称为环境污染物。,1,、环境污染物,33,,♦,无直接毒害作用的无机污染物：,主要指颗粒物；酸、碱及无机盐；,N,、,P,等植物营养物质。,,♦ 有直接毒害作用的无机污染物：,主要指毒

13、性强、作用快的，国际公认的,6,大毒性物质（氰化物、砷化物、,Hg,、,Cd,、,Pb,、,Cr,）。,,,,无机污染物：,2,、污染物分类,34,,(,一,),环境污染物及其来源,地表水体污染物,,生活污水,,工业废水,,农业废水和灌溉水,,大气污染物,,粉尘、烟、飞灰、雾等；,,含硫化合物、含氮化合物、碳氢化合物、碳氧化合物、卤素化合物等,,固体废弃物,,3,、环境污染物的来源,35,,1.,生物降解与生物净化,生物降解,（,Biodegradation,）,:,指由于生物的氧化及其它转化作用，把污染物大分子转会为小分子过程，从而实现污染物的分解或降解。,其中微生物所起的作用最大,。,生物

14、净化：,生物通过,自身的代谢,，,使环境中的,污染物,数量,减少,，浓度,下降,，毒性,减轻,,，有害成分,转化,、,分解,,，直至,消失,的过程。,,,,,,,（二）污染物质的生物降解与转化,36,,3.,微生物对物质降解与转化的特点,（,1,）微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大；,,,2,10,12,个细菌平均重,1,克，,大肠杆菌比表面积,,约为人的,30,万倍。,,（,2,）种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；,,（,3,）微生物具有多种降解酶；,,（,4,）微生物繁殖快，易变异，适应性强；,,,对于进入环境中的,“,陌生,”,污染物，微生物可通过突变而改变原来的代谢类型而降解之。

15、,,微生物具有巨大的降解能力,,（二）污染物质的生物降解与转化,,利用微生物消除污染物是广泛采用的一种方法,37,,4.,微生物对污染物降解与转化的途径,微生物代谢活动中的化学作用（实质是酶反应）,,氧化作用,,还原作用,,脱羧作用,,水解作用,,脱氨基作用等,,酶,(Enzyme ),：一类由细胞制造和分泌、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。,,生物转化中的酶,（二）污染物质的生物降解与转化,38,,5.,微生物对天然污染物的降解过程,天然污染物和以生物原料进行生产的各种废水中，往往含有大量的的大分子有机物及其中间代谢物如碳水化合物、蛋白质、脂肪等，这些物之不具毒性，容易被微生

16、物降解。,（二）污染物质的生物降解与转化,39,,5.,微生物对天然污染物的降解过程,微生物对天然有机物降解转化过程可概括成如下图式：,,,,,复杂有机物,简单有机物,需氧微生物,胞内酶,厌氧微生物,胞内酶,微生物,胞外酶,CO,2,、,H,2,O,CO,2,、,H,2,O,、,H,2,、,CH,4,、,H,2,S,及有机酸、醇、酮、醛等未完全氧化产物,图 微生物分解有机物的作用示意图,微生物对天然有机污染物代谢的基本过程包括：向基质接近，吸附在固体基质上，分泌胞外酶，可渗透物质的吸收和细胞内代谢。,（二）污染物质的生物降解与转化,40,,丁酸、,CO,2,、,H,2,等,,,,纤维素,,葡

17、萄糖,需氧微生物,胞内酶,厌氧微生物,胞内酶,＋,H,2,O,纤维素酶,CO,2,、,H,2,O,图 纤维素分解途径示意图,,纤维二糖,＋,H,2,O,纤维素酶,（,1,）碳水化合物的微生物降解,5.,微生物对天然污染物的降解过程,,来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及生活垃圾等。,①,纤维素的降解,41,,CO,2,、,H,2,、有机酸等,,,,,淀粉,葡萄糖,需氧微生物,胞内酶,厌氧微生物,胞内酶,微生物,淀粉酶,CO,2,、,H,2,O,图 淀粉分解途径示意图,（,1,）碳水化合物的微生物降解,5.,微生物对天然污染物的降解过程,②,淀粉的降解,来源：淀粉厂、酒厂废水、印染废

18、水、抗生素发酵废水及生活污水等均含有淀粉。,42,,②,甘油转化成丙酮酸,,③,脂肪酸的转化,,有氧条件下，经,ß,-,氧化，最后进入,TCA,循环,,无氧条件下，转化成为有机酸、醇、二氧化碳,（,2,）脂肪的微生物降解,①,脂肪水解成脂肪酸和甘油,脂肪＋,H,2,O,脂肪酶,甘油＋高级脂肪酸,5.,微生物对天然污染物的降解过程,（二）污染物质的生物降解与转化,43,,5.,微生物对天然污染物的降解过程,蛋白质,肽,氨基酸,蛋白酶,肽酶,（,3,）蛋白质的微生物降解,①,蛋白质水解成氨基酸,,②,氨基酸脱氨成脂肪酸,,,总之，蛋白质通过微生物作用,:,,,有氧条件,——,二氧化碳、水、氨；（降

19、解彻底）,,无氧条件,——,简单有机酸、醇、二氧化碳。（降解不彻底）,（二）污染物质的生物降解与转化,44,,（,4,）微生物对烃类化合物的降解过程,（三）微生物对污染物降解与转化,,正烷烃,,C,数,>1,：主要是末端氧化（即羟基化），次末端和双端氧化是次要的。,,正烷烃 醇 醛 脂肪酸,TCA CO,2,+ H,2,O,,例如：,,甲烷：,CH,4,CH,3,OH HCHO HCOOH CO,2,+ H,2,O,,,45,,芳香族化合物的生物降解过程,,第一步：芳香族化合物中大部分被微生物,,作用去掉环上的

20、侧链基团，使之,,转变成,儿茶酚或原儿茶酸,.,,,第二步：形成有机酸,.,,,第三步：进入,TCA,循环形成二氧化碳和水,.,,来源：炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂。,(5),芳香族化合物的生物降解,（三）微生物对污染物降解与转化,46,,芳香族化合物的生物降解,,,(5),芳香族化合物的生物降解,47,,苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示,(,苯的代谢,),,芳香族化合物先被氧化为邻苯二酚,(,儿茶酚,),或原儿茶酸，芳香烃在降解的后半段基本相同,.,(5),芳香族化合物的生物降解,,,48,,6.,影响微生物对物质降解转化作用的因素（,1,）,微生物的代谢活性,,①,不同种类微生物对同一底

21、物的反应不同；,,②,微生物在不同的生长时期的活性是不相同的，在对数期代谢最旺盛，活性最强。,,③,微生物的种类组成决定化合物降解的方向和速度，同时微生物的种类组成又与环境中的化学物质有关。,,微生物的适应性,,驯化（,Domestication,）：是一种定向选育微生物的方法与过程，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。,（二）污染物质的生物降解与转化,49,,6.,影响微生物对物质降解转化作用的因素（,2,）,化合物的结构,,分子大小； 链状或环状；取代基的类型（羟基、胺基有利；卤代结果不利）、数目和位置（链状或环状）等,,烃类：链烃的易降解性大于

22、环烃，直链烃大于支链烃，不饱和烃大于饱和烃，支链烷基越多，越不易被降解,,当主链上的,C,被,S,、,N,、,O,取代时，对生物氧化的阻抗上升,,官能团的性质和数量,,分子量大小,,环境因素,:,温度,;,酸碱度,;,营养,;,氧,;,底物浓度,（二）污染物质的生物降解与转化,50,,污水、废渣、农药残留、原油泄漏等等的处理，可采用微生物处理技术。,环境污染时，微生物所起的作用最大,。,51,,1.,分析引起我国湖泊富营养化的原因。,,思 考 题,,52,,,2,月,02,日：国际湿地日,,,3,月,22,日：世界水日,,,4,月,22,日：地球日,,,5,月,31,日：世界无烟日,,,6,月,05,日：世界环境日,,,6,月,17,日：世界防治荒漠化和干旱日,,,7,月,11,日：世界人口日,,,9,月,16,日：国际保护臭氧层日,,,10,月,4,日：世界动物日,,10,月,16,日：世界粮食日,,12,月,29,日：国际生物多样性日,世界环境日,53,,谢 谢！,54,,