微生物对污染物质的降解.pptx
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1、第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化n四、砷的氧化、还原和甲基化四、砷的氧化、还原和甲基化n砷是介于金属和非金属之间的两性元素,广泛用于合金、砷是介于金属和非金属之间的两性元素,广泛用于合金、农药、木材保存及医药制品中。农药、木材保存及医药制品中。元素砷不溶于水和强酸,元素砷不溶于水和强酸,所以几乎无毒所以几乎无毒。砷的有机、无机化合物有毒,砷的有机、无机化合物有毒,含三价砷的含三价砷的亚砷酸盐的毒性比含五价砷的砷酸盐更大,在有机砷化物亚砷酸盐的毒性比含五价砷的砷酸盐更大,在有机砷化物中三甲砷是对人具有高毒的物质。中三甲砷是对人具有高毒的物质。第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生
2、物转化砷的氧化、还原和甲基化砷的氧化、还原和甲基化n(一)砷的氧化和还原(一)砷的氧化和还原n1.As1.As3+3+氧化成氧化成AsAs5+5+n微生物参与微生物参与AsAs3+3+氧化成氧化成AsAs5+5+的活动,使之的活动,使之毒性减弱毒性减弱。n引起转化的微生物为一些异养型微生物,有无色杆菌属、引起转化的微生物为一些异养型微生物,有无色杆菌属、假单胞菌属、黄单胞菌属、节杆菌属和产碱杆菌属。假单胞菌属、黄单胞菌属、节杆菌属和产碱杆菌属。第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化砷的氧化、还原和甲基化砷的氧化、还原和甲基化n2.As2.As5+5+还原为还原为AsAs3+3+n另一些
3、异养型微生物如微球菌、某些酵母菌、小球藻等可另一些异养型微生物如微球菌、某些酵母菌、小球藻等可使使砷酸盐还原为更毒的亚砷酸盐。砷酸盐还原为更毒的亚砷酸盐。第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化砷的氧化、还原和甲基化砷的氧化、还原和甲基化n(二)砷的甲基化(二)砷的甲基化n一些含有砷化物的糊墙纸在潮湿季节生长霉菌,产生一些含有砷化物的糊墙纸在潮湿季节生长霉菌,产生带大带大蒜气味的挥发性气体三甲砷蒜气味的挥发性气体三甲砷,从而使人中毒的事例,在国,从而使人中毒的事例,在国外曾有过报道。参与形成三甲砷的微生物颇多,微生物生外曾有过报道。参与形成三甲砷的微生物颇多,微生物生成甲基砷的可能途径如
4、下:成甲基砷的可能途径如下:n砷生物甲基化中的甲基供体也是甲基钴胺素。砷生物甲基化中的甲基供体也是甲基钴胺素。第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化砷的氧化、还原和甲基化砷的氧化、还原和甲基化n自然界砷循环见图自然界砷循环见图2-132-13(由(由J.M.WoodJ.M.Wood提出)提出)第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化n五、硒的氧化、还原和甲基化五、硒的氧化、还原和甲基化n对于许多生物,如细菌、温血动物甚至人来说,硒是必需对于许多生物,如细菌、温血动物甚至人来说,硒是必需的微量元素,但它又是剧毒元素,需要量与中毒水平之间的微量元素,但它又是剧毒元素,需要量与中毒水平
5、之间的安全幅度很小的安全幅度很小。n自然界的硒,以硒酸盐、亚硒酸盐、元素硒、硒硫矿及有自然界的硒,以硒酸盐、亚硒酸盐、元素硒、硒硫矿及有机硒化合物等形式存在。机硒化合物等形式存在。n(一)硒的氧化和还原(一)硒的氧化和还原n曾发现一株光合紫硫细菌能将元素硒氧化生成硒酸盐,曾发现一株光合紫硫细菌能将元素硒氧化生成硒酸盐,毒毒性增强性增强。n土壤中的大多数微生物都能还原硒酸盐和亚硒酸盐为元素土壤中的大多数微生物都能还原硒酸盐和亚硒酸盐为元素硒,硒,毒性减弱毒性减弱。第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化硒的氧化、还原和甲基化硒的氧化、还原和甲基化n(二)硒的甲基化(二)硒的甲基化n几种无机
6、及有机硒化物,如亚硒酸盐、硒酸盐、硒几种无机及有机硒化物,如亚硒酸盐、硒酸盐、硒-氨酸盐、氨酸盐、硒半胱氨酸、硒脲、硒硒半胱氨酸、硒脲、硒-DL-DL-蛋氨酸等,能经微生物转化生成蛋氨酸等,能经微生物转化生成稳定性的二甲基硒化物(稳定性的二甲基硒化物(CHCH3 3)2 2SeSe,然后释放到空气中去,然后释放到空气中去,毒性明显降低毒性明显降低。使硒化物甲基化的生化过程如下:使硒化物甲基化的生化过程如下:第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化硒的氧化、还原和甲基化硒的氧化、还原和甲基化n(三)有机硒化物矿化为无机硒化物(三)有机硒化物矿化为无机硒化物n硒蛋氨酸、硒半胱氨酸、二甲硒化物
7、等有机硒化物均可被硒蛋氨酸、硒半胱氨酸、二甲硒化物等有机硒化物均可被微生物矿化成无机硒酸盐或亚硒酸盐。微生物矿化成无机硒酸盐或亚硒酸盐。第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化n六、其他重金属的微生物转化六、其他重金属的微生物转化n(一)铅(一)铅n铅在地球上的分布很广,用途亦非常广泛,主要用作电缆、铅在地球上的分布很广,用途亦非常广泛,主要用作电缆、蓄电池、铸字合金和防放射线材料,也是油漆、农药、医蓄电池、铸字合金和防放射线材料,也是油漆、农药、医药的原料。药的原料。有色金属冶炼及煤燃烧产生的铅化物是大气污有色金属冶炼及煤燃烧产生的铅化物是大气污染的重要来源。染的重要来源。污染天然水体
8、的铅化物,可沉积于底泥之污染天然水体的铅化物,可沉积于底泥之中。中。n微生物可使铅甲基化微生物可使铅甲基化。在实验室内,将适当的碳、氮养料。在实验室内,将适当的碳、氮养料加到几个大湖的底泥样品中,经过培养,可见有挥发性的加到几个大湖的底泥样品中,经过培养,可见有挥发性的四甲基铅(四甲基铅(CHCH3 3)4 4PbPb产生;如果再加入其他铅化物,如产生;如果再加入其他铅化物,如硝酸铅、乙酸三甲基铅(硝酸铅、乙酸三甲基铅(CHCH3 3)3 3PbCOOCHPbCOOCH3 3,则可使底,则可使底泥中四甲基铅产生得更多。泥中四甲基铅产生得更多。n纯培养的假单胞菌属、产碱杆菌属、黄色杆菌属及气单胞
9、纯培养的假单胞菌属、产碱杆菌属、黄色杆菌属及气单胞菌属中的某些种,能将乙酸三甲基铅转化生成四甲基铅,菌属中的某些种,能将乙酸三甲基铅转化生成四甲基铅,但不能使无机铅化物进行转化。但不能使无机铅化物进行转化。第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化其他重金属的微生物转化其他重金属的微生物转化n(二)锡(二)锡n环境中锡的主要污染源有涂锡的容器、锡焊以及广泛用于环境中锡的主要污染源有涂锡的容器、锡焊以及广泛用于制造农药的各种有机锡化物。与其他金属相似,制造农药的各种有机锡化物。与其他金属相似,有机锡化有机锡化物比无机锡与元素锡的毒性大得多;锡与烷基结合者之毒物比无机锡与元素锡的毒性大得多;锡
10、与烷基结合者之毒性比与芳香基结合者强,而三价锡的有机物又毒于二价或性比与芳香基结合者强,而三价锡的有机物又毒于二价或四价锡的有机物。四价锡的有机物。n锡能经生物学途径而甲基化,曾分离得到一株假单胞菌,锡能经生物学途径而甲基化,曾分离得到一株假单胞菌,能耐受能耐受SnSn4+4+,当,当SnSn4+4+存在而其他条件适宜时,可使存在而其他条件适宜时,可使SnSn4+4+转转化生成挥发性的甲基锡;该菌亦能将醋酸苯汞代谢而生成化生成挥发性的甲基锡;该菌亦能将醋酸苯汞代谢而生成元素汞。元素汞。第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化其他重金属的微生物转化其他重金属的微生物转化n甲基锡与甲基汞常相
11、随而生,在这种情况下,甲基汞不是甲基锡与甲基汞常相随而生,在这种情况下,甲基汞不是由于生物学甲基化作用,而系非生物学原因产生,是由生由于生物学甲基化作用,而系非生物学原因产生,是由生物形成的甲基锡经烷基转移作用使汞转化为甲基汞所致。物形成的甲基锡经烷基转移作用使汞转化为甲基汞所致。n微生物可使有机锡化物分解。曾报道,土壤细菌作用于醋微生物可使有机锡化物分解。曾报道,土壤细菌作用于醋酸三苯锡,可使其芳香锡键裂解。酸三苯锡,可使其芳香锡键裂解。第五节第五节 金属的微生物转化金属的微生物转化其他重金属的微生物转化其他重金属的微生物转化n(三)镉(三)镉n某些细菌和真菌当其在含某些细菌和真菌当其在含C
12、dCd2+2+化物中生长时,其体内能浓化物中生长时,其体内能浓集大量的镉。集大量的镉。n微生物也能使镉甲基化,一株能使锡甲基化的假单胞菌,微生物也能使镉甲基化,一株能使锡甲基化的假单胞菌,在有维生素在有维生素B B1212存在的条件下,能将无机二价镉化物转化,存在的条件下,能将无机二价镉化物转化,生成少量的挥发性镉化物。这种甲基化了的镉化物,在水生成少量的挥发性镉化物。这种甲基化了的镉化物,在水体中也可以通过烷基转移作用使汞甲基化而生成甲基汞。体中也可以通过烷基转移作用使汞甲基化而生成甲基汞。n(四)锑(四)锑n微生物能使锑化物氧化,一株专性好氧细菌(微生物能使锑化物氧化,一株专性好氧细菌(S
13、tibiobacter Stibiobacter SenarmontiiSenarmontii)可以将)可以将SbSb3+3+氧化生成氧化生成SbSb5+5+,该菌从此作用中,该菌从此作用中获得化学能量。获得化学能量。第六节第六节 煤的微生物脱硫与降解煤的微生物脱硫与降解n一、煤炭微生物脱硫一、煤炭微生物脱硫n煤炭是我国能源生产消费的主体,在我国国民经济发展中煤炭是我国能源生产消费的主体,在我国国民经济发展中占有十分重要的地位。山西是我国重要的煤炭生产基地,占有十分重要的地位。山西是我国重要的煤炭生产基地,全省煤炭保有储量占到全国总量的全省煤炭保有储量占到全国总量的1/31/3,煤炭产量占全国
14、,煤炭产量占全国的的1/41/4,煤炭外调量占全国省际间煤炭调运量的,煤炭外调量占全国省际间煤炭调运量的80%80%。山。山西煤炭的开发供给状况,对整个国民经济发展起着举足轻西煤炭的开发供给状况,对整个国民经济发展起着举足轻重的作用。重的作用。n煤中含有一定量的硫化物,其中有机硫占煤中含有一定量的硫化物,其中有机硫占30%30%40%40%,主要是芳香族和脂肪族,无机黄铁矿硫占主要是芳香族和脂肪族,无机黄铁矿硫占60%-70%60%-70%。煤煤在燃烧时产生大量的二氧化硫等有害气体,这些有害气体在燃烧时产生大量的二氧化硫等有害气体,这些有害气体可形成酸雨,严重污染大气和水体,破坏生态平衡。所以
15、,可形成酸雨,严重污染大气和水体,破坏生态平衡。所以,煤炭脱硫是目前国际上急待解决的重大课题。煤炭脱硫是目前国际上急待解决的重大课题。第六节第六节 煤的微生物脱硫与降解煤的微生物脱硫与降解n无机黄铁矿硫用物理选煤方法只能除去其中一部分,并且无机黄铁矿硫用物理选煤方法只能除去其中一部分,并且有煤粉损失;而有机硫用物理选煤方法则根本无法去除。有煤粉损失;而有机硫用物理选煤方法则根本无法去除。n目前主要采用煤燃烧后脱硫,但由于排烟脱硫装置费用太目前主要采用煤燃烧后脱硫,但由于排烟脱硫装置费用太高,也无法普遍应用。高,也无法普遍应用。-属污染后治理属污染后治理 n而采用燃烧前微生物脱硫具有能耗省、投资
16、少,不造成煤而采用燃烧前微生物脱硫具有能耗省、投资少,不造成煤粉损失,且能减少煤中灰分。粉损失,且能减少煤中灰分。-属清洁生产属清洁生产 第六节第六节 煤的微生物脱硫与降解煤的微生物脱硫与降解n(一)机理(一)机理n1.1.黄铁矿(黄铁矿(FeSFeS2 2)硫的微生物脱除)硫的微生物脱除n微生物对黄铁矿硫的脱除是由于微生物的氧化分解作用,微生物对黄铁矿硫的脱除是由于微生物的氧化分解作用,机理有两方面:机理有两方面:n直接氧化直接氧化:微生物直接溶化黄铁矿。:微生物直接溶化黄铁矿。n间接作用间接作用:细菌氧化硫酸亚铁生成硫酸高铁,硫酸高铁:细菌氧化硫酸亚铁生成硫酸高铁,硫酸高铁与黄铁矿迅速反应
17、,生成更多的硫酸亚铁和硫酸。与黄铁矿迅速反应,生成更多的硫酸亚铁和硫酸。第六节第六节 煤的微生物脱硫与降解煤的微生物脱硫与降解n其实细菌脱除黄铁矿的过程中,上面两个作用是同时进行其实细菌脱除黄铁矿的过程中,上面两个作用是同时进行的。的。首先,附着在黄铁矿表面的细菌氧化黄铁矿生成硫酸首先,附着在黄铁矿表面的细菌氧化黄铁矿生成硫酸亚铁亚铁 n然后氧化硫酸亚铁为硫酸高铁然后氧化硫酸亚铁为硫酸高铁 第六节第六节 煤的微生物脱硫与降解煤的微生物脱硫与降解n生成的高铁作为氧化剂再氧化黄铁矿生成硫酸亚铁和硫生成的高铁作为氧化剂再氧化黄铁矿生成硫酸亚铁和硫 n硫可被细菌氧化生成硫酸硫可被细菌氧化生成硫酸 第六
18、节第六节 煤的微生物脱硫与降解煤的微生物脱硫与降解n2.2.有机硫的微生物脱除有机硫的微生物脱除n二苯噻吩二苯噻吩(dibenzothiophenedibenzothiophene,简称,简称DBTDBT)是煤炭中含量)是煤炭中含量高,比无机硫更难脱除的有机硫化物,微生物降解二苯噻高,比无机硫更难脱除的有机硫化物,微生物降解二苯噻吩有两条途径:吩有两条途径:n环状破坏途径环状破坏途径:不直接作用硫原子,而是通过氧化分解:不直接作用硫原子,而是通过氧化分解碳架,把不溶于水的二苯噻吩变成水溶性的物质。碳架,把不溶于水的二苯噻吩变成水溶性的物质。n特定硫途径特定硫途径:与环状破坏途径相反,仅对二苯噻
19、吩的硫:与环状破坏途径相反,仅对二苯噻吩的硫原子起作用,把硫变成硫酸而不破坏碳架。原子起作用,把硫变成硫酸而不破坏碳架。n相比之下由于特定硫途径没有破坏煤的碳架,不损失热量,相比之下由于特定硫途径没有破坏煤的碳架,不损失热量,因而具有很大的经济价值。因而具有很大的经济价值。第六节第六节 煤的微生物脱硫与降解煤的微生物脱硫与降解n(二)方法(二)方法n煤炭微生物脱硫,多数还属于基础性研究,涉及的方法大煤炭微生物脱硫,多数还属于基础性研究,涉及的方法大体有二种:体有二种:细菌浸出法和表面改性法细菌浸出法和表面改性法 n1.1.细菌浸出法细菌浸出法n细菌浸出法细菌浸出法是利用微生物的作用把煤中不同类
20、型的硫分解是利用微生物的作用把煤中不同类型的硫分解成可溶的铁盐和硫酸,然后滤出煤粉达到脱硫的目的。成可溶的铁盐和硫酸,然后滤出煤粉达到脱硫的目的。分分为堆浸法和空气搅拌法为堆浸法和空气搅拌法第六节第六节 煤的微生物脱硫与降解煤的微生物脱硫与降解n堆浸法堆浸法 首先将煤块堆积,再将菌液喷到煤堆上,浸出后收集废液首先将煤块堆积,再将菌液喷到煤堆上,浸出后收集废液(浸提液),除去酸和铁离子。(浸提液),除去酸和铁离子。该方法简便,只是处理时该方法简便,只是处理时间太长。通常细菌冶金也采用此方法。间太长。通常细菌冶金也采用此方法。n空气搅拌法空气搅拌法 是在一定的反应器中使菌液与煤粉混和反应,同时用空
21、气是在一定的反应器中使菌液与煤粉混和反应,同时用空气搅拌,为细菌提供必要的搅拌,为细菌提供必要的COCO2 2和和OO2 2。该方法可缩短反应时该方法可缩短反应时间,且脱硫效率较高。间,且脱硫效率较高。第六节第六节 煤的微生物脱硫与降解煤的微生物脱硫与降解n2.2.表面改性法表面改性法n表面改性法是利用细菌的氧化作用或附着作用改变黄铁矿表面改性法是利用细菌的氧化作用或附着作用改变黄铁矿的表面性质,疏水性的黄铁矿变为亲水性,提高其分离能的表面性质,疏水性的黄铁矿变为亲水性,提高其分离能力,将黄铁矿从煤中脱除。力,将黄铁矿从煤中脱除。n该方法处理时间较短,脱除黄铁矿的同时伴有灰分沉淀,该方法处理时
22、间较短,脱除黄铁矿的同时伴有灰分沉淀,兼有脱除灰分的效果。兼有脱除灰分的效果。第六节第六节 煤的微生物脱硫与降解煤的微生物脱硫与降解n二、煤炭生物液化二、煤炭生物液化n煤炭作为固体燃料,具有复杂的结构和不均匀等特性,各煤炭作为固体燃料,具有复杂的结构和不均匀等特性,各种脱硫和除灰工艺受到界面影响,所含的硫和灰分不可能种脱硫和除灰工艺受到界面影响,所含的硫和灰分不可能完全去除。而完全去除。而将煤液化或气化,使之降解到分子水平,可将煤液化或气化,使之降解到分子水平,可得到纯粹的燃料,扩大应用范围。得到纯粹的燃料,扩大应用范围。n通常的化学液化由于采用高温高压,代价昂贵。而微生物通常的化学液化由于采
23、用高温高压,代价昂贵。而微生物液化,总能损失小,在接近自然条件的温度和压力下进行,液化,总能损失小,在接近自然条件的温度和压力下进行,可节省大量资金。可节省大量资金。n用于煤生物降解的微生物种类很多,主要有变色多孔菌用于煤生物降解的微生物种类很多,主要有变色多孔菌(Polyporus versicolorPolyporus versicolor)、卧孔菌()、卧孔菌(poriaporia sp.sp.)、青霉菌)、青霉菌(penicillium penicillium sp.sp.)、曲霉菌()、曲霉菌(AspergillusAspergillus sp.sp.)和假丝酵)和假丝酵母(母(Ca
24、ndidaCandida ML13 ML13)等。)等。n煤炭生物液化技术具有巨大的潜力,但还存在一些问题有煤炭生物液化技术具有巨大的潜力,但还存在一些问题有待解决。待解决。第七节第七节 影响微生物降解转化作用的因素影响微生物降解转化作用的因素n一、微生物活性一、微生物活性n微生物降解污染物的难易程度首先决定于微生物本身的特微生物降解污染物的难易程度首先决定于微生物本身的特性,包括微生物的种类和生长速率等。性,包括微生物的种类和生长速率等。n不同种类的微生物对同一有机底物或有毒金属反应不同不同种类的微生物对同一有机底物或有毒金属反应不同。例如:元素汞能杀死铜绿假单胞菌(例如:元素汞能杀死铜绿假
25、单胞菌(P.aeruginosaP.aeruginosa),降),降低荧光假单胞菌(低荧光假单胞菌(P.fluorescensP.fluorescens)的生长速率;而枯草芽)的生长速率;而枯草芽孢杆菌(孢杆菌(B.subtilisB.subtilis)和巨大芽孢杆菌()和巨大芽孢杆菌(B.megateriumB.megaterium)能氧化元素汞,元素汞不影响其生长繁殖。能氧化元素汞,元素汞不影响其生长繁殖。n同种微生物的不同菌株反应也不同同种微生物的不同菌株反应也不同。例如在含。例如在含HgClHgCl2 2的培的培养基中,养基中,E.ColiE.Coli的敏感菌株不能生长,而的敏感菌株不
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