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1、微生物与环境,主要内容,1 人类与环境2 微生物与水体自净,1 人类和环境,1.1 人类环境的特点1.2 环境污染物1.3 环境污染与健康1.4 环境对人类健康影响的危险度评价,退出,1.1 人类环境的特点,1.1.1 环境的组成,-自然环境空间位置：海平面以下约12公里到海平面以上约10公里，亦称为生物圈(biosphere)。,1.1 人类环境的特点,1.1 人类环境的特点,原生环境/次生环境-原生环境(primitive environment)天然形成的未受到人为活动影响或影响较少的自然环境（生物地球化学性疾病）,1.1 人类环境的特点,次生环境(secondary environme
2、nt)在人类活动影响下，发生了重大变化的自然环境。这种变化可产生有利或有害的影响，生产劳动微小次生环境(生产环境),-社会环境,又称社会文化环境，可直接影响健康，还可以影响自然环境和人的心理环境，间接影响健康。,。,1.1 人类环境的特点,1.1.2 人类环境的生态平衡,-生态系统(ecosystem),生物群落和其生存环境所构成的系统。,1.1 人类环境的特点,食物链(food chain)一种生物被另一种生物吞食，后者再被第三种生物吞食，形成以食物连接起来的链锁关系,食物链对环境中物质的转移和蓄积有重要作用。,1.1 人类环境的特点,1.1 人类环境的特点,生物富集(bio-enrichm
3、ent)环境中某些有毒物质可通过食物链传播使浓度逐级提高,1.1.3 生态平衡(ecological equilibrium)这是一种动态的平衡1.1.4 生态系统与人类健康,1.1 人类环境的特点,1.2 环境污染物,1.2.1 环境污染与公害1.2.1.1 环境污染(environmental pollution)人类排放的污染物超过了环境的自净能力，使环境发生了不良变化，危害了人类的健康和生存，这就是环境污染。,酸 雾,酸 雨,赤 潮,水华,1.2 环境污染物,1.2.1.2 公害(public nuisance)人为造成广泛的环境污染，严重危害居民健康、破坏生态。,-公害病(publi
4、c nuisance disease)公害造成的地区性疾病,-公害事件(public nuisance incident)严重的公害可引起许多居民患病或死亡,日本的水俣病,1.2 环境污染物,1.2 环境污染物,-光化学烟雾(photochemical smoke)排入大气中的NOx和烃类在强烈的太阳紫外线作用下，发生光化学反应产生具有很强刺激性的浅蓝色烟雾。其主要成分为臭氧，过氧酰基硝酸酯、醛类、酮类等。,光化学烟雾,1.2 环境污染物,1.2.2 环境污染物的来源,1.2.2.1 自然污染来源,1.2.2.2 人为污染来源生产性污染/生活性污染/其他污染,-生活性污染,垃圾、污水、粪便，室
5、内空气污染（室内燃烧产物、烹调油烟、香烟烟雾、装饰材料的挥发性有机物、建筑材料中的氡及空调场所的微生物等)。,1.2 环境污染物,1.2 环境污染物,-生产性污染工业生产中的物理、化学因素、三废，农业农药、化肥滥用等-其他污染 如交通等,随着手机越来越普及，一些高分贝的个性化手机铃声逐渐成为人们的新宠，然而专家指出，如果手机铃声不加以控制，就很可能成为新的污染源。手机的铃声音量均可达80分贝以上，而经积分级器测试，距1米处，手机铃声平均为76分贝，距5米仍有60分贝，如果把手机放在耳边时可达129分贝；如果2部手机同时响起距1米可达80分贝，由此可见，手机铃声的确很“吵”据专家介绍，噪声一般来
6、说，对于睡眠的理想值是30分贝，而脑力劳动是40分贝，体力劳动理想值是70分贝，一个声音超过80、90分贝的时候就会对人的生活造成一定的影响，比如降低人的工作效率，增加人的烦恼度，它还容易引发工作场所的事故。专家说，手机铃声在公共场所频繁响动，对人们的工作、休息和交流都会造成一定干扰。为了防止手机铃声成为新的污染源，专家提醒人们不要把手机铃声音量调得过大，即使在公共场所使用手机时，也要注意不要影响他人 来源：生活时报 2002年10月22日,基因污染环保新概念,紧跟新世纪到来的脚步，大量转基因生物及其产品被推向市场。现在，人们开始对转基因生物可能对环境及人类健康等方面造成的破坏感到担忧。于是，
7、“基因污染”这个词出现了，并开始成为人们关注的问题之一。基因工程作物中的转基因能通过花粉(风扬或虫媒)所进行的有性生殖过程扩散到其它同类作物上，这已成为事实。这是一种遗传学上称为“基因漂散”的过程。而这种人工组合的基因通过转基因作物或家养动物扩散到其它栽培作物或自然界野生物种并成为后者基因的一部分，在环境生物学上则称为“基因污染”。,基因工程可能产生的生态危险性问题至少有以下几个方面：1、污染自然界的生物基因库 2、影响自然界的生态平衡 3、污染传统作物 4、污染“微生态”菌群 5、能够在自然界增殖和扩散,-一次污染物(primary pollutant)由污染源直接排入环境，其物理和化学性状
8、都未发生改变的污染物，称为，或原发性污染物。由一次污染物造成的环境污染称一次污染。,1.2 环境污染物,-二次污染物(secondary pollutant)一次污染物与环境中的其他物质发生反应，形成物理、化学性状与一次污染物不同的新污染物称为也称继发性污染物。由二次污染物造成的环境污染称为二次污染。,1.2 环境污染物,1.2.3 环境污染物的种类1.2.3.1 化学性污染物有害气体SO2、CO、NOx等；重金属Hg、Cd、Pb、等；有机化合物如有机磷、有机氯农药、有机溶剂等。,1.2 环境污染物,1.2 环境污染物,1.2.3.2 物理性污染噪声、电离辐射、电磁辐射等1.2.3.3 生物性
9、污染物病原微生物，寄生虫等,1.2 环境污染物,1.2.4 污染物在环境中的转归1.2.4.1 污染物的迁移污染物可以通过生物富集产生生物放大作用1.2.4.2 污染物的转化污染物通过理、化或生物学的作用，转变成另一种物质,我国其它酸雨区：1、珠江三角洲及其北部2、杭州湾,1.2 环境污染物,1.2.4.3 环境的自净(environmental self-purification),少量污染物一时性进入环境，可经过自然过程的作用达到自然净化。,-物理作用-化学作用-生物作用,污染物经微生物作用可使有机物无机化,1.2 环境污染物,1.3 环境污染与健康,1.3.1 环境污染对健康影响的特点1
10、.3.1.1 广泛性1.3.1.2 长期性1.3.1.3 多样性1.3.1.4 复杂性,1.3 环境污染与健康,1.3.1.1 广泛性污染影响范围大，人口多，对象广泛1.3.1.2 长期性可长时间作用于人群，甚至终生,1.3 环境污染与健康,1.3.1.3 多样性特异性、非特异性损害，局部的、全身的，急性、慢性的，近期、远期1.3.1.4 复杂性各种因素的联合作用,1.3.2 环境污染对人体健康的危害1.3.2.1 急性作用(acute effect)污染物一次大量或24小时内多次接触机体后，在短时内使机体发生急剧的毒性损害。,1.3 环境污染与健康,1.3 环境污染与健康,1.3.2.2 慢
11、性作用(chronic effect)污染物浓度较低，长期反复对机体作用时所产生的危害。,慢性作用毒物在体内的蓄积（物质蓄积）或由于毒物对机体微小损害的累积（机能蓄积）所致。慢性作用表现为慢性中毒和慢性非特异性影响,1.3 环境污染与健康,1.3 环境污染与健康,-慢性中毒引起特定功能或器质性改变后出现的疾病状态。水俣病(Minamata disease，甲基汞污染)痛痛病(Itai-itai disease，镉污染),慢性非特异性影响 是指影响机体正常生长发育和功能，使机体的非特异免疫功能下降，导致受污染区的人群抵抗力下降，发病率死亡率增加等。,1.3 环境污染与健康,1.3.3.3 远期作
12、用(remote effect)-致突作用(mutagenesis)化学致突变物占重要地位。-致癌作用(carcinogenesis)-致畸作用(teratogenesis),1.3 环境污染与健康,1.3 环境污染与健康,1.3.3.4 间接效应-温室效应(greenhouse effect)燃料燃烧产生大量CO2，使大气中CO2含量增加，CO2能吸收红外线等长波辐射，使气温变暖，并妨碍地面散热，致地球表面气温上升。,1.3.4 臭氧层的破坏臭氧层能吸收短波紫外线。由于人类大量生产与使用氯氟烃(chlorofluorocarbons,氟利昂，CFCs)。接触过量的短波紫外线可使皮肤癌和白内障
13、等发病增加。,1.3 环境污染与健康,在离地面1050公里的大气平流层中，集中了大气中约90的臭氧，这一层大气层称为臭氧层。,臭氧由三个氧原子组成，而且非常稀少；1千万个大气分子中只有三个臭氧分子。,这层薄薄的臭氧有效遮挡住阳光中有害的紫外线,臭氧层就象撑在空中的一把伞，保护着地球上的生灵免遭短波紫外线的伤害.一九二八年，CFCs(氟氯氟烃)这种“神奇气体”被发明，并在商业上得以广泛的应用。CFCs不溶于水，径直上升至平流层，正在把臭氧层吃光 随着臭氧层的破坏，越来越多的短波辐射透射到地球表面,臭氧空洞,1、自然原因：太阳黑子爆炸时发出许多带电质子，轰击地球上层大气，对臭氧层破坏；另外，南极上
14、空的上升气流把臭氧含量较高的中层大气输送到上层，从而降低了那里的含量 2、人为原因：冷冻剂、消毒剂、发泡剂和灭火剂等化学制品在使用时排放的氟氯烃使臭氧变成纯氧从而破坏臭氧层。,O3,1.3 环境污染与健康,1.3.5 酸雨 pH值小于5.65 酸雨中起主要作用的是H2SO4和HNO3，母质气体主要是硫氧化物和氮氧化物。,1.4 环境对人类健康影的危险度评价,1.4.1 危险度评价(risk assessment)对环境中有害因素可能引起的健康效应及其危害程度进行定性和定量的评价，并预测环境有害因素在接触人群中可能引起的有害效应的检出率或病死率,1.4 环境对人类健康影的危险度评价,1.4.2
15、评价的四个阶段 1.4.2.1 危害鉴定(hazard identification，定性评价阶段）:判断某物质对各种生物系统和人的毒性和危害性。,1.4 环境对人类健康影的危险度评价,1.4.2.2 暴露评定(exposure assessment)没有确切的暴露资料，就无法评价该物质对人群产生的危害。,1.4.3.3 剂量反应关系评定(dose-response assessment),是指一定剂量的化学或物理因素与机体接触后，产生某种效应的个体数在群体中所占比率。危险度评价的核心部分/定量评价阶段的开始。,1.4 环境对人类健康影的危险度评价,1.4.3.4 危险度特征分析(risk c
16、haracterization)计算求得危险人群(暴露组)的反应率，即该人群的健康危险度。主要根据求得的剂量反应关系与暴露组的暴露特征的数据通过数学模式推算。,1.4 环境对人类健康影的危险度评价,1.5.1 环境保护是我国的基本国策环境保护基本方针,1.5 环境污染的防制对策,1.5 环境污染的防制对策,1.5.2 环境污染的防制措施主要从环境污染源和立法方面入手1.5.2.1 治理工业“三废”：是防止环境污染的主要措施1.5.2.2 预防农药污染：合理利用农药，减少农药残留,1.5 环境污染的防制对策,1.5.2.3 预防生活性污染生活污水垃圾、医院污水垃圾1.5.2.4 制定完善的环境保
17、护法律、法规和保证体系,2 微生物与水体自净,2.1 有机污染物生物净化2.2 天然物质、人工合成物质2.3 无机污染物生物净化,2.1 有机污染物的生物净化,净化本质微生物将其转化为无机物机理好氧分解与厌氧分解2.1.1 好氧分解细菌原理：好氧有机物呼吸,C CO2+碳酸盐和重碳酸盐 H H2O N NH3 HNO2 HNO3 S H2SO4 P H3PO4,2.1.2 厌氧分解 厌氧细菌原理：发酵、厌氧无机盐呼吸,无毒无臭！,矿化盐,2.1 有机污染物的生物净化,C RCOOH（有机酸）CH4+CO2N RCHNH2COOH NH3（臭味）+有机酸（臭味）S H2S（臭味）P PO43-水
18、体自净的天然过程中,厌氧分解（开始）好氧分解（后续）,2.1有机污染物的转化,2.1.1 碳源污染物的转化包括糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等。,-糖类污染物哪些糖类会成为污染物？难溶的多糖，主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。,-纤维素的转化葡萄糖高聚物，每个纤维素分子含140010000个葡萄糖基（1-4糖苷键）。来源：棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等，其中均含有大量纤维素。,*分解途径,*分解纤维素的微生物,好氧细菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌厌氧细菌产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。放 线 菌链霉菌属。真 菌青霉菌、曲霉、
19、镰刀霉、木霉及毛霉。,-半纤维素的转化,存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。*分解过程 TCA循环 聚糖酶 CO2+H2O 半纤维素 单糖+糖醛酸 H2O 各种发酵产物 厌氧分解,*分解半纤维素的微生物分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素：芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌、放线菌、根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。,木质素模式图,Lignin 木质素,木质素 空腔 纤维素,3木质素的转化,木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中，由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。,自然界中哪些微生物能够进行木质素的降解呢？,确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌，疑似的
20、只有软腐菌。,黄孢原平毛革菌(Phanerochaete chrysosprium)是白腐真菌的一种，隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。白腐树皮上木质素被该菌分解后漏出白色的纤维素部分。,*木质素降解的意义何在呢？如何实现工业化白腐菌降解木质素呢？,2.1.2 氮源有机污染物的转化,蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。,-蛋白质的转化水中来源：生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等*降解蛋白质的微生物 好 氧 细 菌 链球菌和葡萄球菌 好氧芽孢细菌枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌及马铃薯芽孢杆菌 兼 性 厌 氧 菌变形杆菌、假单胞菌 厌 氧 菌腐
21、败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌此外，还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌)。,*降解机理,N2,*典型含氮有机物的转化,氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物 水中来源：化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危 害：生物毒害、环境积累,*降解这些物质的微生物细 菌紫色杆菌、假单胞菌放线菌诺卡氏菌真 菌氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉)、木霉及担子菌等,*降解机理,a.氰化物5HCN+5.5O2 5CO2+H2O+5NH3b.有机腈,担子菌还能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成为氨基乙腈，进而合成为丙氨酸 HCN CH3COH CH3CHNH
22、2CN CH3CHNH2COOH 甲醛 氨基乙腈 丙氨酸,2.1.3 油脂的转化,水中来源：毛纺、毛条厂废水、油脂厂废水、肉联厂废水、制革厂废水含有大量油脂降解油脂较快的微生物：细菌 荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌丝状菌 放线菌、分支杆菌真菌 青霉、乳霉、曲霉途径：水解+氧化,-石油的转化,什么是石油？石油是含有烷烃、环烷烃、芳香烃及少量非烃化合物的复杂混合物。石油污染主要出现在采油区和石油运输事故现场以及石化行业的工业废水中。,*石油成分的生物降解性与分子结构有关,*降解石油的微生物,降解石油的微生物很多，据报道有200多种细 菌 假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属放线菌 诺卡氏菌酵母菌
23、假丝酵母霉 菌 青霉属、曲霉属藻 类 蓝藻和绿藻,-石油的降解机理,链烷烃的降解+O2R-CH2-CH2-CH3 R-CH2-CH2-COOH-氧化 CO2+H2O CH2-COOH+R-COOH,无支链环烷烃的降解 以环己烷为例,通常一些微生物只能将环烷变为环己酮，另一些微生物只能将环己酮氧化开链而不能氧化环己烷，两类以上微生物的协同作用下将污染物 彻底降解共代谢。,-芳香烃,芳香烃普遍具有生物毒性，但在低浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。,已知降解不同芳香烃的细菌类别,-苯和酚的代谢,苯、萘、菲、蒽的降解为如下图所示 苯的代谢,萘的代谢,菲的代谢,蒽的代谢,酚也是先被氧化为邻苯二酚
24、，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下,2.2 人工合成物质物的生物降解,难对于自然生态环境系统,如果一种化合物滞留可达几个月或几年之久,或在人工生物处理系统,几小时或几天之内还未能被分解或消除,2.2 人工合成物质物的生物降解,种类：稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、杀虫剂、除草剂以及各种工艺流程中的废品等为什么这些有机物难于生物降解？微生物缺乏相应的水解酶,2.2.1氯苯类,用 途：稳定剂（润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热载体、油墨等都含有）危 害：急性中毒，是一种致癌因子（米糠油事件）降 解 菌：产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体通过共代谢完成氯苯
25、的完全降解。*共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状？,2.2.2洗涤剂,可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠。较早开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐（ABS）：,ABS,甲基分支干扰生物降解，链末端与4个碳原子相连的季碳原子抗攻击的能力更强。,危害：ABS可以在天然水体中存留800h以上，使这得接纳他的水体长时间保持，产生大量泡沫，引起水体缺氧。为使洗涤剂易于生物降解，人们将ABS的结构改变为线性的直链烷基苯磺酸盐（LAS）：,由于减少了分支，它的生物分解速度大为提高。,ABS,-降解洗涤剂的微生物,细 菌假单胞菌、邻单胞菌、
26、黄单胞菌、产碱单胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌放线菌诺卡氏菌由于这些微生物的作用，虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐年递增，但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加。因而洗涤剂一般不会引起环境的有机污染。洗涤剂目前存在的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体富营养化问题。,-洗涤剂的降解机理,-白色污染的危害对微生物无影响/土地板结/被海鸟及海洋哺乳动物误食，致使这些动物消化系统停滞，引起死亡。具报道每年海洋中死于废弃塑料的海鸟和海洋哺乳动物，数目之多令人触目惊心/影响景观-能降解塑料的微生物，目前发现种类很少，而且降解速度缓慢。主要是细菌、放线菌、曲霉中的某些成员。,2.2.3 塑料,
27、如何解决塑料的难降解问题？-限制使用不可降解塑料-开发可降解塑料 光降解、高填充碳酸钙、填充淀粉、淀粉改性塑料、化学合成或用微生物、转基因植物直接生产可生物降解的塑料,2.2.4 农药,如杀虫剂、除草剂等化学成分：有卤素、磷酸基、氨基、硝基、羟基及其它取代物的简单烃骨架（有机磷、有机锡、有机氯等）。相比较其它取代基团而言，微生物对卤素取代基往往不适应，因而随着卤素取代基数量的增多，农药的生物可降解性大幅度下降。水中来源：农田土壤的灌溉水或雨水,危害：生物毒性（急性、慢性、致癌、致畸变）最典型的一个例子就是杀虫剂DDT（二氯二苯三氯乙烷），由于氯代基数量大，在自然界的半衰期长达半年以上，由于DDT不溶于水而易溶于脂肪，因而可在动物脂肪组织中堆积，并沿着食物链在逐级向上不断积累，引起生物各种急慢性中毒。,*降解农药的微生物 细 菌 假单胞菌、芽孢杆菌、产碱杆菌、黄杆菌 放线菌 诺卡氏菌 真 菌 曲霉这些微生物往往需共代谢将农药逐级降解,
