农药及其它危险性化合物的微生物讲解知识

PPT下载：www.1ppt.com/moban/第10章农药及其它危险性化合物的微生物降解第10章农药及其它危险性化合物的微生物降解第一节微生物降解理论基础一、概述人工合成的化学物质越来越多“CAB”登记的化学物质已经达到600多万种每周以6000种的速度增加；多数对生物具有毒害作用。由于这些化学物质对人有致畸、致突变和致癌作用，故称为危险性化合物（hazardouschemicals）。理论上，微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制，但是由于：新合成的化合物结构新颖；微生物对这些化合物无降解机制因此，新的化合物往往对微生物的降解现出抗逆性。二、微生物群落的生物降解功能提供特殊营养物质主要是生长因子类物质：Stirling等人（1976）从环己烷上富集分离得到的微生物群落：假单孢菌属(Pseudomonas)诺卡氏菌属(Nocadiasp.)产生出生长素Nocadiasp.才具备降解环己烷的能力用甲烷生产单细胞蛋白CH3CH2OH去除生长抑制物质抑制CH4SCP假单孢菌生丝微菌CH3CH2OH该群落中的其他菌为：黄杆菌、不动小杆菌改善单个微生物的基本生长参数微生物之间构成了类似食物链的关系如降解黑苔酚的3种细菌之间的情况黑苔酚假单孢菌中间代谢产物扩展短杆菌、短小杆菌其他代谢物4.对底物的协调利用单个微生物对某种物质无降解能力，但混合后则能够降解该物质。除草剂茅草枯的降解混合菌株的降解率比单个菌株的降解率高20%。Arthrobactersp.杀虫剂二嗪哝的降解二嗪哝Streptomycessp.Arthrobactersp.Streptomycessp.被降解5.共代谢（co-metabolism)共代谢是指生长底物和非生长底物共酶的现象。生长底物是能被微生物用作为唯一碳源的物质。共酶现象是指一些污染物（非生长底物）不能作为微生物生长的唯一碳源，而只能在生长底物被利用时，通过微生物产生的酶，将该污染物转化为不完全的氧化物。6.电子转移两种紧密结合的产甲烷菌群落（methanobacillusomelianski）：CH3CH2OHCH3COOH+H2产氢产乙酸菌CO2+H2CH4产甲烷菌7.提供一种以上初级底物利用者有一种以上初始利用者存在，每个初始利用者都能完全代谢底物。一类降解除草剂Fermon(N,N-二甲基-N-苯基脲)的微生物群落，包括3种Corynforms菌、1种假单孢菌和一种产碱菌(Alicaligenessp.)，它们均能够单独降解Fermon。混合培养菌株的降解能力大大高于单个菌株的纯培养。第二节农药污染与微生物的作用第二次世界大战后，化学农药得到迅速发展，至1981年，全世界的农药制剂已达10000种以上，归属于600多种化合物。统计显示，我国农药的使用量已达50~60万t/a。作用巨大，风险犹存。一、农药的使用及对土壤的污染二、农药在土壤中的持留性持留时间长，控制病虫害和杂草的效果则愈好；但对土壤和环境的污染也越严重。选择防治效果佳、持留时间短的农药，既可以有效防治病虫害，又不致污染环境。化学农药在土壤中的持留性取决于农药的化学特性：容易分解的农药，在土壤中的持留时间短；性质稳定的则持留时间长。农药持留性通常用农药的半衰期表示，也可以用消失75%~100%的时间表示。表3-11部分有机氯杀虫剂持留的时间长，有机磷杀虫剂持留的时间短。氯代烃类杀虫剂多稳定地长期残留于土壤中，如DDT，六六六、七氯、毒杀芬等和某些除草剂，如西玛津。氯代烃类农药的半衰期一般为2~5年，是危害环境的主要类型之一，我国已经停止生产。有机磷杀虫剂虽有剧毒却很易降解，不会造成残毒的危害。农药的持留性与其化学结构密切相关一般来说，具有易失去电子的取代基(如-OH、-COOH，-NH2)的芳香族化合物要比具有易获得电子的取代基(如-NO2、-SO3H、卤代基)的芳香族化合物更易于氧化代谢。根据物质结构，各种有机化合物的降解性能可以排成如下顺序：脂肪酸>有机磷酸盐>长链苯氧基脂肪酸>短链苯氧基脂肪酸>单基取代苯氧基脂肪酸>三基取代苯氧基脂肪酸>硝基苯>氯代烃类。三、农药对土壤微生物的影响与农药本身的特性有关；受土壤—气候条件，农作物种类，土壤耕作，施肥技术、采样的方法和时间，微生物分析和化学分析等因子的影响。表3-12部分安全系数(SC)：能使某类微生物数量下降50％的化学农药的浓度(LC50)和实际使用浓度（mg/kg土）之比。系数愈大愈安全，系数愈小愈易造成药害。系数小于1时，对各类土壤微生物都有抑制作用。农药安全系数(SC)表3-13通过土壤微生物估计化学农药毒性的安全系数(SC)生物学过程或微生物草甘膦乐果地亚农莠去津灭草隆福美双威百亩土壤呼吸硝化作用氨化作用纤维素分解腐生细菌腐生真菌腐生放线菌微小藻类根瘤菌>100>100>100>100>100>100>100>100->100<1-->100>100>100>100->100>100>100>10022315100->100>100>100>100>100>100>100<1>100>10012>100>100>100>100>1000.33.0>100>10030191034-1<10.0l-0.10.20.010.10.10.01四、微生物转化农药的生化反应1、脱卤作用某些脂肪酸生物降解的起始反应，若干氯代烃类杀虫剂的降解也有此作用。2、脱烃作用发生在某些有烃基连接在氮、氧或硫原子上的农药(如三氯苯类和甲胺类)。烃基连接在碳原子上的农药则不易被微生物转化。3、酰胺及酯的水解许多农药是无机酸类的脂，如磷酸酯类杀虫剂(对硫磷，马拉硫磷)，或是酰胺类，如苯胺类除草剂。这些化合物中的酰胺和酯键可被某些微生物水解。4、氧化作用微生物通过氧化酶的作用，使分子氧进入有机分子或进入带有芳香环的有机分子。这样可以插入一个羟基形成一种环氧化物。5、还原作用-NO2-NH2对硫磷氨基对硫磷M还原醌类酚类M还原M还原生成硫醇6、环裂解芳香环在微生物产生的双加氧酶的作用下，使环裂开。微生物作用使苯环裂解邻苯二酚粘康酸酮己二酸琥珀酸、乙酸CO2、H2O7、缩合或共轭形成包括将有毒分子或其一部分与另一有机化合物相结合，从而使农药或其衍生物失去活性。1、去毒作用经微生物作用后变有毒为无毒。通常与矿化作用联系，但有的化合物即使没有矿化，只是部分降解，甚至仅经共代谢作用除去个别基团，也可变有毒为无毒。五、微生物转化农药的方式2．活化作用经微生物作用后变无毒为有毒或使有毒物质毒性加剧。有些化合物无毒，但在降解过程中形成的中间产物有毒，而且有的中间产物能持续一定时间，从而对生态环境带来影响。2,4-DB(2,4-二氯苯氧丁酸)(无毒)2,4-D（一种除草剂）微生物3、结合通过复合或加成作用，使微生物的代谢产物与农药结合，形成更复杂的物质，如氨基酸、有机酸、甲基或其它基团加在作用底物上。通常是去毒作用，但有例外。4、改变毒性谱一类具有生态意义的转化作用，它能将对某一类生物有毒的物质转化成影响另一类生物的产物。五氯苯醇真菌病害水稻无害，被吸附防治水稻残茬共代谢作用五氯苯醇被转化为三氯或四氯化苯酸抑制水稻后作植物翻耕无防治作用5、消效作用一种酶促去毒作用2,4一二氯苯氧乙酸2,4-二氯苯酚2,4-二氯苯氧丁酸MM(植物毒素)(对植物无毒)六、几种农药的微生物转化1、DDT[2,2-双(对氯苯基)-1,1,1-三氯乙烷]在土壤中，导致农药降解的主导因子是细菌、真菌和放线菌的代谢作用ClCHClCl3CCCl3CHR2DicofolDDTDDNDDDDDEDDMUDDMSDDNUDDNSDDADDOHDBNDDMPCPAPCBADBPCCl3CHR2CCl3CHR2CNCHR2CCl2CHR2CCl3CR2CHCl2CR2CH2ClCHR2CH3CR2CH3CHR2CH2OHCHR2COOHCHR2CH2R2CHOHR2CH2RCOOHCRORCOOHClCHCOHOClCOHOClCHClCl3C降解DDT的微生物类群据Brown的资料，厌氧条件下，有10属23种细菌能对DDT发生不同程度的脱氯作用。14个脱氯作用最活跃的细菌：假单孢菌6个种，黄单孢菌、欧文氏菌各4个种；其它细菌：芽孢杆菌3个种，无色杆菌、产气气杆菌(Aerobacteraerogenes)、根癌土壤杆菌(Agrobacterinmtumefaciens)、巴斯德梭菌(Clostridiumpasterianum)和密西根棒杆菌(Corynebacteriummichiganense)各1个种。放线菌厌氧条件下，链霉菌(Streptomyces)和诺卡氏菌(Norcardia)两个属中都有能降解DDT为DDD的种存在。真菌绿色木霉DDTDDD+(DDE)尖孢镰刀菌DDTDDD或DDE2、林丹(Lindane)(高丙体六六六)B.cereusE.coliClo.sporogenes+具有降解能力的微生物：蜡样芽孢杆菌生孢梭菌(Clostridiumsporogenes)和大肠杆菌(E.coli)恶臭假单孢(P.putida)菌的分解活性最强。ClClClClClClClClClClClCl3、对硫磷(Parathion)o,o-二乙基-o-(对硝基苯)硫代磷酸酯对硫磷氨基对硫磷o,o-二乙基硫代磷酸P-硝基苯P-硝基酚NO2OPSC2H5OC2H5ONH2OPSC2H5OC2H5OOHPSC2H5OC2H5ONH2HONO2HO易分解，持留期短，在土壤中的半衰期仅数日。起作用的微生物：黄杆菌(Flavobacteriumsp.)球拟酵母(Torulopsissp.)硫杆菌(Thiobacillussp.)木霉(Trichlodermasp.)4、2,4-D(2,4-二氯苯氧乙酸)参与降解苯氧乙酸类除草剂的已知微生物节杆菌属(Arthrobacter)生孢食纤维菌属(Spotooytophaga)诺卡菌属(Norcardia)链霉菌属(Streptomyces)曲霉菌属(Aspergillus)假单孢菌属(Pseudomomas)枝动菌属(Mycoplana)无色杆菌属(Achromobacter)黄杆菌属(Flavobacterium)棒杆菌属(Corynebaeterium)微生物对苯氧乙酸的代谢速率和程度各不相同，除黑曲霉(Aspergillusniger)只能把羟基引入芳香环外，其余的各个种都能完全地或近乎完全地降解苯乙酸，使其失去芳香环的结构，并使分子上的氯释放出来。5、五氯苯酚（PCP）防腐剂、除草剂、杀虫剂和杀菌消毒剂性质稳定，有剧毒优先控制污染物五氯苯酚（PCP）的微生物降解第三节有毒元素的污染与微生物作用被污染的土壤和水体的有毒元素主要来自工业废水，废渣和垃圾。冶炼和采矿工业是向环境中释放有毒元素的主要污染源。对人、畜毒害最大的污染元素有汞，镉，铅三种金属和砷，硒两种非金属，具中等毒性的有铬，镍，钼、锌等金属元素。污染的重要特征是能转化成各种不同形态，并通过分散和富集作用而迁移。一、有毒元素对生物致毒作用的特点：1．很低的浓度即可产生毒性效用一般的有毒元素产生毒性的浓度范围在1~l0mg/ml之间，毒性较强的金属，如汞、镉，产生毒性的浓度范围在0.01~0.001mg/ml以下。2．通过食物链的生物扩增作用有毒元素可以在较高级的营养水平的生物体内成千上万倍地富集，然后通过食物进入人体，在人体某些器官中积累，造成慢性中毒。3．某些有毒元素通过微生物的转化作用可转化为毒性更强的化合物。二、汞的污染和微生物转化在土壤和水体等自然环境中，汞的浓度很低，一般不超过1ppm，但由于它在工业中被广泛利用，煤炭，石油等燃料中也含有一定量的汞，同时，它也是某些农药的成份。随着工业废水的排放，农药的应用和煤炭，石油的燃烧，汞被不断地引入自然环境。通过生物对它的富集作用和它的高毒性可以造成严重的危害。在自然界，汞以三种状态存在：Hg0、Hg+、Hg2+。Hg+常成二聚体：Hg+-Hg+，但其可进行如下的化学歧化作用：Hg+-Hg+Hg2++Hg0主要的汞矿是硫化物，HgS俗称朱砂；溶解性极低，在厌氧环境中一般无变化，通气条件下HgS发生氧化作用，这可能是由于硫杆菌属的细菌作用，形成了Hg2+。可溶性Hg2+是很毒的，但很多细菌能行解毒作用，使其转化成元素汞：Hg0。Hg2++NADPH+H+Hg0+2H++NADP+有些细菌能将Hg2+转化成甲基汞和二甲基汞，实验室内，芽孢杆菌属，梭菌属，分枝杆菌属和假单孢杆菌属的细菌，以及曲霉属、脉孢霉属(Neurospora)的真菌和酵母菌都能引起甲基化作用。甲基化与辅酶—维生素B12的作用分不开，其转化过程如下：Hg0+CH3-B12CH3-Hg+CH3-Hg++CH3-BrCH3-Hg-CH3(二甲基汞)(甲基汞)甲基汞和二甲基汞都是亲脂性的，生物摄取后，多富集于细胞的脂类物质中。甲基汞的毒性比汞Hg+或Hg2+大100倍，神经毒素，在水体中较多地富集于鱼类和贝类中，人食用了含汞的鱼、贝以后，可引起脑细胞的破坏而死亡。这两种类型的甲基汞是否稳定决定于它们的形成速率和排除速率，因为，有些微生物能还原甲基汞成Hg0和甲烷。二甲基汞可挥发逸入大气，形成速率低于甲基汞。CH3-Hg-CH3Hg0CH3-Hg-CH3CH3-Hg+Hg0+CH4CH3-Hg+Hg2++Hg0Hg++Hg+HgS化学反应细菌细菌细菌CH4鱼细菌细菌沉积物水大气汞循环的可能途径利用细菌消除汞污染从G+和G-细菌中分离出的许多质粒上都发现有抗重金属的基因。某些抗药性质粒同时也具有抗汞和抗砷的基因。从金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)中分离出的一种大质粒上发现有抗汞、镉，砷等元素的抗性编码。日本用汞细菌吸收并将含汞废水中的甲基汞、乙基汞、硝酸汞、乙酸汞和硫酸汞等水溶性化合物成元素汞，然后收集菌体，用活性炭吸收菌体内蒸发的一部分元素汞，另一部分沉淀在反应器的底部的汞可以回收。金属汞的回收率可达80％以上。利用细菌消除汞污染Chakrabarty把抗汞质粒转移到恶臭假单孢菌中，在含50~70g/mlHgCl2的培养液中，该菌仍能生长，并将离子汞转化成Hg0。三、砷的污染和微生物转化砷是非金属元素，在自然界主要以氧化物(如白砷石As2O3，)和硫化物(如雄黄As4S4，雌黄As2S3)存在。砒霜，即三氧化二砷三氧化二砷为白色晶体，微溶于水。溶于水后生成亚砷酸(H3AsO3)亚砷酸离子(3+)比砷酸(H3AsO4)离子(5+)更毒。具挥发性的三甲基砷也对人体有毒害作用。1、砷的污染砷能使人与动物的中枢神经系统中毒，使推动细胞代谢作用的酶系失去作用，还发现它具有致癌作用。污染环境的砷化合物的来源是多方面的：农药和染料：亚砷酸盐和有机砷化物被用作原料，一些含磷酸盐的洗涤剂中也含有少量砷2、微生物对砷的作用甲基化：如土生假丝酵母(Candidahumicola)、粉红粘帚霉(Gliocladiumroseum)和青霉能使单甲基砷酸盐和二甲基砷酸盐形成三甲基砷。有些甲烷细菌能利用砷酸盐生成甲基砷。许多微生物能将污水和污泥中的砷转化成三甲基砷。氧化为砷酸盐：如无色杆菌、假单孢菌、黄杆菌、节杆菌和产碱杆菌能将亚砷酸盐氧化为砷酸盐；还原成亚砷酸盐：甲烷细菌，脱硫弧菌，某些微球菌在厌氧条件下又能将砷酸盐还原成毒性更强的亚砷酸盐。细菌细菌细菌砷酸亚砷酸甲基砷酸二甲基砷酸三甲基砷二甲基砷O2O2细菌空气水土壤沉积物砷的微生物转化CH3-As-CH3CH3OH-As-CH3CH3HO-As-CH3CH3OHO-As-OHCH3OAs-OHOHOHHO-As-OHOHO