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1、深圳大学材料学院 环境友好材料环境友好材料杨海朋杨海朋深圳大学材料学院深圳大学材料学院1 1第8章 微生物环境材料深圳大学材料学院*2深圳大学材料学院 微生物环境材料主要是指利用自然界中的不同微生物作为材料，结合某些工程技术，去除环境中的污染物，为 保护环境、改善环境质量及其发展作积极的工作。由于微生物技术有着很优良的特性，现在发展很快，也是世界环 境材料重点研究的领域。微生物种类多种多样，每个微生物都具有在细小的细胞内部进行化学反应的能力和性质。3深圳大学材料学院 4深圳大学材料学院 葡萄酒是葡萄汁中的酵母菌附着在果皮上繁殖，并把葡萄糖化学分解成酒精和二氧化碳而生成的。这种化学反应 是靠酵母
2、菌在细胞内高效分解出来的酶的作用来完成的。几种酶作用于葡萄的果汁成分，美妙地制造出约五十种挥 发性脂肪酸、有机酸、酒精等，从而酿造出具有独特香气 的葡萄酒。即使用现代分析技术或化学手段也不能实现这 种合成，因此可以说这是微妙的、艺术的力量。这种微生 物的作用，实在是伟大。 5深圳大学材料学院 葡萄球菌 葡萄球菌为革兰染色阳性球菌，有金黄色葡萄球菌（简称 金葡萄）和表皮葡萄球菌两类。前者可引起全身多发性化 脓性病变，血浆凝固酶使细菌周围产生纤维蛋白，保护细 菌不被吞噬。凝固酶阴性的葡萄球菌偶亦可致病。 6深圳大学材料学院 乳酸杆菌 7深圳大学材料学院 放线杆菌 与人、羊、牛、马、猪等哺乳动物和鸟
3、类寄生和共栖。抗生素，一种由放线菌产生的神奇物质，可以帮助我们 对抗细菌，减少疾病的死亡率。8深圳大学材料学院 9深圳大学材料学院 巴斯德（LPasteur， 1822 1895）法国微生物学家、近代微生物学的 奠基人。1840年在贝桑松皇家学院获文学学士学位 ，1842年又获科学学士学 位。1843年考入巴黎高等师范学院攻读化学，1847年获博士学位。微生物学的奠基人10深圳大学材料学院 由于巴斯德不到30岁便成了有名的化学家，法国里尔城的酒厂老板便要求他帮助解决葡萄酒和啤酒变酸的问题。微生物学的奠基人-巴斯德正常的葡萄酒 -酵母菌；变酸的酒中 还有另外一种又细又长的细菌。11深圳大学材料学
4、院 n19世纪70年代，巴斯德开始研究炭疽病。炭疽病是在羊群中流行的一种严重的传染病，对畜 牧业危害很大，而且还传染给人类，特别是牧羊人和 屠夫容易患病而死亡。 炭疽杆菌12深圳大学材料学院 研究葡萄酒和蚕病取得巨大成功之后，巴斯德开始主张传染病是由微生物引起的。正因为微生物能够通过 身体接触、唾液或粪便散布，便可以从病人传播给健康的人而使人生病。这种观点后来被许多医生的观察 和治病经验证实了。13深圳大学材料学院 巴斯德的成就开创了人类战胜传染病的新世纪，拯救了无数的生命，奠定了今天已经成为重要科学领域的免疫 学的基础。1885年，巴斯德第一次用同样的方法治好了被 疯狗咬伤了的9岁男孩梅斯特
5、。1873年，巴斯德当选为法国医学科学院的院士，虽然 他不是医生，连行医的资格都没有，但历史已经证明，巴 斯德是最伟大的“医生”。1996年巴斯德逝世100周年时，全世界微生物学和医 学工作者举行了许多活动来纪念他，因为他的研究成果直 到今天仍然在给人类带来巨大的幸福。14深圳大学材料学院 重金属/放射性元素/毒物破坏生物体正常生理代谢活动积累8.1.1 微生物的吸附作用15深圳大学材料学院 从20世纪90年代开始，各国都积极研究微生物吸附法处理含有重金属废水。重金属或放射性元素 破坏生物体正常生理代谢活动食物链 积累活性炭、离子树脂传统吸附法 大规模应用费用相对较高化学沉淀.溶剂抽提低浓度污
6、染物效果差16深圳大学材料学院 研究表明，大量微生物如细菌、真菌、藻类等对重金属都有很强的吸附力。微生物处理废水的最大好处是来 源广泛、价廉、不必回收、不产生二次污染等。如发酵 工业产生的大量废菌体中蕴藏着丰富的海藻.可以直接用其制备吸附剂等。因此，微生物技术有着较好的经济 效益和社会效益。 17深圳大学材料学院 (1)吸附机理 微生物的吸附机理十分复杂第一阶段：生物吸着过程第二阶段：生物积累过程M+ 可通过配合、螯合、离子交 换，物理吸附及微沉淀等作用 复合到细胞表面 作用较快，数min重金属被运送至细胞内金属运送机制有脂类过渡氧化，复 合物渗透，载体协助及离子泵等细胞壁上的活性基团一般来自
7、磷酸盐、羰基化合 物、胺等18深圳大学材料学院 (2)细菌对废水中重金属的吸附 细菌及其产生的特殊酶对溶解态金属离子有很强的配合能力，这主要归因于其特定的分子构型和化学组成。细胞壁带 有负电荷而使整个细胞表面呈现阴离子特性，通过细菌细胞 中均聚物或杂聚物上的羰基或磷酰基等阴离子作用，可以增 加金属离子的吸附。此外，细胞壁分子也具有活性,可以将金属螯合在细胞表面上。 19深圳大学材料学院 铜是机体所需的痕量元素之一，但过量铜的摄人将沉 积于人的大脑、皮肤、肝、胰和心肌等部位，导致“威尔 森”疾病的发生，因此，对水中的铜必须进行处理。废水中的铜可以用SRV菌(为脱硫肠杆菌属)进行处理 。实验结果表
8、明，当废水中铜浓度达到264.6ugml时. 菌废比为1:1, 其去除率达99.12。20深圳大学材料学院 某些细菌可以从废液中螯合大量的金属如Mg、Fe、Na 、K、Mn、Zn、Cu、A1和少量的Hg、Sr、Ag等。 废定影液含有银，由于常规处理法或因浓度不合要求或因成本较高不宜使用。采用某些光合硫细菌在光照、厌氧 或用某些化能细菌净化废定影液并回收其中的银。处理时 ，先往废定影液中加入硫化钠使之形成硫化银沉淀，然后 用细菌氧化硫化银为硫酸银，银被累积在细胞内.其量占细 胞干重的10-20。 21深圳大学材料学院 (3)真菌对废水中重金属的吸附 发酵工业产生的大量废菌体是一种良好的吸附能力的
9、生物吸附剂，其来源广泛，价格低廉。在铀的处 理过程中，R.arrhizus对铀的吸附量可高达200mg g干重，s.cerevisia 也能吸附大量的铀。Penicillium 有良好的吸附能力，对Pb2+也有定的吸附能力。22深圳大学材料学院 试验结果表明,用枝芽酶真菌回收锌、铑、铁、钌和铝，回 收率在94以上。这些真菌回收废水中的重金属反应时间仅 需数小时，处理成本较低，操作简单，适用于pH4以下的酸性废液。 23深圳大学材料学院 (4)用藻类回收废水中的重金属 藻类是重金属的有效吸收者和富集者,利用藻类去除废水中的重金属离子的研究已有大量报道。藻类数量巨大而且易收 集，作为吸收剂具有来源
10、丰富、价廉的优点。藻类细胞壁一般为多孔结构，允许分子或离子自由通过，而其他细胞壁则一般只允许中性分子通过而离子不能通过。 如褐藻对铅的富集系数可达7104，并且随着时间的增加，铅可由细胞表面转移到原生质中去。24深圳大学材料学院 藻类吸附剂上吸附的金属可用电解质(硫酸、氢氧 化钠)或是络合剂(EDTA)来淋洗，然后对吸附剂可用 NaOH处理再生。它与其他离子交换树脂相比，有两个最大的优点，一是可以在含有高浓度的金属离子的 金属环境中使用。二是水中大量存在的Ca2+、Mg2+、 Na+、K+ 离子对其他金属离子吸附干扰不大，这正是离子交换树脂难以解决的问题。25深圳大学材料学院 26深圳大学材料
11、学院 (5)研究方向 当前微生物吸附废水中的重金属的研究还处于初始阶段。发展趋势：一是紧密结合生物技术的发展，寻找更多的吸附量大、同时吸附多种金属的微生物，除了从自然界中筛选出对重 金属有特殊吸附能力能的微生物外，同时还应该利用日益 成熟的基因工程技术构建只有较强吸附能力或特异性金属 能力的微生物。 27深圳大学材料学院 二是开展生物吸附剂固定化的研究。绝大多数的微生物，密度小，强度低，颗粒直径小，所以只能在连续搅拌器中去除金属。在吸附金属后， 往往需要经过沉淀、过滤或是离心才能将其与溶液分开 ，此过程不仅增加了处理费用，而且降低了去除效率。 因此要将生物吸附技术推向实际应用还必须改变微生物
12、体的存在形式，使其具有一定的颗粒尺寸，定的粒子强度，多孔性，亲水性和化学惰性，这些都必须加快固 定化技术的研究。 28深圳大学材料学院 8.2 微生物处理污水的材料与技术 在自然环境中，存在着大量微生物，它们具有氧化分解有机物并将其转化为无机物的能力。利用微生物来处理废水主要就是在人工创造的有利于微生物生命活动的环境中，使微 生物大量繁殖，提高微生物氧化分解有机物的效率。它主要 用于去除污水中溶解性和胶体性有机物，降低水中氮、磷等 营养物的含量。生物处理方法分为好氧和厌氧两大类，分别 利用好氧微生物和厌氧微生物分解有机物。29深圳大学材料学院 8.2.1污水处理中的微生物在污水处理过程中，净化
13、污水的微生物主要是细菌、真菌、藻类、原生动物和一些小型的后生动物等。微生物在繁衍 和正常生活过程中，必须要有足够的能源、碳源和其他无机元素。其中碳是构成微生物的主要成分，碳的主要来源是二 氧化碳和有机物。如果微生物由二氧化碳取得细胞碳，就称 为自养型微生物；如果微生物利用有机碳进行细胞合成，则 称为异养型微生物，在污水处理中主要是异养微生物在起着 主要作用。微生物按其利用氧的情况。可分为好氧、厌氧和 兼性氧三类。显然，好氧微生物只能在有氧的情况下起作用 ，而厌氧微生物只能在无氧情况下起作用。 30深圳大学材料学院 (1)活性污泥法。 向生活污水中不断地注入空气，维持水中有足够的溶解氧，经过一段
14、时间后，污水中就形成一种絮凝体。这种絮 凝体是由大量繁殖的好氧微生物构成，易于沉淀分离，使 污水得到澄清，这就是“活性污泥”。31深圳大学材料学院 32深圳大学材料学院 (2)氧化塘法 氧化塘又称稳定塘或生物塘，是一种类似池塘的处理设备。氧化塘净化污水的过程和天然水体的自净过程很相近，污水在塘内经过长时间缓慢流动和停留，通过微 生物，如：细菌、真菌、藻类和原生动物等的代谢活动 ，使有机物降解，水质得到净化。水中的溶解氧主要是 由塘内生长的藻类通过光合作用和塘表面的复氧作用提 供的。氧化塘可分为四类，即好氧氧化塘、兼性氧化塘 、曝气氧化塘和厌氧塘。33深圳大学材料学院 34深圳大学材料学院 35
15、深圳大学材料学院 36深圳大学材料学院 8.2.2 好氧附着生物材料系统好氧附着生物系统是使细菌等好氧微生物和原生动物、后生动物等好氧微型动物附着在某些物料上进行生长繁殖，形成生物膜，通过和污水的接触，水中的 有机污染物被膜中的生物作为营养物所摄取从而对污 水进行净化。其中代表性工艺的有：生物滤池、生物 转盘和生物接触氧化池等。 37深圳大学材料学院 (1)生物膜 当污水与滤料等载体长期接触，就会在载体的表面上逐渐形成生物膜。生物膜主要由好氧菌、厌氧菌和兼性菌等的菌胶团和大量的真菌丝组成。由于 生物膜是生长在载体上的，微生物停留时间较长， 所以生物膜上的生物类型丰富，种类繁多，食物链 长并且复杂。38深圳大学材料学院 39深圳大学材料学院 (2)生物滤池40深圳大学材料学院 41深圳大学材料学院 (3)生物转盘生物转盘是由盘片、接触反应槽、转轴和驱动装置等部分组成的。生物转盘运转
