微生物与环境保护

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1、微 生 物 与 环 境 保 护,微生物与人类,生态系统中的清道夫分解者,植物、动物和微生物。微生物则通过分解动、植物的残体或腐植质获得能量和营养来合成自身，同时将有机物分解成可供植物利用的无机化合物，是生态系统中的分解者（digester）。,微生物可以把地球上死亡的动植物残体清扫得干干净净，将有机体分解成生产者生长所需要的元素，所以微生物被看成是生态系统中的“清道夫”。我们可以设想，如果没有微生物的分解作用，地球上的动、植物残体和有机物将得不到分解，那么至今为止几十亿年来生命活动的结果，将是把地球上所有的生命构成元素以动植物残体的形式堆积起来，植物生长的营养将会枯竭，生产者将不能生产，消费者

2、将得不到食物，地球上的生命也就无法维持了。因此，微生物的分解作用是地球上生命波浪式发展、螺旋式进化的原动力之一。,甲烷菌电镜照片,光合菌照片,生态系统平衡及其失调,生态系统是由各类生物共同组成的生物群落（bioflora）或生物系统（living thingssystem）与环境系统构成的具有一定结构和功能的一个不断更新和变化的开放系统。这个系统需要不断从外界获取物质和能量，经生理代谢过程又向环境放出物质和能量，处于相对的动态平衡之中。这个过程与具体的时间和空间相关联，并能在一定程度和范围内进行自我调节和控制。,赤潮是海洋水体里的显微藻类，主要是裸甲球藻或其它藻类在短时间内大量繁殖的结果。引起

3、赤潮的藻类繁殖到一定的密度时往往使一块一块的海水出现异常的颜色，由于通常为红色，所以称为“赤潮”。,在内陆湖泊中由于蓝藻等藻类的突然增殖和过量生长而出现水华（waterfloom）现象。,如云南昆明市内的著名风景点滇池，在80年代以前，池水清澈，水体的氮、磷等标示富营养化的指标很低，根本就没有发生过水华。但是进入20世纪90年代以后，由于滇池周围工业生产区域的不断扩充，每年从这些工厂中排入的污水不断增加，使得滇池水体的氮、磷含量、富营养化程度也不断提高。因而不仅发生了水华，而且每年发生的次数越来越多。,在滇池蓝藻水华收集区里，自动吸藻器在吸取厚达5厘米的微囊藻水华。,“滇池蓝藻水华污染控制技术

4、研究”课题的负责人、 我国著名藻类专家、中科院水生生物研究所研究员刘永定在滇池采集蓝藻水华样品。,中科院水生所“滇池蓝藻水华污染试验技术研究”课题组示范区6.1平方公里的滇池水面在治理中水质逐渐好转，成群的红嘴鸥飞至湖面捕食、嬉戏。,微生物抗毒,微生物个体微小、繁殖迅速、数量巨大、代谢能力强速度快、易于突变，它们较其它生物更易适应环境。当环境条件发生变化，例如有新的化合物存在时，某些微生物能逐步发生改变以适应环境的变化。它们可能通过自然突变形成新的突变种，也可能通过在细胞内产生新的功能而适应新环境。这些特征使得微生物成为污染物降解中的主力军。,当前已知的环境污染物质达数百万种，其中包括有机污染

5、物如塑料、尼龙等“白色污染”类；农药（杀虫剂、除草剂）、染料等难降解类；抗生素类；石油及石化产品类等等。无机污染物有氨、硝酸盐、汞、砷等等。在自然条件下，有些人工合成的大分子化合物不能被微生物降解（如塑料薄膜类的“白色污染”），有些能被降解但速度很慢（如各种染料和农药）。现在人们通过生物技术，例如人工筛选或者基因改良可以得到比野生菌株降解效率提高很多的优良菌株，从而为治理环境污染物提供了重要的工具。,微生物在与环境污染物的相互作用中不是完全被动的，很多微生物在与环境的相互作用中有积极主动的一面。像不少致病性细菌对青霉素具有抗药性一样，很多微生物对各种重金属污染也有抗性。微生物能抵抗重金属毒性原

6、因有下面几种：,1、减少吸收，使微生物细胞内的重金属含量保持在很低的水平而不产生对细胞的毒害作用。如一种金黄色葡萄球菌对Cd2+的抗性就是如此。,2、增加排出，有些微生物可以通过主动的方式把细胞内的重金属离子排出细胞外，从而维持细胞内的低含量水平。如一种芽孢杆菌对铜的抗性。,3、氧化还原作用，很多微生物可以通过氧化作用或还原作用（多数情况）把重金属从毒性较高的价态转变成为毒性较低的价态，从而解除了重金属的毒性。例如对汞的抗性即是如此，自然界中有很多微生物（大肠杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等等）可以把高毒性的Hg2+还原成为低毒的Hg0，形成沉积或挥发到大气中（见图）。另外，自然界还有些微生物（大肠

7、杆菌、芽孢杆菌等）可以将高毒的Cr6+还原成为低毒的Cr3+，从而达到解毒的作用。这一原理被应用于电镀废水的生化处理。,4、在细胞外产生可以结合（包括细胞表面吸附）有毒重金属离子的结合物，从而减少环境中毒性重金属的浓度，达到解毒的目的。如大肠杆菌的抗铜作用即是如此，它可以分泌能结合铜离子的蛋白质，从而降低了铜离子的有效浓度。另外，很多微生物还可以产生H2S，以非特异性的方式结合各种重金属离子，如硫酸盐还原菌即可产生硫化氢结合Fe2+等离子。,5、吸附作用。很多微生物的细胞表面具有特殊的结构，可以吸附重金属离子，从而达到减少溶液中重金属离子的浓度。有些酵母菌可以吸附很多重金属（如铅、金、银、镍、

8、铀等）或它们的离子，吸附量甚至可达到细胞干重的90，科学家已经应用微生物的这一特性成功地从各种溶液中回收银、金、铀等贵重金属。,肺炎克氏杆菌对镉的吸附,许多有机污染物本来是作为杀虫剂、杀菌剂、除草剂、防腐剂等而被开发出来，并大量生产和广泛使用，同时也污染着环境。它们可以杀菌或防腐，说明它们对微生物也是有毒有害的，主要表现在以下几个方面的作用：,（1）造成微生物细胞的裂解，如表面活性剂； （2）破坏微生物细胞的能量代谢作用，许多农药有此作用； （3）抑制微生物细胞各种酶的活性，导致微生物死亡，许多农药有此作用； （4）作为蛋白质变性剂使微生物细胞中的蛋白质变性而死亡，许多洗衣粉和农药有此作用；

9、（5）破坏微生物细胞中金属蛋白和金属酶的功能，金属螯合剂有此作用； （6）破坏微生物细胞的遗传物质，许多强化学诱变剂如硝基类化合物等有此作用； （7）抑制微生物细胞合成功能蛋白，如许多农药可以干扰或破坏细胞内的蛋白质合成。,转化和降解,许多微生物可以对生物外源性物质进行化学转化，使其转变成为毒性较小或易于被其它微生物所降解的化合物。如对杀虫剂DDT和对炸药TNT的转化。,微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形式,（1）脱卤（主要是脱氯），如DDT的脱氯； （2）还原，将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原； （3）水合反应，如对有机氰的水合反应，形成无毒的含氮有机化合物。,微生

10、物对几种主要类型生物外源性物质的降解,1、微生物对卤代类（特别是氯代）生物外源性物质的降解,此类化合物的典型代表有多氯酚（PCP）和多氯联苯（PCB）类化合物，它们被广泛用作防腐剂、杀虫剂及合成高分子材料的化工原料。它们都很难被降解，即具有很高的生物稳定性。尽管如此，微生物学家还是找到了许多可以降解它们的微生物。如黄杆菌（Flavobacterium sp.）可以降解五氯酚，不动杆菌（Acinetobacter sp.）可以降解PCB。,2、微生物对有机磷化合物的降解,有机磷化合物作为杀虫剂被广泛用于农业生产上，如乐果、对硫磷、甲胺磷等等。它们在环境中的残留时间很长，不易被降解，因此现在被限制

11、或禁止使用。然而，近年来不断发现许多微生物可降解有机磷化合物，从而为寻找解决及净化环境中的有机磷农药污染的途径提供了可能。,3、微生物对人工合成多聚物的降解,科学家已经发现，有些微生物（主要是真菌）可降解合成多聚物，如聚乙烯醇、乙烯薄膜、聚乳酸薄膜等。微生物一般是在用物理化学方法处理这些多聚物，将它们降解成聚合程度较小的物质之后，更易于降解它们。,4、微生物对多环芳烃的降解,很多多环芳烃化合物是生物外源性物质，亦有不少并不是生物外源性物质，而是天然存在的化合物。但由于多环芳烃特别是四环以上的多环芳烃（如苯并芘），具有很强的致癌性，也难以被生物降解，很容易积累在环境中。近年来，有关微生物降解多环

12、芳烃的研究和利用这些研究成果净化环境中的多环芳烃污染的设想备受人们关注。已经证明，很多微生物可以降解多环芳烃。,污染环境的废弃物的生物处理,据中国国家环保局中国环境状况公报显示，我国1999年大气污染物的排放量，如二氧化硫1857.5万吨，飘尘1159.0万吨，全国废水年排放量达到401.1亿吨，工业固体废弃物年产生量7.8亿吨、排放量达3881万吨，其中100万吨排入河流，危险废弃物产生量1015.5万吨。,环境污染的处理办法,主要可以分为三大类：化学法（如絮凝沉淀法）、物理法（过滤）、生物法（如活性污泥法）。这三类方法也可以结合使用。在污染物的处理中，虽然物理、化学方法作出了一定的贡献，但

13、由于这些方法存在投资大、成本高、二次污染的问题，而逐渐被生物法所代替。,生物处理（Biotreatment）也叫生化处理，是指利用处理系统中的生物，特别是微生物的代谢活动以及各种特性来处理各种废弃物的过程。主要是针对各种污染源和小范围的环境污染。生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点，为从根本上解决环境问题提供了希望，因而越来越受到人们的青睐。生物技术将成为21世纪治理环境污染的优选技术。它区别于其它技术的最根本特点是消除污染物而不是分离转移污染物。,城市垃圾生物处理技术,固体废弃物的处理有很多方法：如填埋、堆肥、焚烧、用来发电等。

14、,现在发展了新的城市垃圾生物处理工艺。这种工艺是先经过过筛，回收可再生资源后，引入具有特定功能的微生物（主要是一些能高效降解有机物质，如纤维素、脂肪、蛋白质的微生物）进行好氧处理或厌氧发酵，加速发酵过程，同时还可以收集所产生的沼气。经过充分发酵后的垃圾是一种很好的农业肥料。如果实现垃圾处理工厂化，可以使发酵周期缩短（1-2星期），并且处理量较大。发酵过程可以实现全自动化控制，发酵后形成的肥料的质量也能得到保证。,污水生物处理技术,污水综合排放标准（GB897888，废水部分，mg/L）,根据处理系统中微生物所处的状况，则可以分为：悬浮细胞法、活性污泥法、生物膜法等。下图演示了采用厌氧好氧工艺处

15、理废水的全过程。,活性污泥法,活性污泥（activated sludge）可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥，不论是哪一种，活性污泥都是由各种微生物、有机物和无机物胶体、悬浮物构成的结构复杂的肉眼可见的绒絮状微生物共生体。这样的共生体有很强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解很多的污染物，可以达到处理和净化污水的目的。,上图是活性污泥法流程示意图：1、原污水；2、初次沉淀池；3，曝气池；4、二次沉淀池；5、处理后污水；6、回流污泥；7、再生池；8、生污泥；9、剩余污泥；10、污泥浓缩池；11、脱水设备或污泥消化池等。,北京市高碑店污水处理厂使用的活性污泥法,沉淀池,好氧池,二次沉淀池,污泥消

16、化池,生物膜法,生物膜（Biofilm）是通过附着而固定于特定载体上的结构复杂的微生物共生体。相对于活性污泥来说，在单位体积生物膜中所含的微生物数量更高、比表面积更大。生物膜比活性污泥具有更强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各种污染物，具有速度快、效率高的特点。在使用生物膜法处理污水时，要求在处理系统的构筑物中装填一定数量的填料，这些填料一方面可以扩大处理系统的比表面积，另一方面为微生物提供附着固定的载体。生物膜处理系统的性能、效率取决于其中微生物活性的高低和所装填料的多少及其比表面积。一般来说，生物膜法较多应用于特殊行业的废水处理中，如印染废水等。,生物膜法的几种类型,滴滤系统旋转生物接触氧化系统（或生物转盘） 流化床反应器,