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1、第五章 微生物与环境保护,生态系统中的清道夫分解者在日常生活中,放置的水果、食物、衣物、木材等经过或长或短的时间,都要变质、发霉、腐烂,这就是微生物分解作用的结果。微生物的这种作用虽然会造成人类生存资源的损失,但对于生态系统乃至全球的生物的生存、延续和发展却是不可缺少的。微生物通过分解动、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”。微生物的分解作用是地球上生命波浪式发展、螺旋式
2、进化的原动力之一。,1. 微生物对污染物的抗性和降解,微生物抗毒 转化和降解,2. 污染环境的废弃物的微生物处理,应用微生物处理城市垃圾 应用微生物处理污水,3. 被污染环境的生物修饰,4. 利用微生物生产有益环境的产品,1. 微生物对污染物的抗性及降解利用微生物 进行环境保护的基础1.1 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。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。,1.2 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
3、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。微生物除了可以转化生物外源性物质外,有些微生物还可以把它们分解掉,把较大的化合物分子一步一步地变小,称为降解作用。有些生物外源性物质可以被彻底降解,即变成水和二氧化碳等无毒无害的很小的分子化合物或元素。但是,有些生物外源性物质不能被彻底降解。,2. 污染环境的废弃物的生物处理世界各国的科学家和工
4、程技术人员,针对环境污染的问题和不同的环境污染类型,发展了各种处理办法。主要可以分为三大类:化学法(如絮凝沉淀法) 、物理法(过滤)和生物法(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,但由于这些方法存在投资大、成本高、二次污染的问题,因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
5、解决环境问题提供了希望,因而越来越受到人们的青睐。,城市垃圾,2.1 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。垃圾的填埋处理不仅需要侵占大量的土地资源,而且需要很长时间(一般至少50-100年)才能完全使所填埋的垃圾无害化,因此填埋了垃圾的土地长期不能使用,而且填埋于地下的垃圾,绝大部分是有机物,在厌氧微生物的作用下进行发酵,能产生大量的沼气逸出地面,遇火即可发生火灾; 填埋的垃圾还可能污染地下水。垃圾焚烧同样也存在火灾的隐患,同时焚烧时还会产生大量废气,造成对环境的再次污染,我们称这种污染为二次污染。较好的物理方法是利用垃圾发电。这在发达国家是一种普
6、遍采用的处理城市垃圾的方法,我国也建立了几座垃圾发电厂,但目前在我国还不能普遍推广,因为成本很高。,垃圾堆肥是较原始的简易的固体垃圾生物处理方法。主要是利用垃圾中原本带有的微生物进行自然发酵。这种方法虽可以采用,但所需的处理时间长,处理量小,发酵过程不易控制。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
7、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。,300x420x415mm,生垃圾处理机：家庭用型 （生処理機）,2.2 污水生物处理技术 废水的处理方法主要可归结为三类:物理法、化学法和生物法。目前普遍使用生物法或生物法与其它方法结合。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。目前最普遍使用的是活性污泥法,特别是在城市污水处理中。而效率较好的是生物膜法,特别是在特殊行业废水的处理中应用最为常见。,3. 被污染环境的生物修复对已经被广泛污染的大面积环境,采用废水及垃圾处理的方法是不可修复的。近年来,各国科学家已经成功的研究开
8、发出可用于治理被大面积污染环境的生物技术,这就是生物修复技术。生物修复(Bioremediation) ,也称生物整治、生物恢复、生态修复或生态恢复,是指利用处理系统中的生物,主要是微生物的代谢活动来减少污染现场污染物的浓度或使其无害化的过程。目前所处理的对象主要是石油污染及农田农药污染。生物修复的具体操作方法可分为两种,其一是环境条件的修饰,如营养物质的利用、通气等。其二是接种合适的微生物以降解污染物。用于生物修复的微生物包括土著微生物、外来微生物等。,4. 利用微生物生产有益环境的产品4.1 生物杀虫剂 目前,世界各国大量使用化学农药而造成环境污染。化学农药因其不具有选择性而对有益的生物也
9、造成威胁。同时,很多化学农药是不可降解或很难降解的,容易在动植物体内积累而造成污染物的富集。但是,生物农药的出现使得这个矛盾缓解。现在主要的产品是用苏云金芽孢杆菌制成的BT生物杀虫剂。苏云金芽孢杆菌之所以能够杀虫,是由于它们的细胞内存在着有毒的蛋白质,叫做伴胞晶体,昆虫吞食后中毒而死亡。这种活细胞对环境无毒无害,而且在动物的胃肠道内,酸性环境下蛋白晶体不能溶解,从而对人畜无毒,所以是一种高效安全的生物杀虫剂,可用来防治农作物害虫和杀灭蚊虫。对生物农药的研究刚刚开始,相信在不久的将来,我们的农田将不再需要喷洒化学农药,农田将真正成为绿色的田野。,4.2 可以被迅速分解的塑料聚-羟基烷酸酯(PHA
10、) 塑料被称为白色污染,是近年来环境的大敌。以聚乙烯为代表的塑料,在自然条件下极难降解,在土里埋50- 100年仍旧安然无恙。由于塑料广泛应用于农业生产及日常生活中,所以其产量每年递增,造成了这种人工化合物的大量积累。现在人们正在积极寻找可以取代原有塑料的可生物降解的新材料。一类由微生物合成的化合物引起了人们的兴趣,这类化合物为聚-羟基烷酸酯,简称PHA,它们是由许多个 -羟基化的饱和脂肪酸聚合而成的。脂肪酸可以是丁酸,戊酸或己酸等。后来的研究表明,很多种类的微生物都能产生PHA。它的最大优点是可被微生物降解掉,因此人们称它为“生物可降解塑料”。用细菌生产的聚-羟基丁酸酯除了替代现有的塑料制品
11、外,还可以用来生产高弹性的无纺布。聚-羟基丁酸酯无毒性,高纯度的产品可用来做伤口的缝合线及骨骼固定绷带,当用这种缝合线缝合伤口后也用不着拆线,它可以在人体内自行被分解吸收。,微生物和燃料乙醇,燃料乙醇产生于20世纪20年代,随着石油的大规模、低成本 开发, 酒精因其经济性较差而被淘汰。 全世界面临着严重的能源危机。石油的价格已经超过了100美元/桶。 生物材料的可再生性和燃料乙醇对环境安全无害的优点。使得燃料乙醇转化技术成为近十多年来许多发达国家的研究热点。 巴西一跃成为世界上最大的生物乙醇生产地。巨大的甘蔗生产潜力和优惠的政府扶持政策是巴西生物乙醇生产得以发展的主要原因。,第六章 微生物与生
12、物能源、资源利用,燃料乙醇的优点及其开发意义,燃料乙醇是一种良好的增氧剂,它可以增加汽油的含氧量,使其充分燃烧。目前用的甲基叔丁基醚（MTNBE)会对地下水造成严重的污染,而且其生产难度比较大 燃料乙醇的辛烷值高,调和辛烷值一般可以达到120左右,可以有效提高汽油的抗爆指数。 有利于环境的改善。使用车用乙醇汽油,可以使汽车尾气的污染水平均降低30%以上。其中一氧化碳排放下降30. 8%, 挥发性烃类化合物排放下降13. 4% ,二氧化碳的排放量降低27% 纤维素和淀粉是地球上最丰富的有机资源之一,它是一种可以再生的资源,燃料乙醇生产技术,1. 以淀粉类和糖蜜类物质为原料的生产技术,以玉米为例,
13、其生产过程包括: 玉米预处理(粉碎) 、脱胚制浆、液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水和变性等,燃料乙醇生产工艺,2. 以纤维素类物质为原料的生产技术,以纤维素为原料发酵生产燃料乙醇,首先将纤维素进行酸解和碱解或酶解预处理,释放出的葡萄糖可进入乙醇发酵途径,以纤维素类物质为原料的生产工艺,燃料乙醇发展过程中存在的问题,目前燃料乙醇生产中存在的最大问题是降低成本。据报道,以玉米为原料生产燃料乙醇,其综合成本是3897 元/ t,其中原料费用是3047 元/t, 即原料的成本占综合成本的78. 19%。美国乙醇的生产成本只有2770元/t,而国内乙醇的生产成本为3671元/ t,相差901元/ t。 在以
14、纤维素为原料生产燃料乙醇的过程中,最大的问题是原料的预处理。纤维素水解为单糖，需要纤维素酶，该酶的成本相当高，需要技术的突破。,微生物与沼气,沼气是微生物在缺氧时，通过发酵将作物秸杆、杂草、人畜粪便等有机物分解而产生的一种可燃性气体。沼气是多种气体的混合气，有甲烷、二氧化碳、氢气、氧气、硫化氢等。,一. 多种细菌分泌的酶，将复杂的有机物质分解为一些低分子量的简单有机物及二氧化碳、氢气、硫化氢等无机物。称为酸发酵。参与的微生物有纤维素分解细菌、蛋白质分解细菌、果胶分解细菌、丁酸细菌、醋酸细菌等。二. 有甲烷细菌分泌酶，将简单有机物分解为甲烷和二氧化碳；这一阶段称为气体发酵阶段。参与的细菌种类很多
15、，有杆菌、球菌、螺旋菌等。分布广泛。,沼气的发酵过程：,沼气是一种优良的生物能源，是解决能源问题的有效途径之一。 产生的甲烷还能用来合成多种工业产品，是化学工业的重要原料。 发酵池内的残渣是一种还有速效氮磷钾及微量元素的有机复合肥料。 规模化和质量控制是限制发展的一个瓶颈。,微生物与资源利用,微生物冶金,又称微生物选矿，是利用微生物的新陈代谢能力氧化、浸润矿石中有用金属的一种工艺。 其特点是： 适用于处理低品位矿、尾矿废渣、小而分散的富矿、难以开采和普通技术不能处理的废弃矿。 可综合浸出、分别回收多种金属 设备简单、操作方便。,可被微生物浸出的金属包括：铜、铀、锰、金、钴、铅、锌、铬等。能够用
16、于微生物冶金的主要是化能自养菌、也有部分异养菌。目前已知的有：氧化铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌、硫酸盐还原菌、嗜热嗜酸菌等。这类微生物还可以用于从废弃的电器、垃圾中回收金属等领域。,氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans),系短杆菌，尺寸0.30.51.02.0 m，是一种化能自养菌，专性好氧，嗜酸性，广泛生活在金属硫化矿和煤矿的酸性矿坑水中。,氧化亚铁硫杆菌的主要生化反应：,我国桃红锰矿棠甘山矿区分离得到一株氧化亚铁硫杆菌，经改造后用于浸矿，效果良好，锰的浸出率达到83.5。,微生物与石油资源的开采和利用,微生物和石油开采,石油由各种有机化合物组成，最大量是烃类。 有些微生物喜欢以烃类有机物为食。 如果在某地区的土壤中发现大量的以烃类为食的微生物，就说明那里很可能有石油，再配合其它的它测方法，就可确定油藏的分布范围了。 微生物是名副其实的采油向导。,微生物与三次采油,一次采油：利用原油的压力，石油直接涌出。只能采集小部分。 二次采油：注水，只能采出不到一半的原油。 三次采油：注入聚合物，增加水的粘稠度。或注入一些能增加水和油的混合程度的表面活性剂。,
