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1、微生物学,浙江工业大学生物技术系 裘娟萍 钟卫鸿 邱乐泉 汪琨,第四节 微生物与环境保护,对环境问题认识的4个阶段： 治理“三废”（废气、废液、废渣） 消除公害 环境保护 走可持续发展的道路,一、环境污染与污染物 1. 定义,所谓环境污染，主要指土壤或水体等生态系统的结构和功能受外来有害因素的破环而失去了平衡，导致物质流、能量流无法正常运转的现象。,人为因素,自然因素,火山爆发、地震、台风、洪水、海啸、旱灾、虫灾、流行病等自然灾害。,不合理的利用自然资源、三废、农药、化肥的施用等。,引起生态系统不平衡的因素,2. 环境中的主要污染物,污染物是人们倾入自然界，对人和环境有不利影响的物质。,（2）
2、有毒有机物,（1）无毒有机物,主要是一些农付产品的废物，其中成分有淀粉、纤维素、果胶、多糖、脂肪、蛋白质等，均为微生物的营养物质，易被降解。,主要是工厂的“三废”，有苯酚、多环芳烃、有机农药、多氯联苯等，有些微生物能降解。,（4）有毒无机物,（3）无毒无机物,主要是来源于“三废”，例如，铅、砷等有毒的重金属、氰化物等。,主要是一些无机化合物，是植物的营养物质，例如，含N、P等化合物。,二、微生物对污染物的降解和转化 1. 微生物对无毒有机物的降解,见微生物的新陈代谢,2. 微生物对有毒有机物的降解,有毒有机物一般很难被生物降解，它们在自然界中残存时间很长，造成污染。,使用量大 残留时间长 大部
3、分对人和动物有毒害作用,微生物通过催化作用能使农药分子的一些 基本化学结构发生改变， 使之转化成为无毒的化合物。,（1）农药,石油是一种含烃和少量其他有机物的复杂混合物。,分解石油的微生物通过加氧酶的作用下，把O2加入烃类分子中形成含氧的中间产物，再进一步代谢。,（2）石油,微生物降解石油的主要过程有： 烷烃的降解，最终产物为二氧化碳和水； 烯烃的降解，最终产物为脂肪酸； 芳烃的降解，最终产物为琥珀酸或丙酮酸和CH3CHO； 环已烷的降解，最终产物为己二酸。,据美国报道，使用由50株嗜烃细菌和某些生长因子制成的细菌制剂，处理1800加仑污染石油的水面，24小时后90的石油被细菌分解掉了。,降解
4、石油的基因多数位于细菌内的质粒上。,氰 腈 多氯联苯等,这些有毒物质的完全降解需要多种微生物的联合代谢作用。,（3）表面活性剂,3. 微生物对重金属的转化,许多金属是人的营养元素，但一些重金属，例如，砷、铅、镉等对人有害，称为金属毒物。,转化 吸附,微生物对金属毒物不能降解，只能通过转化，改变金属在环境中的存在状态，从而改变其毒性。,有毒的金属,无毒的金属,微生物,微生物,无机汞,甲基汞,许多微生物,假单胞菌,毒性很小,毒性高100倍,很多微生物的细胞表面有特殊结构，这些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。,例如，有些酵母菌可以吸附如铅、金、银、镍、铀等很多重金属，或它
5、们的离子，吸附的重金属之多，甚至可以相当于细胞重量的90%。,肺炎克氏杆菌对镉的吸附 （从中可见细胞表面吸附的镉颗粒）,三、污染物的微生物处理 （一） 污水的微生物处理,水源的污染是危害最大、最广的环境污染。,生活污水 农牧业污水 工业有机污水 （如屠宰、造纸、淀粉和发酵工厂污水） 工业有毒污水 （如农药、炸药、石油、化工、电镀、印染、制革和制药厂污水）,污水,1. 水体的污染,水被污染后，水体发生的变化：,污水处理是指在人工控制下，强化物质循环的一段过程，使经过处理的水中的杂质和污染物被分离出去或转化成无害物质，同时可导致病原菌的死亡的过程。,2. 微生物处理污水的原理,污水生物处理的原理
6、主要根据水体自净原理，利用微生物的催化作用和代谢活性，分解或转化污水中的污染物。,自然界水体中的污物浓度随河水的流动而自然降低，这种现象称为水体自净作用。,稀释扩散 沉淀堆积 氧化还原 微生物的分解和转化,水体自净作用,物理法：过滤法、沉淀法 化学法：漂白粉、氯气 生物法：微生物处理,污水处理方法,污水处理的工艺,一级处理：也称预处理，主要是通过过滤、沉淀去除污水中的粘土、淤泥、碎屑等固形物。,二级处理：也称生物处理，主要是利用微生物分解污水中的有机化合物。,污水中大量的有机物,无机物,微生物分解作用,水体,水体富营养化,排放,微生物的大量繁殖,水体发生二次污染,特别是藻类和致病菌的繁殖,三级
7、处理：把二级处理后水体中的无机P、无机N等无机化合物去除。,三级处理常用的方法, 用沉淀法除P 中性条件下加温除去NH3 利用反硝化细菌的反硝化作用除去N 繁殖藻类去除N、P 养浮萍，水草等也可去除N、P,3. BOD、COD,BOD、COD是污水处理中常用的几个名词，是水体受有机物污染程度的间接指标。,（1）BOD（biological oxygen demand）,即“生化需氧量”或“生化耗氧量”，又称生物需氧量，是水中有机物含量的一个间接指标。一般指在1L污水或待测水样中所含的一部分易氧化的有机物，当微生物对其氧化、分解时，所消耗的水中溶解氧毫克数（单位是mg/L）。,BOD的测定条件一
8、般规定在20下5昼夜，常用BOD5（5日生化需氧量）符号表示。,（2）COD（chemical oxygen demand）,即化学需氧量，是表示水中有机物含量的一个简便的间接指标。一般指在1L污水中所含的有机物再用强氧化剂将它氧化后，所消耗氧的毫克数（单位是mg/L）。,常用的氧化剂：KMnO4和K2Cr2O7 K2Cr2O7的氧化能力极强，氧化率高达80100，测得的数值称为CODcr 。,（3）TOD （total oxygen demand）,总需氧量，指污水中能被氧化的物质（主要是有机物）在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量。,TOD 是评价某水质的综合指标之一。,（4）DO （d
9、issolved oxygen）,即溶解氧量，指溶于水体中的分子态氧，是评价水质优劣的重要指标。,DO值大小是水体能否进行自净作用的关键。,天然水的DO值一般为510mg/L，我国规定地面水质的合格标准为DO4mg/L。,（5）SS （suspend solid）,即悬浮物含量，指污水中不溶性固态物质的含量。,（6）TOC （total organic carbon）,即总有机碳含量，指水体内所含有机物中的全部有机碳的量。,4. 污水生物处理类型,需氧处理 厌氧处理,（1）需氧处理法,也称好氧处理法，在有空气存在下充分供氧，维持适当的温度和营养，使需氧微生物大量繁殖，利用微生物的生命活动，把污
10、水中的有机物最后分解为CO2、H2O、NO3-、SO42-等无机物，使污水净化。,氧化塘法 活性污泥法 生物膜法,需氧处理法, 氧化塘法,氧化塘法的基本原理是利用藻菌共生、互生作用来分解污水中的有机物，使水净化。,特点是构筑物简单，能耗低，管理方便。, 活性污泥法（activated sludge）,也称曝气法，是好氧处理中最重要的方法。所谓活性污泥，是指一种由活细菌、原生动物和其他微生物群聚集在一起组成的凝絮团，在污水处理中具有很强的吸附、分解有机物或毒物的能力。,活性污泥对生活污水的BOD5去除率可达95左右！,活性污泥肉眼看是絮状泥粒，颗粒大小一般为0.020.2mm，在显微镜下观察其成
11、分有细菌、酵母、霉菌、藻类、原生动物、菌相十分复杂。,活性污泥中的细菌大多数以菌胶团的形式存在，只有少数是游离的。,菌胶团：荚膜互相连在一起，内含几个菌体，称为。,活性污泥法处理的基本工艺流程：,经过一级处理后的污水,曝气池,沉淀池,上清液,剩余污泥,回流,出水,排出,推流式曝气法 完全混合曝气法,活性污泥法根据废水在系统中流动状况分为, 生物膜法,这是一种适合土地面积紧张的大城市内利用生物膜处理污水的方法。,生物膜（biofilm）是指生长在潮湿、通气的固体表面上的一层有多种活微生物构成的粘滑、暗色菌膜，能氧化、分解污水中的有机物或某些有毒物质。,生物膜的净化原理： 生物膜法是利用微生物群体
12、附着在固体填料表面而形成的生物膜来处理废水的一种方法。生物膜一般呈蓬松的絮状结构，微孔较多，表面积很大，因此具有很强的吸附作用，有利于微生物进一步对这些被吸附的有机物的分解。 微生物氧化有机质所需O2由空气污水附着水生物膜,新膜形成,微生物的不断生长繁殖,生物膜薄的且需氧,生物膜厚度增加且厌氧,生物膜老化、脱落,A.生物滤池 B.塔式生物滤池法 C.生物转盘法,生物膜法比活性污泥法生物密度大、能耗小，不需要污泥回流，也不存在污泥膨胀。 缺点是脱落的小块膜难沉降，所以处理后水没有活性污泥法处理的清澈。,（2）厌氧处理法,厌氧处理法是指在缺氧条件下，利用厌氧性微生物（包括兼性微生物）分解污水中的有
13、机质的方法。,应用最多的是沼气发酵,沼气（marsh gas，swamp gas）又称生物气（biogas），是一种混合可燃气体，主要成分甲烷，另有少量H2、N2和CO2。其燃烧发热量比煤气高，且燃烧产物无污染。,沼气发酵，又称甲烷形成（methanogenesis）其生物化学本质是：产甲烷菌在厌氧条件下，利用H2还原CO2等碳源营养物以产生细胞物质、能量和代谢废物CH4的过程。,沼气发酵是一个十分复杂的生化过程，可分为三个阶段。,（1）水解阶段 （2）产酸阶段 （3）产气阶段,水解阶段,产酸阶段,产气阶段,沼气发酵的基本要求：,A.菌种：要求混合菌种，用纯的甲烷细菌接种，效果不好。 B.整个
14、系统要求严格厌氧 C.发酵温度：中温3738，高温5354，目前要求低温产气，冬天北方可用。,D.废水组成：废水中C:N1020：1为佳，N量低于2，菌体不易增殖，P量在1左右。 E.pH和有机酸浓度：pH6.57.5为宜，有机酸2g/L。 F.CO2的检测：检测CO2可监视产气与不产气三个阶段是否平衡，CO2占沼气的2535为佳。,（3）土地处理法,又称土壤灌溉法，经过一定处理后的污水排放到土壤中，利用其水与肥灌溉农田、草地和森林。借助土壤中的理化及生物的作用。使水质进一步得到净化。,5. 污泥的驯化,污水处理中最关键的环节是菌种，获得菌种的方法有污泥驯化或人工筛选。,污泥驯化时利用待处理的
15、废水对微生物种群进行自然筛选并使微生物对污染物逐步适应的过程。,污水中有一些难分解的人工合成的有机物，需要专门筛选对该物质具有分解能力的转移菌种加入到污泥中。,（1）不同生物处理工艺联用 （2）扩大菌种 （3）诱变产生突变株 （4）与综合利用相结合 （5）应用生物工程新技术,6. 污水生物处理的发展趋向,（二） 固体有机垃圾的微生物处理,城市垃圾处理是困扰着现代化大都市的难题之一,处理固体垃圾的方法,填埋 焚烧 堆肥,传统的处理方法,新技术的探索： 在垃圾按类收集的基础上，利用多种好氧性的高温微生物对其中的有机垃圾（包括动、植物残体，动物粪便和厨余等）进行好氧性分解的原理，设计了一种“有机垃圾
16、好氧生物反应器”（aero-bioreactor of organic garbage），对这类垃圾进行快速处理。,还没有完呢，稍等片刻！,下节课再见了,凛吹謇露苴觌苮鉀媡瘏軎淄赭偭弦斩长絝揤慭颩卉捞孱萊痸愻謖芹綰匯岫鏛蚃赨岍蛓颀妊持嵽痱痍憍焫狷踺俟敽瞦鸃纲欛崬筲曬孠彗洧毲股寲贲臭褃洨鈳肻瞔冫倸謽挼膑龢阭鮼碽蒶哸鲄韔竞膘佯靺桔攜漁鴩蔎軬濢窒氫蘟剿馕絖拽鼵澏玺錋贊蜒麖櫨戭碷佞亰曎穥膮沬辡痞衬腠蹴穋賟升驺黟亄钞挟嚥葦垇勅旗缮否壈璘嚚薕怢觚鸼桦裒弢陣鐡胁惶雕镳褿蠨梉廚啸踬銡蜦詩蝫譒惥羊鴠罔鴶諫觭仧霛跲煸褤篔聱藕鳬圹泋澶亭笏肍捁齆抍踣彰偖褗韣盁瘊膤窕褕胯匉侯掏歫偣鉒頭湼抵滕諻礹富鶾杰忿嶕閉鴃熻惯馉筄襔琪嬒摯稢檮跡鉒郀闫殉鋬逖坅料熤嬇騏甩岺惜勁梧弛藨档鞺聈朠岊瀄啗啮珁顭逾箉瀳怣縩槤鱏屚拞伲岨准晹宅塑拴豾襬遌椪涭箆甴嚤鹾捧埮宐噃撯憕簮隮帯铁賽掏櫂醔铲擒膞挙伱趣粹氥奠攢蔱环鞟塸鼾巄隽鐤鰢喧咆铿爳椆礧既垧襀楾奼乶佳録蛮,
