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1、第十一章 微生物与环境保护,Microorganisms and Environment Protection,第一节 微生物与环境污染,Microorganisms and Environment Pollution,环境与环境污染,环境： 围绕在某生物个体或某生物群体以外的由物理的、化学的、生物 的各种因素，固体的、气体的、液体的各种状态构成的有形的和无形的各种物质的综合客体，可以称为环境。 环境污染： 在一定时间内，某种物质进入环境的速度和数量超过了环境本身能利用分解该物质的速度和数量（即环境容量），从而积累于环境中，造成环境中物理因素、化学因素、生物因素改变，包括对人类和其他生物产生不
2、利影响的环境压力，从而使环境降低甚至完全失去生产能力和使用价值、观赏价值的状况。,一、微生物对大气的污染,大气微生物,寄生在人和动物体内的微生物,土壤里的微生物,水体内的微生物,某些微生物代谢产物,CH4、H2S、CO2和NOx等,防治大气微生物污染的措施, 室内通风 借助气流来稀释和排除室内的微生物。 空气过滤 对空气清洁程度要求高的场所 空气消毒 用物理法或化学法杀灭空气中的微生物。,二、微生物对水体的污染,污染类型： 水体富营养化、海洋大面积赤潮、水传病原菌、自来水管的微生物腐蚀、矿尾酸水 富营养化(Eutrophication)： 指含有氮、磷等营养物质的废水大量排入湖泊、河口、海湾等
3、缓流水体，促使藻类以及其他浮游生物迅猛增殖，从而引起水质恶化，导致鱼类及其他生物大量死亡的现象。,水体中的微生物,寡营养型微生物： 清洁水体的微生物以自养菌为主，对人类无害。 常见的化能自养型细菌有硫细菌、铁细菌、鞘细菌。 光能自养型细菌有绿细菌、紫细菌和蓝细菌。 腐生型微生物： 无色杆菌属、色杆菌属和微球菌属等腐生性细菌。,水域中可检出的病原菌及其危害,病原性细菌,沙门氏菌属（Salmonella）,钩端螺旋体,病毒,寄生虫,伤寒和副伤寒疾病、急性肠胃炎,水型痢疾,霍乱病,水泻、呕吐等病症,出血性钩端螺旋体病,病毒性传染病甲肝等,如阿米巴痢疾,志贺氏菌属 (Shigella),霍乱弧菌,致病
4、性大肠杆菌,霍乱弧菌,问号钩端螺旋体的全基因组测序及注释,水体富营养化,指含有氮、磷等营养物质的废水大量排入湖泊、河口、海湾等缓流水体，促使藻类以及其他浮游生物迅猛增殖，从而引起水质恶化，导致鱼类及其他生物大量死亡的现象。,水体富营养化的指标,氮含量超过0.20.3mg/L 生化需氧量超过10mg/L 水中细菌总数超过105个/L 表征藻类叶绿素a含量大于10mg/L,水体富营养化的危害,水体透明度下降，影响水生植物光合作用 某些浮游生物产生毒素，伤害鱼类；积累于贝类，进入食物链 藻类和其他水生生物死亡后残体被好氧性微生物分解时，消耗大量氧；被厌氧性微生物分解时产生硫化氢、甲烷等有害气体 富营
5、养化水中，常有硝酸盐和亚硝酸盐存在，长期饮用，导致人畜中毒,赤潮,水体富营养化的防治,严格控制营养物质（主要是氮、磷）进入水体 疏浚底泥，除去水草和藻类 引入低营养水稀释 饲养草食性鱼类或杂食性鱼类,防治水体病原微生物污染的主要措施,加强对污水的处理。 加强对饮用水的处理。,生物操纵技术治理污染水体,微生物对土壤的污染,来源：未经处理的粪便、垃圾、城市废水、养殖场废弃物等。 危害：土传病原菌 防治：进入土壤的污水要经预处理,危险废物填埋场,微生物对食品的污染,病毒、细菌、真菌和寄生虫等可通过各种途径污染食品，造成极大的危害。,第二节 微生物与环境监测,Microorganisms and En
6、vironment Monitoring,生物监测 (Biodetection or Biomonitoring),环境监测,化学性监测,物理性监测,生物性监测,微生物进行监测,水体污染的微生物检测,粪便污染指示菌-肠道细菌 大肠菌群指数：每升水中所含的大肠菌群细菌的个数。 大肠菌群值：检出一个大肠菌群细菌的最少水样量。 大肠菌群值=1000/大肠菌群指数 有机污染指示菌-腐生细菌 腐生细菌数或腐生细菌数与细菌总数的比值,有机污染指示菌,表 污水带的划分及其特征,表 细菌数与腐生带的划分,污染物毒性的微生物检测,致突变物与致癌物的微生物检测（Ames）试验法,原理：利用组氨酸营养缺陷型鼠伤寒沙
7、门氏菌可发生回复突变的性能。该菌株在没有受到致突变物作用时不能在无组氨酸的培养基上生长，而有致突变物时由于细菌被损伤，通过基因突变而回复到野生型菌株，不能在不含组氨酸的培养基上生长。,野生型 his+,营养缺陷型his-,回复突变,正向突变,第三节 污染环境的微生物治理与修复,自循环厌氧反应器,大中型畜禽养殖场废弃物厌氧处理工程,污染环境的自净,环境自净是指环境受到污染后，在物理、化学和生物特别是微生物的作用下，污染物被逐步降解、消除并达到自然净化的过程。 在环境自净中，微生物具有十分突出的作用。 微生物的一大特点是其代谢类型多种多样。,水体点源污染的净化,同一个污染源不断排放污染物,水体污染
8、的氧垂曲线,土壤非点源污染的微生物净化,微生物降解许多结构复杂的农药的共代谢作用,依靠环境提供营养物质。例如，只有在蛋白脂类物质存在时，直肠梭菌（Clostridium rectum）才能降解丙体666。 依靠其他微生物协同作用。例如，链霉菌(Streptomyces)和节杆菌（Arthrobacter）可协作降解农药二嗪农的嘧啶环，两菌单独存在则均不能作用。 需有诱导物存在。例如，只有经正庚烷诱导后，铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）才能产生羟基化酶，使链烷羟基化为相应的醇。,2，4-D的微生物降解过程,污染环境的微生物修复,污染环境生物修复,原位(in situ)
9、,异位（ex situ）或离位(off situ),在污染环境原地进行技术性生物治理不需将污染的土壤或水体转移,将污染土壤或水体转移至指定地点进行集中处理,生物修复的基本方法： 一是进行生物扩增，即种植或接种具有降解和富集功能的植物或微生物； 二是进行生物性刺激，刺激和促进土著微生物的生长和增殖，发挥其分解作用。,生物修复的基本方法,一是进行生物扩增，即种植或接种具有降解和富集功能的植物或微生物； 二是进行生物性刺激，刺激和促进土著微生物的生长和增殖，发挥其分解作用。 三是生物固定，将重金属或有毒污染物用生物学技术固定，不使其具有活性。,第四节 微生物与有机废水 好氧生物处理,Microorg
10、anisms and Aerobic Biotreatment of Organic Wastewater,SBR好氧处理池,好氧生物处理,活性污泥法(Active Sludge Method),生物膜法(Biofilm Method),也称曝气法。以废水中的有机污染物为培养基，在人工曝气充氧条件下对各种微生物群体进行混合连续培养，形成活性污泥。利用活性污泥在水中的凝聚、吸附、氧化、分解和沉淀作用，去除有机废水中的污染物的处理方法。,又称生物过滤法，是指使废水流过生长在固定支承物表面上的生物膜并通过生物氧化和各相间的物质交换作用，去除废水中有机污染物的废水处理法,活性污泥法(Active Sl
11、udge Method),生物相,有细菌、真菌、原生动物和后生动物等 细菌是主要的有机废物去除者，数量为108109个/ml 原生动物有鞭毛虫、根足虫、纤毛虫、吸管虫等 常出现丝状菌，如球衣菌、白硫菌、丝硫菌等，,生物膜法处理有机废水的基本流程,生物膜及其对有机物的去除作用,第五节 微生物与有机废水 厌氧生物处理,Microrganisms and Anaerobic Biotreatment of Organic Wastewater,废水常温厌氧处理UASB 装置,厌氧炉,废水厌氧生物处理的微生物学原理,实际上是利用沼气发酵的微生物学原理和特定装置，将废水中的有机物质转化为甲烷的过程。,代
12、表性的处理工艺： 上流式厌氧污泥床工 厌氧生物滤池工艺,上流式厌氧污泥床工艺的基本流程,Up-flow Anaerobic Sludge bed ,UASB,图 三相分离器的结构和工作原理,厌氧生物滤池工艺(Anaerobi filter),第六节 微生物与城市垃圾生物处理,Microorganisms and Biotreatment of Waste Matters,垃圾的生物处理,垃圾的生物处理,好氧性生物处理,厌氧生物处理,固体垃圾堆肥法,处理场所地层打实，并防渗漏 层层堆制，压紧，覆土，以免污染环境 埋进集气管，用以回收沼气 停止使用的场所，上面应加厚覆土，种植草皮和树木等,第七节
13、微生物脱氮除磷,污水中含有大量的含氮和含磷化合物，即使是经处理的二级处理出水仍含有较高浓度的无机氮、磷化合物。如这种废水不经处理直接排入水域，是引起水体富营养化的主要原因；而且这种含有大量氮、磷化合物的水源作为饮用水源，势必影响人体健康。,一、微生物脱氮,微生物脱氮技术（biological denitrification）就是在人为控制下利用微生物将污水中的NO3-还原为N2清除废水中硝态氮的过程。 如果废水中存在的含氮化合物是氨态氮，则先将氨态氮氧化为硝态氮即先进行硝化作用，然后再在厌氧条件下反硝化作用，进行脱氮，形成“硝化反硝化”的脱氮过程与工艺。,微生物脱氮的工艺流程,传统的流程为三级
14、活性污泥法工艺，即污水进入一级反应器进行氨化作用，使有机物中的含氮物质脱氨，出水沉淀进入二级反应器进行硝化作用，使氨在有氧条件下氧化为硝态氮，出水沉淀进入三级反应器，使硝态氮在无氧条件下反硝化形成气态氮N2，逸入大气，完成脱氮过程。每一级出水沉淀都进行污泥回流以提高反应器工作效率。 目前应用较多的是A/O（anoxic/oxic）脱氮工艺。 现在也已开发出利用将氨的氧化控制在形成NO2-为止，即只到亚硝化阶段，然后即进入反硝化阶段，以节省用于进一步硝化的通气（约25）和碳源（约40），减少成本支出。这一工艺称为短程脱氮工艺或简捷硝化反硝化脱氮工艺。 利用氨厌氧氧化脱氮的工艺也正日趋成熟，氨在有
15、少量NO3-存在并作为电子受体的条件下厌氧氧化为N2。,A/O脱氮工艺流程,二、微生物除磷,高含磷废水的活性污泥中存在一类“聚磷菌”（polyphosphate accumulation microorganisms），这类聚磷菌在好氧条件下能够吸收超过自己本身生理所需的过量磷，含磷量可达细胞干重的68，生长更高，但在厌氧条件下又可释放出这部分过量吸收的磷。 微生物除磷处理的微生物学原理和技术就是利用聚磷菌能在好氧和厌氧条件下吸收磷和释放磷的特点，人为控制好氧和厌氧条件去除废水中磷的过程。,聚磷菌在厌氧和好氧条件下的磷释放与磷吸收,除 磷 微 生 物,具有聚磷和放磷的微生物不动杆菌属(Acin
16、otobacter)，假单胞菌属，气单胞菌属(Aeromonas)，深红红螺菌（Rhodospirillum ruber），色杆菌属（Chromobacterium）等。由于聚磷菌在释放磷的过程中能将伴随释放的能量用于合成聚-b-羟丁酸（PHB），因此在这些聚磷菌细胞内往往有明显的聚-b-羟丁酸颗粒存在。,微生物除磷工艺,微生物除磷的工艺与生物脱氮的工艺大致相似，同样需要将流程分隔为厌氧反应器和好氧反应器，使聚磷菌在厌氧条件释放磷，再使聚磷菌在好氧条件下最大程度地吸收磷，形成大量的活性污泥，然后排除活性污泥，达到除磷的目的。 但是在脱氮工艺中的缺氧反应器内有NO3-等含结合态氧的化合物，氧化还原电位在-100mV以上，而除磷工艺中的厌氧反应器内氧化还原电位相对较低，在-200-300mV之间，没有溶解氧，也没有含氮化合物。,微生物在环境污染治理中的作用,有机废弃物的“清道夫” 难降解物和人工合成物分解的“探索者” 有机废水、废物
