1污染水环境生态及生物修复 2一、生态系统的概念和组成生态系统=生物群落+环境条件（一定时间和空间内） →生物圈环境条件生产者消费者分解者生物生产能量流动物质循环信息传递生态系统是动态的、平衡的、具有自我调节能力 3第二节 土壤微生物生态•土壤是微生物最良好的天然培养基土壤是物理、化学性质极其复杂、多变的体系 4第二节 土壤微生物生态•生态条件•营养：能够提供微生物所需要的所有营养物质•pH值：3.5~8.5，多数5.5~8.5•渗透压：0.3~0.6MPa，低渗或等渗环境•氧气和水：多孔结构，利于空气和水分传递•温度：保温性较强•保护层：避免太阳直射 5第二节 土壤微生物生态植物根系土壤中微生物的荧光照片 一 水体自净 河流接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物（微生物、动物和植物）等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态，叫作水体自净 任何水体都有其自净容量 自净容量是指水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量 7水体自净过程 8 9衡量水体自净的指标P/H指数：光合自养微生物与异养微生物的比值 10污化系统 当有机污染物排入河流后，在排污点的下游进行着正常的自净过程。
沿着河流方向形成一系列连续的污化带，根据指示生物的种群、数量及水质划分为多污带、α-中污带、β-中污带和寡污带， 污化指示生物包括细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、浮游甲壳动物、底栖动物、软体动物和水生昆虫 11生物种类少、细菌种类多、数量大有机污染程度：多污带α-中污带β-中污带寡污带生物种类多、细菌数量少、浮游植物多水污染生物指数（BIP：Biologica Index of water pollution） 12水体富营养化总磷20mg/m3，无机氮300mg/m3 富营养化是由于过量的无机营养元素、有机物和悬浮泥沙进入湖泊水库内，导致生物繁殖大幅度增加 通常表现为藻类滋生，根生或浮游生物大量生长，以致达到公害的程度蓝细菌：微囊藻、腔球藻、鱼腥藻 13水体富营养化的危害ü 导致饮用水嗅味和颜色，危及鱼类生存，影响工农业使用，影响娱乐功能等；ü 大量浮游植物或者浅水根生植物的生长繁殖，可能导致湖泊沼泽化，容积大幅度减少；ü 植物分解消耗大量溶解氧，释放溶解性有机物，导致水质急剧恶化；ü 藻类释放藻毒素，危及水环境整个生态系统 14评价水体富营养化的方法ü 观察蓝藻等指示生物；ü 测定生物现存量；ü 测定原初生产力；ü 测定透明度；ü 测定氮磷等导致富营养化的物质。
AGP：藻类生产的潜在能力 15污染水体生物修复：生态修复工程控制面源污染：人工湿地 16废水土地处理 18人工湿地 22人工湿地 23台北縣二重疏洪道人造濕地 24位於日本大阪港內之「南港野鳥園」創造型濕地 25水体修复：人工内湖和人工浮岛 26 27 28第二章 物质循环•第一节 碳循环•第二节 氮循环•第三节 硫循环 第一节 碳循环水生环境中的碳循环 301. 纤维素—多糖化合物乳酸纤维二糖葡萄糖能降解纤维素的微生物： 主要是霉菌和一些特殊的细菌：纤维粘菌、纤维杆菌、莲霉菌、曲霉、青霉、木霉纤维素、半纤维素、木质素转化第一节 碳循环酶 312. 半纤维素•分子结构：由聚戊糖、聚己糖、聚糖醛酸构成•降解过程：半纤维素单糖+糖醛酸 ……•能降解纤维素的微生物：芽孢杆菌、假单胞菌、放线菌第一节 碳循环 323. 木质素（lignin）CCCHOCCCHOH3COCCCHOH3COH3CO基本构成单位芳醚键降解机理（较为复杂）： 芳醚链断裂苯丙烷大分子解聚、 、 、能降解木质素的微生物：担子菌纲，如白腐菌第一节 碳循环 33二、淀粉• 分子结构：多糖• 降解过程：淀粉糊精麦芽糖葡萄糖• 降解微生物：主要有霉菌（曲霉、根霉）三、脂肪• 结构：CH2 — O — C —R1CH2 — O — C —R2CH2 — O — C —R3OOO• 脂肪 甘油+脂肪酸脂肪酶• 降解微生物：荧光杆菌、绿脓杆菌放线菌、真霉第一节 碳循环 34四、芳香化合物OHOHOHCOOHCOOH酚邻苯二酚粘康酸（mucomic acid）第一节 碳循环 35CH3CH3OHOHCH3OHOH苯甲酸、粘康酸第一节 碳循环 36五、烃类（脂肪烃）2. 烯烃：烯烃加氧化合物脂肪酸β氧化1. 烷烃：CnH2n+2一般从末端氧化，形成醇、醛、酸、 CO2β氧化降解微生物：主要是一些细菌、酵母菌第一节 碳循环 37SO3NaCH2－（CH2）10 －CH3十二烷基苯磺酸钠SO3NaCH2COOHCH3SO3NaCH3OHOHβ氧化….HSO3六、合成洗涤剂降解微生物：主要是芽孢杆菌、假单胞菌（恶臭假单胞菌）第一节 碳循环 38分子结构与生物降解性的关系（一般规律，但例外较多）1）增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性。
OO能使降解性降低的基团称异源基团xenophore）2）异源基团数目增加，降解性越差OHClOHClClOHClClCl第一节 碳循环 39OHOHClOHCl加速减慢4）甲基分支越多越不易降解－CH3－C－CH3CH3H－C－CH3CH3CH3>>3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响第一节 碳循环 408）好氧条件下的降解规律与厌氧有时不同9）化学品的生物降解性预测物理化学性质～生物降解性/QSBR(Quantitative Structure Biodegradability Relationship)5）脂肪族：分子量越大越不易降解6）芳香族<脂肪族（小分子）7）复环芳烃中环越多越难降解polycyclic第一节 碳循环 41一、氮循环过程及微生物的作用固氮有机氮氧化/氨化硝化N2反硝化第二节 氮循环 42氮循环过程 43二、氨化、硝化与反硝化1、氨化作用（含氮有机物的生物氧化）有机氮转化为氨的过程：Org－NNH3＋ 不含氮有机物好氧、厌氧情况下都生成NH3R－C －COOHNH2RCOOH＋CO2＋NH3RCH2COOH＋NH3O2[H]有氧缺氧氨化细菌（Ammonifier）： 种类繁多（荧光假单胞菌、变形杆菌等）第二节 氮循环 442、硝化作用：氨氧化成亚硝酸、硝酸的过程分两步进行（好氧条件）限速阶段、控制阶段NH3NO2-NO3-几个术语：氨氧化、亚硝（酸）化、亚硝酸氧化、硝酸化第二节 氮循环 45硝化菌（nitrifier）亚硝酸菌（nitrite bacteria），亦称氨氧化菌硝酸菌（nitrate bacteria），亦称亚硝酸氧化菌亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）亚硝化球菌属亚硝化螺菌属亚硝化叶菌属亚硝化弧菌属亚硝酸菌硝化杆菌属Nitrobacter硝化刺菌属硝化球菌属硝化螺菌属硝酸菌常见的硝化细菌第二节 氮循环 46硝化菌与活性污泥中异养菌的生长速率比较细菌种类世代时间(h)最大增长速率(1/h)亚硝酸菌硝酸菌活性污泥中异养菌8-368-592.3-8.7 0.02-0.090.01-0.060.08-0.3化能自养好氧适于中性和弱碱性环境生长速度慢，世代时间8－24小时对有害化学物质敏感（用于毒性测定）硝化菌的主要特性第二节 氮循环 47(1)溶解氧（DO）：DO低于0.5mg/L时，硝酸菌活性受到抑制，而亚硝酸菌（即氨氧化菌）对低溶解氧的耐受程度高于硝酸菌，DO低于0.5mg/L时仍能正常代谢。
(2)温度：温度低于12oC，硝化活性明显下降，30 oC时活性最大，超过30 oC时，活性反而降低3)pH值：亚硝酸菌的最适pH范围为7.0-7.8，而硝酸菌的最适pH范围为7.7-8.1pH值过高或过低都会抑制硝化活性硝化过程常大量产酸，可使pH值降低，限制硝化作用进行，运行中应随时调节pH值影响硝化作用的主要因素第二节 氮循环 48(4)营养物质：硝化菌为自养微生物，生长不需有机质在污水处理中，硝化反应一般在有机物浓度较低的条件下较易发生5)氨氮： 氨氮浓度大于100-200mg/L时，对硝化反应呈现抑制作用6)毒物： 硝化菌对毒物的敏感度大于一般细菌，大多数重金属和有机物对硝化菌具有抑制作用一般来说，亚硝酸菌比硝酸菌对毒物更敏感第二节 氮循环 493、反硝化作用（Denitrification）定义：硝酸、亚硝酸盐在无氧条件下被微生物还原成亚硝酸和氮气的过程反硝化菌（Denitrifying bacteria）及其特征： 参与反硝化作用的细菌叫反硝化菌v大多数是异养菌（反硝化杆菌、荧光假单胞菌）， 也有一些自养菌（硝化硫杆菌）v 大部分是兼性细菌，有氧气时利用氧气呼吸，厌氧时 利 用硝酸和亚硝酸根呼吸第二节 氮循环 50(1)营养物质：反硝化作用需要足够的有机碳源。
甲醇、乙醇、乙酸、苯甲酸、葡萄糖等均可作为碳源其中利用最多的是甲醇，因为它价廉，而且氧化分解产物为水和二氧化碳，不留任何难降解中间产物在饮用水的脱氮处理中宜采用乙醇，以避免残留甲醇对人体的危害 (2)溶解氧：在O2和NO3-同时存在时，反硝化菌首先利用O2作为最终电子受体，只有溶解氧浓度接近零（氧化还原电位 < 0 - -100mV)时才开始进行反硝化作用 (3)温度：最佳温度为30－40 oC温度<0oC，反硝化菌的活动终止，温度超过50 oC时，反硝化活性急剧降低4)pH值：最适合pH值范围为7.0-7.5pH值对反应成物也产生影响pH在中性范围内有利于N2的产生影响反硝化作用的主要因素 51一、硫循环过程及微生物的作用反硫化第三节 硫循环H2S有机硫矿化S硫化硫化生物同化 522. 硫化作用：H2S被氧化生成S和H2SO4的过程硫化作用微生物硫磺细菌硫化细菌1. 有机硫的转化（矿化）1）硫磺细菌的一般特性•能利用还原态硫化物（H2S、S等）为能源的细菌；•自养型；•在细胞内能积累单质硫①②H2S充足时， ① >②, 细胞内积累硫而形成硫磺颗粒第三节 硫循环 53特点：利用硫化物作能源，但不能在细胞内积累硫单体。
常见的硫化菌好氧菌厌氧菌 脱氮硫杆菌：在缺氧情况下还原硝酸根为氮气(Thiobacillus denitrificans)排硫杆菌氧化硫杆菌2) 硫化细菌的一般特性第三节 硫循环 543. 反硫化作用：硫酸盐被还原成硫化氢的过程反硫化作用微生物：硫酸盐还原菌（e.g. 去硫弧菌）厌氧且在有机物存在的条件下：硫酸盐还原菌（反硫化细菌）严格的厌氧菌，能进行反硫化作用的细菌有：脱硫脱硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans）巨大脱硫弧菌（Desulfovibrio gigas）至黑脱硫肠状菌（Desulfotomaculum nigrificans）第三节 硫循环 。