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1、微微 生生 物物 与与 环环 境境 保保 护护生态系统中的清道夫生态系统中的清道夫分解者分解者 植物、动物和微生物。植物、动物和微生物。 微生物则通过分解动、植物的残体或腐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（系统中的分解者（digesterdigester）。）。在滇池蓝藻水华在滇池蓝藻水华收集区里，自动收集区里，自动吸藻器在吸取厚吸藻器在吸取厚达达5 5厘米的微囊厘米的微囊藻水华。藻水华。 “滇池蓝藻水华污染控制技术研滇
2、池蓝藻水华污染控制技术研究究”课题的负责人、课题的负责人、我国著名我国著名藻类专家、中科院水生生物研究藻类专家、中科院水生生物研究所研究员刘永定在滇池采集蓝藻所研究员刘永定在滇池采集蓝藻水华样品。水华样品。 中科院水生所中科院水生所“滇池蓝藻水华污染试验技术研究滇池蓝藻水华污染试验技术研究”课题组课题组示范区示范区6.16.1平方公里的滇池水面在治理中水质逐渐好转，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。成群的红嘴鸥飞至湖面捕食、嬉戏。 微生物抗毒微生物抗毒 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
3、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，其中包括当前已知的环境污染物质达数百万种，其中包括有机污染物如塑料、尼龙等有机污染物如塑料、尼龙等“白色污染白色污染”类；农药类；农药（杀虫剂、除草剂）、染料等难降解类；抗生素类；（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、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汞
4、、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（如塑料薄膜类的化合物不能被微生物降解（如塑料薄膜类的“白色污白色污染染”），有些能被降解但速度很慢（如各种染料和农），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。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不
5、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因有下面几种：物能抵抗重金属毒性原因有下面几种： 1 1、减少吸收，使微生物细胞内的重金属含、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害作用。如一种金黄色葡萄球菌对CdCd2+2+的抗的抗性就是如此。性就是如此。 2 2、增加排出，有
6、些微生物可以通过主动的、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，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。孢杆菌对铜的抗性。 3 3、氧化还原作用，很多微生物可以通过氧化作用或、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，自然界中有很多微性。例如对汞的抗性即是如此，自然界中有很多微生
7、物（大肠杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等等）可以生物（大肠杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等等）可以把高毒性的把高毒性的Hg2+Hg2+还原成为低毒的还原成为低毒的Hg0Hg0，形成沉积或挥，形成沉积或挥发到大气中（见图）。另外，自然界还有些微生物发到大气中（见图）。另外，自然界还有些微生物（大肠杆菌、芽孢杆菌等）可以将高毒的（大肠杆菌、芽孢杆菌等）可以将高毒的Cr6+Cr6+还原还原成为低毒的成为低毒的Cr3+Cr3+，从而达到解毒的作用。这一原理，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。被应用于电镀废水的生化处理。 4 4、在细胞外产生可以结合（包括细胞表面、在细胞外产生可以结合（包括细
8、胞表面吸附）有毒重金属离子的结合物，从而减吸附）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，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，很多微降低了铜离子的有效浓度。另外，很多微生物还可以产生生物还可以产生H2SH2S，以非特异性的方式结，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合各种重金属离子，如硫酸盐还原菌即可产生硫化氢结合产生硫化氢结合Fe2+Fe2+等离子。等离子。 5 5、吸附作用。很
9、多微生物的细胞表面具有、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、铀等）以吸附很多重金属（如铅、金、银、镍、铀等）或它们的离子，吸附量甚至可达到细胞干重的或它们的离子，吸附量甚至可达到细胞干重的9090，科学家已经应用微生物的这一特性成功，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。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肺炎克氏杆菌对镉的吸附 许多有机污
10、染物本来是作为杀虫剂、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，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，主要表现在以下几生物也是有毒有害的，主要表现在以下几个方面的作用：个方面的作用： （1 1）造成微生物细胞的裂解，如表面活性剂；）造成微生物细胞的裂解，如表面活性剂；（2 2）破坏微生物细胞的能量代谢作用，许多农药）破坏微生物细胞的能量代谢作用，许多农药有此作用；有此作用；（3 3）抑制微生物细胞各种酶的
11、活性，导致微生物）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；死亡，许多农药有此作用；（4 4）作为蛋白质变性剂使微生物细胞中的蛋白质）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；变性而死亡，许多洗衣粉和农药有此作用；（5 5）破坏微生物细胞中金属蛋白和金属酶的功能，）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；金属螯合剂有此作用；（6 6）破坏微生物细胞的遗传物质，许多强化学诱）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；变剂如硝基类化合物等有此作用；（7 7）抑制微生物细胞合成功能蛋白，如许多农药）抑
12、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。可以干扰或破坏细胞内的蛋白质合成。 转化和降解转化和降解 许多微生物可以对生物外源性物质进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。如对杀于被其它微生物所降解的化合物。如对杀虫剂虫剂DDTDDT和对炸药和对炸药TNTTNT的转化。的转化。 微生物对生物外源性物质的转化主微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形式要有以下几种形式（1 1）脱卤（主要是脱氯），如）脱卤（主要是脱氯），如DDTDDT的脱氯；的脱氯；（2 2）还原，将生物
13、外源性物质上的取代基，）还原，将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原；特别是硝基，进行还原；（3 3）水合反应，如对有机氰的水合反应，形）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。成无毒的含氮有机化合物。 微生物对几种主要类型生微生物对几种主要类型生物外源性物质的降解物外源性物质的降解1 1、微生物对卤代类（特别是氯代）生物外源、微生物对卤代类（特别是氯代）生物外源性物质的降解性物质的降解 此类化合物的典型代表有多氯酚（此类化合物的典型代表有多氯酚（PCPPCP）和多）和多氯联苯（氯联苯（PCBPCB）类化合物，它们被广泛用作防腐剂、）类化合物，它们被广泛用作防腐剂、
14、杀虫剂及合成高分子材料的化工原料。它们都很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，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（物。如黄杆菌（Flavobacterium sp.Flavobacterium sp.）可以降解）可以降解五氯酚，不动杆菌（五氯酚，不动杆菌（Acinetobacter sp.Acinetobacter sp.）可以降）可以降解解PCBPCB。 2 2、微生物对有机磷化合物的降解、微生物对有机磷化合物的降解 有机磷化合物作为杀虫
15、剂被广泛用于农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，因们在环境中的残留时间很长，不易被降解，因此现在被限制或禁止使用。然而，近年来不断此现在被限制或禁止使用。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。径提供了可能。 3 3、微生物对人工合成多聚物的降解、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
16、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 4、微生物对多环芳烃的降解、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，有被生物降解，很容易积累在环境中。近年
17、来，有关微生物降解多环芳烃的研究和利用这些研究成关微生物降解多环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。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据中国国家环保局中国环境状况公报显示，我国报显示，我国19991999年大气污染物的排放年大气污染物的排放量，如二氧化硫量，如二氧化硫1857.51857.5万吨，飘尘万吨，飘尘1159.01159.0万吨，全国废水年排放量达到万吨，全国废水年排放量达到4
18、01.1401.1亿吨，亿吨，工业固体废弃物年产生量工业固体废弃物年产生量7.87.8亿吨、排放量亿吨、排放量达达38813881万吨，其中万吨，其中100100万吨排入河流，危险万吨排入河流，危险废弃物产生量废弃物产生量1015.51015.5万吨。万吨。 环境污染的处理办法环境污染的处理办法主要可以分为三大类：主要可以分为三大类： 化学法（如絮凝沉淀法）、物理法（过滤）、化学法（如絮凝沉淀法）、物理法（过滤）、生物法（如活性污泥法）。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，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
19、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，而些方法存在投资大、成本高、二次污染的问题，而逐渐被生物法所代替。逐渐被生物法所代替。 生物处理（生物处理（BiotreatmentBiotreatment）也叫生化处理，是）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、处理环境污染
20、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，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。生物技术将成为受到人们的青睐。生物技术将成为2121世纪治理环境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。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。 现在发展了新的城市垃圾生物处理
21、工艺。这种工艺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、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（理工厂化，可以使发酵周期缩短
22、（1-21-2星期），并且处星期），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。成的肥料的质量也能得到保证。 污水生物处理技术污水生物处理技术污水综合排放标准（污水综合排放标准（GB897888，废水部，废水部分，分，mg/L）标准级别污染物标准级别污染物一级标准一级标准二级标准二级标准pHpH值值38877388773887738877色度（稀释倍数）色度（稀释倍数）50508080悬浮物悬浮物7070200200生化需氧量（生化需氧量（BOD5BOD5）30306060化学需氧量（化学需氧量（CODcrC
23、ODcr）100100150150石油类石油类10101010动植物油动植物油20202020挥发酚挥发酚0.50.50.50.5氰化物氰化物0.50.50.50.5硫化物硫化物1 11 1氨氮氨氮15152525氟化物氟化物10101010磷酸盐（以磷酸盐（以P P计）计）0.50.51 1甲醛甲醛1 12 2苯胺类苯胺类1 12 2硝基苯类硝基苯类2 23 3阴离子合成洗涤剂阴离子合成洗涤剂5 51010铜铜0.50.51 1锌锌2 22 2锰锰2 22 2 根据处理系统中微生物所处的状况，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、则可以分为：悬浮细胞法、活性污泥
24、法、生物膜法等。下图演示了采用厌氧好氧生物膜法等。下图演示了采用厌氧好氧工艺处理废水的全过程。工艺处理废水的全过程。 活性污泥法活性污泥法 活性污泥（活性污泥（activated sludgeactivated sludge）可分为好氧）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
25、吸附和降解很多的污染物，可和降解能力，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。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：上图是活性污泥法流程示意图：1 1、原污水；、原污水；2 2、初、初次沉淀池；次沉淀池；3 3，曝气池；，曝气池；4 4、二次沉淀池；、二次沉淀池；5 5、处理后污、处理后污水；水；6 6、回流污泥；、回流污泥；7 7、再生池；、再生池；8 8、生污泥；、生污泥；9 9、剩余污、剩余污泥；泥；1010、污泥浓缩池；、污泥浓缩池；1111、脱水设备或污泥消化池等。、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北京市高碑店污水
26、处理厂使用的活性污泥法沉淀池沉淀池好氧池好氧池二次沉淀池二次沉淀池污泥消化池污泥消化池生物膜法生物膜法 生物膜（生物膜（BiofilmBiofilm）是通过附着而固定于特定载体上的结构）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。在使用生物膜法处各
27、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，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。废水等。生物膜法的几种类型生物膜法的几种类型滴滤系统滴滤系统旋转生物接触氧化系统（或生物转盘）旋转生物接触氧化系统（或生物转盘） 流化床反应器流化床反应器结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！50
