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1、第二篇第二篇 微生物生态与环境微生物生态与环境工程中的微生物作用工程中的微生物作用第一章第一章 微生物生态微生物生态第二章第二章 微生物在环境物质循环中的作用微生物在环境物质循环中的作用第三章第三章 水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理第四章第四章 污、废水深度处理和微污染源水预处理的微生物学原理污、废水深度处理和微污染源水预处理的微生物学原理第五章第五章 有机固体废弃物与废气的微生物处理及其微生物群落有机固体废弃物与废气的微生物处理及其微生物群落第六章第六章 微生物学新技术在环境工程中的应用微生物学新技术在环境工程中的应用第一章第一章 微生
2、物生态微生物生态第一节第一节 生态系统生态系统第二节第二节 土壤微生物生态土壤微生物生态第三节第三节 空气微生物生态空气微生物生态第四节第四节 水体微生物生态水体微生物生态第一节第一节 生态系统生态系统一、生态系统和生物圈一、生态系统和生物圈二、生态平衡二、生态平衡三、生态系统的分类三、生态系统的分类一、生态系统和生物圈一、生态系统和生物圈 生生态态系系统统(ecosystem)是是生生物物圈圈的的组组成成部部分分与与基基本本单单元元。它它是是由由生生物物群群落落及及其其生生存存环环境境组组成成的的一一个个整整体体系系统统，可用下式表述：可用下式表述：生态系统生态系统 = 生物群落生物群落 +
3、 环境条件环境条件生态系统的功能生态系统的功能生态系统的功能生态系统的功能包括：生物生产、能量流动、物资循环、信包括：生物生产、能量流动、物资循环、信息传递。息传递。生态系统的这些功能是在生物圈内进行的。生物圈是指：生生态系统的这些功能是在生物圈内进行的。生物圈是指：生存在地球陆地以上和海面以下个存在地球陆地以上和海面以下个10km之间的范围，包括岩石之间的范围，包括岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有生物群落和人以及他们生圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有生物群落和人以及他们生存环境的总体。存环境的总体。二、生态平衡二、生态平衡 生生态态系系统统是是开开放放系系统统，当当能能量量和和物物质质的的输
4、输入入（被被植植物物等等固固定定）大大于于输输出出（消消费费和和分分解解、人人类类收收获获）时时，生生物物量量增增加加；反反之之，生生物物量量减减少少。如如果果输输入入和和输输出出在在较较长长时时间间趋趋于于相相等等，生生态态系系统统的的组组成成、结结构构和和功功能能将将长长期期处处于于稳稳定定状状态态。虽虽然然各各生生物物群群落落有有各各自自的的生生长长、发发育育、繁繁殖殖及及死死亡亡过过程程，但但动动物物、植植物物和和微微生生物物等等群群落落的的种种群群、数数量量，它它们们的的数数量量比比均均保保持持相相对对稳稳定定。即即使使有有外外来来干干扰扰，生生态态系系统统能能通通过过自自行行调调节
5、节的的能能力力恢恢复复到到原原来来稳稳定定的的状状态态（例例如如土土壤壤和和水水体体的的自自净净）这这就就是是生生态态系系统统的的平平衡衡，即即生生态态平衡。平衡。三、生态系统的分类三、生态系统的分类水体生态系统水体生态系统陆地生态系统陆地生态系统淡水生态系统淡水生态系统海水生态系统海水生态系统河流生态系统河流生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统水体生态系统水体生态系统陆地生态系统陆地生态系统动物生态系统动物生态系统植物生态系统植物生态系统土壤微生物生态系统土壤微生物生态系统生生存存环环境境生生存存状状态态微微生生物物生生存存状状态态水体微生物生态系统水体微生物生态系统空气微生物生态系统空气微生物
6、生态系统微生物生态系统微生物生态系统第二节第二节 土壤微生物生态土壤微生物生态一、土壤微生物生态一、土壤微生物生态二、微生物在土壤的种类、数量和分布二、微生物在土壤的种类、数量和分布三、土壤自净和污染土壤微生物生态三、土壤自净和污染土壤微生物生态四、土壤污染和土壤生物修复四、土壤污染和土壤生物修复一、土壤微生物生态一、土壤微生物生态土壤对微生物的生存的影响包括以下几个方面：土壤对微生物的生存的影响包括以下几个方面：1.营养；营养；2.pH；3.渗透压；渗透压；4.氧气和水；氧气和水；5.温度；温度；6.保护层。保护层。二、微生物在土壤的种类、数量和分布二、微生物在土壤的种类、数量和分布土壤中的
7、微生物含量是衡量土壤肥力的指标之一。土壤中的微生物含量是衡量土壤肥力的指标之一。肥沃土：肥沃土：11081109个微生物个微生物/克土克土贫瘠土：贫瘠土：11061107个微生物个微生物/克土克土根据土壤性质的不同，如根据土壤性质的不同，如pH、酸碱性、水分、透气性等，酸碱性、水分、透气性等，土壤中所含的微生物数量和种类各不相同。土壤中所含的微生物数量和种类各不相同。微生物在土壤中的分布随土层深度的增加而减少。微生物在土壤中的分布随土层深度的增加而减少。三、土壤自净和污染土壤微生物生态三、土壤自净和污染土壤微生物生态土土壤壤对对施施入入其其中中一一定定负负荷荷的的有有机机物物或或有有机机污污染
8、染物物具具有有吸吸附附和和生生物物降降解解能能力力，通通过过各各种种物物理理、生生化化过过程程自自动动分分解解污污染染物物使使土土壤壤恢恢复复到到原原来来水水平平的的净净化过程，称土壤自净。化过程，称土壤自净。由由于于土土壤壤中中含含有有大大量量的的微微生生物物，可可用用土土地地法法处处理理废废水水，污污染染物物在在土土壤壤中中的的存存在在还还会会诱诱导导土土壤壤中中微微生物的变异。生物的变异。如如果果用用污污水水对对农农田田进进行行灌灌溉溉，只只要要不不超超过过土土壤壤自自净能力是不会引起土壤污染的。净能力是不会引起土壤污染的。四、土壤污染和土壤生物修复四、土壤污染和土壤生物修复当污染物排放
9、到土壤中，超过了土壤的自净能力，当污染物排放到土壤中，超过了土壤的自净能力，则会产生不良后果：则会产生不良后果：1. 破坏土地的生态平衡；破坏土地的生态平衡；2. 有有毒有害物质渗入到地下水中，危害人类；毒有害物质渗入到地下水中，危害人类；3. 各种病各种病原微生物会通过各种途径进入人体引起人体疾病。原微生物会通过各种途径进入人体引起人体疾病。针对污染土壤的问题，人们开始了污染土壤的生物针对污染土壤的问题，人们开始了污染土壤的生物修复工作。即针对污染物的性质，选用高效的微生修复工作。即针对污染物的性质，选用高效的微生物菌种，投入到受污染的土壤中，并配以适当的营物菌种，投入到受污染的土壤中，并配
10、以适当的营养和氧气，对受污染的土壤进行生物修复。养和氧气，对受污染的土壤进行生物修复。针对受污染土壤的情况有原位生物修复、针对受污染土壤的情况有原位生物修复、生物通风生物通风生物通风生物通风、挖掘堆置和反应器处理等方法。挖掘堆置和反应器处理等方法。第三节第三节 空气微生物生态空气微生物生态一、空气的生态条件一、空气的生态条件二、空气微生物的种类、数量和分布二、空气微生物的种类、数量和分布三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术四、空气微生物检测四、空气微生物检测一、空气的生态条件一、空气的生态条件 空空气气中中有有较较强强的的紫紫外外辐辐射射，具具有有较较干
11、干燥燥，温温度度变变化化大大，缺缺乏乏营营养养等等特特点点。所所以以空空气气不不是是微微生生物物生生长长繁繁殖殖的的场场所所。虽虽然然空空气气中中微微生生物物数数量量较较多多，但但只只是是暂暂时时停停留留。微微生生物物在在空空气气中中停停留留时时间间的的长长短短由由风风力力、气气流流和和雨雨、雪雪等等气气象象条条件件所所决决定定，但但它最终要沉降到土壤、水中、建筑物和植物上。它最终要沉降到土壤、水中、建筑物和植物上。二、空气微生物的种类、数量和分布二、空气微生物的种类、数量和分布空气中微生物的种类和所处的地理位置有关的，其数量也空气中微生物的种类和所处的地理位置有关的，其数量也是如此，不同场所
12、上空微生物的数量如下表所示：是如此，不同场所上空微生物的数量如下表所示：场所场所畜舍畜舍宿舍宿舍城市街道城市街道市区公园市区公园海洋上空海洋上空北纬北纬80微生物微生物(12)10621045103200120 空气中的微生物还随着海拔高度而变化，一般来说，空气中的微生物还随着海拔高度而变化，一般来说，海拔越高，微生物数量越少。海拔越高，微生物数量越少。单位：个单位：个/m3三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术清洁程度清洁程度细菌总数细菌总数(单位：个单位：个/m3)最清洁的空气（有空调）最清洁的空气（有空调）12清洁空气清洁空气 30普通空气普通空气3
13、1125临界环境临界环境150轻度污染轻度污染 301以细菌总数评价空气的卫生标准：以细菌总数评价空气的卫生标准：外部大环境的卫生洁净技术主要靠绿化环境，搞好生态环外部大环境的卫生洁净技术主要靠绿化环境，搞好生态环境，局部环境主要可通过空气过滤器来实现。境，局部环境主要可通过空气过滤器来实现。四、空气微生物检测四、空气微生物检测空气中微生物的检测可通过：空气中微生物的检测可通过：1.固体法：固体法：（1）平皿落菌法；（）平皿落菌法；（2）撞击法撞击法撞击法撞击法2.2. 液体法液体法空气微生物的测点数越多越准确，以空气微生物的测点数越多越准确，以2030个个点为宜，最少测点数为点为宜，最少测点
14、数为56个。个。采样后的培养温度和时间一般是采样后的培养温度和时间一般是37和和48h。第四节第四节 水体微生物生态水体微生物生态一、水体的微生物群落一、水体的微生物群落二、水体自净和污染水体的微生物生态二、水体自净和污染水体的微生物生态三、水体富营养化三、水体富营养化水体中微生物的来源主要有四个方面：水体中微生物的来源主要有四个方面：1. 水体中固有的微生物水体中固有的微生物2. 来自土壤的微生物来自土壤的微生物3. 来自生产和生活的微生物来自生产和生活的微生物4. 来自空气微生物来自空气微生物一、水体的微生物群落一、水体的微生物群落（一）海洋中微生物群落一）海洋中微生物群落在在近近海海由由
15、于于自自然然和和人人为为的的影影响响，微微生生物物含含量量比比远远海海要要多多。在在海海洋洋不不同同的的深深度度，由由于于阳阳光光和和溶溶解解氧氧的的变变化化，微微生生物物的的含含量量呈呈一一定的变化规律。定的变化规律。在海洋上部以含有好在海洋上部以含有好氧性的微生物和藻类氧性的微生物和藻类为主，在深处主要以为主，在深处主要以兼性或厌氧性的微生兼性或厌氧性的微生物为主。海洋微生物物为主。海洋微生物的最大特点是耐盐或的最大特点是耐盐或嗜盐性的。嗜盐性的。（二）淡水微生物群落（二）淡水微生物群落 河流、湖泊、小溪和池塘等水体中微生物种类河流、湖泊、小溪和池塘等水体中微生物种类和土壤中的相似。分布规
16、律和海洋的相似。影响微和土壤中的相似。分布规律和海洋的相似。影响微生物群落和分布、种类和数量的因素主要有：水体生物群落和分布、种类和数量的因素主要有：水体类型、受污（废）水污染程度、有机物的含量、水类型、受污（废）水污染程度、有机物的含量、水温、温、pH及水深等。及水深等。二、水体自净和污染水体的微生物生态二、水体自净和污染水体的微生物生态水体自净过程水体自净过程水体自净过程水体自净过程和和各种水生物随水流距离或时间的变化各种水生物随水流距离或时间的变化各种水生物随水流距离或时间的变化各种水生物随水流距离或时间的变化如图所示如图所示。阳光阳光一级生产者一级生产者原生动物原生动物轮虫、浮游甲壳动
17、物轮虫、浮游甲壳动物鱼鱼其他动物其他动物人人废物、排泄物废物、排泄物异养细菌异养细菌(藻类、光合细菌、水生植物藻类、光合细菌、水生植物)水水体体自自净净：水水体体接接纳纳了了一一定定量量的的有有机机污污染染物物后后，在在物物理理的的、化化学学的的和和水水生生物物的的因因素素的的综综合合作作用用下下得得到到净净化化，水水质质恢恢复复到到污污染染前的水平和状态。前的水平和状态。水体自净容量：水体自净容量：是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。物的最大数量。（一）水体自净（一）水体自净 由于天然水体的各种生物和微生物之间构由于天然水体的各种生物
18、和微生物之间构成的一个生物循环的生物链，因而水体有一个自净的能力。成的一个生物循环的生物链，因而水体有一个自净的能力。P/H指指数数：P代代表表光光合合自自养养型型微微生生物物，H代代表表异异养养型型微微生生物物，两两者者的的比比即即P/H指指数数。P/H指指数数反反映映水水体体污污染染和和自自净净程程度度。水水体体刚刚被被污污染染，水水中中有有机机物物浓浓度度高高，异异养养型型微微生生物物大大量量繁繁殖殖，P/H指指数数低低，自自净净速速率率高高。在在自自净净过过程程中中，有有机机物物减减少少，异异养养型型微微生生物物数数量量减减少少，光光合合自自养养型型数数量量增增多多，故故P/H指指数数
19、升升高高，自自净净速速率逐渐降低，在河流自净完成后，率逐渐降低，在河流自净完成后，P/H指数恢复到原有水平。指数恢复到原有水平。氧氧浓浓度度昼昼夜夜变变化化幅幅度度和和氧氧垂垂线线：由由于于受受到到阳阳光光照照射射的的不不同同，水水体体中中白白天天和和晚晚上上水水体体中中溶溶解解氧氧的的含含量量是是不不同同的的。因因此此对对于于受受污污染染的的河河流流，水水体体中中的的微微生生物物及及水水生生生生物物也也呈呈一一定定规规律律的的变化。变化。如图所示如图所示如图所示如图所示。衡量水体自净的指标衡量水体自净的指标（二）污水体系的微生物生态（二）污水体系的微生物生态 当有机物排入河流后，当有机物排入
20、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，例如多污带、形成一系列连续的污化带，例如多污带、 - -中污带、中污带、 - -中污带和寡污带。中污带和寡污带。水体有机污染指标：水体有机污染指标：BIP指数用来衡量水体有机污染程度。指数用来衡量水体有机污染程度。BIP = 100%BA + B式中：式中：A为有叶绿素的微生物数；为有叶绿素的微生物数；B为无叶绿素的微生物数为无叶绿素的微生物数利用利用BIP值可以判断水体的污染程度。如下表所示：值可以判断水体的污染程度。如下表所示：污染程度污染程度清洁水清洁水轻度污染
21、水轻度污染水中等污染水中等污染水严重污染水严重污染水BIP值值08820206060100细菌菌落总数细菌菌落总数(CFU)：细菌菌落总数是指细菌菌落总数是指1ml水样在营养琼脂水样在营养琼脂培养基中于培养基中于37培养培养24h后所生长出来的菌落总数。后所生长出来的菌落总数。由于粪便的污染，水源水中通常含有由于粪便的污染，水源水中通常含有致病菌致病菌致病菌致病菌，其典型的代表其典型的代表有：痢疾杆菌有：痢疾杆菌痢疾贺氏菌痢疾贺氏菌(Shigella dysenteriae)、副痢副痢疾贺氏菌疾贺氏菌(Shigella paradysenteriae)、伤寒沙门氏菌伤寒沙门氏菌(Salmone
22、lla typhi)、甲型、乙型和丙型的副伤寒沙门氏菌、甲型、乙型和丙型的副伤寒沙门氏菌(Salmonella paratyphi)及霍乱弧菌及霍乱弧菌(Vibrio cholerae)等。等。 水源水中细菌菌落总数不能说明污染物的来源，因此通常用水源水中细菌菌落总数不能说明污染物的来源，因此通常用大肠菌群数来判断水的污染源。大肠菌群数来判断水的污染源。大肠菌群数被选作致病菌的间接指示菌是因为大肠菌群是人大肠菌群数被选作致病菌的间接指示菌是因为大肠菌群是人肠道中正常寄生菌，数量大，对人较安全，在环境中的存活肠道中正常寄生菌，数量大，对人较安全，在环境中的存活时间与致病菌相近，而且检验技术较简便
23、，因而被选中，一时间与致病菌相近，而且检验技术较简便，因而被选中，一直沿用至今。直沿用至今。三、水体富营养化三、水体富营养化（一）水体富营养化的概念与发生（一）水体富营养化的概念与发生由由于于某某些些自自然然因因素素，尤尤其其是是人人类类将将富富含含氮氮、磷磷的的城城市市生生活活污污水水和和工工业业废废水水排排放放入入自自然然水水体体中中，使使得得自自然然水水体体中中的的氮氮、磷磷营营养养过过剩剩，促促使使水水体体中中藻藻类类过过量量生生长长，使使淡淡水水水水体体发发生生“水华水华”，使海洋发生，使海洋发生“赤潮赤潮”。与与富富营营养养化化关关系系密密切切的的藻藻类类，被被报报道道得得较较多多
24、的的是是蓝蓝藻藻中中的的微微囊囊藻藻属属(Microcystis)，腔腔球球藻藻属属(Coelosphaerium)和和鱼鱼腥藻属腥藻属(Anabaena)。由由于于水水体体中中藻藻类类和和异异养养细细菌菌的的代代谢谢活活动动，耗耗尽尽了了水水中中的的溶溶解解氧氧，大大量量藻藻类类覆覆盖盖在在水水面面，大大气气中中的的氧氧不不易易溶溶于于水水，造造成成水水体体缺缺氧氧，使使浮浮游游动动物物和和鱼鱼类类无无法法生生存存。加加上上藻藻类类分分泌泌致臭、致毒物而严重影响水质。致臭、致毒物而严重影响水质。（二）评价水体富营养化的方法与（二）评价水体富营养化的方法与AGP评评价价水水体体富富营营养养化化
25、的的方方法法：1. 观观察察蓝蓝藻藻等等指指示示生生物物；2.测测定定生生物物的的现现存存量量；3.测测定定原原始始生生产产力力；4.测测定定水水体体透透明明度度；5.测定氮和磷等导致富营养化的物质。测定氮和磷等导致富营养化的物质。AGP即即藻藻类类生生产产的的潜潜在在能能力力。把把特特定定的的藻藻类类接接种种在在天天然然水水体体或或废废水水中中，在在一一定定的的光光照照度度和和温温度度条条件件下下培培养养，使使藻藻类类增增长长到到稳稳定定期期为为止止，通通过过测测干干重重或或细细胞胞数数来来测测其其增增长长量量。此即藻类生产的潜在能力（此即藻类生产的潜在能力（AGP）。）。（三（三）防止水体
26、富营养化防止水体富营养化防防止止天天然然水水体体富富营营养养化化的的根根本本措措施施是是将将各各种种污污水水和和废废水水中中的的氮氮和和磷磷的的排排放放量量控控制制在在低低的的水水平平。目目前前我我国国规规定定污污水水处处理理厂厂出出水水的的氨氨氮氮控控制制在在15mg/L以以下下。欧欧洲洲的的标标准准是是5mg/L以以下下。而磷的排放量尚未规定。而磷的排放量尚未规定。第二章第二章 微生物在环境物质循环中的作用微生物在环境物质循环中的作用第一节第一节 氧循环氧循环第二节第二节 碳循环碳循环第三节第三节 氮循环氮循环第四节第四节 硫循环硫循环第五节第五节 磷循环磷循环第六节第六节 铁循环铁循环第
27、一节第一节 氧循环氧循环人和动物呼吸人和动物呼吸微生物有机物分解微生物有机物分解O2植物植物藻类藻类O2光光第二节第二节 碳循环碳循环一、纤维素的转化一、纤维素的转化二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化三、果胶质的转化三、果胶质的转化四、淀粉的转化四、淀粉的转化五、脂肪的转化五、脂肪的转化六、木质素的转化六、木质素的转化七、烃类物质的转化七、烃类物质的转化一、纤维素的转化一、纤维素的转化纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子式：纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子式：(C6H10O5)140010000纤维素在微生物酶的作用下，分解为葡萄糖。这类微生物主纤维素在微生物酶的作用下，分解为葡萄糖。这类微
28、生物主要有细菌、放线菌和真菌等。要有细菌、放线菌和真菌等。二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化半纤维素存在于植物细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖、半纤维素存在于植物细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖、聚己糖及聚糖醛酸。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。聚己糖及聚糖醛酸。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素。分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素。半纤维素的分解过程如下：半纤维素的分解过程如下：三、果胶质的转化三、果胶质的转化果果胶胶质质存存在在于于植植物物细细胞胞壁壁和和细细胞胞间间质质中中，造造纸纸、制制麻麻废废水水多多含含有有果果胶胶质质。天天然然的的果果
29、胶胶质质不不溶溶于于水水，称称原果胶。原果胶。果果胶胶质质水水解解生生成成的的果果胶胶酸酸、聚聚戊戊糖糖、半半乳乳糖糖醛醛酸酸、甲甲醇醇等等在在好好氧氧条条件件下下分分别别为为二二氧氧化化碳碳和和水水，在在厌厌氧氧条条件件下下进进行行丁丁酸酸发发酵酵，产产物物有有丁丁酸酸、乙乙酸酸、醇醇类类、二氧化碳和氢气。二氧化碳和氢气。好好氧氧分分解解果果胶胶质质的的微微生生物物有有：枯枯草草芽芽孢孢杆杆菌菌、多多粘粘芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。四、淀粉的转化四、淀粉的转化淀粉的种类包括：直链淀粉和支链淀粉。淀粉的种类包括：直链淀粉和支链淀粉。淀粉广泛地存在于植物种子（稻、麦、玉米
30、）之中。凡是以淀粉广泛地存在于植物种子（稻、麦、玉米）之中。凡是以上述物质作为原料的工业废水等均含有淀粉。上述物质作为原料的工业废水等均含有淀粉。五、脂肪的转化五、脂肪的转化脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，不溶于水，可溶于有脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，不溶于水，可溶于有机溶剂。毛纺、油脂厂废水，制革废水含有大量油脂。脂肪机溶剂。毛纺、油脂厂废水，制革废水含有大量油脂。脂肪被微生物分解的反应式如下：被微生物分解的反应式如下：甘油的转化甘油的转化六、木质素的转化六、木质素的转化木质素是植物木质化组织的重要成分，稻草秆、麦秆和木木质素是植物木质化组织的重要成分，稻草秆、麦秆和木材是造纸的原料
31、，木材也是人造纤维的原料。所以造纸和材是造纸的原料，木材也是人造纤维的原料。所以造纸和人造纤维废水均含有大量木质素。人造纤维废水均含有大量木质素。分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多孔菌、分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多孔菌、伞菌等的一些种，有厚毛霉和松全菌。假单胞菌的个别种伞菌等的一些种，有厚毛霉和松全菌。假单胞菌的个别种也能分解木质素。也能分解木质素。木质素被微生物分解的速率缓慢，在好氧条件下分解木质木质素被微生物分解的速率缓慢，在好氧条件下分解木质素比在厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。素比在厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。七、烃类物质的转化七、烃类物质
32、的转化炼炼油油厂厂、煤煤气气厂厂、焦焦化化厂厂、化化肥肥厂厂的的废废水水均均含含有有芳芳香香烃烃。酚酚和和苯苯的的分分解解菌菌有有假假单单胞胞菌菌，铜铜绿绿色色假假单单胞胞菌菌及及苯杆菌等。苯杆菌等。苯的代谢如下：苯的代谢如下：第三节第三节 氮循环氮循环一、微生物转化氮素物质的一般途径一、微生物转化氮素物质的一般途径二、氨化作用二、氨化作用三、硝化作用三、硝化作用四、反硝化作用四、反硝化作用五、固氮作用五、固氮作用六、其它含氮物质的转化六、其它含氮物质的转化一、微生物转化氮素物质的一般途径一、微生物转化氮素物质的一般途径氮素是核酸及蛋白质的主要成分，是构成生物体的必须元素。氮素是核酸及蛋白质的
33、主要成分，是构成生物体的必须元素。自然界蕴藏着丰富的氮素物质，其主要形态有三种：自然界蕴藏着丰富的氮素物质，其主要形态有三种：1. 分子分子态氮，存在于空气中，数量最大，占空气容量近态氮，存在于空气中，数量最大，占空气容量近79%，每亩，每亩土地上空估计有土地上空估计有5000吨；吨；2. 生物体中的蛋白质、核酸和其它生物体中的蛋白质、核酸和其它有机氮化物；有机氮化物；3. 铵盐及硝酸盐等无机态氮化物。前两种形态铵盐及硝酸盐等无机态氮化物。前两种形态的氮虽然数量很大，但不能被植物直接吸收利用。后一种形的氮虽然数量很大，但不能被植物直接吸收利用。后一种形态的氮，是植物所能吸收的氮，但为数很少，远
34、不能满足地态的氮，是植物所能吸收的氮，但为数很少，远不能满足地面植物对氮素营养的需求。面植物对氮素营养的需求。上述三种形态的氮素物质，在自然界中因生物的作用，不断上述三种形态的氮素物质，在自然界中因生物的作用，不断地相互转化，进行着氮素循环。地相互转化，进行着氮素循环。氮素循环图例氮素循环图例1 1、2 2二、氨化作用二、氨化作用有机氮化物在微生物的分解作用中释放出氨的过程，有机氮化物在微生物的分解作用中释放出氨的过程，称为氨化作用称为氨化作用(ammonification)。这里着重介绍：这里着重介绍：（一）蛋白质的分解（一）蛋白质的分解（二）核酸的分解（二）核酸的分解（三）其它含氮有机物的
35、分解（三）其它含氮有机物的分解（一）蛋白质的分解1. 氧化脱氨基作用：产生酮酸和氨2. 水解脱氨基作用：产生含氧酸和氨3. 还原脱氨基作用：产生饱和酸和氨氨基酸脱氨基后的残余基团是一个有机酸，将作氨基酸脱氨基后的残余基团是一个有机酸，将作为微生物生活的碳源物质，在呼吸作用中或被氧为微生物生活的碳源物质，在呼吸作用中或被氧化分解成化分解成CO2。或被发酵生成低分子有机酸、醇或被发酵生成低分子有机酸、醇或碳氢化合物。或碳氢化合物。绝大多数异养型微生物，包括细菌、真菌、放线绝大多数异养型微生物，包括细菌、真菌、放线菌，都有不同的蛋白质分解能力。在自然界中，菌，都有不同的蛋白质分解能力。在自然界中，它
36、们分布很多。作用强的有：荧光假单胞菌、灵它们分布很多。作用强的有：荧光假单胞菌、灵杆菌和变形杆菌等兼性细菌，巨大芽孢杆菌、覃杆菌和变形杆菌等兼性细菌，巨大芽孢杆菌、覃状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等需氧性细菌，腐败芽孢杆菌等厌氧状芽孢杆菌等需氧性细菌，腐败芽孢杆菌等厌氧菌。真菌中有木霉、曲霉、毛霉中的一些种，康菌。真菌中有木霉、曲霉、毛霉中的一些种，康氏木霉和黑曲霉的氨化能力最强。氏木霉和黑曲霉的氨化能力最强。（二）核酸的分解（二）核酸的分解各种生物细胞中均含有大量的核酸，它们是核苷酸的缩聚物。各种生物细胞中均含有大量的核酸，它们
37、是核苷酸的缩聚物。次黄尿环次黄尿环腺嘌呤腺嘌呤许许多多微微生生物物都都能能分分解解核核酸酸。细细菌菌中中有有芽芽孢孢杆杆菌菌、梭梭菌菌属属、分分枝枝杆杆菌菌属属、节节杆杆菌菌属属等等，真真菌菌中中有有曲曲霉霉、青青霉霉、镰镰胞胞霉霉等等，放放线线菌中的链霉菌属都能分解核酸。菌中的链霉菌属都能分解核酸。（三）其它含氮有机物的分解（三）其它含氮有机物的分解1. 尿素尿素 分解尿素的微生物有：芽孢八叠球菌、巴斯德氏芽孢分解尿素的微生物有：芽孢八叠球菌、巴斯德氏芽孢杆菌等。杆菌等。O = C + 2H2O (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2ONH2NH2尿酶尿酶2. 几丁质几丁质 某些
38、微生物如贝内克氏菌属中的一些种，产生几丁某些微生物如贝内克氏菌属中的一些种，产生几丁质酶使几丁质水解，生成氨基葡萄糖和乙酸。氨基葡萄糖再经质酶使几丁质水解，生成氨基葡萄糖和乙酸。氨基葡萄糖再经脱氨基酶作用，生成葡萄糖和氨。脱氨基酶作用，生成葡萄糖和氨。C6H11O5NH2 + H2O C6H12O6 + NH3脱氨基酶脱氨基酶几丁质酶几丁质酶C15H26N2O10 + 4H2O 2C6H11O5NH2 +3CH3COOH几丁质几丁质氨基葡萄糖氨基葡萄糖乙酸乙酸三、硝化作用三、硝化作用氨经过微生物作用氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸的过氨经过微生物作用氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸的过程，称为
39、硝化作用（程，称为硝化作用（Nitrification）。）。（一）亚硝化作用（一）亚硝化作用2NH3 + 3O2 2HNO2 + 2H2O + 能量能量（二）硝化作用（二）硝化作用2HNO2 + O2 2HNO3 + 能量能量自自然然界界引引起起氨氨氧氧化化的的微微生生物物最最主主要要是是一一群群化化能能自自养养型型细细菌菌，它它们们从从氧氧化化HNO2及及HNO3中中取取得得能能量量，以以CO2为为碳碳源源进进行行生生活活。引引起起亚亚硝硝化化作作用用的的主主要要是是亚亚硝硝化化单单胞胞菌菌属属（Nitrosomonas），引引起起硝硝化化作作用用的的主主要要是是硝硝化化杆杆菌菌属属（Ni
40、trobacter）。它它们们都都是是革兰氏染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆状细菌。革兰氏染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆状细菌。四、反硝化作用四、反硝化作用硝硝酸酸在在通通气气不不良良情情况况下下借借微微生生物物作作用用而而还还原原的的过过程程，称称为为反反硝硝化化（Denitrification）。由由于于还还原原的的程程度度不不同同，可可生生成成不不同同的的还还原态产物，如亚硝酸、次亚硝酸、一氧化氮、以至分子态氮等。原态产物，如亚硝酸、次亚硝酸、一氧化氮、以至分子态氮等。引引起起反反硝硝化化作作用用的的微微生生物物，统统称称为为反反硝硝化化微微生生物物。它它们们在在环环境境中中种种类类很
41、很多多，数数量量亦亦大大，包包括括细细菌菌、真真菌菌和和放放线线菌菌中中的的多多种种微微生物，能将硝酸还原为亚硝酸。生物，能将硝酸还原为亚硝酸。在在反反硝硝化化作作用用中中微微生生物物是是将将NO3中中的的氧氧作作为为呼呼吸吸作作用用的的受受氢氢体体，因而使因而使NO3还原。还原。C6H12O6 + 4NO3 = 6H2O + 6CO2 + 2N2 + 能量能量微生物进行反硝化作用的适宜条件是：微生物进行反硝化作用的适宜条件是：1. 有丰富的有机物作为碳源和能源；有丰富的有机物作为碳源和能源；2. NO3作为氮源与受氢体；作为氮源与受氢体；3. 最适最适pH中性至微碱性，但在中性至微碱性，但在
42、pH3.5 11.2亦曾见到反硝化亦曾见到反硝化作用；作用；4. 温度为中温型温度为中温型25左右，但也曾分离到高温型的反硝化左右，但也曾分离到高温型的反硝化菌，能在菌，能在60 65下进行反硝化作用；下进行反硝化作用；5. 厌氧条件。厌氧条件。五、固氮作用五、固氮作用微生物直接利用大气中的分子态氮，使之还原为氨的过程，微生物直接利用大气中的分子态氮，使之还原为氨的过程，称为固氮作用（称为固氮作用（Nitrogenfixation）。）。N2 + 6e + 6H+ + nATP 2NH3 + nADP + nPi固氮酶固氮酶需氧固氮微生物包括固氮菌属需氧固氮微生物包括固氮菌属(Azotobac
43、ter)。兼性厌氧固氮兼性厌氧固氮微生物中包括肠杆菌中的肺炎克雷伯氏菌微生物中包括肠杆菌中的肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)。厌氧性固氮菌中主要有梭状芽孢杆菌属。厌氧性固氮菌中主要有梭状芽孢杆菌属。光合型固氮微生物中，蓝细菌的许多属能进行旺盛的固氮作用。光合型固氮微生物中，蓝细菌的许多属能进行旺盛的固氮作用。共生固氮微生物中最引人注目的是根瘤菌属共生固氮微生物中最引人注目的是根瘤菌属(Rhizobium)。六、其它含氮物质的转化六、其它含氮物质的转化其它含氮物质主要指氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈及硝基化其它含氮物质主要指氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈及硝基化合物。它们来自
44、腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。土合物。它们来自腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。土壤和水体受到上述物质不同程度的污染，对人畜都有毒害。壤和水体受到上述物质不同程度的污染，对人畜都有毒害。CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOHHCNNH4+甲醛甲醛 -氨基乙腈氨基乙腈丙氨酸丙氨酸在有氧条件下，氰化物氧化分解如下：在有氧条件下，氰化物氧化分解如下：担子菌能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合担子菌能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成成 -氨基乙腈，进而合成丙氨酸。氨基乙腈，进而合成丙氨酸。5HCN + 5.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3
45、第四节第四节 硫循环硫循环一、含硫有机物的转化一、含硫有机物的转化二、无机硫的转化二、无机硫的转化硫有三态：元素硫、无机硫化物及含硫有机化合物。这三者硫有三态：元素硫、无机硫化物及含硫有机化合物。这三者在化学和生物作用下互相转化，构成硫的循环。在化学和生物作用下互相转化，构成硫的循环。S含硫有机物含硫有机物反硫化反硫化分解分解同化同化硫化硫化硫化硫化SO42H2S一、含硫有机物的转化一、含硫有机物的转化含硫有机化合物如蛋白质、含硫氨基酸、磺氨酸等在许多土含硫有机化合物如蛋白质、含硫氨基酸、磺氨酸等在许多土壤微生物的分解中，经脱硫作用生成硫化氢，进行含硫有机壤微生物的分解中，经脱硫作用生成硫化氢
46、，进行含硫有机物的无机质化的过程。物的无机质化的过程。CH2 S S CH2CHNH2CHNH2COOHCOOH2CH3COOH + 2CO2 + 2H2S + 2NH3+ 3H2O +0.5O2 大肠杆菌或变形杆菌胱氨酸在在分分解解不不彻彻底底时时可可形形成成硫硫醇醇暂暂时时累累积积，但但在在进进一一步步氧氧化化中中，仍以硫化氢为最后产物。仍以硫化氢为最后产物。二、无机硫的转化二、无机硫的转化1. 硫化作用：硫化氢、元素硫或硫化亚铁等在硫细菌的作用下硫化作用：硫化氢、元素硫或硫化亚铁等在硫细菌的作用下进行氧化，最后生成硫酸的过程，称为硫化作用进行氧化，最后生成硫酸的过程，称为硫化作用 (Su
47、lphurication) 。参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫磺细。参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫磺细菌。菌。如：氧化硫杆菌：如：氧化硫杆菌： 2S +3O2 + 2H2O 2H2SO4 + 能量能量2. 反硫化作用：硫酸盐在缺氧条件下被一些微生物利用而还原反硫化作用：硫酸盐在缺氧条件下被一些微生物利用而还原生成硫化氢的过程称为反硫化作用生成硫化氢的过程称为反硫化作用 (Desulphurication) 。主要。主要是硫酸还原菌所引起。是硫酸还原菌所引起。2H2S + O2 2H2O + 2S + 能量能量C6H12O6 + 3H2SO4 6CO2 + 6H2O + 3H2S + 能量
48、能量如如脱脱硫硫脱脱硫硫弧弧菌菌(Desulfovibrio desulfuricans)是是具具有有强强烈烈反反硫硫化化作作用的细菌的典型代表。能将硫酸盐还原成用的细菌的典型代表。能将硫酸盐还原成H2S。第五节第五节 磷循环磷循环一、含磷有机物的分解一、含磷有机物的分解二、不溶解性磷矿物的溶解二、不溶解性磷矿物的溶解磷在土壤和水体中以含磷有机物、无机磷化合物及还原态磷在土壤和水体中以含磷有机物、无机磷化合物及还原态PH3三种状态存在。磷的循环如下图所示。三种状态存在。磷的循环如下图所示。三、磷酸盐的还原三、磷酸盐的还原一、含磷有机物的分解一、含磷有机物的分解来自生物体的有机磷化物，主要有核酸
49、、植酸、卵磷脂以及各来自生物体的有机磷化物，主要有核酸、植酸、卵磷脂以及各种磷脂酸。能分解这些有机磷化物的微生物有细菌、放线菌和种磷脂酸。能分解这些有机磷化物的微生物有细菌、放线菌和真菌中的有关类群。它们能将有机磷化物转化分解，释放出其真菌中的有关类群。它们能将有机磷化物转化分解，释放出其中的磷酸部分，使成为无机磷酸盐状态存在于环境中。由于微中的磷酸部分，使成为无机磷酸盐状态存在于环境中。由于微生物种类不同，所产生的磷脂酶类不同，作用的有机磷化物不生物种类不同，所产生的磷脂酶类不同，作用的有机磷化物不同，产物也不一样。同，产物也不一样。核糖核酸核糖核酸 核糖核糖+磷酸磷酸+嘌呤和嘧啶嘌呤和嘧啶
50、核糖核酸酶核糖核酸酶植酸植酸 磷酸磷酸+环已六醇环已六醇植酸酶植酸酶卵磷脂卵磷脂 甘油甘油+磷酸磷酸+脂肪酸脂肪酸+胆碱胆碱卵磷脂酶卵磷脂酶磷脂酸磷脂酸+H2O 醇类醇类+磷酸磷酸磷脂酶磷脂酶二、不溶解性磷矿物的溶解二、不溶解性磷矿物的溶解不溶性磷矿物通过微生物生命活动过程中产生的酸类物质逐渐溶解，转化成水溶性的磷酸盐类。微生物分解有机质产生的CO2，溶入水中成为碳酸盐即有此种作用。Ca3(PO4)2 + 4H2CO3 + H2O Ca(H2PO4)2H2O + 2Ca(HCO3)2 至于许多微生物活动产生的各种有机酸，以及硝化细菌、硫化细菌产生的HNO3及H2SO4等，比H2CO3作用更强。
51、Ca3(PO4)2 + 2CH3CHOHCOOH 2CaHPO4 + Ca(CH3CHOHCOO)2Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4这些产酸能力强的细菌和真菌，不仅能溶解简单的磷酸三钙等磷酸盐，而且对于磷矿物如磷灰石中所结合的磷也能分解成水溶性的磷酸盐。三、磷酸盐的还原三、磷酸盐的还原在有机养料很多但缺乏氧气的条件下，环境中的磷酸盐可以因微生物作用而被还原。它与硝酸还原和硫酸还原作用类似，丁酸梭状芽孢杆菌和大肠埃希氏菌可引起这种转化，其过程大致如下：H3PO4 H3PO3 H3PO2 PH3 第六节第六节 铁循环铁循环（一）高铁化物的还原和溶解环境中
52、高铁化物是沉淀性的，通过微生物生命活动时产生的酸类使之溶解；也可以因为微生物分解有机质降低了环境中的氧化还原电位，从而使高铁化物还原成亚铁化物而溶解。Fe2O3 + 3H2S 2FeS + 3H2O + SFeS + 2H2CO3 Fe(HCO3)2 + H2S（三）含铁化合物的形成与分解溶解性的铁可被微生物吸收利用形成有机结合态，或与有机酸结合成为有机酸铁盐。有机含铁化合物又可分为微生物分解，将无机态的铁释放出来。（二）亚铁化物的氧化和沉淀2Fe(HCO3)2 + H2O + O2 2Fe(OH)3 + 4CO2 + 能量12土壤中有一类特殊生理的细菌，因它们的生命活动引起亚铁化合物氧化成高
53、铁化合物而沉淀，这类细菌特称为铁细菌。它们是兼性或专性的化能营养型细菌，从氧化铁化合物过程中获得能量，同化CO2合成有机质。第三章第三章 水环境污染控制与治理的水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理生态工程及微生物学原理第一节第一节 污、废水生物处理中的生态系统污、废水生物处理中的生态系统第二节第二节 活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制第三节第三节 厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落第一节第一节 污、废水生物处理中的生态系统污、废水生物处理中的生态系统一、好氧活性污泥法二、好氧生物膜法好氧处理厌氧处理微生物与氧的关系微生
54、物的状态活性污泥法生物膜法一、好氧活性污泥法一、好氧活性污泥法（一）好氧活性污泥中的微生物群落1. 好氧活性污泥的组成和性质2. 好氧活性污泥的存在状态3. 好氧活性污泥的微生物群落4. 好氧活性污泥微生物的浓度和数量 (MLSS) （二）好氧活性污泥净化废水的作用机理好氧活性污泥的净化作用有类似于水处理工程中混凝剂的作用，同时有能吸收和分解水中溶解性污染物。因为它由有生命的微生物组成，能自我繁殖，有生物“活性”，可以连续反复使用，而化学混凝剂只能一次使用，故活性污泥比化学混凝剂优越。好氧活性污泥的净化机理好氧活性污泥的净化机理和过程过程 （三）好氧活性污泥法的几种处理工艺流程几种处理工艺流程
55、（四）氧化塘（或氧化沟）中的微生物群落及其处理废水机理处理废水机理（五）菌胶团的作用1. 指示作用指示作用； 2. 净化作用；3. 促进絮凝和沉淀作用（七）好氧活性污泥的培养（六）原生动物及后生动物的作用好氧活性污泥的净化机理水体自净和有机废水净化过程中微生物演变的过程二、好氧生物膜法二、好氧生物膜法好氧生物膜法构筑物有普通滤池、高负荷生物滤池、塔式生塔式生物滤池物滤池，还有生物转盘生物转盘、接触氧化法等。（一）好氧生物膜中的微生物群落1. 好氧生物膜；2. 好氧生物膜中的微生物群落及其功能；3. 好氧生物膜的结构好氧生物膜的结构；4. 好氧生物膜的净化作用机理（二）好氧生物膜的培养1. 自然
56、挂膜法；2. 活性污泥挂膜法；3. 优势菌种挂膜法第二节第二节 活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制控制一、活性污泥丝状膨胀的原因二、控制活性污泥丝状膨胀的对策曝气池中有正常活性污泥和膨胀污泥。膨胀污泥包括由丝状细菌引起的丝状膨胀污泥和有非丝状细菌引起的菌胶团膨胀污泥。一般用污泥体积指数SVI来衡量污泥沉降性能。一、活性污泥丝状膨胀的原因一、活性污泥丝状膨胀的原因由于丝状细菌极度生长引起的活性污泥膨胀称为活性污泥丝状膨胀。引起丝状膨胀的微生物种类很多。下列因素都可使丝状微生物过度生长：1. 温度；2.溶解氧；3.可溶性有机物浓度及种类；4. 有机物浓度；5. pH引起活性污
57、泥丝状膨胀的机理包括：1. 对溶解氧的竞争；2. 对可溶性有机物的竞争；3. 对氮、磷的竞争；4. 对有机物冲击负荷影响。二、控制活性污泥丝状膨胀的对策二、控制活性污泥丝状膨胀的对策解决污泥丝状膨胀的问题，根本是要控制引起丝状微生物过度生长的环境因子。主要控制：1. 控制溶解氧2. 控制有机物负荷3. 改革工艺第三节第三节 厌氧环境中活性污泥和生物膜厌氧环境中活性污泥和生物膜的微生物群落的微生物群落一、厌氧消化一、厌氧消化甲烷发酵甲烷发酵二、光合细菌处理高浓度有机废水二、光合细菌处理高浓度有机废水三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理一、厌氧消化一、厌氧消化甲烷发酵甲
58、烷发酵沼气发酵是微生物在厌氧条件下分解有机质产生沼气的过程。沼气发酵过程是个非常复杂的过程，其中涉及多种交替作用的菌群，各要求不同的基质与条件，形成了极为复杂的相互作用体系，因而沼气发酵的生物化学至今尚未全部阐明。（一）沼气发酵的生物化学现在比较普遍接受沼气的三阶段理论，明确认识到微生物生成甲烷的底物只限于乙酸、甲酸、H2、CO2等几种化合物：1. 液化阶段；2. 产氢产乙酸阶段；3. 产甲烷阶段1. 液化阶段：复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂肪等在微生物作用下降解至其基本结构单位或简单有机酸、醇等。这是一些广泛存在于环境中的异养微生物，主要为兼性厌氧微生物及少数厌氧菌所引起。2. 产氢产乙酸阶
59、段：主要是将第一阶段中产生的或原已存在于物料中的简单有机物经微生物作用转化生成乙酸、H2、及CO2。引起作用的菌统称产氢产乙酸细菌。上述1和2两个阶段可合称为不产甲烷阶段，其作用微生物称非甲烷菌。3. 产甲烷阶段：在甲烷细菌的作用下将乙酸（包括甲酸）、CO2、H2转化为CH4。甲烷发酵过程甲烷发酵过程简单有机物（简单糖类、有机酸、醇等）复杂有机物乙酸、H2、CO2、甲酸CH4、CO2、 H2发酵细菌产氢细菌产乙酸菌产甲烷菌液化阶段产氢产乙酸阶段产甲烷阶段甲烷发酵三阶段示意图（二）甲烷细菌甲烷细菌是一群只有相同生理特征的细菌。其外形各不相同，但细胞壁结构相同，均不含肽聚糖，是与绝大多数细菌不同之
60、处。根据DNA序列分析，将其列于古菌纲中。甲烷细菌中常见的属有，甲烷杆菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷球菌属。甲烷细菌广泛分布于自然界。在厌氧污泥、粪便及动物肠道中经常存在。它们要求严格厌氧条件，在淡水底泥中，当氧化还原电位为-250mV甚至更低时，甲烷菌数量最多。一般为中温型，2040 生长，最适温度为3738 ，少数高温型最适温度为5354 。适宜于中性或微碱性。它们属于自养型微生物，不能利用碳水化合物、蛋白质或其它有机物作为能源和碳源。甲烷细菌都以NH4+做氮源。（三）厌氧处理构筑物1. 普通厌氧消化池：最常用的是厌氧消化池。污水、污泥定期或连续加入消化池，经过消化后的污泥和污水分别由消化池底
61、部和上部排出。所产生的沼气则由顶部排出。2. 厌氧生物滤池：厌氧生物滤池在使用块状填料的情况下，体积负荷可以达到36 kg COD /（m3 d）。3. 二阶段厌氧处理法：适用于悬浮物较多的污水。（四）厌氧处理法的基本要求1. 菌种：采用混合菌种。第一次投料时必须引入足够数量的混合菌种，或经过厌氧消化培养了的污泥。2. 严格缺氧环境。3. 发酵温度：污水最适温度中温型：2040 ；高温型：5354 。4. 废水组成：CN = 10201为佳。P要保持在1%左右5. pH和有机酸浓度：pH维持在6.57.5为宜。有机酸浓度（以乙酸计）是控制发酵的重要指标，以 2000mg/L为宜。6. CO2检
62、测：CO2检测可以鉴别不产甲烷与产生甲烷阶段的平衡情况。CO2以占沼气的2535%为好。若大于35%时，说明平衡被破坏。二、光合细菌处理高浓度有机废水二、光合细菌处理高浓度有机废水BOD5在10000mg/L以上的高浓度有废水（粪便废水、豆制品废水、食品加工废水、屠宰废水等）可利用有机光合细菌(Potosyntetic Bacteria PSB)处理。因为有机光合细菌只能利用脂肪酸等低分子化合物，所以在有机光合细菌处理废水之前，要用水解性细菌将碳水化合物、脂肪和蛋白质水解为脂肪酸、氨基酸、氨等物质。这样可以得到较好的处理效果。三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理三、含硫酸盐废水的厌氧微生物处理在发
63、酵工业废水，如味精废水和赖氨酸废水中含的硫酸根(SO42-)有20030000mg/L。高浓度的SO42-对微生物有毒害作用。在有SO42-存在时硫酸还原细菌和产甲烷细菌争夺氢，产甲烷细菌无法获得H2，从而还原CO2为CH4。故在甲烷发酵前，要先降低SO42-到甲烷菌能忍受的浓度后，再进行甲烷发酵处理。一般用化学方法降低SO42- ，如加入Ca和Ca(OH)2生成CaSO4沉淀可去除SO42- ，若加少量的FeCl3，效果更佳。第四章第四章 污、废水深度处理和微污、废水深度处理和微污染源水预处理的微生物学原理污染源水预处理的微生物学原理第一节第一节 污、废水深度处理污、废水深度处理 脱氮、除磷
64、与微生物学原理脱氮、除磷与微生物学原理第二节第二节 微污染水源水预处理中的微生物学问题微污染水源水预处理中的微生物学问题第三节第三节 饮用水的消毒及其微生物学效应饮用水的消毒及其微生物学效应第一节第一节 污、废水深度处理污、废水深度处理 脱氮、脱氮、除磷与微生物学原理除磷与微生物学原理一、污、废水深度处理一、污、废水深度处理脱氮、除磷的目的和意义脱氮、除磷的目的和意义二、天然水体中氮、磷的来源二、天然水体中氮、磷的来源三、微生物脱氮工艺、原理及其微生物三、微生物脱氮工艺、原理及其微生物四、微生物除磷原理、工艺及其微生物四、微生物除磷原理、工艺及其微生物一、污、废水深度处理一、污、废水深度处理脱
65、氮、除磷脱氮、除磷的目的和意义的目的和意义各种污、废水经过二级处理可溶性含碳有机物已大部分被去除，对于城市生活污水和有些工业废水还含有NH3-N、NO3-N和PO43-、SO42-。水体中的氮、磷过量，容易引起水体的富营养化。使蓝藻、绿藻疯长，一方面引起水体缺氧，还会产生毒素危害水中的鱼虾并对人体产生危害。如果是发生在水源地区，则影响人类生活和工农业生产，因此，废水的深度处理是十分必要的。二、天然水体中氮、磷的来源二、天然水体中氮、磷的来源天然水体中氮、磷的来源主要来自农业上使用的化肥和农药；工业方面的化肥、石油炼制、焦化，印染等；人们日常生活中的饮食及洗涤等用水。三、微生物脱氮工艺、原理及其
66、微生物三、微生物脱氮工艺、原理及其微生物工艺包括：A/O、A2/O、A2/O2、SBR等。原理：在硝化菌的作用下，将NH3转化为NO3-N。再在缺氧条件下在反硝化菌的作用下将NO3-N转化为N2。亚硝化细菌和硝化细菌是革兰氏阴性菌。它们生长速率均受基质浓度、温度、pH值、氧浓度控制。全部是好氧菌。反硝化细菌的碳源来自有机物，如葡萄糖、乳酸、丙酮酸、甲醇等。H2S和H2可作为供氢体，碳源为CO2。能源从氧化有机物获得。它的最终电子受体是NO3-和NO2-。NO3 NO2 NO N2O N2+ 2e+ e+ e+ e生物除氮的最新发现：厌氧氨氧化(ANAMMOX)1995年A. Mulder等人在
67、FEMS Microbiology Ecology 上发表了文章：Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor。发现了厌氧氨氧化现象。A: Micrograph of a biomass aggregate from an Anammox enrichment culture. The dominant coccoid cell is present in packages and microcolonies. B: Micrograph of the dominant cocco
68、id cell present in the Anammox enrichment cultures. Preparation was obtained after sedimentation of suspended material from a uidized bed reactor. C: Electron micrograph of suspended Anammox biomass xed with 2.5% glutaraldehyde in 20 mM K2HPO4/KH2PO4 buer pH 7.4. The micrograph was taken at the Depa
69、rtment of Electron Microscopy(I. Keizer, K. Sjollema, M. Veenhuis), State University of Groningen, The Netherlands.Possible reaction mechanisms and cellular localization of the enzyme systems involved in anaerobic ammonium oxidation.A: Ammonium and hydroxylamine are converted to hydrazine by a membr
70、ane-bound enzyme complex, hydrazine is oxidized in the periplasm to dinitrogen gas, nitrite is reduced to hydroxylamine at the cytoplasmic site of the same enzyme complex responsiblefor hydrazine oxidation with an internal electron transport.B: Ammonium and hydroxylamine are converted to hydrazine b
71、y a membrane-bound enzyme complex, hydrazine isoxidized in the periplasm to dinitrogen gas, the generated electrons are transferred via an electron transport chain to nitrite reducing enzyme in the cytoplasm.四、微生物除磷原理、工艺及其微生物四、微生物除磷原理、工艺及其微生物某些微生物在好氧时不仅能大量吸收磷酸盐合成自身核酸和ATP，而且能逆浓度梯度过量吸磷合成贮能的多聚磷酸盐颗粒于体内，
72、供其内源呼吸用。称这些细菌为聚磷菌。聚磷菌在厌氧时又能释放磷酸盐于体外。第二节第二节 微污染水源水预处理中的微污染水源水预处理中的微生物学问题微生物学问题一、微污染水源水预处理的目的和意义二、水源水污染源和污染物三、微污染水源水微生物预处理及微生物群落一、微污染水源水预处理的目的和意义一、微污染水源水预处理的目的和意义微污染水源水是受到有机物、氨氮、磷及有毒污染物较低程度污染的水源水。尽管污染物浓度低，但经自来水厂原有的混凝、沉淀、过滤、消毒的传统工艺处理后，未能有效去除污染物，只能去除2030%COD。尤其是致癌物的前体物如烷烃类残留在水中，经加氯处理后产生卤代烃三氯甲烷和二氯乙酸等“三致”
73、物。氨氮较高，导致供水管道中亚硝化细菌增生，促使NO2-浓度增高，残留有机物还可能引起管道中异养菌孳生。导致饮用水中细菌不达标，这种水被人饮用会危害人体健康。为此，人们不仅致力于水厂的水处理工艺改革，探索更有效的处理工艺和技术。同时重视水源水的预处理，双管齐下，确保饮用水的卫生与安全。二、水源水污染源和污染物二、水源水污染源和污染物水源水污染源：是未经处理的工业废水，生活污水、农业灌溉和养殖业排放水。还有未达到排放标准的处理水。污染物：有机物、氨氮、藻类分泌物、挥发酚、氰化物、重金属、农药等。三、微污染水源水微生物预处理及三、微污染水源水微生物预处理及微生物群落微生物群落预处理的目的：去除水源
74、水中的有机物和氨氮。需要解决的问题：通过反硝化将硝酸盐氮还原为氮气逸出水中到大气。但微污染水源水中有机物含量远低于废水，普遍存在碳源不足，反硝化困难。1. 微生物预处理工艺膜法生物处理：生物滤池，生物转盘、生物接触氧化法、生物流化床等。预处理的方式：源水预处理混凝沉淀快砂滤慢砂滤加氯消毒清水贮罐出水微生物有：贫营养异养菌、亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、藻类、霉菌。原生动物有：钟虫、累枝虫、盖纤虫、独缩虫、聚缩虫、喇叭虫、漫游虫、变形虫、太阳虫、鞭毛虫、草履虫等。微型后生动物有：旋轮虫等。2. 水源水预处理的运行条件(1)微生物：适应贫营养环境的微生物;(2)供氢体：若要去除有机物又要去除氨
75、氮,就面临供氢体问题。用电极生物膜反应器微电解水放出氢H2解决反硝化所需的H2供体。(3)溶解氧：低于0.2mg/L以下，有利于反硝化。(4)水温和pH：20 以上，pH=7左右处理效果较好。(5)处理效率：COD去除1030%，氨氮去除75%以上。第三节第三节 饮用水的消毒及其微生物学效应饮用水的消毒及其微生物学效应一、水消毒的重要性一、水消毒的重要性二、水的消毒方法二、水的消毒方法一、水消毒的重要性一、水消毒的重要性疾病可通过水作媒体得到传播，为了防止病原微生物随生活污水和医院污水进入环境，随饮用水、游泳池水进入人体，使人得肠道传染病及其它疾病，故必须对饮用水进行严格消毒。游泳池水循环系统
76、也要消毒。医院污水特别是肠道传染病医院的生活污水则要求做到灭菌的程度。现在流行喝桶装的矿泉水、优质水、纯净水、因生喝更要严格消毒，消灭病原菌，包括水和桶的消毒。二、水的消毒方法二、水的消毒方法（一）煮沸法；（二）加氯消毒；（三）臭氧（O3）消毒；（四）过氧化氢（H2O2）消毒；（五）紫外辐射消毒；（六）微电解消毒等。第五章第五章 有机固体废弃物与废气的有机固体废弃物与废气的微生物处理及其微生物群落微生物处理及其微生物群落第一节第一节 有机固体废弃物的微生物处理及其微生物群落有机固体废弃物的微生物处理及其微生物群落第二节第二节 废气的生物处理废气的生物处理第一节第一节 有机固体废弃物的微生物处理
77、有机固体废弃物的微生物处理及其微生物群落及其微生物群落一、堆肥法二、卫生填埋法及渗滤液有机固体废弃物来自各种生活废弃物，其组分随着季节变化而变化。当前各国城市对垃圾的处理方法主要有：堆肥法、填埋法和焚烧法。这里主要介绍：一、堆肥法一、堆肥法堆肥法是一种古老的微生物处理有机固体废弃物的方法。最早的堆肥法用的是厌氧发酵，发酵周期长，约46个月，占地面积大。后来将发酵的渗滤液循环使用，通入空气进行好氧发酵，使发酵周期缩短至20天。好氧堆肥的机理：好氧微生物分解大分子有机固体废弃物为小分子有机物，并放出大量的热。发酵的初期有中温好氧的细菌和真菌，分解碳水化合物、蛋白质、脂肪，同时散发热量，使温度升高至
78、50 ；好热性的细菌、放线菌和真菌分解纤维素和半纤维素。温度升高至60，真菌停止活动，继续由好热的细菌和放线菌分解纤维素和半纤维素。温度升高至70，致病菌和虫卵被杀死，此时，一般的嗜热高温细菌和放线菌也停止活动，堆肥腐熟稳定。 堆肥工艺：静态堆肥工艺静态堆肥工艺、高温动态二次堆肥工艺高温动态二次堆肥工艺、立式仓库堆肥工艺立式仓库堆肥工艺、滚筒式堆肥工艺滚筒式堆肥工艺。二、卫生填埋法及渗滤液二、卫生填埋法及渗滤液卫生填埋法是在堆肥的基础上发展起来的，其处理原理与厌氧堆肥原理相同，均利用好氧微生物、兼性厌氧微生物和厌氧微生物处理。填埋场处理量大，废弃物的成分复杂，有机物及无机物均有。地面水流入和雨
79、水冲刷可将微生物厌氧发酵产生的可溶性有机物溶出，形成数量较大的渗滤液，需排出另行处理。渗滤液的化学成分复杂，含有大量有机酸，氨氮含量高，还含有重金属，用厌氧-缺氧-好氧生物处理方法综合处理，最后用化学混凝剂混凝、沉淀后再排放到水体，净化程度较高。一、废气的处理方法一、废气的处理方法二、含恶臭污染物及二、含恶臭污染物及NH3、CO2的微生物处理的微生物处理第二节第二节 废气的生物处理废气的生物处理大气中的废气来源很多：有各类化工厂、化纤厂、石油化大气中的废气来源很多：有各类化工厂、化纤厂、石油化工、发电厂、垃圾焚烧厂等的废气和汽车尾气，污水处理工、发电厂、垃圾焚烧厂等的废气和汽车尾气，污水处理厂
80、和垃圾场均产生臭气。废气中含有许多有毒有害的污染厂和垃圾场均产生臭气。废气中含有许多有毒有害的污染物，散发挥发性的有机污染物，散发挥发性的有机污染“三致三致”物，还有恶臭、强刺物，还有恶臭、强刺激、强腐蚀及易燃、易爆的组分，导致空气污染。激、强腐蚀及易燃、易爆的组分，导致空气污染。一、废气的处理方法一、废气的处理方法如同废水处理一样，生物处理废气是经济有效的方法。生物净化有植物净化和微生物净化法。绿化就是利用植物吸收和转化大气中的污染物，包括日益增多的CO2。微生物净化法可就地及时处理各种恶臭污染源的 废气，废气的组分比较单一，不能满足微生物全部营养要求，故需要添加营养。微生物净化气态污染物的
81、装置有：生物吸收池生物吸收池、生物洗涤池、生物滴滤池生物滴滤池和生物过滤池。二、含恶臭污染物及二、含恶臭污染物及NH3、CO2的的微生物处理微生物处理（一）含硫恶臭污染物的净化含硫恶臭污染物有H2S、甲硫醇（MM）、二甲基硫醚（DMS）、二甲基二硫醚（DMDS）、二甲基亚矾（DMSO，CH3OSCH3）。二甲基亚矾（二甲基亚矾（DMSODMSO）在生丝微菌属作用下的代谢途径。在生丝微菌属作用下的代谢途径。二甲基二硫醚（二甲基二硫醚（DMDSDMDS）在排硫硫杆菌作用下的代谢途径。在排硫硫杆菌作用下的代谢途径。二甲基硫醚（二甲基硫醚（DMSDMS）在硫杆菌属作用下的代谢途径。在硫杆菌属作用下的代
82、谢途径。（二）废气中NH3和CO2的净化单纯含NH3或单纯含CO2的废气可合在一起，调节两者的比例用硝化细菌处理。首先将NH3溶于水成NH+N，再通入生物滴滤池。同时按亚硝化细菌和硝化细菌要求的CN通入CO2和无机盐，再通入空气，即可运行处理。亚硝化细菌和硝化细菌将NH+氧化成NO2-和NO3-。CO2被同化合成细胞物质。（三）废气中挥发性有机物污染物的生物处理工艺流程可用生物滴滤池生物滴滤池法。降解挥发性有机物污染物的微生物菌种主要有：细菌、放线菌和真菌。处理苯系列有机污染物的细菌是黄杆菌属、假单胞菌属和芽孢杆菌属。第六章第六章 微生物学新技术在环境微生物学新技术在环境工程中的应用工程中的应
83、用第一节第一节 固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用第二节第二节 微生物细胞多聚物的开发与应用微生物细胞多聚物的开发与应用第三节第三节 优势菌种与生物制剂的开发与应用优势菌种与生物制剂的开发与应用第一节第一节 固定化酶和固定化微生物在固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用环境工程中的应用一、酶制剂剂型一、酶制剂剂型二、酶和微生物的固定化方法二、酶和微生物的固定化方法三、固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用三、固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用一、酶制剂剂型一、酶制剂剂型 酶制剂剂型包括：干燥粗酶制剂、稀液体酶制剂、浓液体酶制剂、干粉状酶制
84、剂、结晶酶和固定化酶。二、酶和微生物细胞的固定化方法二、酶和微生物细胞的固定化方法固定化酶是二十世纪六十年代发展起来的一项新技术。最初是将水溶性的酶与不溶性载体结合起来，成为不溶于水的酶的衍生物。在1971年国际酶工程会议上，正式建议采用固定化酶的名称。固定化微生物细胞可以定义为：细胞在某一限定的空间区域内的物理包藏或定位，同时有保持一定的催化活性。固定化酶的方法固定化酶的方法有：物理吸附法、载体键合法、交联法、包埋法。固定化微生物细胞的方法固定化微生物细胞的方法有：细胞的表面吸附法、细胞包藏在多孔介质中、细胞包藏在半透膜性的载体中、细胞的自身聚合。三、固定化酶和固定化微生物在环境三、固定化酶
85、和固定化微生物在环境工程中的应用工程中的应用固定化热带假丝酵母降解含糖废水固定化热带假丝酵母降解含糖废水将培养的热带假丝酵母增殖培养后，吸附在多孔的陶瓷载体中，并用来降解啤酒生产过程中的洗糟废水，该废水含有大量的麦芽糖和淀粉等。固定化微生物降解氯酚固定化微生物降解氯酚将培养的无色菌属增殖培养后，吸附在多孔的陶瓷载体中，并用来降解含氯酚的废水，氯酚的去除率达到98%。固定化微生物降解喹啉固定化微生物降解喹啉从活性污泥中筛选到的皮氏伯克霍尔德氏菌(Burkholderia pickttii sp.) 固定化，用来降解喹啉，喹啉的去除率达95%以上。第二节第二节 微生物细胞多聚物的开发与应用微生物细
86、胞多聚物的开发与应用一、生物表面活性剂和生物乳化剂的开发与应用一、生物表面活性剂和生物乳化剂的开发与应用二、微生物自身絮凝和沉淀作用二、微生物自身絮凝和沉淀作用三、微生物絮凝剂的开发和应用三、微生物絮凝剂的开发和应用一、生物表面活性剂和生物乳化剂的一、生物表面活性剂和生物乳化剂的开发与应用开发与应用生物表面活性剂和生物乳化剂是20世纪70年代后期发展起来的，他们是具有亲水基和疏水基结构于一体的两亲化合物。生物表面活性剂与一般表面活性剂结构类似，具有表面活性，它的分子量小，分子中间具有脂肪烃链结构的非极性疏水性基和亲水性基，如磷酸根或多羟基基团。它可改变两相界面的物理性质，如降低空气-水、油-水
87、或固体-水表面张力。生物乳化剂不能显著降低两相表（界）面张力，但对油水界面有很强的亲和力，能够吸附在分散的油滴表面，防止油滴凝聚，从而使乳状液得到稳定。生物活性剂和生物乳化剂分为六类生物活性剂和生物乳化剂分为六类。分 类产物类型生 产 菌1. 糖脂海藻糖脂节杆菌属(Arthrobacter)、分枝菌属(Mycobacteria)、诺卡氏菌属(Nocardia)、棒杆菌属(Carynebacteria)、红球菌属(Rhodococcus)鼠李糖假单胞菌属(Pseucomonas)槐糖脂Torulopsis2. 中性脂/脂肪酸甘油酸，脂肪酸，脂肪醇，腊不动杆菌属(Acinetpbacter)、梭菌
88、属(Clostridium)3. 含氨基酸类脂脂蛋白，脂肽、脂氨基酸芽孢杆菌属(Bacillus)、诺卡氏菌属(Nocardia)、棒杆菌属(Corynebacterium)、链霉菌属(Streptomyces)、分枝杆菌属(Mycobacterium)、假单胞菌属(Pseudomonas)、葡糖杆菌属(Gluconobacter)4. 磷脂磷脂酰乙醇胺红球菌属(Rodocodccus)、硫杆菌属(Thiobacillus)5. 聚合物脂杂多糖，脂多糖复合物，蛋白质-多糖复合物不动杆菌属(Acinetobacter)、地霉属(Candida)6. 细胞表面本身生物破乳剂诺卡氏菌属(Nocard
89、ia)、红球菌属(Rodococcus)肽脂不动杆菌属(Acinetobacter)生物表面活性剂和生物乳化剂的分类二、微生物自身絮凝和沉淀作用二、微生物自身絮凝和沉淀作用根据单一菌种生物（纯种）细胞表面的解离层（胞外多聚物）性质不同而划分两种类型，即疏水型的R型（菌落为粗糙型）和亲水型的S型（菌落为光滑型）。凡具有R型解离层的微生物表现疏水型而自身发生絮凝、聚集而沉降，故可将R型细菌用于废水处理。而具有S型解离层的微生物表现亲水性，均匀分布于水中，不易絮凝，不易沉降。由于活性污泥中微生物是混合菌种，活性污泥可能全由R型细菌组成，也可能由R型细菌和S型细菌共同组成，这种活性污泥的吸附能力，活性
90、污泥与水之间的表（界）面张力各异，加上活性污泥表面吸附各种废水成分后所表现出来的总体电性不同，会引起活性污泥与水之间的表面张力及它们的表面电荷改变，影响它们对废水中的成分吸附力。三、微生物絮凝剂的开发和应用细菌中有许多具有絮凝作用种类。放线菌、霉菌及酵母菌，乃至原生动物的一些种具有絮凝作用，是因为这些微生物细胞壁表面的胞外多聚物有絮凝作用所致。可以将具有絮凝作用的微生物经扩大培养而制成的微生物细胞制剂直接用作絮凝剂。此外，诺卡氏菌属(Nocardia)、棒状杆菌属(Corynebacteium)、分枝杆菌属(Nycobacterium)、假单胞菌属(Pseudomonas)及芽孢杆菌属(Bac
91、illus)等也有起絮凝作用的菌体。有些活性污泥尽管去除有机物能力强，但它本身的絮凝性能差，需要投加絮凝剂，强化絮凝效果，改善出水本质。第三节第三节 优势菌种与生物制剂的开发与应用优势菌种与生物制剂的开发与应用 生生物物学学家家从从各各种种运运行行性性能能良良好好的的活活性性污污泥泥、生生物物膜膜、堆堆肥肥及及废废气气处处理理装装置置中中筛筛选选出出优优良良微微生生物物菌菌种种，制制成成生生物物制制剂剂，以以备备各各种种用用途途。目目前前已已筛筛选选出出的的菌菌种种有有(1)降降解解有有毒毒、有有害害有有机机物物的的微微生生物物：食食酚酚菌菌、分分解解氰氰化化物物、苯苯系系化化合合物物、萘萘、菲菲、蒽蒽、沥沥青青等等的的微微生生物物；(2)适适应应极极端端环环境境的的微微生生物物，如如嗜嗜热热菌菌、嗜嗜冷冷菌菌、嗜嗜酸酸菌菌、嗜嗜碱碱菌菌、嗜嗜盐盐菌菌、耐耐压压菌菌；(3)降降解解农农药药如如2,4-D、对对硫硫磷磷、乐乐果果等等的的微微生生物物。(4)分分解解难难降降解解有有机机污污染染物物如如废废塑塑料料、尼尼龙龙等等的的微微生生物物。(5)除臭菌等。除臭菌等。
