微生物生态与环境工程中的微生物作用

第二篇微生物生态与环境工程中的微生物作用第一章微生物生态第二章微生物在环境物质循环中的作用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第六章微生物学新技术在环境工程中的应用第一章微生物生态第一节生态系统第二节土壤微生物生态第三节空气微生物生态第四节水体微生物生态第一节生态系统一、生态系统和生物圈二、生态平衡三、生态系统的分类一、生态系统和生物圈生态系统(ecosystem)是生物圈的组成部分与基本单元。它是由生物群落及其生存环境组成的一个整体系统，可用下式表述：生态系统=生物群落+环境条件生态系统的功能包括：生物生产、能量流动、物资循环、信息传递。生态系统的这些功能是在生物圈内进行的。生物圈是指：生存在地球陆地以上和海面以下个10km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存环境的总体。二、生态平衡生态系统是开放系统，当能量和物质的输入（被植物等固定）大于输出（消费和分解、人类收获）时，生物量增加；反之，生物量减少。如果输入和输出在较长时间趋于相等，生态系统的组成、结构和功能将长期处于稳定状态。虽然各生物群落有各自的生长、发育、繁殖及死亡过程，但动物、植物和微生物等群落的种群、数量，它们的数量比均保持相对稳定。即使有外来干扰，生态系统能通过自行调节的能力恢复到原来稳定的状态（例如土壤和水体的自净）这就是生态系统的平衡，即生态平衡。三、生态系统的分类水体生态系统陆地生态系统淡水生态系统海水生态系统河流生态系统湖泊生态系统水体生态系统陆地生态系统动物生态系统植物生态系统土壤微生物生态系统生存环境生存状态微生物生存状态水体微生物生态系统空气微生物生态系统微生物生态系统第二节土壤微生物生态一、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：1.营养；2.pH；3.渗透压；4.氧气和水；5.温度；6.保护层。二、微生物在土壤的种类、数量和分布土壤中的微生物含量是衡量土壤肥力的指标之一。肥沃土：1×108~1×109个微生物/克土贫瘠土：1×106~1×107个微生物/克土根据土壤性质的不同，如pH、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。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土壤对施入其中一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化过程自动分解污染物使土壤恢复到原来水平的净化过程，称土壤自净。由于土壤中含有大量的微生物，可用土地法处理废水，污染物在土壤中的存在还会诱导土壤中微生物的变异。如果用污水对农田进行灌溉，只要不超过土壤自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：1.破坏土地的生态平衡；2.有毒有害物质渗入到地下水中，危害人类；3.各种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、生物通风、挖掘堆置和反应器处理等方法。第三节空气微生物生态一、空气的生态条件二、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四、空气微生物检测一、空气的生态条件空气中有较强的紫外辐射，具有较干燥，温度变化大，缺乏营养等特点。所以空气不是微生物生长繁殖的场所。虽然空气中微生物数量较多，但只是暂时停留。微生物在空气中停留时间的长短由风力、气流和雨、雪等气象条件所决定，但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，不同场所上空微生物的数量如下表所示：场所畜舍宿舍城市街道市区公园海洋上空北纬80°微生物(1~2)×1062×1045×1032001~20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。单位：个/m3三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术清洁程度细菌总数(单位：个/m3)最清洁的空气（有空调）1~2清洁空气30普通空气31~125临界环境~150轻度污染300严重污染301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、空气微生物检测空气中微生物的检测可通过：1.固体法：（1）平皿落菌法；（2）撞击法2.液体法空气微生物的测点数越多越准确，以20~30个点为宜，最少测点数为5~6个。采样后的培养温度和时间一般是37℃和48h。第四节水体微生物生态一、水体的微生物群落二、水体自净和污染水体的微生物生态三、水体富营养化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2.来自土壤的微生物3.来自生产和生活的微生物4.来自空气微生物一、水体的微生物群落（一）海洋中微生物群落在近海由于自然和人为的影响，微生物含量比远海要多。在海洋不同的深度，由于阳光和溶解氧的变化，微生物的含量呈一定的变化规律。在海洋上部以含有好氧性的微生物和藻类为主，在深处主要以兼性或厌氧性的微生物为主。海洋微生物的最大特点是耐盐或嗜盐性的。（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：水体类型、受污（废）水污染程度、有机物的含量、水温、pH及水深等。二、水体自净和污染水体的微生物生态水体自净过程和各种水生物随水流距离或时间的变化如图所示。阳光一级生产者原生动物轮虫、浮游甲壳动物鱼其他动物人废物、排泄物异养细菌(藻类、光合细菌、水生植物)水体自净：水体接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物的因素的综合作用下得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。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物的最大数量。（一）水体自净由于天然水体的各种生物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。P/H指数：P代表光合自养型微生物，H代表异养型微生物，两者的比即P/H指数。P/H指数反映水体污染和自净程度。水体刚被污染，水中有机物浓度高，异养型微生物大量繁殖，P/H指数低，自净速率高。在自净过程中，有机物减少，异养型微生物数量减少，光合自养型数量增多，故P/H指数升高，自净速率逐渐降低，在河流自净完成后，P/H指数恢复到原有水平。氧浓度昼夜变化幅度和氧垂线：由于受到阳光照射的不同，水体中白天和晚上水体中溶解氧的含量是不同的。因此对于受污染的河流，水体中的微生物及水生生物也呈一定规律的变化。如图所示。衡量水体自净的指标（二）污水体系的微生物生态当有机物排入河流后，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，例如多污带、-中污带、-中污带和寡污带。水体有机污染指标：BIP指数用来衡量水体有机污染程度。BIP=×100%BA+B式中：A为有叶绿素的微生物数；B为无叶绿素的微生物数利用BIP值可以判断水体的污染程度。如下表所示：污染程度清洁水轻度污染水中等污染水严重污染水BIP值0~88~2020~6060~100细菌菌落总数(CFU)：细菌菌落总数是指1ml水样在营养琼脂培养基中于37℃培养24h后所生长出来的菌落总数。由于粪便的污染，水源水中通常含有致病菌，其典型的代表有：痢疾杆菌——痢疾贺氏菌(Shigelladysenteriae)、副痢疾贺氏菌(Shigellaparadysenteriae)、伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphi)、甲型、乙型和丙型的副伤寒沙门氏菌(Salmonellaparatyphi)及霍乱弧菌(Vibriocholerae)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，因而被选中，一直沿用至今。三、水体富营养化（一）水体富营养化的概念与发生由于某些自然因素，尤其是人类将富含氮、磷的城市生活污水和工业废水排放入自然水体中，使得自然水体中的氮、磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长，使淡水水体发生“水华”，使海洋发生“赤潮”。与富营养化关系密切的藻类，被报道得较多的是蓝藻中的微囊藻属(Microcystis)，腔球藻属(Coelosphaerium)和鱼腥藻属(Anabaena)。由于水体中藻类和异养细菌的代谢活动，耗尽了水中的溶解氧，大量藻类覆盖在水面，大气中的氧不易溶于水，造成水体缺氧，使浮游动物和鱼类无法生存。加上藻类分泌致臭、致毒物而严重影响水质。（二）评价水体富营养化的方法与AGP评价水体富营养化的方法：1.观察蓝藻等指示生物；2.测定生物的现存量；3.测定原始生产力；4.测定水体透明度；5.测定氮和磷等导致富营养化的物质。AGP即藻类生产的潜在能力。把特定的藻类接种在天然水体或废水中，在一定的光照度和温度条件下培养，使藻类增长到稳定期为止，通过测干重或细胞数来测其增长量。此即藻类生产的潜在能力（AGP）。（三）防止水体富营养化防止天然水体富营养化的根本措施是将各种污水和废水中的氮和磷的排放量控制在低的水平。目前我国规定污水处理厂出水的氨氮控制在15mg/L以下。欧洲的标准是5mg/L以下。而磷的排放量尚未规定。第二章微生物在环境物质循环中的作用第一节氧循环第二节碳循环第三节氮循环第四节硫循环第五节磷循环第六节铁循环第一节氧循环人和动物呼吸微生物有机物分解O2植物藻类O2光第二节碳循环一、纤维素的转化二、半纤维素的转化三、果胶质的转化四、淀粉的转化五、脂肪的转化六、木质素的转化七、烃类物质的转化一、纤维素的转化纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子式：(C6H10O5)1400~10000纤维素在微生物酶的作用下，分解为葡萄糖。这类微生物主要有细菌、放线菌和真菌等。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、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。半纤维素的分解过程如下：三、果胶质的转化果胶质存在于植物细胞壁和细胞间质中，造纸、制麻废水多含有果胶质。天然的果胶质不溶于水，称原果胶。果胶质水解生成的果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇等在好氧条件下分别为二氧化碳和水，在厌氧条件下进行丁酸发酵，产物有丁酸、乙酸、醇类、二氧化碳和氢气。好氧分解果胶质的微生物有：枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。四、淀粉的转化淀粉的种类包括：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）之中。凡是以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。脂肪被微生物分解的反应式如下：甘油的转化六、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。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、烃类物质的转化炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂的废水均含有芳香烃。酚和苯的分解菌有假单胞菌，铜绿色假单胞菌及苯杆菌等。苯的代谢如下：第三节氮循环一、微生物转化氮素物质的一般途径二、氨化作用三、硝化作用四、反硝化作用五、固氮作用六、其它含氮物质的转化一、微生物转化