微生物与环境保护

微生物与环境保护主要内容微生物对环境的污染微生物在物质循环中的作用合成化合物的生物降解水体污染的控制生物修复技术微生物对环境的污染途径水体富营养化病原微生物微生物代谢物一、水体富营养化及其控制概念成因危害控制措施1.水体富营养化定义是指大量的氮、磷等营养物质进入水体，使藻类等浮游生物异常增殖，从而破坏水体生态平衡,导致水质恶化的现象。水体富营养化现象发生在湖泊等内陆水体被称为水华（又叫水花）；发生在海洋被称为赤潮（又叫红潮）。昆明滇池水华2、我国水体富营养化的发展趋势及现状（1）湖泊（水库）A、富营养化呈急剧恶化趋势。70年代后期80年代后期90年代后期至今富营养27％富营养61％富营养85％中营养69％中营养35％中营养15％贫营养4％贫营养4％贫营养0％B、富营养化水体分布面积广泛我国已成为世界上湖泊富营养化最严重的国家之一北部呼伦湖南方深圳洪湖西部新疆博斯腾湖昆明滇池东部无锡太湖安徽巢湖050100150200250６０年代以前８０年代２０００-至今次数A、赤潮发生的频率越来越快（2）海洋2003年全海域共发现赤潮119次，其中，在赤潮监控区内发现赤潮36次。B、赤潮发生的面积越来越大几十平方公里几百平方公里几千平方公里上万平方公里2003年全海域赤潮累积面积达14550平方公里C、赤潮持续时间越来越长几天几个星期几个月1989年8月-10月黄骅发生严重赤潮，持续时间之长、致灾面积之大是国内罕见的.使沿岸养虾业遭受灭顶之灾。1999年5月15日，上海外滩赤潮1999年7月16日辽东湾夜光虫赤潮2005年6月9日浙江玉环海域发生条带状的赤潮3.水体富营养化的危害产生毒素，威胁人畜生命安全水质严重恶化，影响水厂供水水生生物大量死亡，经济损失惨重湖泊失去旅游观光价值1.产生毒素，威胁人畜生命安全据报道，在富营养化的水体中主要有微囊藻、鱼腥藻、束丝藻、裸甲藻、原甲藻等20多种藻类产生毒素。1986年，福建东山居民食用被裸甲藻污染的花蛤，造成136人中毒，1人死亡。1995年，4月，菲律宾约2万渔民食用了污染麻痹性贝毒的海产品，其中4名儿童死亡。1996年，巴西某血透中心发生一起铜绿微囊藻毒素的水进行血透的医疗事故，使131名病人中毒，其中83人发生胆汁淤积性肝病，44人死于肺衰竭。我国自20世纪60年代至今，据不完全统计，有600余人因误食含有毒贝类而中毒，至少有29人死亡。2、水质严重恶化，影响水厂供水太湖曾因蓝藻大规模的爆发，致使无锡水厂在1991、1997和2007年5月三度停止供水，引发水荒。市民大批抢购纯净水。1972年,汕头港赤潮,大量毛蚶死亡,邻近的潮汕养殖场直接经济损失36万元。1989年,河北黄骅县海域因赤潮使贝虾减产2000吨,损失过亿元。1998年,深圳、珠海海域发生赤潮，深圳网箱死鱼150吨，损失达2000万元；珠海万山群岛死鱼120吨，黄花鱼苗210万尾，损失达1500多万元。据统计，我国每年因赤潮带来的经济损失达几亿元之多。3、水生生物大量死亡，经济损失惨重4、湖泊失去旅游观光价值水体富营养化的形成和影响因素1.富营养化的形成——以湖泊为例富营养沼泽地湖泊消亡自然条件下：几百年或几千年不可逆贫营养人为条件下：贫营养几十年可逆富营养沼泽地湖泊消亡4.水体富营养化的防治㈠外环境控制——限制氮磷等营养物质进入水体1.控制城市生活污水和工业废水中氮磷的排放（提高处理率，严控直排；对污废水进行深度处理除氮磷）2.对污废水进行深度处理除氮磷。3.提倡使用无磷洗涤剂4.加强对水产养殖业的管理二内环境控制(除内源)去除水体中的氮磷、去除水体中的藻类1.去除水体中的氮磷：工程转移法、种植高等植物。2.去除水中藻类生物除藻；化学药剂除藻；机械除藻二、微生物在自然界物质循环中的作用碳素循环氮素循环硫循环磷循环碳素循环纤维素的分解途径二、氮素生物循环氮的存在形态分子态氮：存在于大气中，含量为78%有机氮化合物：包括蛋白质、核酸、其他含氮化合物无机氮化合物（氨氮和硝态氮）：植物只能利用无机氮，在动植物作用下三态相互转化，其这生物起主要作用。主要过程分子氮经生物固定为氨—生物固氮；氨态氮氧化为硝酸—硝化作用；含氮有机物分解形成氨—氨化作用；硝态氮还原为氮气—反硝化作用。NH2OH大气N2NH4+①生物固氮农田氮肥NO2-NO3-火山爆发②硝化作用(1)②硝化作用(2)NH4+生物体有机氮③硝酸盐同化作用④铵盐同化作用⑤氨化作用⑥异化性硝酸盐还原作用NON2O⑦反硝化作用⑧亚硝酸氨化作用机动车氮素循环硫循环磷的生物循环无机磷可以为植物所吸收利用，在食物链中传递，而一部分则以不溶性形式沉淀下来，离开了循环。这就是磷循环是不完全循环的原因所在。三、合成化合物的生物降解与转化农药的降解塑料的降解合成洗涤剂的降解微生物对农药的降解能力农药的化学结构决定了它被微生物降解的速率，例如2,4,5-T仅比2,4-D多一个氯原子，在土壤和水体中的降解时间就由14d增加到200d。不同农药，生物降解性由易到难依次为：脂肪酸类、有机磷酸盐类、长链苯氧基脂肪酸类、短链苯氧基脂肪酸类、单基取代苯氧基脂肪酸类、三基取代苯氧基脂肪酸类、二硝基苯类、氯代烃类。参与农药降解的微生物细菌中的假单胞菌属、棒状杆菌属、无色杆菌属、节杆菌属、芽胞杆菌属、产黄杆菌属等；放线菌有诺卡氏菌属、链霉菌属等；真菌有木霉属、曲霉属、青霉属、酵母属等。非酶方式有：①以两种方式促进光化学反应的进行，微生物的代谢物作为光敏物，吸收光能并传递给农药分子或以微生物的代谢物作为电子受体或供体。②通过改变pH值发生作用。③通过产生辅助因子促进其他反应进行。微生物代谢农药的途径氧化、还原、酰胺及酯的水解、缩合或共轭形成等，使农药脱卤、脱烃、环裂解。农药的微生物降解与转化的结果：①解毒作用，将农药降解为无毒物质；②结合作用，农药被结合，产物虽然更复杂但多数为无毒物；③改变毒性谱，农药被代谢后，受其毒害的生物种类发生改变；④活化作用，农药被转变为更毒的或致癌的物质；⑤消效作用，原来具有潜在毒作用的物质被转化为无毒物。影响农药生物降解的因素（1）环境因素有气候条件（温度、降水、风、光照等）；土壤特性（好氧∕厌氧状态、有机质含量、pH、矿物质等）；生物群落（植物、动物、微生物）。（2）农药本身性质农药的组分、剂型进入土壤后都会对微生物及土壤的理化性质产生影响，从而间接影响农药的转化；这些组分同样会影响到农药的挥发性和移动性，进而影响到农药的转化和光降解。（3）农药间的相互作用由于同时或先后使用多种农药，有时则是将几种农药混合配用，就必然存在农药间的相互作用。这种相互作用会产生以下三种影响：增加降解速率、增加持久性、农药间或其残留物间结合形成混合物。（4）农业措施农药的施用方法、栽培技术及农作物本身都可影响到农药在土壤中的持久性。塑料的生物降解合成塑料对环境的污染特点：（1）污染范围广（2）污染物增长量快（3）处理难（4）回收利用难（5）生态环境危害大微生物对合成塑料的降解能力能降解增塑剂的微生物有：铜绿假单胞菌和气单胞菌、诺卡氏菌、节杆菌中的某些种。可生物降解的塑料（PHA）PHA就是采用微生物发酵法生产的聚羟基烷酸。能合成PHA的主要微生物有：产碱杆菌属、假单胞菌属、甲基营养菌、固氮菌属、红螺菌属等，它们分别利用不同的碳源生产不同的PHA能降解PHAs的微生物细菌、放线菌和霉菌，如粪产碱杆菌、勒氏假单胞菌、德氏假单胞菌和单纯青霉等。在不同的pH、温度环境中，降解PHAs的主导微生物也不同。通常情况下，PHAs厌氧降解比有氧降解快。多氯联苯的生物降解多氯联苯（PCB）是人工合成的有机氯化合物，具有耐酸、耐碱、耐热、绝缘性高、化学稳定性高、脂溶性高等特点。常用作电器设备的绝缘油、化学工业的载热剂、塑胶产品中的软化剂和油漆油墨中的添加剂。PCB有毒，是一种致癌物，在环境中难于分解，能通过食物链富集，对生态系统构成严重威胁。降解PCB的微生物细菌中的假单胞菌属、弧菌属、气单胞菌属、微球菌属、芽孢杆菌属、产碱杆菌属和不动杆菌属；放线菌中的链霉菌属、小球诺卡氏菌属；真菌中的白腐霉、根霉属、曲霉属及热带假丝酵母、红色假丝酵母、解酯假丝酵母、酿酒酵母等。合成洗涤剂的生物降解从土壤、污水和活性污泥中分离到能以表面活性剂为唯一碳源和能源的微生物，主要是微球菌、假单胞菌、黄杆菌、邻单胞菌、产碱杆菌等。表面活性剂的生物降解机理主要是烷基上的甲基氧化、β氧化、芳香环的氧化降解和脱磺化。（1）甲基氧化主要是亲油基末端的甲基氧化为羧基。（2）β氧化是羧基被氧化，末端的两个碳断裂、分解。（3）芳香族化合物的氧化是苯酚、水杨酸等化合物的开环反应。首先生成邻苯二酚，然后在两个羟基中间开环，经过二羧酸，最后被彻底降解。（4）脱磺化过程是脱磺基的过程。四、微生物在水污染治理中的作用(一)水体的自净作用水体自净：污染物排入江河或其它水域后，经过扩散、稀释、沉淀、氧化、受微生物的作用而分解等，使水体可基本上或完全恢复到原来的状态，这个过程称为水体自净。水体的自净能力是有限的，如果排入水体的污染物数量超过某一界限时，将造成水体的永久性污染，这一界限称为水体的自净容量或水环境容量。好氧细菌厌氧细菌光能自养型微生物水体自净的天然过程：(二)污、废水生物处理方法分类区别好氧生物处理法厌氧生物处理法有机物降解彻底不彻底耗时短长臭气无臭气大且出水颜色深曝气设备需要、较复杂不需要动力消耗大小且产能处理有机物浓度不能过高很高构筑物容积很大较大处理对象城市污水或其它低浓度有机废水高浓度有机废和污泥达标排放一般可以需与好氧方法联用才能达标排放常见类型活性污泥法、生物膜法厌氧消化法活性污泥法中的微生物及其作用一、活性污泥的性质和生物相1．活性污泥的形态1）外观形态：活性污泥（生物絮凝体）为黄褐色絮凝体颗粒：2）特点：(1)颗粒大小：Φ=0.02～0.2mm(2)表面积：20～100cm2/mL(3)(2000～10000)m2/m3污泥活性污泥形状图2、活性污泥生物相生物相主要有：细菌、原生动物、霉菌、轮虫、线虫等。细菌以菌胶团形式构成活性污泥的主体、丝状微生物是活性污泥的骨架。由于活性污泥表面积很大（2000～10000m2/m3混合液），具有很强的吸附能力，可以吸附废水中的有机物。废水与活性污泥接触后，其中有机质可以在约1～30min的短时间内被吸附到活性污泥上。还可以吸附某些金属离子，使之与有机物形成络合物而得以去除。1、生物吸附活性污泥法的生物净化机理2、氧化分解有机物O2有机质＋微生物＋氧微生物细胞增长CO2、H2O、SO42－、NH3、PO43－等＋能量热能释出随水排出3、其它微生物吸收或吞食未分解彻底的有机物。O2有机质＋微生物＋氧微生物细胞增长CO2、H2O、SO42－、NH3、PO43－等＋能量热能释出随水排出O2有机质＋微生物＋氧微生物细胞增长CO2、H2O、SO42－、NH3、PO43－等＋能量热能释出随水排出O2有机质＋微生物＋氧微生物细胞增长CO2、H2O、SO42－、NH3、PO43－等＋能量热能释出随水排出O2有机质＋微生物＋氧微生物细胞增长CO2、H2O、SO42－、NH3、PO43－等＋能量热能释出随水排出O2有机质＋微生物＋氧微生物细胞增长CO2、H2O、SO42－、NH3、PO43－等＋能量热能释出随水排出活性污泥中微生物的指示作用1、原生动物和微型后生动物的指示作用在污水处理生态系统中形成了一条特定的食物链，即细菌→植物性鞭毛虫→肉足虫→动物性鞭毛虫→游泳型纤毛虫、吸管虫→固着型纤毛虫→轮虫。2、丝状微生物的指示作用丝状微生物附着于菌胶团上或与之交织在一起，成为活性污泥的骨架。其中，硫磺细菌能将水中硫化氢氧化为硫，并以硫粒形式存于体内。当水中溶解氧高时（大于1mg/L），体内硫粒可进一步氧化而消失。因此，通过对硫磺细菌体内硫粒存在与否的观察，可间接推测水中溶解氧的状况。三.活性污泥膨胀和控制对策什么是活