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1、污染處理生力軍生物降解,參與人：張自愿 林輝 2010年12月12日,有許多微生物及其活動對人類都是有益的，比如在釀造業(yè)、石油發(fā)酵、抗生素藥品生產(chǎn)中等，微生物都起著重要作用，但是事物發(fā)展都是辯證的，環(huán)境中的藍(lán)藻、綠藻中的某些種，若過度生長，將引起湖泊發(fā)生“水華”和海洋發(fā)生赤潮，污染控制微生物學(xué)正在研究這些問題，生物降解也成了污染處理的有力手段。,Tips,生物降解概述 微生物對無機污染物的轉(zhuǎn)化 廢水生物處理基本原理 堆肥化處理 污染環(huán)境的生物修復(fù) 環(huán)境污染的微生物檢測,1.1 生物降解概述,生物降解，biodegradation，簡單來說是某些物質(zhì)（尤其是環(huán)境污染物）在生物或其酶的作用下分解的

2、過程。 生物降解是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程中偶那個的重要一環(huán)，研究難降解污染物的降解是當(dāng)前生物降解的主要課題。,生物降解有很多種定義，單從污染處理以及可降解材料方面講，我們可以概括生物降解定義為： 一種環(huán)境友好型生物降解聚合物材料可通過自然界中的微生物（如細(xì)菌、真菌和藻類）的作用而降解生成二氧化碳和水，或者伴有自然發(fā)生的水解過程，而不產(chǎn)生任何有毒的中間產(chǎn)物，并且最終沒有有毒或者對環(huán)境有害的殘余物留下。即使有殘留物，也必須是天然的，即是生物相容的（如真菌）或是惰性的（如礦物填料）。,具體的來說，生物降解分為三種基本類型：Primary biodegradation初級生物降解:指的是母體化合物的結(jié)構(gòu)

3、發(fā)生變化，并改變原化合物分子的完整性；Environmentally acceptable biodegradation環(huán)境兼容性降解:是指可除去有機污染物的毒性或者人們所不希望的特性；Ultimate biodegradation完全生物降解:指的是有機污染物經(jīng)過礦化轉(zhuǎn)化后轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水以及其他的可利用的無機鹽。,1.2 生物降解性,化學(xué)結(jié)構(gòu)是決定化合物生物降解性的主要因素，一般一種有機物其結(jié)構(gòu)與自然物質(zhì)越相似，就越容易降解，結(jié)構(gòu)差別越大，就越難降解。 具有不常見取代基和化學(xué)結(jié)構(gòu)使部分化學(xué)農(nóng)藥難于生物降解而殘留。比如塑料薄膜等因分子體積過大而抗降解，造成白色污染。,1.3 評價化合物的生

4、物降解性,微生物學(xué)方法：通常使用純培養(yǎng)在最適條件下研究化合物的降解，降解性是被高估的。 環(huán)境學(xué)方法：著眼于化學(xué)物在受污染水體和土壤中的降解性，通常使用取自污染區(qū)域或廢水處理廠的混合微生物源或模擬自然條件培養(yǎng)與實驗室的混合微生物培養(yǎng)物來進(jìn)行試驗研究。對所得結(jié)果的評價更接近于野外的實際情況。,聚合物結(jié)構(gòu)和材料組成對降解的影響,1.4 影響生物降解的因素,外因： 水 溫度 PH值 氧氣,內(nèi)因 化合物的結(jié)構(gòu) 官能團(tuán) 支化和交聯(lián) 材料的表面特征,生物降解的三種作用方式,生物的物理作用：由于生物細(xì)胞的增長而使物質(zhì)發(fā)生機械性的毀壞； 生物的化學(xué)作用：微生物對聚合物的作用而產(chǎn)生新的物質(zhì) 酶的直接作用：微生物侵

5、蝕部分導(dǎo)致材料分裂或者氧化崩裂。,1.5 降解性質(zhì)粒,污染物的生物降解反應(yīng)和其他生物反應(yīng)本質(zhì)上都是酶促反應(yīng)，降解過程中大部分降解酶是由染色體編碼的，但其中有些酶，特別是降解難降解化合物的酶類是由質(zhì)粒控制的，這類質(zhì)粒被稱為降解性質(zhì)粒（catabolic plasmids). 細(xì)菌中的降解性質(zhì)粒和分離的細(xì)菌所處環(huán)境污染程度密切相關(guān)，從污染地分離到的細(xì)菌50%以上含有降解性質(zhì)粒，與從清潔區(qū)分離的細(xì)菌質(zhì)粒相比，不但數(shù)量大，其分子也大，信息量也更大，被廣泛深入研究的質(zhì)粒見附表。,2 微生物對無機污染物的轉(zhuǎn)化,2.1 汞的生物學(xué)轉(zhuǎn)化 汞所造成的環(huán)境污染最早受到關(guān)注，日本的水吳病就是由于使用了含有告訴富集甲

6、基汞的魚和貝類而造成的汞中毒癥，環(huán)境中最主要的汞污染源是氯堿工業(yè)。 汞的微生物轉(zhuǎn)化包括三個方面：無機汞的甲基化，無機汞還原成元素汞，甲基汞和其他有機汞化合物裂解并還原成元素汞。,包括梭菌、脈孢菌、假單胞菌等和愈多真菌在內(nèi)的微生物都具有甲基化汞的能力。 能使無機汞和有機汞轉(zhuǎn)化為單質(zhì)汞的微生物也被稱為抗汞微生物，包括銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌等。 微生物的抗汞功能是由質(zhì)?？刂频?，編碼有機汞裂解酶和無機汞還原酶的是mer操縱子。,在被污染的河泥中存在一些抗汞細(xì)菌，能把甲基汞和離子汞還原成元素汞，亦可把苯基汞、乙基汞轉(zhuǎn)化為元素汞和甲烷：,2.2 鐵的生物轉(zhuǎn)化,鐵是生物體中重要的微量元素

7、，自然界中有許多微生物對鐵的轉(zhuǎn)化起著重要的作用，如氧化亞鐵硫桿菌在酸性環(huán)境中能將低鐵氧化成高鐵。,球衣細(xì)菌和纖發(fā)細(xì)菌亦可將低鐵氧化為高鐵，高鐵常以氫氧化鐵的形式沉積在衣鞘上。 在含有亞鐵鹽的工業(yè)廢水中，亞鐵被氧化形成不溶性的高鐵，廢水雖得到凈化，但水中貼的沉積物大量積累與不斷增生的絲狀菌體粘合在一起，會造成管道堵塞。,2.3 鎘的生物轉(zhuǎn)化,鎘是毒性很強的金屬，在礦石的熔煉過程中，常有大量的鎘排出。鎘也是汽油添加劑的重要成分，隨著汽油的消耗而被排入大氣。進(jìn)入水體中的鎘，能通過食物鏈被富集放大，也能以元素的形式直接被富有生物和高等生物吸收。 蠟狀芽孢桿菌、大腸埃希氏菌和黑曲霉等，在含二價鎘化合物中

8、生長時，體內(nèi)能濃縮大量的鎘。能使鎘甲基化的假單胞桿菌，在有維生素B12存在條件下，能將二價鎘化物轉(zhuǎn)化生成少量的揮發(fā)性鎘化物。,2.4 鉛的生物轉(zhuǎn)化,鉛在地球上分布很廣，用途也非常廣泛。主要用作電纜、蓄電池、合金、防放射線材料等，也是油漆、農(nóng)藥、醫(yī)藥的原料，鉛化物可造成環(huán)境污染。 微生物可使鉛甲基化，產(chǎn)生四甲基鉛（具有揮發(fā)性）。純培養(yǎng)的假單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、黃桿菌屬、氣單胞菌屬種的某些種，能將乙酸三甲基鉛轉(zhuǎn)化生成四甲基鉛，但不能轉(zhuǎn)化無機鉛。,3 廢水生物處理基本原理,廢水生物處理的作用原理概括起來說，是通過微生物酶的作用，將廢水中的污染物氧化分解。 在好氧條件下污染物最終被分解成二氧化碳和水；

9、厭氧條件下污染物最終形成甲烷、二氧化碳、硫化氫、氮以及有機酸和醇等。,在廢水生物處理裝置中微生物主要以活性污泥（activated sludge)和生物膜(biomembrance)的形式存在，在廢水厭氧生物處理的UASB反應(yīng)器中，微生物還能以顆粒污泥（granular sludge)的形式存在。 它們具有很強的吸附和氧化分解有機物的能力，又具有良好的沉降性能，經(jīng)處理后的廢水能很好的進(jìn)行泥水分離，澄清水排走，使廢水得到凈化。,3.1 活性污泥法,活性污泥法處理廢水的實質(zhì)，是在充分曝氣供氧條件下（好氧處理），以廢水中有機污染物質(zhì)作為底物，對活性污泥進(jìn)行連續(xù)或者間歇培養(yǎng)，并將有機污染物質(zhì)無機化的過

10、程。 活性污泥是由復(fù)雜的微生物群落與廢水中的有機、無機固體物混凝交織在一起構(gòu)成的絮狀物。這種處理方法對生活污水的BOD5去除率可達(dá)95%，去除懸浮固體也達(dá)到90%左右，是一種應(yīng)用最廣的好氧二級處理方法。,3.1.1 活性污泥法的工藝流程,活性污泥法的處理過程相當(dāng)于一個有部分細(xì)胞回流的完全混合的均一連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)。進(jìn)入曝氣池的污水與污泥相接觸，使污水得到凈化，凈化過程包括兩種作用： 一是生化作用，污水中的有機物為微生物所代謝； 二是物理吸附、化學(xué)分解等物理、化學(xué)作用。,3.1.2 活性污泥的組成與性質(zhì),活性污泥在曝氣池中呈懸浮狀態(tài)，而在沉淀池中因其重力而沉淀實現(xiàn)固液分離，沉淀下來的活性污泥被連續(xù)回

11、流到曝氣池，以維持污水處理所需的一定污泥濃度。多余的污泥被排除。（見流程圖）,污水處理過程中的微生物是一個按一定需要組合起來適應(yīng)污水的極為復(fù)雜的群落。它包括細(xì)菌、真菌、藻類、原生動物和極少數(shù)的后生動物。其中異養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量最多，作用最大，除膨脹的活性污泥外，真菌一般數(shù)量較少，藻類也少，相當(dāng)數(shù)量的原生動物起重要作用。 活性污泥法一般用自然的混合微生物群體來處理污水，也可以用人工選育的（包括從自然環(huán)境中分離或者遺傳工程菌）一種或多種微生物組合菌群。,3.2 生物膜法,生物膜法也是一種常用的生物處理方法。凈化污水的主要原理是附著在濾料表面的生物膜對污水中有機物的吸附和氧化分解作用。 根據(jù)介質(zhì)與污水的不

12、同接觸方式，又有不同的處理裝置與方法，包括生物濾池法、生物轉(zhuǎn)盤法、生物接觸氧化法等。,3.2.1 生物膜的功能,生物膜的功能和活性污泥法中的活性污泥相同，其微生物的組成也類似。由于微生物固著生長在固體膜表面，故生物膜中的生物相當(dāng)豐富，形成由各種微生物所構(gòu)成的一個較穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中各微生物協(xié)同合作完成對污泥的降解處理。,3.2.2 生物濾池的工作原理,普通生物濾池是由池體、濾料、布水系統(tǒng)、排水體統(tǒng)等組成。 廢水通過布水器均勻地分布在濾池表面。沿濾料空隙自上而下流動。 在供氧充足的條件下，好氧微生物在濾料表面迅速繁殖，這些微生物又進(jìn)一步吸附廢水中呈懸浮、膠體和溶解狀態(tài)的有機物質(zhì)，并隨著有

13、機物被分解的同時，微生物也不斷的增長和繁殖，使生物膜厚度不斷增加。當(dāng)生物膜上的微生物老化或者死亡，濾池中由于某些蠅類的幼蟲活動以及在水流的沖刷下，生物膜將從濾料表面上脫落下來，然后隨廢水流出池外。,3.3 厭氧處理系統(tǒng),厭氧處理體統(tǒng)用來處理高濃度有機污水，處理過程殺死各種病原微生物，去除有機物，并獲得大量的沼氣作為能源，因此也稱為沼氣發(fā)酵。,從復(fù)雜的有機物（糖類，蛋白質(zhì)、脂類）變成甲烷，要經(jīng)歷一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程。首先在發(fā)酵細(xì)菌作用下，有機物被解聚，轉(zhuǎn)化成脂肪酸、乙醇、CO2、H2、NH3.而后產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸的細(xì)菌把乙醇和脂肪酸（主要是丙酸、丁酸和長鏈脂肪酸）轉(zhuǎn)化成乙酸、H2、CO2。最后乙酸的

14、甲基被直接還原產(chǎn)生甲烷，CO2被還原也產(chǎn)生甲烷。,3.4 水體富營養(yǎng)化及氮、磷去除技術(shù),水體富營養(yǎng)化（entrophication）是指大量溶解性營養(yǎng)鹽類進(jìn)入水體，使水中藻類等浮游生物大量生長繁殖，而后因此異養(yǎng)微生物旺盛代謝活動，耗盡了水體中的溶解氧（dissolved oxygen)，水質(zhì)變差，導(dǎo)致其他水生生物死亡，破壞水體生態(tài)平衡的現(xiàn)象。 其中氮和磷是兩種造成水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)元素。,3.4.1 控制水體富營養(yǎng)化的措施,化學(xué)藥劑控制：使用硫酸銅，適用于水體面積小的水域。 生物學(xué)控制：可以利用接種寄生于藻類的細(xì)菌，比如粘細(xì)菌、壺菌等來抑制藻類生長，但此法尚未在天然水體范圍內(nèi)實驗。 攪動水

15、層：表層水為藻類生長區(qū)，可以通過人工攪動破壞水體的分層現(xiàn)象，來控制藻類生長。 對二級生化處理的排出水進(jìn)行脫氮和除磷。,3.4.2 氮去除技術(shù),生物脫氮的代表工藝流程是缺氧-好氧（A-O(anxic-oxic)系統(tǒng)。污水流經(jīng)系統(tǒng)的缺氧池、好氧池和沉淀池，并將好氧池的混合液和沉淀池的污泥同時回流至缺氧池。廢水中的含氮化合物可在厭氧池、好氧池中發(fā)生氨化作用，在好氧池中發(fā)生硝化作用，回流混合液把大量硝酸鹽帶回厭氧池進(jìn)行反硝化作用，氮化物被轉(zhuǎn)化成N2O和N2，從而揮發(fā)到空氣中，達(dá)到脫氮的目的。,3.4.3 磷去除技術(shù),生物脫磷的代表性工藝流程是厭氧-好氧（A-O（anaerobic-oxic)系統(tǒng)。污泥

16、中的細(xì)菌在厭氧條件下吸收低分子的有機物（如脂肪酸），同時將細(xì)胞原生質(zhì)中聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來，取得必要的能量，在隨后的好氧條件下，所吸收的有機物將被氧化并提供能量，同時從廢水中吸收超過其生長所需的磷，并以聚磷酸鹽的形式儲存起來。通過排放污泥達(dá)到去磷的目的?；钚晕勰嗟拿摿准?xì)菌主要是不動桿菌屬，氣生單胞菌屬，假單胞菌屬的細(xì)菌。,3.5 生態(tài)工程處理方法,污水處理生態(tài)工程是生態(tài)學(xué)原理和工程處理設(shè)施相結(jié)合的污水處理方法。由于這種處理方法和污水的資源化密切相關(guān)，因此也稱為污水資源化生態(tài)工程。 穩(wěn)定塘（氧化塘）、土地處理系統(tǒng)、水生植物處理系統(tǒng)等都可以劃歸這個范圍，污水生態(tài)工程處理方法與常規(guī)的二級處理

17、方法相比，具有投資少、運行管理費用低的優(yōu)點，同時處理后的出水可以被再生利用，進(jìn)行資源化。,4 堆肥化處理,堆肥化是處理有機廢棄物（生活垃圾及其他無毒廢棄物）的主要方法，是有控制地促進(jìn)可被生物降解的有機物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程。堆肥產(chǎn)品是具有一定肥力的有機肥，具有保護(hù)環(huán)境和資源化的雙重效果。因氧的狀態(tài)而分為好氧堆肥和厭氧堆肥。,4.1 好氧堆肥,好氧堆肥的基本生物化學(xué)過程與污水生物處理相似，但堆肥處理只進(jìn)行到腐熟階段，并不需有機物的徹底氧化。 好氧堆肥從堆積到腐熟，微生物在分解有機物的生物化學(xué)過程中，改變了周圍環(huán)境，自身的群落組成也發(fā)生一系列變化。 這個過程大致可分為中溫需氧微生物為主

18、的中溫階段（產(chǎn)熱階段）、嗜熱微生物占主導(dǎo)的高溫階段和嗜溫微生物（最適溫度為中溫，能耐受高溫）為主的降溫階段。,4.2 厭氧堆肥,厭氧堆肥即沼氣化，是將堆料在與空氣隔絕的條件下堆制發(fā)酵。其機制與污水處理中的厭氧消化相似，最終可產(chǎn)生甲烷，二氧化碳等產(chǎn)物。 該技術(shù)在城市下水道污泥、農(nóng)業(yè)固體廢棄物（農(nóng)作物秸稈等）和糞便處理中得到廣泛應(yīng)用。,5 污染環(huán)境的生物修復(fù),生物修復(fù)時微生物催化降解有機污染物，轉(zhuǎn)化其他污染物從而消除污染的一個受控或自發(fā)進(jìn)行的過程。 目前生物修復(fù)技術(shù)主要用于土壤、水體（包括地下水）、海灘的污染治理以及固體廢棄物的處理。主要污染物是石油烴及各種有毒有害難降解的有機污染物。,生物修復(fù)的

19、本質(zhì)是生物降解，能否成功取決于生物降解速率，在生物修復(fù)中可以采取強化措施以促進(jìn)生物降解：1、接種微生物，增加降解微生物數(shù)量，提 高降解能力2、添加微生物營養(yǎng)鹽3、提供電子受體4、提供共代謝底物5、提高生物可利用性6、添加生物降解促進(jìn)劑,6 環(huán)境污染的微生物監(jiān)測,生態(tài)環(huán)境中的微生物是環(huán)境污染的直接承受者，環(huán)境狀況的任何變化都對微生物群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能產(chǎn)生影響，因此可以用微生物只是環(huán)境污染。,6.1 糞便污染指示菌,總大腸菌群是最基本的糞便污染指示菌，最常用的水質(zhì)指標(biāo)之一。 監(jiān)測水體中總大腸菌群的方法主要是: MPN（most probable number)實驗法 膜濾實驗法（membrane

20、filtration test),6.2 致突變物的微生物檢測,環(huán)境污染物的遺傳學(xué)效應(yīng)主要體現(xiàn)在污染物的致突變作用，致突變作用是致癌和致畸的根本原因，微生物由于生長快的特點，微生物監(jiān)測被公認(rèn)是對致突變物最好的初步快速檢測方法。 現(xiàn)在被廣泛使用的是美國Ames教授等建立稱為Ames實驗的方法。其原理是利用鼠傷寒沙門氏菌（salmonella typhimurium)的組氨酸營養(yǎng)缺陷型菌株在致突變物的作用下發(fā)生回復(fù)突變的性能，來檢測物質(zhì)的致突變性。,6.3 硝化細(xì)菌的相對代謝率實驗,硝化細(xì)菌所進(jìn)行的把銨離子在好氧條件下氧化成硝酸根的硝化作用在生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)中有重要作用，這個過程只有微生物才能進(jìn)行。 用測定硝化細(xì)菌相對代謝率的方法檢測水及土壤中的有毒物，并以此評判水體、土壤環(huán)境及環(huán)境污染物的生物毒性，對于宏觀生態(tài)環(huán)境健康程度的評價有重要意義。,謝謝！,