《微生物与环境保护.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微生物与环境保护.ppt（83页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、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。,B、富营养化水体分布面积广泛,我国已成为世界上湖
2、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,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
3、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2
4、0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
5、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,内环境控制(除内源)去除水体中的氮磷、去除水体中的藻类去除水体中的氮磷：工程转移法、种植高等植物。2.去除水中藻类 生物除藻
6、；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。,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
7、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
8、方式有：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。通过改变pH值发生作用。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：,解毒作用，将农药降解为无毒物质；结合作用，农药被结合，产物虽然更复杂但多数为无毒物；改变毒性谱，农药被代谢后，受其毒害的生物种类发生改变；活化作用，农药被转变为更毒的或致癌的物质；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（
9、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
10、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
11、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
12、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、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）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
13、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,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：=0.020.2 mm(2)表面积：20100 cm2/mL(3)(200010000)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。
14、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（200010000m2/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130min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,3、其它微生物吸收或吞食未分解彻底的有机物。,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
15、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,什么是活性污泥膨胀？正常的活性污泥颗粒体积膨胀，继而分裂为沉降性很差的小颗粒污泥，引起二沉池池面飘泥严重，出水水质急剧变差的现象。本质污泥密度变小或黏附能力下降。分类：1.非丝状菌污泥膨胀 2.丝状菌污泥膨胀(95污泥膨胀)两类,A.设调节池(及事故池)控制高负荷（BOD、毒物）
16、冲击B.控制溶解氧溶解氧浓度必须控制在34mg/L。C 调节废水的营养配比尽量逼近BOD5与N和P的比例BOD5：N：P100：5：1。补N尿素或含氮量高的污泥消化池上清液补P磷酸钠D.改革工艺将活性污泥法改为生物膜法在曝气池中加填料改为生物接触氧化法,如何预防污泥膨胀？,生物膜中微生物及其作用,生物填料表面附着的生物薄膜进行污染物降解的生物处理法。于19世纪末，在研究土壤净化污水的过滤田的基础上，开发并应用于生产。由于效果不如后来出现的活性污泥法，一度被长期搁置，60年代以后，由于新型合成材料的大量生产和环境保护对于水要求的进一步提高，生物膜法又获得了新的发展。,生物膜的微生物组成,生物膜主
17、要是由菌胶团和丝状菌组成，此外还有原生动物、藻类和后生动物，还能栖息一些增殖极慢的肉眼可见的无脊椎动物。,厌氧污泥中的微生物及其作用,废水的厌氧处理主要用于高浓度有机废水的前处理;厌氧法的优点1产生的沼气可用于发电或作为能源,沼气中的主要成分是甲烷，含量5075%之间，是一种很好的燃料。以日排COD10t的工厂为例，若COD去除率为80%，甲烷产量为理论的80%时，则可日产甲烷2240m3,其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度电。,2对营养物的需求量少好氧方法BOD：N：P=100：5：1，而厌氧方法为（350500）：5：1，相比而言对N、P的需求要小的多，因此厌氧处理时可以不添加或
18、少添加营养盐。3产生的污泥量少，运行费用低繁殖慢；不需要曝气 基于这些优点，厌氧处理在食品、酿造、制糖等工业中得到了广泛的应用。但厌氧处理也存在缺点,（二）厌氧活性污泥净化废水的作用机理,复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段水解阶段、发酵阶段（又称酸化阶段）、产乙酸阶段、产甲烷阶段,1水解阶段在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物2发酵阶段 梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等,3产乙酸阶段上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中
19、有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。4产甲烷阶段乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和以及甲烷菌细胞物质。经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。,厌氧活性污泥处理的工艺流程,其中厌氧活性污泥反应器是工艺中的核心,废水,调节池,热交换器,37,厌氧活性污泥反应器,气柜,沉淀池,出水,回流污泥,剩余污泥,EM生物技术处理污水,EM有效微生物（Effective Micro-organisms）是一种由酵母菌、放线菌、乳酸菌、光合细菌等10个属80多种微生物复合而成的多功能微生物群。它既有分解性细菌，又有合成性细菌，
20、既有厌氧菌、兼性菌，又有好氧菌。其特点是微生物类群多、结构稳定、对污染物分解能力强等。,五、微生物修复技术,微生物修复技术的基本原理污染环境微生物修复技术的应用,主要利用生物特有的分解有毒有害物质的能力去除污染环境中的污染物达到清除环境污染的目的。于上世纪80年代开始出现和发展。分类：微生物修复（狭义的生物修复）植物修复 动物修复 生态修复,韩国良才川水质生物生态修复设施橡胶坝,日本渡良濑蓄水池的人工湿地,生物修复技术的概念,生物修复技术是采用诸如提高通气效率、补充营养、投加优良菌种、改善环境条件的办法来提高微生物的代谢作用和降解活性水平，以促进对污染物的降解速度，从而达到治理环境污染的目的。
21、,成功例子,1989年3月，在美国阿拉斯加，超级油轮Bxxon Valdez号4万立方米的原油5h内全部泄露，影响遍及1450Km的海岸。Bxxon公司和环保局马上开始了所谓的“阿拉斯加研究计划”，主要是在沿岸添加两种亲油的微生物营养组分，促使沉积物表面和次表面的异养菌和石油降解菌的数量增加了两个数量级，石油污染的降解速度大大提高，最终净化过程加快了近两个月。80年代初，纽约长岛汽油泄露，大约106t汽油进入土壤和地下水，他们采用了添加双氧水作为供养体进行生物修复处理，21个月有效去除了土壤中的汽油，处理后土壤中汽油含量已经低于检测限。,目前生物修复有三大特点,欧洲国家都是对传统废物的处理系统
22、的强 化和改进，开发许多有前景的环境产品美国侧重不同污染地的土壤和水体的整治和修复日本重点放在全球性的环境修复,一、微生物修复的基本原理,1.基本类型 原位生物修复：对被污染的介质不作搬运转移而 直接在原污染点进行的修复处理过程。异位生物修复：通过某种方法将污染介质转移到污染现场附近或之外进行处理的方法。,生物修复技术的优点,1.环境影响小，不会造成二次污染 2.最大限度地降低污染物浓度 3.应用范围有独特优势，地下，建筑物下等地 4.可同时处理污染的土壤和地下水 5.费用低,生物修复技术有其自身的局限性,1微生物不能降解所有进入环境的污染物，污染物的难生物降解性、不溶性以及与土壤腐殖质或泥土
23、结合在一起常常使生物修复不能进行。2生物修复需要对地点的状况和存在的污染物进行详细而昂贵的具体考察，如在一些低渗透性的土壤中可能不宜使用生物修复技术，因为这类土壤或在这类土壤中的注水井会由于细菌生长过多而阻塞。,3特定的微生物只降解特定类型的化学物质，状态稍有变化的化合物就可能不会被同一微生物酶破坏。4微生物活性受温度和其他环境条件影响。5有些情况下，生物修复不能将污染物全部去除，因为当污染物浓度太低不足以维持降解细菌一定数量时，残余的污染物就会留在土壤中。,国内外学者对生物修复技术研究领域,（1）生物修复机理及影响因素；（2）降解环境的人工优化；（3）微生物处理与植物处理各种修复处理手段相结
24、合的技术；（4）高效降解茵株的筛选和基因工程茵的开发；（5）各种酶在生物修复中的应用；,用于生物修复的微生物,1）土著微生物（native microorganisms）降解污染物的潜力最大。外来微生物在环境中难以保持较高的代谢活性。工程菌的应用受到严格的限制 化学物品的降解是分步进行的 需要多种酶和多种微生物的参与,2）外来微生物,土著微生物生长速度太慢、代谢活性不高，或者由于污染物的存在而造成土著微生物数量下降，因此需要接种一些降解污染物的高效菌。例如，处理2-氯苯酚污染的土壤时，只添加营养物，7周内2-氯苯酚浓度从245mgL降为105mgL，而同时添加营养物和接种恶臭假单胞菌（Pput
25、ida）纯培养物后，4周内2-氯苯酚的浓度即有明显降低，7周后仅为2mgL。,3）基因工程菌,降解基因能有效地降解污染物 将甲苯降解基因转移给受体菌，使之在0 C 能降解甲苯。基因工程菌引入现场环境后会与土著微生物菌群发生激烈的竞争，基因工程菌必须有足够的存活时间，其目的基因方能稳定地表达出特定的基因产物特异的酶。如果在环境中基因工程菌最初没有足够的合适能源和碳源，就需要添加适当的基质促进其增殖并表达其产物。,土壤污染物微生物修复,土壤原位生物处理 土地处理、直接或间接利用高等植物分解的有机物生物修复、通风生物修复法土壤异位生物处理 对非、土壤堆积、反应器处理,地下水生物修复,原位处理法地上处
26、理法（抽取-处理技术）,污染地表水的生物修复,截断污染源实施清淤增加水体供氧速率、强化有氧呼吸的微生物的净化作用 例子；英国泰晤士河污染水体的修复,工程实施过程中在一些受污染的海滩有控制地添加两种亲油的微生物营养成分，然后采样分析添加营养成分的速度对促进生物降解油的效果。加入营养成分后，海滩沉积物表面和次表面的异养菌和石油降解菌的数量增加了1个2个数量级，石油污染物的降解速度提高了2倍3倍，使净化过程加快了近两个月。这个研究项目还表明了以下两个事实：在油泄漏后不久就出现生物降解；营养素的加入并未引起受污染海滩附近海洋环境的富营养化。由此，生物修复技术成为一种为人们接受的油泄漏治理方法。,实例1
27、 80年代初纽约长岛汽油站发生汽油泄漏，约有106t汽油进入附近土壤和地下水中，后回收了未被土壤吸附的汽油约82t，但仍有相当多的汽油残留在土壤中。1985年4月开始在该地进行生物修复处理，采用双氧水作为供氧体，在21个月中有效地去除了土壤中吸附的汽油，估计通过生物作用去除的汽油约为17.6t，占总去除量的72。经过生物修复处理后，土壤中的汽油含量已低于检测限。,实例2 美国一块2.8104m2的土地多年来作为石油废弃物的堆置场，受污染的土壤中含有10种金属和20多种有机物（其中有许多是挥发性的）。研究人员经过调查和试验，决定选择原位生物修复技术来处理。经处理后，土壤中总挥发性有机物浓度从3400mgL降为150mgL，苯从300mgL降为12mgL，氯乙烯从600mgL降为17mgL。整个生物修复工程耗资4700万美元，若采用其他技术，估计需耗资6300万至1.67亿美元。,
