《廢水生物處理》(第一章-微生物在環(huán)境凈化中的作用)

參考教材：1、須藤隆一著,俞輝群等編譯.《水環(huán)境凈化及廢水處理微生物學(xué)》.北京：中國(guó)建筑出版社,1988.2、C.P.LeslieGrady.Jr.,GlenT.Daigger,HenryC.Lim著,張錫輝,劉勇弟譯.《廢水生物處理》（第二版,改編與擴(kuò)充）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.3、許保玖,龍騰銳.《當(dāng)代給水與廢水處理原理》（第二版）.北京：高等教育出版社,2000.《廢水生物處理》東南大學(xué)研究生課程4/8/20241第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用§1.1微生物的特征1微生物種類(lèi)

狹義上：微生物包括細(xì)菌、真菌、病毒等；

廣義上：還包括原生動(dòng)物和藻類(lèi)等。環(huán)境微生物學(xué)必須把存在于環(huán)境中的所有微生物作為研究對(duì)象，包括細(xì)菌、真菌、病毒、微型藻類(lèi)和原生動(dòng)物，還有一部分小于1～2mm的微小后生動(dòng)物，即袋形動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物也作為微生物加以探討。4/8/202422微生物形態(tài)及與污水處理的關(guān)系（1）細(xì)菌1）細(xì)菌在污水處理中的作用與所有生物一樣，細(xì)菌從氧化反應(yīng)中移出電子，獲得能量和還原勢(shì)。廢水中本來(lái)含有的或是在處理過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物是最重要的兩類(lèi)電子供體。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/20243有些兼性菌具有發(fā)酵特性，即在無(wú)氧時(shí)利用有機(jī)化合物作為替代性最終電子受體，產(chǎn)生還原性的最終有機(jī)物。其它兼性菌能夠進(jìn)行無(wú)氧呼吸，以無(wú)機(jī)化合物作為電子受體。最重要的兼性菌是能夠完成反硝化的細(xì)菌，即將NO3

--N還原為N2，此時(shí)反硝化菌以硝酸鹽作為電子受體。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/202462）污水處理中的常見(jiàn)細(xì)菌組成活性污泥的細(xì)菌中，一般通過(guò)顯微鏡可以確認(rèn)的細(xì)菌有形成絮凝體的細(xì)菌——生枝動(dòng)膠菌和形成絲狀體的細(xì)菌——球衣菌屬。動(dòng)膠菌屬是活性污泥絮凝體的重要組成，菌體由明膠狀物質(zhì)加以包覆，經(jīng)常以指狀、樹(shù)枝狀和云狀方式增長(zhǎng)。動(dòng)膠菌所形成的絮凝體化不僅有利于細(xì)菌的淘汰，而且對(duì)污泥中的生物相起保護(hù)作用。球衣菌屬是會(huì)形成一種桿菌排列在透明鞘內(nèi)的絲狀體，而這種絲狀體往往呈假分枝狀。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/20247第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用表1-1氣桿菌屬具有固氮能力，棒桿菌屬?zèng)]有固氮能力，但卻可以在污水處理過(guò)程中作為貯存物質(zhì)而產(chǎn)生大量果聚糖。4/8/202483）細(xì)菌的形態(tài)：體型?。?.2μm～80μm），缺乏一定的形態(tài)特征。分為球菌、雙球菌、四聯(lián)球菌、八疊球菌、葡萄球菌、鏈球菌、短桿菌、桿菌、梭狀桿菌、弧菌、螺旋菌、螺旋體。經(jīng)過(guò)革蘭氏染色法處理以后，呈紫色，則判斷為革蘭氏陽(yáng)性菌；被染成淡紅色則判斷為革蘭氏陰性菌。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/20249第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用圖1-1：細(xì)菌的形狀4/8/202410細(xì)胞在核和細(xì)胞質(zhì)發(fā)生分化時(shí)，其變化最為明顯。一般認(rèn)為，核具有與遺傳有關(guān)的功能，而細(xì)胞質(zhì)則與代謝活動(dòng)有關(guān)。在這一點(diǎn)，細(xì)菌的細(xì)胞與高等植物的細(xì)胞沒(méi)有多大差別。不過(guò)在細(xì)菌的細(xì)胞中不存在被膜包圍著的核和線粒體等。細(xì)菌細(xì)胞是由含有細(xì)胞內(nèi)顆粒物和細(xì)胞內(nèi)含物的細(xì)胞質(zhì)以及核組成。有些種類(lèi)的細(xì)菌可產(chǎn)生孢子或具有鞭毛。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/202411第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用（2）真菌1）真菌在污水處理的關(guān)系在正常的活性污泥中，真菌類(lèi)不占優(yōu)勢(shì)。但是在細(xì)菌繁殖受到抑制的環(huán)境，真菌代替細(xì)菌而繁殖。因而，工業(yè)廢水或者大量接受工業(yè)廢水的城市生活污水的活性污泥中產(chǎn)生真菌類(lèi)的情況還是比較多的。如果絲狀菌顯著增長(zhǎng)，則活性污泥的沉降性能惡化，微生物不會(huì)凝聚成絮體，出水不能達(dá)到清澈排放的程度，出水水質(zhì)。4/8/202412第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用圖1-3：絲狀菌大量繁殖的形態(tài)4/8/2024132）真菌形態(tài)及分類(lèi)真菌是屬于低等植物的一個(gè)門(mén)，即菌藻植物門(mén)。包括霉菌、蘑菇和所有的酵母菌，主要以伸長(zhǎng)菌絲的方式攝取營(yíng)養(yǎng)。通?？煞譃樵寰V（phycomycetes）、子囊菌綱（ascomycetes）和半知菌綱（deuteromycetes）。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用圖1-2：真菌的形態(tài)左：毛霉屬（Mucor），右：白地霉屬（Geotricham）孢子囊孢子孢子囊中軸孢子囊柄分生孢子4/8/2024142微生物形態(tài)及與污水處理的關(guān)系（3）病毒：一般認(rèn)為是生物與非生物的中間體，普通光學(xué)顯微鏡下無(wú)法觀察到的最小微生物。只含有DNA和RNA兩者中的一種以及保護(hù)這種核酸的蛋白質(zhì)。因此，病毒幾乎不具有獨(dú)立代謝功能，只能寄生在一般動(dòng)植物或微生物的細(xì)胞內(nèi)生長(zhǎng)繁殖。寄生在微生物體內(nèi)并能產(chǎn)生溶菌現(xiàn)象的病毒稱(chēng)為噬菌體（phage），而寄生在藍(lán)藻類(lèi)的病毒叫做藍(lán)藻噬菌體（cyanophage）。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/202415第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物形態(tài)及與污水處理的關(guān)系（4）藻類(lèi)：屬于一種水生生物，也可生長(zhǎng)在潮濕的土壤、石塊、木頭等表面上，有時(shí)也可以與菌類(lèi)或動(dòng)物共生。藻類(lèi)具有葉綠素a，因而能夠利用光和作用產(chǎn)生氧氣，是所有水生動(dòng)物食物鏈的基礎(chǔ)，也是最重要的生產(chǎn)者。水中有機(jī)物生產(chǎn)的絕大多數(shù)是依靠微小藻類(lèi)，即浮游植物（phytoplankton）。藻類(lèi)細(xì)胞大小一般在5～50μm，根據(jù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和色素體不同而分為①藍(lán)藻門(mén)（cyanophyta）、②綠藻門(mén)（chlorophyta）、③硅藻門(mén)（bacillariophyta）、④金藻門(mén)（chrysophyta）和⑤甲藻門(mén)（dinophyta）等，有時(shí)也將后兩個(gè)門(mén)劃為原生動(dòng)物門(mén)鞭毛蟲(chóng)綱。4/8/202416第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物形態(tài)及與污水處理的關(guān)系（4）藻類(lèi)①藍(lán)藻類(lèi)：往往形成由單細(xì)胞或很多細(xì)胞集合而成的絲狀體，或者在瓊脂膜內(nèi)形成群體。藍(lán)藻類(lèi)除了葉綠素a和b以及藻藍(lán)素外，有時(shí)還含有藻紅素。正是這些色素使藍(lán)藻呈藍(lán)綠色或藍(lán)紫色。實(shí)際上，湖泊中形成的水華的藻類(lèi)多屬于藍(lán)藻。②甲藻類(lèi)：甲藻類(lèi)在膜一側(cè)具有長(zhǎng)短不一的兩根鞭毛，而且多數(shù)甲藻類(lèi)具有堅(jiān)硬的纖維素殼。在赤潮中經(jīng)常出現(xiàn)的藻類(lèi)中以這類(lèi)藻居多。4/8/202417第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用圖1-4：藻類(lèi)的形態(tài)1：銅銹微囊藻（Microcystisaeraginosa）；2：美麗顫藻（Oscillatoriaformosa）；3：螺旋魚(yú)腥藻（Anabaenaspiroides）；4：梅尼小環(huán)藻（Cyclotellameneghiniana）；5：被針曲殼藻（Achnatheslanceolata）；6：小毛枝藻（Stigeocloniumlenue）；7：項(xiàng)圈新月藻（Closteriummoniliforme）；8：黃群藻（Synurauvella）143287564/8/2024182微生物形態(tài)及與污水處理的關(guān)系（5）原生動(dòng)物1）原生動(dòng)物在污水處理中的作用原生動(dòng)物在提高水質(zhì)方面的作用a、促進(jìn)細(xì)菌的絮凝作用，提高細(xì)菌的沉淀效率；b、特別是固著性原生動(dòng)物迅速沉降，而且在沉降過(guò)程中會(huì)把細(xì)菌裹起來(lái)或黏附在其分泌物上，從而提高了細(xì)菌的去除效率；c、原生動(dòng)物捕食細(xì)菌，所以游離細(xì)菌幾乎被去除；第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/202419d、由于原生動(dòng)物的捕食，細(xì)菌密度大為下降，因而不僅提高了細(xì)菌的活動(dòng)能力，而且還提高對(duì)可溶有機(jī)物的攝取能力；e、原生動(dòng)物的分泌物使細(xì)菌活化；f、原生動(dòng)物本身也攝取可溶性有機(jī)物；g、原生動(dòng)物和一般細(xì)菌一起，共同攝取病原微生物。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/202420原生動(dòng)物在降低剩余污泥方面的作用從細(xì)菌到原生動(dòng)物的轉(zhuǎn)換率約為0.5，所以，只要原生動(dòng)物捕食細(xì)菌便會(huì)使生物量減少，減少的部分就等于被氧化。在活性污泥中看不到由于原生動(dòng)物捕食細(xì)菌而引起的有害影響。實(shí)際活性污泥處理設(shè)備中也不會(huì)發(fā)生因原生動(dòng)物過(guò)分增長(zhǎng)而使細(xì)菌滅絕的現(xiàn)象。換言之，一旦細(xì)菌變成絮凝狀態(tài)后，原生動(dòng)物就難以加以捕食。所以，一般認(rèn)為，原生動(dòng)物和細(xì)菌的各自濃度在某一范圍內(nèi)處于平衡狀態(tài)。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/2024212）污水處理中常見(jiàn)的原生動(dòng)物原生動(dòng)物不僅是和細(xì)菌一起在污水凈化中起主要作用的生物，而且是表示處理過(guò)程是否良好的一種重要的指示性生物?；钚晕勰嘀袝?huì)出現(xiàn)各種各樣的原生動(dòng)物，但無(wú)論在質(zhì)和量上經(jīng)常出現(xiàn)的是纖毛蟲(chóng)類(lèi)。1mL正?；钚晕勰嘀械幕旌弦褐?，一般存活著5000～20000個(gè)原生動(dòng)物，70%～90%為纖毛蟲(chóng)類(lèi)。表1-2列出了須藤所做實(shí)驗(yàn)中最常見(jiàn)的幾種原生動(dòng)物。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/202422第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用表1-2活性污泥中常見(jiàn)原生動(dòng)物

表1-2可以看出，活性污泥中最重要的原生動(dòng)物是小口鐘蟲(chóng)、溝鐘蟲(chóng)和有肋楯纖沖等三種。4/8/202423第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用圖1-6：鐘蟲(chóng)的形狀4/8/202424第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用細(xì)胞口食胞環(huán)皮細(xì)胞口的纖毛運(yùn)動(dòng)口緣大核及小核收縮胞10μ柄圖1-7：小口鐘蟲(chóng)（Vorticellamicrostoma）的形態(tài)4/8/202425圖1-8：溝鐘蟲(chóng)（Vorlicellaconvallarin）的形態(tài)食胞纖毛運(yùn)動(dòng)大核外皮10μ柄細(xì)胞口第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用返回4/8/202426圖1-9：有肋楯纖蟲(chóng)（Aspidiscacostata）的形態(tài)A：腹面，B：橫斷面a：正常個(gè)體，b：食物多時(shí)的個(gè)體，c、食物缺少時(shí)的個(gè)體A收縮胞棘毛大核細(xì)胞口10μabc（由纖毛變化而成）B第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/202427第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用3）原生動(dòng)物的分類(lèi)及形態(tài)亦稱(chēng)原蟲(chóng)，與多細(xì)胞的后生動(dòng)物不同，是一種單細(xì)胞動(dòng)物。最小5μm左右，最大甚至可達(dá)3mm，一般50μm～100μm者居多?？煞譃椋篴、依靠一至幾根鞭毛運(yùn)動(dòng)的鞭毛蟲(chóng)綱；b、依靠偽足運(yùn)動(dòng)的肉足蟲(chóng)綱；c、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)能力但能形成孢子而寄生的孢子蟲(chóng)綱；d、借助于纖毛運(yùn)動(dòng)并具有大核和小核的纖毛蟲(chóng)綱。孢子蟲(chóng)綱因?yàn)槭羌纳缘?，所以與環(huán)境沒(méi)有直接的關(guān)系。4/8/202428第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用圖1-5：原生動(dòng)物的構(gòu)造（左：尾草履蟲(chóng)（Parameciumcaudatum），右：溝鐘蟲(chóng)（Vorticellaconvallaria））1：纖毛；2：胞口；3：胞咽；4：食胞；5：收縮胞6：大核；7：小核；8：毛胞；9：柄；10：肌絲15723684249104/8/202429第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物形態(tài)及與污水處理的關(guān)系（6）微型后生動(dòng)物微型后生動(dòng)物中很多種類(lèi)是屬于袋形動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物的。袋形動(dòng)物中有輪蟲(chóng)綱、腹毛蟲(chóng)綱、線形蟲(chóng)綱。其中輪蟲(chóng)綱廣泛分布在水和潮濕土壤中，咀嚼器的這種構(gòu)造是輪蟲(chóng)綱分類(lèi)的重要依據(jù)。環(huán)節(jié)動(dòng)物中屬于寡毛綱原始寡毛目者（如水蚯蚓等）多數(shù)屬于微型后生動(dòng)物。這種生物是雌雄同體，體長(zhǎng)為0.5～3mm左右。節(jié)肢動(dòng)物中體形較小的生物（如水溞等）多屬于甲殼類(lèi)，其體長(zhǎng)為1～3mm。這些生物多在水中呈浮游方式，所以連同上述的輪蟲(chóng)類(lèi)一起統(tǒng)稱(chēng)為浮游生物。4/8/202430活性污泥中出現(xiàn)的后生動(dòng)物有輪蟲(chóng)類(lèi)和線蟲(chóng)類(lèi)，但是個(gè)數(shù)不多。有時(shí)也偶爾出現(xiàn)腹蟲(chóng)類(lèi)，寡毛類(lèi)和甲殼類(lèi)等。這些后生動(dòng)物占優(yōu)勢(shì)情況很少，但是在低負(fù)荷活性污泥，特別是延時(shí)曝氣法的活性污泥中有時(shí)輪蟲(chóng)類(lèi)和寡毛類(lèi)能夠成為優(yōu)勢(shì)種屬。普通活性污泥中輪蟲(chóng)類(lèi)的個(gè)體數(shù)，在1mL混合液中約為100～200個(gè)，只不過(guò)是生物總數(shù)的5%而已。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用圖1-10：輪蟲(chóng)（Rotifer）的形態(tài)4/8/202431第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用3微生物的生長(zhǎng)繁殖微生物除少數(shù)有性繁殖外，大多數(shù)都是無(wú)性繁殖的。細(xì)菌和鞭毛蟲(chóng)類(lèi)按垂直分裂方式進(jìn)行繁殖，而纖毛蟲(chóng)類(lèi)則以橫分裂方式進(jìn)行繁殖。通常微生物的增長(zhǎng)速度可用倍增時(shí)間（doublingtime）td或比增長(zhǎng)速度（單位增長(zhǎng)速度）μ表示。各種微生物的增長(zhǎng)速度因?yàn)榕囵B(yǎng)溫度和培養(yǎng)條件的不同而大不相同，一般來(lái)說(shuō)，細(xì)胞越小的微生物，其比增長(zhǎng)速度越大。細(xì)菌和酵母的比增長(zhǎng)速度一般是藻類(lèi)和原生動(dòng)物的十倍以上，但輪蟲(chóng)類(lèi)和寡毛蟲(chóng)類(lèi)的比增長(zhǎng)卻小得多，約為原生動(dòng)物的十分之一左右。

4/8/202432微生物名稱(chēng)增長(zhǎng)速度培養(yǎng)條件（℃）1個(gè)細(xì)胞干重（mg）μ(d-1)td(h)細(xì)菌類(lèi)巨大芽孢桿菌（Bacillusmegatherium）31.30.52303.8×10-9大腸埃希氏菌（Escherichiacoli）59.10.28374.0×10-10球形紅假單胞菌（Rhodopseudomonasspheroides）6.92.434—藻類(lèi)銅銹微囊藻（Microcystisaeraginosa）0.6425.025—羊角月芽藻（Selenastrumcapricornutum）1.98.7251.9×10-9真菌低發(fā)酵度釀酒酵母（Sacaharomycescerevistae）8.32.0307.1×10-8原生動(dòng)物小口鐘蟲(chóng)（Vorticellomicrostoma）3.35.0203.9×10-6彎豆形蟲(chóng)（Colpidiumcampylun）3.64.7201.6×10-6后生動(dòng)物輪蟲(chóng)屬（Rotariosp.）0.2859.120—仙女蟲(chóng)屬0.1213820—第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用

3微生物的生長(zhǎng)繁殖表1-3微生物的增長(zhǎng)速度4/8/2024334微生物的相互作用通常，微生物即使是在沒(méi)有其他種類(lèi)的微生物存在的情況下，也不是長(zhǎng)期處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，而是以S形達(dá)到某一極值后，種群的增長(zhǎng)便停止下來(lái)。這個(gè)曲線稱(chēng)為對(duì)數(shù)增長(zhǎng)曲線?？捎檬剑?）表示。式（1）式中N——個(gè)體數(shù)；

K——飽和密度；

a——常數(shù)；

h——Verhulst–Pearl系數(shù)。第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/202434第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4微生物的相互作用通常，微生物異種之間的相互作用有如下幾種關(guān)系：a、共處關(guān)系（neutralism）：即使有兩種個(gè)體群存在，兩種種群的生長(zhǎng)繁殖都不受任何影響。b、競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系（competition）：不同的微生物種群對(duì)食物、營(yíng)養(yǎng)、空間和其他共同要求的物質(zhì)存在著競(jìng)爭(zhēng)，因而相互受到不利影響。c、共生關(guān)系（mutualism）：兩種微生物的共存對(duì)雙方的生長(zhǎng)繁殖都有好處，而且在自然條件下如果失去一方，則另一方就不能生存。4/8/202435第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4微生物的相互作用d、原始共生關(guān)系（protocooperation）：兩種微生物的共存雖然對(duì)雙方都有利，但共存并非絕不可少的因素。e、偏利共生關(guān)系（commnsalism）：共生對(duì)一方微生物有利，但對(duì)另一方則沒(méi)有任何影響。f、偏害共生關(guān)系（amensalism）：共生對(duì)一方微生物有不利影響，但對(duì)另一方則沒(méi)有任何影響。g、寄生（parasitism）或捕食（predation）關(guān)系：一種微生物直接向另一種微生物發(fā)動(dòng)進(jìn)攻，所以對(duì)另一方產(chǎn)生不利影響。4/8/202436第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4微生物的相互作用自然界中，包括微生物在內(nèi)的一切生物，根本不存在一種生物單獨(dú)生存的現(xiàn)象，而總是在某些方面同其他生物保持著某種關(guān)系。異養(yǎng)生物依靠自養(yǎng)生物合成的有機(jī)物而生存，同樣，捕食者依靠被捕食者而生存。以活性污泥為例，腐生性細(xì)菌處于最低營(yíng)養(yǎng)水平，在細(xì)菌上面是以細(xì)菌為食物的原生動(dòng)物，而輪蟲(chóng)類(lèi)和線蟲(chóng)類(lèi)則處于最高的營(yíng)養(yǎng)水平，同一營(yíng)養(yǎng)水平上也存在著多種微生物，而且在它們之間同樣存在著營(yíng)養(yǎng)需求上的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。當(dāng)然，還可能存在共生、偏利共生、偏害共生、寄生等相互作用。污水凈化就是在這些相互作用下完成的。4/8/202437第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用§1.2微生物的代謝1微生物的化學(xué)作用（1）自然環(huán)境中的微生物我們幾乎在自然界的任何地方都可以找到微生物。有生存在-20℃以下的低溫菌（Psychrophiles），有生存在100℃溫泉中的高溫菌（Thermophiles），有在pH為1條件下生張繁殖的硫細(xì)菌和在食鹽濃度高達(dá)25%以上條件下生長(zhǎng)繁殖的耐鹽菌（halophiles）。氧分壓方面，不僅有生長(zhǎng)繁殖時(shí)需氧的好氧細(xì)菌（aerobes），而且也存在著只要有一點(diǎn)氧就不能生長(zhǎng)繁殖的絕對(duì)厭氧細(xì)菌（absoluteanaerobes）。4/8/202438第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用1微生物的化學(xué)作用（1）微生物的作用1）氧化作用a、醇類(lèi)的氧化：—CH2OH→—COOHb、醛類(lèi)的氧化：—CHO→—COOHc、甲基的氧化：甲苯→苯甲酸d、氨的氧化：NH3→NO2（硝化桿菌屬，Nitrobacter）e、亞硝酸的氧化：NO2→

NO3（亞硝化單胞菌屬，Nitrosomonas）f、硫的氧化：S→SO2（氧化硫硫桿菌，Thiobacillus

thiooxidans）g、鐵的氧化：

Fe2+→

Fe3+（氧化亞鐵硫桿菌，Thiobacillus

ferrooxidans

）4/8/202439第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用1微生物的化學(xué)作用（1）微生物的作用2）還原作用a、乙烯基的還原：—CH=CH—→—CH2—CH2—b、醇類(lèi)的還原：>CH—OH→>CH2c、硝酸的還原：NO3→NH3

（多種土壤微生物）d、硫酸鹽的還原：H2SO4→H2S（脫硫弧菌，Desulfovibrio

desulfuricans）4/8/202440第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用1微生物的化學(xué)作用（1）微生物的作用3）脫羧作用羧酸的脫羧作用：—CH2—COOH→—CH34）脫氨作用脫氨作用：>CH—NH2→>CH25）水解作用酯鍵水解：R—COOR’→R’—OH+R—OH6）酯化作用：

羧酸與醇類(lèi)：—COOH+R—OH→—COOR4/8/202441第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用1微生物的化學(xué)作用（1）微生物的作用7）脫水作用脫水作用：—CH2—COOH→—CH=CH—8）縮合作用縮合作用：乙醛→乙酰甲基甲醚（酵母）9）氨基化反應(yīng)氨基化反應(yīng)：>C=O→>CH—NH210）乙?；饔茫阂阴；饔茫骸狽H3→NH—C—CH3（克氏梭菌，Clostridiumkluyveri）O4/8/202442第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物的能源（1）能量來(lái)源一部分微生物能夠以光作為能源進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖（光營(yíng)養(yǎng)，phototrophy

），而不能以光作為能源來(lái)利用的多數(shù)微生物則利用化學(xué)能來(lái)進(jìn)行增長(zhǎng)（化學(xué)營(yíng)養(yǎng)，chemotrophy）。多數(shù)微生物利用有機(jī)化合物進(jìn)行發(fā)酵或呼吸而獲得能量（異養(yǎng)細(xì)菌，heterotrophicbacteria

），然而在自然界中也存在著很多以氧化無(wú)機(jī)化合物的方式獲得能量而進(jìn)行增長(zhǎng)的微生物（自養(yǎng)細(xì)菌，autotrophicbacteria）。4/8/202443第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物的能源（2）光和作用細(xì)菌藻類(lèi)和光和作用細(xì)菌都是屬于以光作為能源的微生物，它們具有把光能轉(zhuǎn)變成ATP的功能。藻類(lèi)是以H2O作為氫供體還原CO2而合成糖的，但光和作用細(xì)菌則把已被還原的無(wú)機(jī)化合物作為電子供體。紅色硫細(xì)菌利用H2S、Na2S2O3和S時(shí)按下列反應(yīng)式進(jìn)行。

CO2+2H2S→（CH2O）+H2O+2S2CO2+Na2S2O3+3H2O→2（CH2O）+Na2SO4+H2SO4CO2+3H2O+S→（CH2O）+H2SO4+H24/8/202444第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物的能源（2）光和作用細(xì)菌紅色非硫細(xì)菌利用有機(jī)物時(shí)，則按下列反應(yīng)式進(jìn)行。

C3H7

COONa+2H2O+2CO2

→5（CH2O）+NaHCO3由于紅色非硫細(xì)菌在厭氧明處，好氧明處和好氧暗處均可增長(zhǎng)，因此在廢水處理中的應(yīng)用研究有了很大進(jìn)展，而且已在豆制品廠廢水，罐頭廠廢水的處理中得到應(yīng)用。4/8/202445第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物的能源（3）氧化無(wú)機(jī)物的細(xì)菌是利用氧化無(wú)機(jī)物所產(chǎn)生能量生長(zhǎng)繁殖的細(xì)菌，列于下表1-2，這些細(xì)菌都屬于自養(yǎng)細(xì)菌。亞硝酸菌和硝酸菌統(tǒng)稱(chēng)硝化菌。4/8/202446表1-4氧化無(wú)機(jī)物的細(xì)菌常用名稱(chēng)學(xué)名反應(yīng)式亞硝酸菌亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）2NH3+3O2→2NO2-+2H++2H2O亞硝化球菌屬（Nitrosococcas）亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）硝酸菌硝化桿菌屬（Nitrobacter）2NO2-+O2→2NO3-氫細(xì)菌氫單胞菌屬（Hydrogenomonas）2H2+O2→2H2O鐵細(xì)菌氧化亞鐵硫桿菌（Thiobacillusferrooxidans）4Fe2++4H++O2→4Fe3++2H2O球衣菌屬（Sphaerotilus）嘉利翁氏菌屬（Gallionella）無(wú)色硫細(xì)菌氧化硫硫桿菌（Thiobacillusthiooxdans）2H2S+O2→2S+2H2O排硫硫桿菌（Thiobacillusthioparas）2S+3O2+2H2O→2SO42-+4H+那不勒斯硫桿菌（Thiobacillusneapolitanus）第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用4/8/202447第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物的能源（4）還原無(wú)機(jī)物的細(xì)菌還原無(wú)機(jī)物的細(xì)菌有硫酸還原細(xì)菌和硝酸還原菌。硫酸還原菌存在于生活污水和河流底泥中，屬于還原SO42-

、SO32-

、S2O32-

而生成H2S的絕對(duì)厭氧細(xì)菌，其電子供體為H2和有機(jī)酸。硝酸還原菌中除了脫氮硫桿菌以外都屬于厭氧性異養(yǎng)細(xì)菌，而且還原NO2時(shí)可生成NO２－、NＨ４＋、N2O、N2等。它們大多數(shù)在厭氧條件下進(jìn)行脫氮反應(yīng)。4/8/202448第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用§1.3水的自?xún)糇饔?自?xún)糇饔盟淖詢(xún)糇饔茫⊿elfpurification）在解析水污染機(jī)理和理解廢水的生物處理方面，是一個(gè)基本的概念。當(dāng)有機(jī)廢水進(jìn)入河流之后，在廢水流入地點(diǎn)的水質(zhì)就會(huì)惡化，但隨著河水向下游流動(dòng)而起水質(zhì)逐漸變好。而且當(dāng)河水流經(jīng)一定距離后，河水水質(zhì)可以恢復(fù)到廢水流入之前的狀態(tài)。這是因?yàn)槲廴疚镔|(zhì)在稀釋、擴(kuò)散、沉淀及微生物等生物的吸收和分解等作用下減少的緣故。稀釋、擴(kuò)散、沉淀等作用只能改變污染物的分布狀態(tài)，但不能“消滅”污染物質(zhì)，因此這并不是真正的自?xún)糇饔谩?/8/202449第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用1自?xún)糇饔盟^真正的自?xún)糇饔?，是指有機(jī)物受到氧化作用而變成無(wú)機(jī)化的過(guò)程。在水中或河床里生存的微生物或生物為了生長(zhǎng)繁殖而進(jìn)行呼吸或者攝取食物等活動(dòng)，其結(jié)果水中有機(jī)物受到氧化還原作用而變成穩(wěn)定的物質(zhì)。或分散到大氣中，或被生物吸收而去除。各種生物的作用歸納有：細(xì)菌：對(duì)水中污染物質(zhì)進(jìn)行氧化或還原并把它變成簡(jiǎn)單化合物。藻類(lèi)：在通過(guò)光和作用釋放氧的同時(shí)，吸收簡(jiǎn)單的化合物。大型植物：將根扎在河床里并從底泥中攝取各種物質(zhì)的同時(shí)，還具有與藻類(lèi)相同的作用。微型動(dòng)物：攝取有機(jī)物、細(xì)菌、藻類(lèi)等，并把它們變成簡(jiǎn)單的化合物。大型動(dòng)物：攝取固體有機(jī)物和動(dòng)植物體。如果已達(dá)到這個(gè)地步，一般可以認(rèn)為廢水得到相當(dāng)程度的凈化并處于穩(wěn)定狀態(tài)。4/8/202450第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用1自?xún)糇饔萌芙庋魾OD鹽類(lèi)懸浮物質(zhì)有機(jī)廢水流入下游—→NH4+NOX-PO43-有機(jī)廢水流入下游—→圖1-11、1-12：河流自?xún)糇饔眠^(guò)程中物理化學(xué)變化溶解氧并不是在有機(jī)廢水流入之后立即下降的，而是在異養(yǎng)微生物增長(zhǎng)最旺盛時(shí)最低。由于有機(jī)態(tài)氮的分解，最初氨氮會(huì)有所增加，但在后來(lái)急劇下降。4/8/202451第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用水生昆蟲(chóng)水蚯蚓搖蚊劃蟮有機(jī)廢水流入下游—→耐污性藻類(lèi)絲狀藻類(lèi)藻類(lèi)細(xì)菌原生動(dòng)物有機(jī)廢水流入下游—→1自?xún)糇饔脠D1-13：河流自?xún)糇饔眠^(guò)程中微生物變化圖1-14：河流自?xún)糇饔眠^(guò)程中大型生物變化對(duì)于微生物，最初是細(xì)菌和真菌增長(zhǎng)起來(lái)，其次是原生動(dòng)物，到了最后藻類(lèi)才占優(yōu)勢(shì)。4/8/202452第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物相的變化將經(jīng)過(guò)沉淀的污水注入水槽并放置于不受日光直射條件下，20d內(nèi)測(cè)定其水質(zhì)和生物相變化。BOD：92mg/LCOD：65mg/LpH：7.0NH4+-N：8.8mg/L大腸桿菌：220000個(gè)/mLBOD：17mg/LCOD：26mg/LpH：8.1NH4+-N：1.1mg/L大腸桿菌：1個(gè)/mL開(kāi)始20d后圖1-15：20d水質(zhì)的變化20d后，水質(zhì)得到了很大程度的凈化，其變化是由在水中增長(zhǎng)的各種微生物的作用作產(chǎn)生的，如圖1-14。因水中有機(jī)氮的分解，NH4+-N在最初會(huì)有所增加，但在后來(lái)急劇下降，這是由硝化作用和藻類(lèi)攝取所產(chǎn)生的結(jié)果。4/8/202453第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物相的變化BOD（mg/L），鞭毛蟲(chóng)和纖毛蟲(chóng)（mL-1）圖1-16：靜置沉淀污水時(shí)BOD和微生物的變化（水溫20～30℃）20d內(nèi)，共出現(xiàn)纖毛蟲(chóng)類(lèi)13屬，鞭毛蟲(chóng)類(lèi)10屬、肉足蟲(chóng)類(lèi)1屬，綠藻類(lèi)4屬、硅藻類(lèi)2屬、線蟲(chóng)類(lèi)1屬。初期，強(qiáng)腐水性的纖毛蟲(chóng)類(lèi)草履蟲(chóng)屬、豆形蟲(chóng)、鞭毛蟲(chóng)類(lèi)占優(yōu)勢(shì)，但接著斜葉蟲(chóng)屬、漫游蟲(chóng)屬、長(zhǎng)頸蟲(chóng)屬、尾棘蟲(chóng)屬、尖毛蟲(chóng)屬增長(zhǎng)起來(lái)。還包括捕食其他纖毛蟲(chóng)和鞭毛蟲(chóng)的種屬。當(dāng)藻類(lèi)占優(yōu)勢(shì)時(shí)，纖毛蟲(chóng)重新增多起來(lái)，這是因?yàn)槔迷孱?lèi)生產(chǎn)物的細(xì)菌增殖，捕食這種細(xì)菌的纖毛蟲(chóng)類(lèi)和攝取藻類(lèi)的纖毛蟲(chóng)類(lèi)增長(zhǎng)的緣故。4/8/202454第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物相的變化BOD（mg/L），鞭毛蟲(chóng)和纖毛蟲(chóng)（mL-1）圖1-16：靜置沉淀污水時(shí)BOD和微生物的變化（水溫20～30℃）當(dāng)經(jīng)過(guò)7～10d時(shí)，衣藻屬、柵藻屬、小球藻屬等藻類(lèi)開(kāi)始增加，到了20d時(shí)可達(dá)到2×105/mL。藻類(lèi)開(kāi)始增長(zhǎng)的時(shí)期與BOD的顯著減少時(shí)期是同步的。藻類(lèi)的增長(zhǎng)必然促進(jìn)有機(jī)物生產(chǎn)，因而使BOD增加。即使有機(jī)物被分解而絕大多數(shù)有機(jī)物消失了。藻類(lèi)是進(jìn)行光和作用的生物，所以?xún)H僅依靠無(wú)機(jī)物形成藻類(lèi)本身。換言之，只要有營(yíng)養(yǎng)鹽存在，藻類(lèi)就能進(jìn)行光和作用，因而水中有機(jī)物便會(huì)增加。4/8/202455第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用2微生物相的變化BOD（mg/L），鞭毛蟲(chóng)和纖毛蟲(chóng)（mL-1）圖1-16：靜置沉淀污水時(shí)BOD和微生物的變化（水溫20～30℃）由于藻類(lèi)同時(shí)進(jìn)行著產(chǎn)氧和呼吸兩個(gè)過(guò)程，所以難于用BOD表示。上述過(guò)程COD的變化如下。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)COD為65mg/L，第七天降至28mg/L，但到了藻類(lèi)增長(zhǎng)旺盛的第二十天，COD又提高到103mg/L，比最初還高。所以，必須認(rèn)識(shí)到，雖然外來(lái)性的有機(jī)物由于微生物的作用而減少（自?xún)簦?，但只要有大量營(yíng)養(yǎng)鹽的存在，則有有機(jī)物重新生產(chǎn)出來(lái)。另外，如果有抑制微生物生長(zhǎng)的重金屬或化合物的存在，自?xún)糇饔靡矔?huì)受到抑制。4/8/202456第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用3BOD與微生物BOD是運(yùn)用自?xún)糇饔矛F(xiàn)象的一種指標(biāo)。有機(jī)污染指標(biāo)中包括BOD、COD、TOC、TOD等，但對(duì)微生物可降解的有機(jī)物進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，BOD是最好的一種指標(biāo)。BOD就是好氧性微生物以水中的有機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)源，通過(guò)呼吸所消耗的氧量。圖1-17所示為活性污泥處理水（城市污水）經(jīng)稀釋5倍后，在BOD瓶?jī)?nèi)培養(yǎng)5d（20℃）的結(jié)果。4/8/202457第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用3BOD與微生物圖1-17：BOD瓶?jī)?nèi)溶解氧消耗與微生物濃度的變化細(xì)菌（活菌數(shù)）直接攝取有機(jī)物，氧化其中一部分而獲得能量增長(zhǎng)，在1.5d達(dá)到高峰。鞭毛蟲(chóng)類(lèi)（這時(shí)大部分為波豆蟲(chóng)、屋滴蟲(chóng)、側(cè)滴蟲(chóng)）包括直接攝取有機(jī)物和攝取細(xì)菌的兩種，但它們都耗氧。比細(xì)菌稍晚些達(dá)到高峰。纖毛蟲(chóng)不能直接攝取水中有機(jī)物，而攝取細(xì)菌和鞭毛蟲(chóng)以及其他纖毛蟲(chóng)類(lèi)，達(dá)到高峰時(shí)間更晚一些。溶解氧消耗量（mg/L）鞭毛蟲(chóng)類(lèi)、纖毛蟲(chóng)類(lèi)（mL-1）活菌數(shù)（mL-1）時(shí)間（d）4/8/202458第一章微生物在環(huán)境凈化中的作用3BOD與微生物圖1-17：BOD瓶?jī)?nèi)溶解氧消耗與微生物濃度的變化從圖可以看出，2～3d內(nèi)氧消耗量很大，但在這以后氧消耗量逐漸減少。一般認(rèn)為，最初的氧消耗是由細(xì)菌引起的，而后來(lái)的持續(xù)性氧消耗是由捕食細(xì)菌而增長(zhǎng)的原生動(dòng)物的呼吸所引起的。細(xì)菌和鞭毛蟲(chóng)類(lèi)的減少是因?yàn)檫@