第八章 微生物環(huán)境材料-課件.ppt

1、1,環(huán)境友好材料,楊海朋 深圳大學(xué)材料學(xué)院,第8章 微生物環(huán)境材料,深圳大學(xué)材料學(xué)院,3,微生物環(huán)境材料主要是指利用自然界中的不同微生物作為材料，結(jié)合某些工程技術(shù)，去除環(huán)境中的污染物，為保護(hù)環(huán)境、改善環(huán)境質(zhì)量及其發(fā)展作積極的工作。由于微生物技術(shù)有著很優(yōu)良的特性，現(xiàn)在發(fā)展很快，也是世界環(huán)境材料重點(diǎn)研究的領(lǐng)域。,微生物種類(lèi)多種多樣，每個(gè)微生物都具有在細(xì)小的細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的能力和性質(zhì)。,4,5,葡萄酒是葡萄汁中的酵母菌附著在果皮上繁殖，并把葡萄糖化學(xué)分解成酒精和二氧化碳而生成的。這種化學(xué)反應(yīng)是靠酵母菌在細(xì)胞內(nèi)高效分解出來(lái)的酶的作用來(lái)完成的。幾種酶作用于葡萄的果汁成分，美妙地制造出約五十種揮發(fā)性

2、脂肪酸、有機(jī)酸、酒精等，從而釀造出具有獨(dú)特香氣的葡萄酒。即使用現(xiàn)代分析技術(shù)或化學(xué)手段也不能實(shí)現(xiàn)這種合成，因此可以說(shuō)這是微妙的、藝術(shù)的力量。這種微生物的作用，實(shí)在是偉大。,6,葡萄球菌,葡萄球菌為革蘭染色陽(yáng)性球菌，有金黃色葡萄球菌（簡(jiǎn)稱(chēng)金葡萄）和表皮葡萄球菌兩類(lèi)。前者可引起全身多發(fā)性化膿性病變，血漿凝固酶使細(xì)菌周?chē)a(chǎn)生纖維蛋白，保護(hù)細(xì)菌不被吞噬。凝固酶陰性的葡萄球菌偶亦可致病。,7,乳酸桿菌,8,放線桿菌,與人、羊、牛、馬、豬等哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)寄生和共棲。 抗生素，一種由放線菌產(chǎn)生的神奇物質(zhì)，可以幫助我們對(duì)抗細(xì)菌，減少疾病的死亡率。,9,10,巴斯德（LPasteur， 1822 1895）法國(guó)微

3、生物學(xué)家、近代微生物學(xué)的奠基人。1840年在貝桑松皇家學(xué)院獲文學(xué)學(xué)士學(xué)位，1842年又獲科學(xué)學(xué)士學(xué)位。1843年考入巴黎高等師范學(xué)院攻讀化學(xué)，1847年獲博士學(xué)位。,微生物學(xué)的奠基人,11,由于巴斯德不到30歲便成了有名的化學(xué)家，法國(guó)里爾城的酒廠老板便要求他幫助解決葡萄酒和啤酒變酸的問(wèn)題。,微生物學(xué)的奠基人-巴斯德,正常的葡萄酒 -酵母菌； 變酸的酒中 還有另外一種又細(xì)又長(zhǎng)的細(xì)菌。,12,19世紀(jì)70年代，巴斯德開(kāi)始研究炭疽病。,炭疽病是在羊群中流行的一種嚴(yán)重的傳染病，對(duì)畜牧業(yè)危害很大，而且還傳染給人類(lèi)，特別是牧羊人和屠夫容易患病而死亡。,炭疽桿菌,13,研究葡萄酒和蠶病取得巨大成功之后，巴斯

4、德開(kāi)始主張傳染病是由微生物引起的。正因?yàn)槲⑸锬軌蛲ㄟ^(guò)身體接觸、唾液或糞便散布，便可以從病人傳播給健康的人而使人生病。這種觀點(diǎn)后來(lái)被許多醫(yī)生的觀察和治病經(jīng)驗(yàn)證實(shí)了。,14,巴斯德的成就開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)戰(zhàn)勝傳染病的新世紀(jì)，拯救了無(wú)數(shù)的生命，奠定了今天已經(jīng)成為重要科學(xué)領(lǐng)域的免疫學(xué)的基礎(chǔ)。1885年，巴斯德第一次用同樣的方法治好了被瘋狗咬傷了的9歲男孩梅斯特。 1873年，巴斯德當(dāng)選為法國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院的院士，雖然他不是醫(yī)生，連行醫(yī)的資格都沒(méi)有，但歷史已經(jīng)證明，巴斯德是最偉大的“醫(yī)生”。 1996年巴斯德逝世100周年時(shí)，全世界微生物學(xué)和醫(yī)學(xué)工作者舉行了許多活動(dòng)來(lái)紀(jì)念他，因?yàn)樗难芯砍晒钡浇裉烊匀辉诮o人類(lèi)帶

5、來(lái)巨大的幸福。,15,重金屬/放射性元素/毒物,破壞生物體正常生理代謝活動(dòng),積累,8.1.1 微生物的吸附作用,16,從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，各國(guó)都積極研究微生物吸附法處理含有重金屬?gòu)U水。,重金屬或放射性元素,破壞生物體正常生理代謝活動(dòng),食物鏈,積累,17,研究表明，大量微生物如細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)等對(duì)重金屬都有很強(qiáng)的吸附力。微生物處理廢水的最大好處是來(lái)源廣泛、價(jià)廉、不必回收、不產(chǎn)生二次污染等。如發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)生的大量廢菌體中蘊(yùn)藏著豐富的海藻.可以直接用其制備吸附劑等。因此，微生物技術(shù)有著較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。,18,(1)吸附機(jī)理 微生物的吸附機(jī)理十分復(fù)雜,第一階段： 生物吸著過(guò)程,第二階段：

6、生物積累過(guò)程,M+ 可通過(guò)配合、螯合、離子交換，物理吸附及微沉淀等作用復(fù)合到細(xì)胞表面,作用較快，數(shù)min,重金屬被運(yùn)送至細(xì)胞內(nèi),金屬運(yùn)送機(jī)制有脂類(lèi)過(guò)渡氧化，復(fù)合物滲透，載體協(xié)助及離子泵等,細(xì)胞壁上的活性基團(tuán)一般來(lái)自磷酸鹽、羰基化合物、胺等,19,(2)細(xì)菌對(duì)廢水中重金屬的吸附 細(xì)菌及其產(chǎn)生的特殊酶對(duì)溶解態(tài)金屬離子有很強(qiáng)的配合能力，這主要?dú)w因于其特定的分子構(gòu)型和化學(xué)組成。細(xì)胞壁帶有負(fù)電荷而使整個(gè)細(xì)胞表面呈現(xiàn)陰離子特性，通過(guò)細(xì)菌細(xì)胞中均聚物或雜聚物上的羰基或磷?；汝庪x子作用，可以增加金屬離子的吸附。此外，細(xì)胞壁分子也具有活性,可以將金屬螯合在細(xì)胞表面上。,20,銅是機(jī)體所需的痕量元素之一，但過(guò)量

7、銅的攝人將沉積于人的大腦、皮膚、肝、胰和心肌等部位，導(dǎo)致“威爾森”疾病的發(fā)生，因此，對(duì)水中的銅必須進(jìn)行處理。 廢水中的銅可以用SRV菌(為脫硫腸桿菌屬)進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)廢水中銅濃度達(dá)到264.6ugml時(shí).菌廢比為1:1, 其去除率達(dá)99.12。,21,某些細(xì)菌可以從廢液中螯合大量的金屬如Mg、Fe、Na、K、Mn、Zn、Cu、A1和少量的Hg、Sr、Ag等。 廢定影液含有銀，由于常規(guī)處理法或因濃度不合要求或因成本較高不宜使用。采用某些光合硫細(xì)菌在光照、厭氧或用某些化能細(xì)菌凈化廢定影液并回收其中的銀。處理時(shí)，先往廢定影液中加入硫化鈉使之形成硫化銀沉淀，然后用細(xì)菌氧化硫化銀為硫酸銀，銀

8、被累積在細(xì)胞內(nèi).其量占細(xì)胞干重的10-20。,22,(3)真菌對(duì)廢水中重金屬的吸附 發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)生的大量廢菌體是一種良好的吸附能力的生物吸附劑，其來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉。在鈾的處理過(guò)程中，R.arrhizus對(duì)鈾的吸附量可高達(dá)200mgg干重，s.cerevisia 也能吸附大量的鈾。Penicillium有良好的吸附能力，對(duì)Pb2+也有定的吸附能力。,23,試驗(yàn)結(jié)果表明,用枝芽酶真菌回收鋅、銠、鐵、釕和鋁，回收率在94以上。這些真菌回收廢水中的重金屬反應(yīng)時(shí)間僅需數(shù)小時(shí)，處理成本較低，操作簡(jiǎn)單，適用于pH4以下的酸性廢液。,24,(4)用藻類(lèi)回收廢水中的重金屬 藻類(lèi)是重金屬的有效吸收者和富集者,利用

9、藻類(lèi)去除廢水中的重金屬離子的研究已有大量報(bào)道。藻類(lèi)數(shù)量巨大而且易收集，作為吸收劑具有來(lái)源豐富、價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)。 藻類(lèi)細(xì)胞壁一般為多孔結(jié)構(gòu)，允許分子或離子自由通過(guò)，而其他細(xì)胞壁則一般只允許中性分子通過(guò)而離子不能通過(guò)。如褐藻對(duì)鉛的富集系數(shù)可達(dá)7104，并且隨著時(shí)間的增加，鉛可由細(xì)胞表面轉(zhuǎn)移到原生質(zhì)中去。,25,藻類(lèi)吸附劑上吸附的金屬可用電解質(zhì)(硫酸、氫氧化鈉)或是絡(luò)合劑(EDTA)來(lái)淋洗，然后對(duì)吸附劑可用NaOH處理再生。它與其他離子交換樹(shù)脂相比，有兩個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)，一是可以在含有高濃度的金屬離子的金屬環(huán)境中使用。二是水中大量存在的Ca2+、Mg2+、Na+、K+ 離子對(duì)其他金屬離子吸附干擾不大，這正是

10、離子交換樹(shù)脂難以解決的問(wèn)題。,26,27,(5)研究方向 當(dāng)前微生物吸附廢水中的重金屬的研究還處于初始階段。發(fā)展趨勢(shì)： 一是緊密結(jié)合生物技術(shù)的發(fā)展，尋找更多的吸附量大、同時(shí)吸附多種金屬的微生物，除了從自然界中篩選出對(duì)重金屬有特殊吸附能力能的微生物外，同時(shí)還應(yīng)該利用日益成熟的基因工程技術(shù)構(gòu)建只有較強(qiáng)吸附能力或特異性金屬能力的微生物。,28,二是開(kāi)展生物吸附劑固定化的研究。 絕大多數(shù)的微生物，密度小，強(qiáng)度低，顆粒直徑小，所以只能在連續(xù)攪拌器中去除金屬。在吸附金屬后，往往需要經(jīng)過(guò)沉淀、過(guò)濾或是離心才能將其與溶液分開(kāi)，此過(guò)程不僅增加了處理費(fèi)用，而且降低了去除效率。因此要將生物吸附技術(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用還必須

11、改變微生物體的存在形式，使其具有一定的顆粒尺寸，定的粒子強(qiáng)度，多孔性，親水性和化學(xué)惰性，這些都必須加快固定化技術(shù)的研究。,29,8.2 微生物處理污水的材料與技術(shù) 在自然環(huán)境中，存在著大量微生物，它們具有氧化分解有機(jī)物并將其轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物的能力。利用微生物來(lái)處理廢水主要就是在人工創(chuàng)造的有利于微生物生命活動(dòng)的環(huán)境中，使微生物大量繁殖，提高微生物氧化分解有機(jī)物的效率。它主要用于去除污水中溶解性和膠體性有機(jī)物，降低水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物的含量。生物處理方法分為好氧和厭氧兩大類(lèi)，分別利用好氧微生物和厭氧微生物分解有機(jī)物。,30,8.2.1污水處理中的微生物 在污水處理過(guò)程中，凈化污水的微生物主要是細(xì)菌、真菌

12、、藻類(lèi)、原生動(dòng)物和一些小型的后生動(dòng)物等。微生物在繁衍和正常生活過(guò)程中，必須要有足夠的能源、碳源和其他無(wú)機(jī)元素。其中碳是構(gòu)成微生物的主要成分，碳的主要來(lái)源是二氧化碳和有機(jī)物。如果微生物由二氧化碳取得細(xì)胞碳，就稱(chēng)為自養(yǎng)型微生物；如果微生物利用有機(jī)碳進(jìn)行細(xì)胞合成，則稱(chēng)為異養(yǎng)型微生物，在污水處理中主要是異養(yǎng)微生物在起著主要作用。微生物按其利用氧的情況?？煞譃楹醚酢捬鹾图嫘匝跞?lèi)。顯然，好氧微生物只能在有氧的情況下起作用，而厭氧微生物只能在無(wú)氧情況下起作用。,31,(1)活性污泥法。 向生活污水中不斷地注入空氣，維持水中有足夠的溶解氧，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，污水中就形成一種絮凝體。這種絮凝體是由大量繁殖的好

13、氧微生物構(gòu)成，易于沉淀分離，使污水得到澄清，這就是“活性污泥”。,32,33,(2)氧化塘法 氧化塘又稱(chēng)穩(wěn)定塘或生物塘，是一種類(lèi)似池塘的處理設(shè)備。氧化塘凈化污水的過(guò)程和天然水體的自?xún)暨^(guò)程很相近，污水在塘內(nèi)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間緩慢流動(dòng)和停留，通過(guò)微生物，如：細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)和原生動(dòng)物等的代謝活動(dòng)，使有機(jī)物降解，水質(zhì)得到凈化。水中的溶解氧主要是由塘內(nèi)生長(zhǎng)的藻類(lèi)通過(guò)光合作用和塘表面的復(fù)氧作用提供的。氧化塘可分為四類(lèi)，即好氧氧化塘、兼性氧化塘、曝氣氧化塘和厭氧塘。,34,35,36,37,8.2.2 好氧附著生物材料系統(tǒng) 好氧附著生物系統(tǒng)是使細(xì)菌等好氧微生物和原生動(dòng)物、后生動(dòng)物等好氧微型動(dòng)物附著在某些物料上進(jìn)行

14、生長(zhǎng)繁殖，形成生物膜，通過(guò)和污水的接觸，水中的有機(jī)污染物被膜中的生物作為營(yíng)養(yǎng)物所攝取從而對(duì)污水進(jìn)行凈化。其中代表性工藝的有：生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤(pán)和生物接觸氧化池等。,38,(1)生物膜 當(dāng)污水與濾料等載體長(zhǎng)期接觸，就會(huì)在載體的表面上逐漸形成生物膜。生物膜主要由好氧菌、厭氧菌和兼性菌等的菌膠團(tuán)和大量的真菌絲組成。由于生物膜是生長(zhǎng)在載體上的，微生物停留時(shí)間較長(zhǎng)，所以生物膜上的生物類(lèi)型豐富，種類(lèi)繁多，食物鏈長(zhǎng)并且復(fù)雜。,39,40,(2)生物濾池,41,42,(3)生物轉(zhuǎn)盤(pán) 生物轉(zhuǎn)盤(pán)是由盤(pán)片、接觸反應(yīng)槽、轉(zhuǎn)軸和驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成的。生物轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)污水中的有機(jī)物被盤(pán)上的生物膜吸附，當(dāng)這部分盤(pán)片離開(kāi)水面時(shí)

15、，盤(pán)片表面形成一層污水薄膜，空氣中的氧不斷溶解到膜中并被微生物吸收。盤(pán)片不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，污染物不斷被氧化分解，生物膜也不斷變厚。,43,8.2.3 生物接觸氧化法 生物接觸氧化法是在曝氣池中設(shè)置填料，作為生物膜的載體，經(jīng)過(guò)充氧的廢水以一定的流速流過(guò)填料與生物膜接觸，利用生物膜和懸浮活性污泥中微生物的聯(lián)合作用凈化污水的方法。生物接觸氧化裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，污水在填料中流動(dòng)。由于曝氣作用，水中溶解氧充足，所以生物膜上生物豐富，能保持較高濃度的生物量。,44,45,8.2.4 厭氧生物處理技術(shù),46,47,48,英國(guó)科學(xué)家新培育出一種會(huì)發(fā)光的基因細(xì)菌，它可作為生物報(bào)警器，檢測(cè)土壤或水的污染。 這種細(xì)菌接觸土壤或水

16、樣的樣本時(shí)，如果樣本無(wú)毒，它們就會(huì)發(fā)光，如果樣本中含有毒素，光芒就會(huì)變暗，毒素含量越高，光芒越暗淡。如果與適當(dāng)?shù)膬x器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備相配合，這種細(xì)菌在10-15min內(nèi)就能測(cè)出土壤或水中的污染程度。用這種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的測(cè)試方法，迅速獲取區(qū)域的詳細(xì)污染信息，將有助于制訂有效的除污計(jì)劃。,49,耗氧有機(jī)物概念 通過(guò)降解作用使有機(jī)物的構(gòu)造趨于簡(jiǎn)單，分子量逐漸降低。 各種有機(jī)物都能被氧化，但被氧化的難易程度卻有很大差別，這是由有機(jī)物本身的特性決定的。 有機(jī)物的氧化還原反應(yīng)的判斷 ： 對(duì)有機(jī)物凡加氧去氫的反應(yīng)稱(chēng)為氧化，而加氫去氧的反應(yīng)稱(chēng)為還原。 電子偏離碳原子的反應(yīng)就是有機(jī)物的氧化,相反電子對(duì)移近碳原子的反應(yīng)就是

17、有機(jī)物的還原。,50,微生物在有機(jī)物生物化學(xué)反應(yīng)中的作用,在有機(jī)物的生物化學(xué)反應(yīng)中微生物起著決定性的作用，分解有機(jī)物的微生物主要是細(xì)菌，生物氧化作用有其特殊性，反應(yīng)是在生物催化劑酶的作用下完成的。 （1）生化反應(yīng)中的微生物-主要是細(xì)菌 異養(yǎng)細(xì)菌中的腐生菌在轉(zhuǎn)化過(guò)程中起決定作用。 細(xì)菌對(duì)食物的攝取是以化合物透過(guò)細(xì)胞膜的方式實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于復(fù)雜的有機(jī)物首先須經(jīng)微生物(細(xì)菌)的體外分解變?yōu)樾⌒秃?jiǎn)單化合物后才能通過(guò)細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，進(jìn)一步發(fā)生分解反應(yīng)，主要是氧化反應(yīng),并有能量的轉(zhuǎn)化。,51,2.微生物的呼吸作用 微生物呼吸作用的實(shí)質(zhì)： 基質(zhì)氧化了的基質(zhì) + 2H 2H + 受氫體還原了的受氫體 呼吸作用需要有相應(yīng)的受氫體來(lái)接收脫出的氫,反應(yīng)才能最終完成。 以游離的O2作為活化氫的最終受氫體為有氧氧化。 如果以O(shè)2以外的化合物作為受氫體，反應(yīng)在缺氧或無(wú)氧的條件下進(jìn)行則稱(chēng)為無(wú)氧氧化。,52,耗氧有機(jī)物的生物化學(xué)分解,有機(jī)物生物化學(xué)分解基本反應(yīng)可分為兩大類(lèi)。 （1）水解反應(yīng)： （2）氧化反應(yīng) ： 脫氫作用又可分兩種。一種是從CHOH基團(tuán)脫氫 ， 一種是從CH