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    关于微生物与环境保护的知识解析!


    中国微生物菌种查询网:随着工业高度发展、人口急剧增长,在人类生活的环境中,大量的生活废弃物 ( 粪便、垃圾和废水 ) ,工业生产形成的三废 ( 废气、废渣和废水 ) 及农业上使用化肥、农药的残留物等,特别是生活污水和工业废水,不经处理,大量排放入水体,给人类生存环境造成严重污染。环境污染对人畜健康、工业、农业、水产业等都有很大危害。所谓环境污染即是指生态系统的结构和机能受到外来有害物质的影响或破坏,超过了生态系统的自净能力,打破了正常的生态平衡,给人类造成严重危害。所以保护生态环境已成为人类最关心的大问题。
    环境保护除保护自然环境外,就是防治污染和其他公害。水源的污染危害最大、污染范围最广、种类最多。包括生活污水、工厂有机废水、有毒、有害污水。为了保护环境,节约水源,生活污水和工业废水必须先经处理,除去其杂质与污染物,待水质达到一定标准后,才能排放入自然水体或直接供给生产和生活重复使用。
    污水的生物处理较有效、最常用的是微生物处理法。微生物不但处理污染物,还可用于环境监测。所以微生物在环境保护方面起重要作用。

    一、微生物与污水处理
    微生物处理污水的原理:利用各种生理生化性能的微生物类群间的相互配合而进行的一种物质循环的过程。
    BOD 5 :即“五日生化需氧量”它是一种表示水中有机物含量的间接指标,一般指在 20 ℃ 下, 1L 污水中所含的有机物,在进行微生物氧化时,5 日内所消耗的分子氧的毫克数。
    COD :使用强氧化剂使 1L 污水中的有机物质迅速进行化学氧化时所消耗氧的毫克数。
    污水处理的方法有物理法、化学法和生物法。各种方法都有其特点,可以相互配合、相互补充。目前应用最广是生物学方法,其优点是效率高、费用低、简单方便。
    污水处理按程度可分为一级处理、二级处理和三级处理,一级处理也称为预处理,二级处理称为常规处理,三级处理则称为高级处理。一级处理主要通过格栅等过滤器除去粗固体。二级处理主要去除可溶性的有机物,方法包括生物方法、化学方法和物理方法。三级处理主要是除氮、磷和其他无机物,还包括出水的氯化消毒,也有生物、物理、化学方法。依处理过程中氧的状况,生物处理可分为好氧处理系统与厌氧处理系统。

    (一)好氧生物处理
    微生物在有氧条件下,吸附环境中的有机物,并将有机物氧化分解成无机物,使污水得到净化,同时合成细胞物质。微生物在污水净化过程,以活性污泥和生物膜的主要成分等形式存在。

    1、活性污泥法
    又称曝气法。是利用含有好氧微生物的活性污泥,由通气条件下,使污水净化的生物学方法。此法自 1914 英国人 Ardern 和 Lockett 创建以来,至今已有 80 多年的历史。经过反复改造,发展至今,已成为处理有机废水最主要的方法。
    所谓活性污泥是指由菌胶团形成菌、原生动物、有机和无机胶体及悬浮物组成的絮状体。在污水处理过程中,它具有很强的吸附、氧化和分解有机物的能力。在静止状态时,又具有良好的沉降性能。活性污泥是一种特殊的、复杂的生态系统,在多种酶的作用下进行着复杂的生化反应。活性污泥中的微生物主要是细菌,占微生物总数的 90 % -95 %。常见的细菌主要有生枝动胶杆菌、假单胞菌属无色杆菌属黄杆菌属节杆菌属亚硝化单胞菌、原生动物以钟虫属最为常见。活性污泥与生物膜中的微生物基本相似,均以菌胶团的形式存在。
    污水处理中的特殊微生物随污水性质不同需要筛选、培养特殊的微生物,组建各种优势苗群,以处理相应的污水。例如处理含氰 ( 腈 ) 废水,需要筛选产生氰解酶和丙烯睛水解酶的细菌,主要有诺卡氏菌属腐皮镰孢霉假单胞菌属棒杆菌属等。筛选特殊的微生物,降解相应的难分解的有毒污染物,以降低 BoD5 去除率,提高污水处理质量。活性污泥法根据曝气方式不同,分多种方法,目前最常用的是完全混合瀑气法。
    污水进人曝气池后,活性污泥中主要细菌、动胶菌等大量繁殖,形成菌胶团絮体,构成活性污泥骨架,原生动物附着上面,丝状细菌和真菌交织在一起,形成十个个颗粒状的活跃的微生物群体。曝气池内不断充气、搅拌,形成泥水混合液,当废水与活性污泥接触时,废水中的有机物在很短时间 ( 约 lO-30min) 内被吸附到活性污泥上,可溶性物质直接透入细胞内。大分子有机物通过细胞内产生的胞外酶的作用将大分子有机物分解成为小分子物质后渗入细胞内。进入细胞内的营养物质在细胞内酶的作用下,经一系列生化反应,使有机物转化为 CO 2 、 H 2 0 等简单无机物。同时产生能量。微生物利用呼吸放出的能量和氧化过程中产生的中间产物合成细胞物质,使菌体大量繁殖。微生物不断进行生物氧化,环境中有机物不断减少,使污水得到净化。当营养缺乏时,微生物氧化细胞内贮藏物质,并产生能量,这种现象叫自身氧化或内源呼吸。
    曝气池中混合物以低 BOD 5 溢流人沉淀池。活性污泥通过静止、凝集、沉淀和分离,上清液是处理好的水、排放到系统外。沉淀的活性污泥一部分回流曝气池与未生化处理的废水混合,重复上述过程。回流污泥可增加曝气池内微生物含量,加速生化反应过程。剩余污泥排放出去或进行其他理后应用。

    2、生物膜法
    是以生物膜为净化主体的生物处理法。生物膜是附着在载体表面,以菌胶团为主体所形成的粘膜状物,由于膜中的微生物不断生长繁殖致使膜逐渐加厚。膜的形成有一定规律,。初生、生长及老化剥落过程,脱落后再形成新的膜,这是生物膜的正常更新,剥落的膜随水排出。膜中的微生物相与活性污泥中的基本原理相同,因膜有一定厚度,在膜的表面、底部和中间分布着不同类型的微生物。生物膜的净化原理是:生物膜的表面总是吸附着一层薄薄的污水,称为附着水层或结合水层;其外是能自由流动的污水,称为运动水层;当“附着水”中的有机物被生物膜中的微生物吸附、吸收、氧化分解时,附着水层中有机物质浓度随之降低,由于运动水层中有机物浓度高,便迅速地向附着水层转移,并不断地进人生物膜被微生物分解;微生物所需要的氧是从空气一运动水层一附着水层而进人生物原,微生物分解有机物产生的代谢产物及最终生成的无机物以及 CO2 等,则沿相反方向移动。
    根据介质与水接触方式不同,生物转盘法、塔式生物滤池法等。

    3、氧化塘
    也称稳定塘,是利用自然生态系统净化污水的一处大面积、敝开式的污水处理池塘。氧化塘是利用细菌和藻类的共生关系来分解有机污染物的一种废水处理法。细菌利用藻类光合作用产生的氧和空气溶解在水中的溶解氧氧化分解塘内的有机污染物;藻类利用细菌氧化分解产生的无机物和小分子有机物作为营养源繁殖自身。如此不断循环,使有机物逐渐减少,污水得以净化。过多的细菌和藻体易被微型动物捕食。
    此外,流入污水中沉淀下来的固体及衰亡的细胞沉入塘底,这些有机物被兼性厌氧菌分解产生有机酸、醇等简单有机物,其中一部分被上层好氧菌或兼性厌氧菌继续分解,另一部分波污泥中的产甲烷细菌分解成 CH 4 。只要上述各个环节保持良好的平衡,氧化塘这个生态系统就能相对稳定,污水得以不断净化。效果好的氧化塘,能使污水中 BOD 去除率达到 80 %一 95 %,磷减少 90 %,氮去除率 80 %以上。由于供氧量低,处理同量污水同暖气池、生物转盘相比,氧化塘需面积大、时间长,但氧化塘构筑简单,投资少,操作容易。此法适宜处理生活污水以及、制革、造纸、石油化工、乙烯、焦化和农药等部门的工业废水,还可养藻、养鱼、养鸭、鹅等。

    (二)厌氧生物处理
    厌氧生物处理是在缺氧条件下,利用厌氧性微生物 ( 包括兼性厌氧微生物 ) 分解污水中有机污染物的方法。因为发酵产物产生甲烷,又称甲烷发酵。此法既能消除环境污染,又能开发生物能源,所以倍受人们重视。
    污水厌氧发酵是一个极为复杂的生态系统,它涉及多种交替作用的菌群,各要求不同的基质和条件,形成复杂的生态体系,甲烷发酸包括 3 个阶段:

    1、液化阶段
    由厌氧或兼性厌氧的细菌将复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂肪等分解为有机酸、醇等。。

    2、产氢产乙酸阶段
    由产氢产乙酸细菌群利用液化阶段产生的各种脂肪酸、醇等进一步转化为乙酸、 H 2 和 CO 2 。

    3、产甲烷阶段
    产甲烷菌利用乙酸、甲酸、甲醇、 CO 2 、 H 2 等、形成甲烷。产甲烷菌属于古细菌,严格厌氧,主要包括甲烷杆菌属、甲烷八叠球菌属和甲烷球菌属等。产甲烷菌是严格厌氧菌,故污水的厌氧处理必须在厌氧消化池中进行。
    发酵后的污水和污泥分别从池的上部和底部排出,所产生的沼气则由顶部排出,可作为能源加以利用。发酵池中也可产生如 H 2 S 、 CO 等一些有毒的气体,故不能冒然进入。
    此法主要用于处理农业和生活废弃物或污水厂的剩余污泥,也可用工业废水处理。

    二、微生物对污染物的降解与转化
    由于微生物代谢类型多样,所以自然界所有的有机物几乎都能被微生物降解与转化。随着工发展,许多人工合成的新的化合物,掺入到自然环境中,引起环境污染。微生物以其个体小、繁侠、适应性强、易变异等特点,可随环境变化,产生新的自发突变株,也可能通过形成诱导酶、生新的酶系,具备新的代谢功能以适应新的环境,从而降解和转化那些“陌生”的化合物。大事实证明微生物有着降解、转化物质的巨大潜力。

    (一)环境中的主要污染物
    所谓污染物,是指人类在生产生活中,排人大气、水体或土壤内的能引起环境污染,并对人环境有不利影响的物质的总称。这些物质主要有农药、污泥、烃类、合成聚合物、重金属、放射性核素等。总体可归为无毒和有毒污染物 2 大类,前者如纤维素、淀粉等有机物和酸、碱等无机物,后者如苯酚、多氯联苯等有机毒物和氰化物、各种重金属等无机毒物。污染物对人类的危害是极其复杂的,有些污染物在短期内通过空气、水、食物链等多种媒介侵入人体,造成急性危。也有些污染物通过小剂量持续不断地侵人人体,经过相当长时间,才显露出对人体的慢性危害或远期危害,甚至影响到子孙后代的健康。

    (二)微生物对农药等有毒污染物的降解
    农药是除草剂、杀虫剂、杀菌剂等化学制剂的总称。我国每年使用 50 多万吨农药,利用率只“ 10 %。绝大部分残留在土壤中,有的被土壤吸附,有的经空气、江河传播扩散,引起大范围污染。目前的农药多是有机氯、有机磷、有机氮、有机硫农药,其中有机氯农药危害性最大。这些有毒化合物在自然界存留时间长、对人畜危害严重。实验证明,环境中农药的清除主要靠细菌、放线菌、真菌等微生物的作用,微生物降解农药的方式有 2 种,一种是以农药作为唯一碳源和能源,或作为唯一的氮源物质,此类农药能很快被微生物降解,如氟乐灵,这是一种新型除草剂,它可作为曲霉属的唯一碳源,所以很易被分解;另一种是通过共代谢作用,共代谢是指一些很难降解的有机物,虽不能作为微生物唯一碳源或能源被降解,但可通过微生物利用其他有机物作为碳源或能源的同时被降解的现象,如直肠梭菌降解 666 时需要有蛋白胨之类物质提供能量才能降解。微生物降解农药主要是通过脱卤作用、脱烃作用,对酰胺及脂的水解、氧化作用、还原作用及环裂解、缩合等方式把农药分子的一些化学基本结构改变而达到的。

    (三)重金属的转化
    环境污染中所说的重金属一般指汞、锅、铬、铅、砷、银、硒、锡等。微生物特别是细菌、真菌在重金属的生物转化中起重要作用。微生物可以改变重金属在环境中的存在状态,会使化学物毒性增强,引起严重环境问题,还可以浓缩重金属,并通过食物链积累。另一方面微生物直接和间接的作用也可以去除环境中的重金属,有助于改善环境。
    汞所造成的环境污染最早受到关注,汞的微生物转化及其环境意义具有代表性。汞的微生物转化包括三个方面无机汞的甲基化;有机汞还原成汞;甲基汞和其他有机汞化合物裂解并还原成汞。包括梭茵、脉胞菌、假单胞菌等和许多真菌在内的微生物具有甲基化汞的能力。能使无机汞和有机汞转化为单质汞的微生物也被称为抗汞微生物,包括铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、大肠埃希氏菌等。微生物的抗汞功能是由质粒控制的,编码有机汞裂解酶和无机汞还原酶的是 mer 操纵子。
    微生物对其他重金属也具有转化能力,硒、铅、锡、镐、砷、铝、镁、把、金、钝也可以甲基化转化。微生物虽然不能降解重金属,但通过对重金属的转化作用,控制其转化途径,可以达到减轻毒性的作用。

    (四)固体废物的生物处理
    固体废弃物处理的方法有物理法、化学法和生物法。其中生物法主要是利用微生物分解有机物,制作有机肥料和沼气。且在发酵过程 70 一 80 ℃ 高温能杀死病原菌、虫卵及杂草种子,达到无害化目的。根据微生物与氧的关系,可分为好氧性堆肥法和厌氧发酵法两大类。

    1、好氧堆肥法
    好氧堆肥法是指有机弃废物,在好氧微生物作用下,达到稳定化,转变为有利于土壤性状改良并利于作物吸收和利用的有机物的方法。所谓稳定化是指病原性生物的失活,有机物的分解及腐殖质的生成。从堆肥到腐殖质的整个过程中有机污染物发生复杂的分解与合成的变化,可分为 3 个阶段。
    (1)发热阶段 堆肥初期,中温性好氧细菌和真菌,充分利用堆肥中易分解、可溶性物质 ( 淀粉、糖类 ) 而旺盛增殖,释放出热量,使堆肥温度逐渐上升。
    (2)高温阶段 堆肥温度上升到 50 ℃ 以上进入高温阶段。中温性微生物逐步被高温性微生物取代,堆肥中除剩余的或新形成的可溶性有机物继续被分解转化外,复杂有机物也开始分解,腐殖质开始形成。在 50 ℃ 左右,堆肥中的微生物主要是嗜热性真菌和放线菌,温度达到 60 ℃ 时,真菌几乎全部停止活动,只有嗜热放线菌和细菌活动,当温度升到 70 ℃ 时,微生物大部分死亡,或进人休眠状态。高温可使有机物快速腐熟,并可杀灭病原性生物。
    (3)降温腐熟保温阶段 当高温持续一段时间后,易分解或较易分解的有机物已大部分被利用,剩下难分解物质 ( 如木质素 ) 和新形式的腐殖质。此时微生物活动减弱,产生热量少,温度下降,中温性微生物逐渐形成优势种群。残留物质进一步被分解,腐殖质积累不断增加,堆肥进入腐熟阶段。为避免堆肥有机物矿化损失肥效,应把堆肥压紧,使造成厌氧状态。

    2、厌氧发酵法
    厌氧发酵法包括厌氧堆肥法和沼气发酵。厌氧堆肥法是指在不通气条件下,微生物通过厌氧发酵将有机弃废物转化为有机肥料,使固体废物无害化的过程。堆制方式与好氧堆肥法基本相同。但此法不设通气系统、有机废弃物在堆内进行厌氧发酵,温度低,腐熟及无害化所需时间长。利用固体废弃物进行沼气发酵与污水的厌氧处理情况基本相似。

    三、微生物与环境监测
    环境监测是测定代表环境质量的各种指标数据的过程。它包括环境分析、物理测定和生物监测。所谓生物监测就是利用生物对环境污染所发生的各种信息作为判断环境污染状况的一种手段。生物长期生活在自然界中,不仅可反映多种因子污染的综合效应,而且还能反映环境污染的历史状况。故生物监测可以弥补物理、化学分析测试的不足,特别是微生物具有得天独厚的特点,与环境关系极为密切,因此微生物学方法在生物监测中占有特殊的地位。

    (一)粪便污染指示菌
    粪便污染指示菌的存在,是水体受过粪便污染的指标。根据对正常人粪便中微生物的分析测定结果,认为采用大肠菌群及粪链球菌作为指标较为合适,其中以前者较为广用。
    大肠菌群是指一大群与大肠杆菌相似的好氧及兼性厌氧的革兰氏阴性无芽孢杆菌,它们能在 48h 内发酵乳糖产酸产气,包括埃希氏菌属柠檬酸杆菌属肠杆菌属、克列氏菌属等。测定大肠菌群的常用方法有发酵法和滤膜法两种。
    大肠菌群数量的表示方法有两种,其一是“大肠菌群数”,亦称“大肠菌群指数”,即 1L 水中含用的大肠菌群数量。其二是“大肠茵群值”是指水样中可检出 1 个大肠菌群数的最小水样体积( mL 数 ) 。该值越大,表示水中大肠菌群数越小。
    我国生活饮用水卫生标准规定,1L 水中总大肠菌群数不得超过 3 个,即大肠菌群值不得小于 333mL 。

    (二)水体污染指示生物带
    一般的生物多适宜于清洁的水体,但是有的生物则适宜于某种程度污染的水体。在各种不同污染程度的水体中,各有其一定的生物种类和组成。根据水域中的动、植物和微生物区系,可推该水域中的污染状况,污水生物带便是通过以上检测而确定的。通常把水体划分为多污带、中污和寡污带。中污带又分为甲型中污带和乙型中污带。

    (三)致突变物与致癌物的微生物检测
    人们在生活过程中不断地与环境中的各种化学物质相接触,这些物质对人类影响与危害怎样,特别是致癌效应如何,是人们普遍关心的问题。
    据了解, 80 %一 90 %的人类癌症是由环境因素引起的,其中主要是化学因素。目前世界上常见的化学物质有 7 万多种,其中致癌性研究较充分的仅占 1 / 10 ,而每年又至少新增千余种新的化合物。采用传统的动物实验法和流行病学调查法己远远不能满足需要,至今世界上已发展了上百个快速测试法,其中以致突变试验应用最广,测试结果不仅可反映化学物质的致突变性,而且可住推测它的潜在致癌性。应用于致突变的微生物有鼠伤寒沙门氏菌大肠埃希氏菌枯草杆菌脉胞菌酿酒酵母构巢曲霉等。目前以沙门氏菌致突变试验应用最广。
    Ames 试验,全称沙门氏菌/哺乳动物微粒体试验,亦称沙门氏菌/ Ames 试验,是美国 Ames 教授于 1975 年研究与发表的致突变试验法。其原理是利用鼠伤寒沙门氏菌组氨酸营养缺陷型菌株发生回复突变的性能,来检测物质的致突变性。在不含组氨骏的培养基上,它们不能生长。但当受到某致突变物作用时,因菌体 DNA 受到损伤,特定部位基因突变,由缺陷型回复到野生型,在不含组氨酸的培养基上也能生长,其关系如下:
    Ames 试验常用纸片法和平板掺入法。
    Ames 试验,准确性较高、周期短、方法简便,可反应多种污染物联合作用的总效应。通过对亚硝胺类、多环芳烃、芳香胺、硝基吱喃类、联苯胺、黄曲霉毒素等 175 种已知致癌物进行 Ames 试验,结果阳性吻合率为 90 %;用 108 种非致癌物进行测定,其阴性吻合率为 87 %。有人将 180 种物质进行 Ames 试验,其中已知致癌物有 26 种,经 Ames 试验测得 25 种为阳性,其吻合率达 95 %。人们称此法是一种良好的潜在致突变物与致癌物的初筛报警手段。

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