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污染处理生力军生物降解,参与人：张自愿 林辉 2010年12月12日,有许多微生物及其活动对人类都是有益的，比如在酿造业、石油发酵、抗生素药品生产中等，微生物都起着重要作用，但是事物发展都是辩证的，环境中的蓝藻、绿藻中的某些种，若过度生长，将引起湖泊发生“水华”和海洋发生赤潮，污染控制微生物学正在研究这些问题，生物降解也成了污染处理的有力手段。,Tips,生物降解概述 微生物对无机污染物的转化 废水生物处理基本原理 堆肥化处理 污染环境的生物修复 环境污染的微生物检测,1.1 生物降解概述,生物降解，biodegradation，简单来说是某些物质（尤其是环境污染物）在生物或其酶的作用下分解的过程。 生物降解是生态系统物质循环过程中偶那个的重要一环，研究难降解污染物的降解是当前生物降解的主要课题。,生物降解有很多种定义，单从污染处理以及可降解材料方面讲，我们可以概括生物降解定义为： 一种环境友好型生物降解聚合物材料可通过自然界中的微生物（如细菌、真菌和藻类）的作用而降解生成二氧化碳和水，或者伴有自然发生的水解过程，而不产生任何有毒的中间产物，并且最终没有有毒或者对环境有害的残余物留下。即使有残留物，也必须是天然的，即是生物相容的（如真菌）或是惰性的（如矿物填料）。,具体的来说，生物降解分为三种基本类型：Primary biodegradation初级生物降解:指的是母体化合物的结构发生变化，并改变原化合物分子的完整性；Environmentally acceptable biodegradation环境兼容性降解:是指可除去有机污染物的毒性或者人们所不希望的特性；Ultimate biodegradation完全生物降解:指的是有机污染物经过矿化转化后转化为二氧化碳和水以及其他的可利用的无机盐。,1.2 生物降解性,化学结构是决定化合物生物降解性的主要因素，一般一种有机物其结构与自然物质越相似，就越容易降解，结构差别越大，就越难降解。 具有不常见取代基和化学结构使部分化学农药难于生物降解而残留。比如塑料薄膜等因分子体积过大而抗降解，造成白色污染。,1.3 评价化合物的生物降解性,微生物学方法：通常使用纯培养在最适条件下研究化合物的降解，降解性是被高估的。 环境学方法：着眼于化学物在受污染水体和土壤中的降解性，通常使用取自污染区域或废水处理厂的混合微生物源或模拟自然条件培养与实验室的混合微生物培养物来进行试验研究。对所得结果的评价更接近于野外的实际情况。,聚合物结构和材料组成对降解的影响,1.4 影响生物降解的因素,外因： 水 温度 PH值 氧气,内因 化合物的结构 官能团 支化和交联 材料的表面特征,生物降解的三种作用方式,生物的物理作用：由于生物细胞的增长而使物质发生机械性的毁坏； 生物的化学作用：微生物对聚合物的作用而产生新的物质 酶的直接作用：微生物侵蚀部分导致材料分裂或者氧化崩裂。,1.5 降解性质粒,污染物的生物降解反应和其他生物反应本质上都是酶促反应，降解过程中大部分降解酶是由染色体编码的，但其中有些酶，特别是降解难降解化合物的酶类是由质粒控制的，这类质粒被称为降解性质粒（catabolic plasmids). 细菌中的降解性质粒和分离的细菌所处环境污染程度密切相关，从污染地分离到的细菌50%以上含有降解性质粒，与从清洁区分离的细菌质粒相比，不但数量大，其分子也大，信息量也更大，被广泛深入研究的质粒见附表。,2 微生物对无机污染物的转化,2.1 汞的生物学转化 汞所造成的环境污染最早受到关注，日本的水吴病就是由于使用了含有告诉富集甲基汞的鱼和贝类而造成的汞中毒症，环境中最主要的汞污染源是氯碱工业。 汞的微生物转化包括三个方面：无机汞的甲基化，无机汞还原成元素汞，甲基汞和其他有机汞化合物裂解并还原成元素汞。,包括梭菌、脉孢菌、假单胞菌等和愈多真菌在内的微生物都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。,在被污染的河泥中存在一些抗汞细菌，能把甲基汞和离子汞还原成元素汞，亦可把苯基汞、乙基汞转化为元素汞和甲烷：,2.2 铁的生物转化,铁是生物体中重要的微量元素，自然界中有许多微生物对铁的转化起着重要的作用，如氧化亚铁硫杆菌在酸性环境中能将低铁氧化成高铁。,球衣细菌和纤发细菌亦可将低铁氧化为高铁，高铁常以氢氧化铁的形式沉积在衣鞘上。 在含有亚铁盐的工业废水中，亚铁被氧化形成不溶性的高铁，废水虽得到净化，但水中贴的沉积物大量积累与不断增生的丝状菌体粘合在一起，会造成管道堵塞。,2.3 镉的生物转化,镉是毒性很强的金属，在矿石的熔炼过程中，常有大量的镉排出。镉也是汽油添加剂的重要成分，随着汽油的消耗而被排入大气。进入水体中的镉，能通过食物链被富集放大，也能以元素的形式直接被富有生物和高等生物吸收。 蜡状芽孢杆菌、大肠埃希氏菌和黑曲霉等，在含二价镉化合物中生长时，体内能浓缩大量的镉。能使镉甲基化的假单胞杆菌，在有维生素B12存在条件下，能将二价镉化物转化生成少量的挥发性镉化物。,2.4 铅的生物转化,铅在地球上分布很广，用途也非常广泛。主要用作电缆、蓄电池、合金、防放射线材料等，也是油漆、农药、医药的原料，铅化物可造成环境污染。 微生物可使铅甲基化，产生四甲基铅（具有挥发性）。纯培养的假单胞菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属、气单胞菌属种的某些种，能将乙酸三甲基铅转化生成四甲基铅，但不能转化无机铅。,3 废水生物处理基本原理,废水生物处理的作用原理概括起来说，是通过微生物酶的作用，将废水中的污染物氧化分解。 在好氧条件下污染物最终被分解成二氧化碳和水；厌氧条件下污染物最终形成甲烷、二氧化碳、硫化氢、氮以及有机酸和醇等。,在废水生物处理装置中微生物主要以活性污泥（activated sludge)和生物膜(biomembrance)的形式存在，在废水厌氧生物处理的UASB反应器中，微生物还能以颗粒污泥（granular sludge)的形式存在。 它们具有很强的吸附和氧化分解有机物的能力，又具有良好的沉降性能，经处理后的废水能很好的进行泥水分离，澄清水排走，使废水得到净化。,3.1 活性污泥法,活性污泥法处理废水的实质，是在充分曝气供氧条件下（好氧处理），以废水中有机污染物质作为底物，对活性污泥进行连续或者间歇培养，并将有机污染物质无机化的过程。 活性污泥是由复杂的微生物群落与废水中的有机、无机固体物混凝交织在一起构成的絮状物。这种处理方法对生活污水的BOD5去除率可达95%，去除悬浮固体也达到90%左右，是一种应用最广的好氧二级处理方法。,3.1.1 活性污泥法的工艺流程,活性污泥法的处理过程相当于一个有部分细胞回流的完全混合的均一连续培养系统。进入曝气池的污水与污泥相接触，使污水得到净化，净化过程包括两种作用： 一是生化作用，污水中的有机物为微生物所代谢； 二是物理吸附、化学分解等物理、化学作用。,3.1.2 活性污泥的组成与性质,活性污泥在曝气池中呈悬浮状态，而在沉淀池中因其重力而沉淀实现固液分离，沉淀下来的活性污泥被连续回流到曝气池，以维持污水处理所需的一定污泥浓度。多余的污泥被排除。（见流程图）,污水处理过程中的微生物是一个按一定需要组合起来适应污水的极为复杂的群落。它包括细菌、真菌、藻类、原生动物和极少数的后生动物。其中异养细菌的数量最多，作用最大，除膨胀的活性污泥外，真菌一般数量较少，藻类也少，相当数量的原生动物起重要作用。 活性污泥法一般用自然的混合微生物群体来处理污水，也可以用人工选育的（包括从自然环境中分离或者遗传工程菌）一种或多种微生物组合菌群。,3.2 生物膜法,生物膜法也是一种常用的生物处理方法。净化污水的主要原理是附着在滤料表面的生物膜对污水中有机物的吸附和氧化分解作用。 根据介质与污水的不同接触方式，又有不同的处理装置与方法，包括生物滤池法、生物转盘法、生物接触氧化法等。,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，其微生物的组成也类似。由于微生物固着生长在固体膜表面，故生物膜中的生物相当丰富，形成由各种微生物所构成的一个较稳定的生态系统，在该系统中各微生物协同合作完成对污泥的降解处理。,3.2.2 生物滤池的工作原理,普通生物滤池是由池体、滤料、布水系统、排水体统等组成。 废水通过布水器均匀地分布在滤池表面。沿滤料空隙自上而下流动。 在供氧充足的条件下，好氧微生物在滤料表面迅速繁殖，这些微生物又进一步吸附废水中呈悬浮、胶体和溶解状态的有机物质，并随着有机物被分解的同时，微生物也不断的增长和繁殖，使生物膜厚度不断增加。当生物膜上的微生物老化或者死亡，滤池中由于某些蝇类的幼虫活动以及在水流的冲刷下，生物膜将从滤料表面上脱落下来，然后随废水流出池外。,3.3 厌氧处理系统,厌氧处理体统用来处理高浓度有机污水，处理过程杀死各种病原微生物，去除有机物，并获得大量的沼气作为能源，因此也称为沼气发酵。,从复杂的有机物（糖类，蛋白质、脂类）变成甲烷，要经历一个复杂的生物化学过程。首先在发酵细菌作用下，有机物被解聚，转化成脂肪酸、乙醇、CO2、H2、NH3.而后产氢产乙酸的细菌把乙醇和脂肪酸（主要是丙酸、丁酸和长链脂肪酸）转化成乙酸、H2、CO2。最后乙酸的甲基被直接还原产生甲烷，CO2被还原也产生甲烷。,3.4 水体富营养化及氮、磷去除技术,水体富营养化（entrophication）是指大量溶解性营养盐类进入水体，使水中藻类等浮游生物大量生长繁殖，而后因此异养微生物旺盛代谢活动，耗尽了水体中的溶解氧（dissolved oxygen)，水质变差，导致其他水生生物死亡，破坏水体生态平衡的现象。 其中氮和磷是两种造成水体富营养化的主要营养元素。,3.4.1 控制水体富营养化的措施,化学药剂控制：使用硫酸铜，适用于水体面积小的水域。 生物学控制：可以利用接种寄生于藻类的细菌，比如粘细菌、壶菌等来抑制藻类生长，但此法尚未在天然水体范围内实验。 搅动水层：表层水为藻类生长区，可以通过人工搅动破坏水体的分层现象，来控制藻类生长。 对二级生化处理的排出水进行脱氮和除磷。,3.4.2 氮去除技术,生物脱氮的代表工艺流程是缺氧-好氧（A-O(anxic-oxic)系统。污水流经系统的缺氧池、好氧池和沉淀池，并将好氧池的混合液和沉淀池的污泥同时回流至缺氧池。废水中的含氮化合物可在厌氧池、好氧池中发生氨化作用，在好氧池中发生硝化作用，回流混合液把大量硝酸盐带回厌氧池进行反硝化作用，氮化物被转化成N2O和N2，从而挥发到空气中，达到脱氮的目的。,3.4.3 磷去除技术,生物脱磷的代表性工艺流程是厌氧-好氧（A-O（anaerobic-oxic)系统。污泥中的细菌在厌氧条件下吸收低分子的有机物（如脂肪酸），同时将细胞原生质中聚合磷酸盐异染粒的磷释放出来，取得必要的能量，在随后的好氧条件下，所吸收的有机物将被氧化并提供能量，同时从废水中吸收超过其生长所需的磷，并以聚磷酸盐的形式储存起来。通过排放污泥达到去磷的目的。活性污泥的脱磷细菌主要是不动杆菌属，气生单胞菌属，假单胞菌属的细菌。,3.5 生态工程处理方法,污水处理生态工程是生态学原理和工程处理设施相结合的污水处理方法。由于这种处理方法和污水的资源化密切相关，因此也称为污水资源化生态工程。 稳定塘（氧化塘）、土地处理系统、水生植物处理系统等都可以划归这个范围，污水生态工程处理方法与常规的二级处理方法相比，具有投资少、运行管理费用低的优点，同时处理后的出水可以被再生利用，进行资源化。,4 堆肥化处理,堆肥化是处理有机废弃物（生活垃圾及其他无毒废弃物）的主要方法，是有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。堆肥产品是具有一定肥力的有机肥，具有保护环境和资源化的双重效果。因氧的状态而分为好氧堆肥和厌氧堆肥。,4.1 好氧堆肥,好氧堆肥的基本生物化学过程与污水生物处理相似，但堆肥处理只进行到腐熟阶段，并不需有机物的彻底氧化。 好氧堆肥从堆积到腐熟，微生物在分解有机物的生物化学过程中，改变了周围环境，自身的群落组成也发生一系列变化。 这个过程大致可分为中温需氧微生物为主的中温阶段（产热阶段）、嗜热微生物占主导的高温阶段和嗜温微生物（最适温度为中温，能耐受高温）为主的降温阶段。,4.2 厌氧堆肥,厌氧堆肥即沼气化，是将堆料在与空气隔绝的条件下堆制发酵。其机制与污水处理中的厌氧消化相似，最终可产生甲烷，二氧化碳等产物。 该技术在城市下水道污泥、农业固体废弃物（农作物秸秆等）和粪便处理中得到广泛应用。,5 污染环境的生物修复,生物修复时微生物催化降解有机污染物，转化其他污染物从而消除污染的一个受控或自发进行的过程。 目前生物修复技术主要用于土壤、水体（包括地下水）、海滩的污染治理以及固体废弃物的处理。主要污染物是石油烃及各种有毒有害难降解的有机污染物。,生物修复的本质是生物降解，能否成功取决于生物降解速率，在生物修复中可以采取强化措施以促进生物降解：1、接种微生物，增加降解微生物数量，提 高降解能力2、添加微生物营养盐3、提供电子受体4、提供共代谢底物5、提高生物可利用性6、添加生物降解促进剂,6 环境污染的微生物监测,生态环境中的微生物是环境污染的直接承受者，环境状况的任何变化都对微生物群落结构和生态功能产生影响，因此可以用微生物只是环境污染。,6.1 粪便污染指示菌,总大肠菌群是最基本的粪便污染指示菌，最常用的水质指标之一。 监测水体中总大肠菌群的方法主要是: MPN（most probable number)实验法 膜滤实验法（membrane filtration test),6.2 致突变物的微生物检测,环境污染物的遗传学效应主要体现在污染物的致突变作用，致突变作用是致癌和致畸的根本原因，微生物由于生长快的特点，微生物监测被公认是对致突变物最好的初步快速检测方法。 现在被广泛使用的是美国Ames教授等建立称为Ames实验的方法。其原理是利用鼠伤寒沙门氏菌（salmonella typhimurium)的组氨酸营养缺陷型菌株在致突变物的作用下发生回复突变的性能，来检测物质的致突变性。,6.3 硝化细菌的相对代谢率实验,硝化细菌所进行的把铵离子在好氧条件下氧化成硝酸根的硝化作用在生态系统的氮循环中有重要作用，这个过程只有微生物才能进行。 用测定硝化细菌相对代谢率的方法检测水及土壤中的有毒物，并以此评判水体、土壤环境及环境污染物的生物毒性，对于宏观生态环境健康程度的评价有重要意义。,谢谢！,