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1、第二篇第二篇 微生物生态与环境微生物生态与环境工程中的微生物作用工程中的微生物作用第一章第一章 微生物生态微生物生态第二章第二章 微生物在环境物质循环中的作用微生物在环境物质循环中的作用第三章第三章 水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理第四章第四章 污、废水深度处理和微污染源水预处理的微生物学原理污、废水深度处理和微污染源水预处理的微生物学原理第五章第五章 有机固体废弃物与废气的微生物处理及其微生物群落有机固体废弃物与废气的微生物处理及其微生物群落第六章第六章 微生物学新技术在环境工程中的应用微生物学新技术在环境工程中的应用第一章第一章 微生
2、物生态微生物生态第一节第一节 生态系统生态系统第二节第二节 土壤微生物生态土壤微生物生态第三节第三节 空气微生物生态空气微生物生态第四节第四节 水体微生物生态水体微生物生态第一节第一节 生态系统生态系统一、生态系统和生物圈一、生态系统和生物圈二、生态平衡二、生态平衡三、生态系统的分类三、生态系统的分类一、生态系统和生物圈一、生态系统和生物圈 生态系统生态系统(ecosystem)是生物圈的组成部分与基本单元。是生物圈的组成部分与基本单元。它是由生物群落及其生存环境组成的一个整体系统，可用它是由生物群落及其生存环境组成的一个整体系统，可用下式表述：下式表述：生态系统生态系统 = 生物群落生物群落
3、 + 环境条件环境条件包括：生物生产、能量流动、物资循环、信包括：生物生产、能量流动、物资循环、信息传递。息传递。生态系统的这些功能是在生物圈内进行的。生物圈是指：生生态系统的这些功能是在生物圈内进行的。生物圈是指：生存在地球陆地以上和海面以下个存在地球陆地以上和海面以下个10km之间的范围，包括岩石之间的范围，包括岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有生物群落和人以及他们生圈、土壤圈、水圈和大气圈内所有生物群落和人以及他们生存环境的总体。存环境的总体。二、生态平衡二、生态平衡 生态系统是开放系统，当能量和物质的输入生态系统是开放系统，当能量和物质的输入（被植物等固定）大于输出（消费和分解、人类收
4、（被植物等固定）大于输出（消费和分解、人类收获）时，生物量增加；反之，生物量减少。如果输获）时，生物量增加；反之，生物量减少。如果输入和输出在较长时间趋于相等，生态系统的组成、入和输出在较长时间趋于相等，生态系统的组成、结构和功能将长期处于稳定状态。虽然各生物群落结构和功能将长期处于稳定状态。虽然各生物群落有各自的生长、发育、繁殖及死亡过程，但动物、有各自的生长、发育、繁殖及死亡过程，但动物、植物和微生物等群落的种群、数量，它们的数量比植物和微生物等群落的种群、数量，它们的数量比均保持相对稳定。即使有外来干扰，生态系统能通均保持相对稳定。即使有外来干扰，生态系统能通过自行调节的能力恢复到原来稳
5、定的状态（例如土过自行调节的能力恢复到原来稳定的状态（例如土壤和水体的自净）这就是生态系统的平衡，即生态壤和水体的自净）这就是生态系统的平衡，即生态平衡。平衡。三、生态系统的分类三、生态系统的分类水体生态系统水体生态系统陆地生态系统陆地生态系统淡水生态系统淡水生态系统海水生态系统海水生态系统河流生态系统河流生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统水体生态系统水体生态系统陆地生态系统陆地生态系统动物生态系统动物生态系统植物生态系统植物生态系统土壤微生物生态系统土壤微生物生态系统生生存存环环境境生生存存状状态态微微生生物物生生存存状状态态水体微生物生态系统水体微生物生态系统空气微生物生态系统空气微生物生态
6、系统微生物生态系统微生物生态系统第二节第二节 土壤微生物生态土壤微生物生态一、土壤微生物生态一、土壤微生物生态二、微生物在土壤的种类、数量和分布二、微生物在土壤的种类、数量和分布三、土壤自净和污染土壤微生物生态三、土壤自净和污染土壤微生物生态四、土壤污染和土壤生物修复四、土壤污染和土壤生物修复一、土壤微生物生态一、土壤微生物生态土壤对微生物的生存的影响包括以下几个方面：土壤对微生物的生存的影响包括以下几个方面：1. 营养；营养；2. pH；3. 渗透压；渗透压；4. 氧气和水；氧气和水；5. 温度；温度；6. 保护层。保护层。二、微生物在土壤的种类、数量和分布二、微生物在土壤的种类、数量和分布
7、土壤中的微生物含量是衡量土壤肥力的指标之一。土壤中的微生物含量是衡量土壤肥力的指标之一。肥沃土：肥沃土：11081109个微生物个微生物/克土克土贫瘠土：贫瘠土：11061107个微生物个微生物/克土克土根据土壤性质的不同，如根据土壤性质的不同，如pH、酸碱性、水分、透气性等，酸碱性、水分、透气性等，土壤中所含的微生物数量和种类各不相同。土壤中所含的微生物数量和种类各不相同。微生物在土壤中的分布随土层深度的增加而减少。微生物在土壤中的分布随土层深度的增加而减少。三、土壤自净和污染土壤微生物生态三、土壤自净和污染土壤微生物生态土壤对施入其中一定负荷的有机物或有机污染物土壤对施入其中一定负荷的有机
8、物或有机污染物具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化过程自动分解污染物使土壤恢复到原来水平的净过程自动分解污染物使土壤恢复到原来水平的净化过程，称土壤自净。化过程，称土壤自净。由于土壤中含有大量的微生物，可用土地法处理由于土壤中含有大量的微生物，可用土地法处理废水，污染物在土壤中的存在还会诱导土壤中微废水，污染物在土壤中的存在还会诱导土壤中微生物的变异。生物的变异。如果用污水对农田进行灌溉，只要不超过土壤自如果用污水对农田进行灌溉，只要不超过土壤自净能力是不会引起土壤污染的。净能力是不会引起土壤污染的。四、土壤污染和土壤生物修复四、土壤污染和土壤生
9、物修复当污染物排放到土壤中，超过了土壤的自净能力，当污染物排放到土壤中，超过了土壤的自净能力，则会产生不良后果：则会产生不良后果：1. 破坏土地的生态平衡；破坏土地的生态平衡；2. 有有毒有害物质渗入到地下水中，危害人类；毒有害物质渗入到地下水中，危害人类；3. 各种病各种病原微生物会通过各种途径进入人体引起人体疾病。原微生物会通过各种途径进入人体引起人体疾病。针对污染土壤的问题，人们开始了污染土壤的生物针对污染土壤的问题，人们开始了污染土壤的生物修复工作。即针对污染物的性质，选用高效的微生修复工作。即针对污染物的性质，选用高效的微生物菌种，投入到受污染的土壤中，并配以适当的营物菌种，投入到受
10、污染的土壤中，并配以适当的营养和氧气，对受污染的土壤进行生物修复。养和氧气，对受污染的土壤进行生物修复。针对受污染土壤的情况有原位生物修复、针对受污染土壤的情况有原位生物修复、挖掘堆置和反应器处理等方法。挖掘堆置和反应器处理等方法。第三节第三节 空气微生物生态空气微生物生态一、空气的生态条件一、空气的生态条件二、空气微生物的种类、数量和分布二、空气微生物的种类、数量和分布三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术四、空气微生物检测四、空气微生物检测一、空气的生态条件一、空气的生态条件 空气中有较强的紫外辐射，具有较干燥，温空气中有较强的紫外辐射，具有较干燥，温
11、度变化大，缺乏营养等特点。所以空气不是微生度变化大，缺乏营养等特点。所以空气不是微生物生长繁殖的场所。虽然空气中微生物数量较多，物生长繁殖的场所。虽然空气中微生物数量较多，但只是暂时停留。微生物在空气中停留时间的长但只是暂时停留。微生物在空气中停留时间的长短由风力、气流和雨、雪等气象条件所决定，但短由风力、气流和雨、雪等气象条件所决定，但它最终要沉降到土壤、水中、建筑物和植物上。它最终要沉降到土壤、水中、建筑物和植物上。二、空气微生物的种类、数量和分布二、空气微生物的种类、数量和分布空气中微生物的种类和所处的地理位置有关的，其数量也空气中微生物的种类和所处的地理位置有关的，其数量也是如此，不同
12、场所上空微生物的数量如下表所示：是如此，不同场所上空微生物的数量如下表所示：场所场所畜舍畜舍宿舍宿舍城市街道城市街道 市区公园市区公园海洋上空海洋上空北纬北纬80微生物微生物(12)10621045103200120 空气中的微生物还随着海拔高度而变化，一般来说，空气中的微生物还随着海拔高度而变化，一般来说，海拔越高，微生物数量越少。海拔越高，微生物数量越少。单位：个单位：个/m3三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术三、空气微生物的卫生标准及生物洁净技术清洁程度清洁程度细菌总数细菌总数(单位：个单位：个/m3)最清洁的空气（有空调）最清洁的空气（有空调）12清洁空气清洁空气 30普通空气普通
13、空气31125临界环境临界环境150轻度污染轻度污染 301以细菌总数评价空气的卫生标准：以细菌总数评价空气的卫生标准：外部大环境的卫生洁净技术主要靠绿化环境，搞好生态环外部大环境的卫生洁净技术主要靠绿化环境，搞好生态环境，局部环境主要可通过空气过滤器来实现。境，局部环境主要可通过空气过滤器来实现。四、空气微生物检测四、空气微生物检测空气中微生物的检测可通过：空气中微生物的检测可通过：1. 固体法：固体法：（1）平皿落菌法；（）平皿落菌法；（2）2. 液体法液体法空气微生物的测点数越多越准确，以空气微生物的测点数越多越准确，以2030个个点为宜，最少测点数为点为宜，最少测点数为56个。个。采样
14、后的培养温度和时间一般是采样后的培养温度和时间一般是37和和48h。第四节第四节 水体微生物生态水体微生物生态一、水体的微生物群落一、水体的微生物群落二、水体自净和污染水体的微生物生态二、水体自净和污染水体的微生物生态三、水体富营养化三、水体富营养化水体中微生物的来源主要有四个方面：水体中微生物的来源主要有四个方面：1. 水体中固有的微生物水体中固有的微生物2. 来自土壤的微生物来自土壤的微生物3. 来自生产和生活的微生物来自生产和生活的微生物4. 来自空气微生物来自空气微生物一、水体的微生物群落一、水体的微生物群落（一）海洋中微生物群落一）海洋中微生物群落在近海由于自然和人为的影响，微生物含
15、量比远海要多。在海在近海由于自然和人为的影响，微生物含量比远海要多。在海洋不同的深度，由于阳光和溶解氧的变化，微生物的含量呈一洋不同的深度，由于阳光和溶解氧的变化，微生物的含量呈一定的变化规律。定的变化规律。在海洋上部以含有好在海洋上部以含有好氧性的微生物和藻类氧性的微生物和藻类为主，在深处主要以为主，在深处主要以兼性或厌氧性的微生兼性或厌氧性的微生物为主。海洋微生物物为主。海洋微生物的最大特点是耐盐或的最大特点是耐盐或嗜盐性的。嗜盐性的。（二）淡水微生物群落（二）淡水微生物群落 河流、湖泊、小溪和池塘等水体中微生物种类河流、湖泊、小溪和池塘等水体中微生物种类和土壤中的相似。分布规律和海洋的相
16、似。影响微和土壤中的相似。分布规律和海洋的相似。影响微生物群落和分布、种类和数量的因素主要有：水体生物群落和分布、种类和数量的因素主要有：水体类型、受污（废）水污染程度、有机物的含量、水类型、受污（废）水污染程度、有机物的含量、水温、温、pH及水深等。及水深等。二、水体自净和污染水体的微生物生态二、水体自净和污染水体的微生物生态和和如图所示如图所示阳光阳光一级生产者一级生产者原生动物原生动物轮虫、浮游甲壳动物轮虫、浮游甲壳动物鱼鱼其他动物其他动物人人废物、排泄物废物、排泄物异养细菌异养细菌(藻类、光合细菌、水生植物藻类、光合细菌、水生植物)水体自净：水体自净：水体接纳了一定量的有机污染物后，在
17、物理的、化水体接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物的因素的综合作用下得到净化，水质恢复到污染学的和水生物的因素的综合作用下得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态。前的水平和状态。水体自净容量：水体自净容量：是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染是指在水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。物的最大数量。（一）水体自净（一）水体自净 由于天然水体的各种生物和微生物之间构由于天然水体的各种生物和微生物之间构成的一个生物循环的生物链，因而水体有一个自净的能力。成的一个生物循环的生物链，因而水体有一个自净的能力。P/H指数：指数：P代表光合自养型微生物，代表光合自养型微生物，
18、H代表异养型微生物，两代表异养型微生物，两者的比即者的比即P/H指数。指数。P/H指数反映水体污染和自净程度。水体指数反映水体污染和自净程度。水体刚被污染，水中有机物浓度高，异养型微生物大量繁殖，刚被污染，水中有机物浓度高，异养型微生物大量繁殖，P/H指数低，自净速率高。在自净过程中，有机物减少，异养型微指数低，自净速率高。在自净过程中，有机物减少，异养型微生物数量减少，光合自养型数量增多，故生物数量减少，光合自养型数量增多，故P/H指数升高，自净指数升高，自净速率逐渐降低，在河流自净完成后，速率逐渐降低，在河流自净完成后，P/H指数恢复到原有水平。指数恢复到原有水平。氧浓度昼夜变化幅度和氧垂
19、线：由于受到阳光照射的不同，氧浓度昼夜变化幅度和氧垂线：由于受到阳光照射的不同，水体中白天和晚上水体中溶解氧的含量是不同的。因此对于水体中白天和晚上水体中溶解氧的含量是不同的。因此对于受污染的河流，水体中的微生物及水生生物也呈一定规律的受污染的河流，水体中的微生物及水生生物也呈一定规律的变化。变化。衡量水体自净的指标衡量水体自净的指标（二）污水体系的微生物生态（二）污水体系的微生物生态 当有机物排入河流后，当有机物排入河流后，在排污点的下游进行着正常的自净过程。沿着河流方向在排污点的下游进行着正常的自净过程。沿着河流方向形成一系列连续的污化带，例如多污带、形成一系列连续的污化带，例如多污带、
20、- -中污带、中污带、 - -中污带和寡污带。中污带和寡污带。水体有机污染指标：水体有机污染指标：BIP指数用来衡量水体有机污染程度。指数用来衡量水体有机污染程度。BIP = 100%BA + B式中：式中：A为有叶绿素的微生物数；为有叶绿素的微生物数；B为无叶绿素的微生物数为无叶绿素的微生物数利用利用BIP值可以判断水体的污染程度。如下表所示：值可以判断水体的污染程度。如下表所示：污染程度污染程度清洁水清洁水轻度污染水轻度污染水中等污染水中等污染水严重污染水严重污染水BIP值值08820206060100细菌菌落总数细菌菌落总数(CFU)：细菌菌落总数是指细菌菌落总数是指1ml水样在营养琼水
21、样在营养琼脂培养基中于脂培养基中于37培养培养24h后所生长出来的菌落总数。后所生长出来的菌落总数。由于粪便的污染，水源水中通常含有由于粪便的污染，水源水中通常含有其典型的代表其典型的代表有：痢疾杆菌有：痢疾杆菌痢疾贺氏菌痢疾贺氏菌(Shigella dysenteriae)、副痢疾副痢疾贺氏菌贺氏菌(Shigella paradysenteriae)、伤寒沙门氏菌伤寒沙门氏菌(Salmonella typhi)、甲型、乙型和丙型的副伤寒沙门氏菌、甲型、乙型和丙型的副伤寒沙门氏菌(Salmonella paratyphi)及霍乱弧菌及霍乱弧菌(Vibrio cholerae)等。等。 水源水中
22、细菌菌落总数不能说明污染物的来源，因此通常用水源水中细菌菌落总数不能说明污染物的来源，因此通常用大肠菌群数来判断水的污染源。大肠菌群数来判断水的污染源。大肠菌群数被选作致病菌的间接指示菌是因为大肠菌群是人大肠菌群数被选作致病菌的间接指示菌是因为大肠菌群是人肠道中正常寄生菌，数量大，对人较安全，在环境中的存活肠道中正常寄生菌，数量大，对人较安全，在环境中的存活时间与致病菌相近，而且检验技术较简便，因而被选中，一时间与致病菌相近，而且检验技术较简便，因而被选中，一直沿用至今。直沿用至今。三、水体富营养化三、水体富营养化（一）水体富营养化的概念与发生（一）水体富营养化的概念与发生由于某些自然因素，尤
23、其是人类将富含氮、磷的城市生活由于某些自然因素，尤其是人类将富含氮、磷的城市生活污水和工业废水排放入自然水体中，使得自然水体中的氮、污水和工业废水排放入自然水体中，使得自然水体中的氮、磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长，使淡水水体发生磷营养过剩，促使水体中藻类过量生长，使淡水水体发生“水华水华”，使海洋发生，使海洋发生“赤潮赤潮”。与富营养化关系密切的藻类，被报道得较多的是蓝藻中的与富营养化关系密切的藻类，被报道得较多的是蓝藻中的微囊藻属微囊藻属(Microcystis)，腔球藻属腔球藻属(Coelosphaerium)和鱼腥和鱼腥藻属藻属(Anabaena)。由于水体中藻类和异养细菌的代谢活
24、动，耗尽了水中的溶由于水体中藻类和异养细菌的代谢活动，耗尽了水中的溶解氧，大量藻类覆盖在水面，大气中的氧不易溶于水，造解氧，大量藻类覆盖在水面，大气中的氧不易溶于水，造成水体缺氧，使浮游动物和鱼类无法生存。加上藻类分泌成水体缺氧，使浮游动物和鱼类无法生存。加上藻类分泌致臭、致毒物而严重影响水质。致臭、致毒物而严重影响水质。（二）评价水体富营养化的方法与（二）评价水体富营养化的方法与AGP评价水体富营养化的方法：评价水体富营养化的方法：1. 观察蓝藻等指示生物；观察蓝藻等指示生物；2.测测定生物的现存量；定生物的现存量；3.测定原始生产力；测定原始生产力；4.测定水体透明度；测定水体透明度；5.
25、测定氮和磷等导致富营养化的物质。测定氮和磷等导致富营养化的物质。AGP即藻类生产的潜在能力。把特定的藻类接种在天然水即藻类生产的潜在能力。把特定的藻类接种在天然水体或废水中，在一定的光照度和温度条件下培养，使藻类体或废水中，在一定的光照度和温度条件下培养，使藻类增长到稳定期为止，通过测干重或细胞数来测其增长量。增长到稳定期为止，通过测干重或细胞数来测其增长量。此即藻类生产的潜在能力（此即藻类生产的潜在能力（AGP）。）。（三（三）防止水体富营养化防止水体富营养化防止天然水体富营养化的根本措施是将各种污水和废水中的防止天然水体富营养化的根本措施是将各种污水和废水中的氮和磷的排放量控制在低的水平。
26、目前我国规定污水处理厂氮和磷的排放量控制在低的水平。目前我国规定污水处理厂出水的氨氮控制在出水的氨氮控制在15mg/L以下。欧洲的标准是以下。欧洲的标准是5mg/L以下。以下。而磷的排放量尚未规定。而磷的排放量尚未规定。第二章第二章 微生物在环境物质循环中的作用微生物在环境物质循环中的作用第一节第一节 氧循环氧循环第二节第二节 碳循环碳循环第三节第三节 氮循环氮循环第四节第四节 硫循环硫循环第五节第五节 磷循环磷循环第六节第六节 铁循环铁循环第一节第一节 氧循环氧循环人和动物呼吸人和动物呼吸微生物有机物分解微生物有机物分解O2植物植物藻类藻类O2光光第二节第二节 碳循环碳循环一、纤维素的转化一
27、、纤维素的转化二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化三、果胶质的转化三、果胶质的转化四、淀粉的转化四、淀粉的转化五、脂肪的转化五、脂肪的转化六、木质素的转化六、木质素的转化七、烃类物质的转化七、烃类物质的转化一、纤维素的转化一、纤维素的转化纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子式：纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子式：(C6H10O5)140010000纤维素在微生物酶的作用下，分解为葡萄糖。这类微生物主纤维素在微生物酶的作用下，分解为葡萄糖。这类微生物主要有细菌、放线菌和真菌等。要有细菌、放线菌和真菌等。二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化半纤维素存在于植物细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖、半纤
28、维素存在于植物细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖、聚己糖及聚糖醛酸。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。聚己糖及聚糖醛酸。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素。分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素。半纤维素的分解过程如下：半纤维素的分解过程如下：三、果胶质的转化三、果胶质的转化果胶质存在于植物细胞壁和细胞间质中，造纸、制果胶质存在于植物细胞壁和细胞间质中，造纸、制麻废水多含有果胶质。天然的果胶质不溶于水，称麻废水多含有果胶质。天然的果胶质不溶于水，称原果胶。原果胶。果胶质水解生成的果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、果胶质水解生成的果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇等在好
29、氧条件下分别为二氧化碳和水，在厌氧甲醇等在好氧条件下分别为二氧化碳和水，在厌氧条件下进行丁酸发酵，产物有丁酸、乙酸、醇类、条件下进行丁酸发酵，产物有丁酸、乙酸、醇类、二氧化碳和氢气。二氧化碳和氢气。好氧分解果胶质的微生物有：枯草芽孢杆菌、多粘好氧分解果胶质的微生物有：枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。四、淀粉的转化四、淀粉的转化淀粉的种类包括：直链淀粉和支链淀粉。淀粉的种类包括：直链淀粉和支链淀粉。淀粉广泛地存在于植物种子（稻、麦、玉米）之中。凡是以淀粉广泛地存在于植物种子（稻、麦、玉米）之中。凡是以上述物质作为原料的工业废水等均含有淀粉。上述物质作为原料的
30、工业废水等均含有淀粉。五、脂肪的转化五、脂肪的转化脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，不溶于水，可溶于有脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，不溶于水，可溶于有机溶剂。毛纺、油脂厂废水，制革废水含有大量油脂。脂肪机溶剂。毛纺、油脂厂废水，制革废水含有大量油脂。脂肪被微生物分解的反应式如下：被微生物分解的反应式如下：甘油的转化甘油的转化六、木质素的转化六、木质素的转化木质素是植物木质化组织的重要成分，稻草秆、麦秆和木木质素是植物木质化组织的重要成分，稻草秆、麦秆和木材是造纸的原料，木材也是人造纤维的原料。所以造纸和材是造纸的原料，木材也是人造纤维的原料。所以造纸和人造纤维废水均含有大量木质素。人造纤维
31、废水均含有大量木质素。分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多孔菌、分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多孔菌、伞菌等的一些种，有厚毛霉和松全菌。假单胞菌的个别种伞菌等的一些种，有厚毛霉和松全菌。假单胞菌的个别种也能分解木质素。也能分解木质素。木质素被微生物分解的速率缓慢，在好氧条件下分解木质木质素被微生物分解的速率缓慢，在好氧条件下分解木质素比在厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。素比在厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。七、烃类物质的转化七、烃类物质的转化炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂的废水均含有芳香炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂的废水均含有芳香烃。酚和苯的分解菌有假单胞
32、菌，铜绿色假单胞菌及烃。酚和苯的分解菌有假单胞菌，铜绿色假单胞菌及苯杆菌等。苯杆菌等。苯的代谢如下：苯的代谢如下：第三节第三节 氮循环氮循环一、微生物转化氮素物质的一般途径一、微生物转化氮素物质的一般途径二、氨化作用二、氨化作用三、硝化作用三、硝化作用四、反硝化作用四、反硝化作用五、固氮作用五、固氮作用六、其它含氮物质的转化六、其它含氮物质的转化一、微生物转化氮素物质的一般途径一、微生物转化氮素物质的一般途径氮素是核酸及蛋白质的主要成分，是构成生物体的必须元素。氮素是核酸及蛋白质的主要成分，是构成生物体的必须元素。自然界蕴藏着丰富的氮素物质，其主要形态有三种：自然界蕴藏着丰富的氮素物质，其主要
33、形态有三种：1. 分子分子态氮，存在于空气中，数量最大，占空气容量近态氮，存在于空气中，数量最大，占空气容量近79%，每亩，每亩土地上空估计有土地上空估计有5000吨；吨；2. 生物体中的蛋白质、核酸和其它生物体中的蛋白质、核酸和其它有机氮化物；有机氮化物；3. 铵盐及硝酸盐等无机态氮化物。前两种形态铵盐及硝酸盐等无机态氮化物。前两种形态的氮虽然数量很大，但不能被植物直接吸收利用。后一种形的氮虽然数量很大，但不能被植物直接吸收利用。后一种形态的氮，是植物所能吸收的氮，但为数很少，远不能满足地态的氮，是植物所能吸收的氮，但为数很少，远不能满足地面植物对氮素营养的需求。面植物对氮素营养的需求。上述
34、三种形态的氮素物质，在自然界中因生物的作用，不断上述三种形态的氮素物质，在自然界中因生物的作用，不断地相互转化，进行着氮素循环。地相互转化，进行着氮素循环。氮素循环图例氮素循环图例 、二、氨化作用二、氨化作用有机氮化物在微生物的分解作用中释放出氨的过程，有机氮化物在微生物的分解作用中释放出氨的过程，称为氨化作用称为氨化作用(ammonification)。这里着重介绍：这里着重介绍：（一）蛋白质的分解（一）蛋白质的分解（二）核酸的分解（二）核酸的分解（三）其它含氮有机物的分解（三）其它含氮有机物的分解（一）蛋白质的分解1. 氧化脱氨基作用：产生酮酸和氨2. 水解脱氨基作用：产生含氧酸和氨3.
35、还原脱氨基作用：产生饱和酸和氨氨基酸脱氨基后的残余基团是一个有机酸，将作氨基酸脱氨基后的残余基团是一个有机酸，将作为微生物生活的碳源物质，在呼吸作用中或被氧为微生物生活的碳源物质，在呼吸作用中或被氧化分解成化分解成CO2。或被发酵生成低分子有机酸、醇或被发酵生成低分子有机酸、醇或碳氢化合物。或碳氢化合物。绝大多数异养型微生物，包括细菌、真菌、放线绝大多数异养型微生物，包括细菌、真菌、放线菌，都有不同的蛋白质分解能力。在自然界中，菌，都有不同的蛋白质分解能力。在自然界中，它们分布很多。作用强的有：荧光假单胞菌、灵它们分布很多。作用强的有：荧光假单胞菌、灵杆菌和变形杆菌等兼性细菌，巨大芽孢杆菌、覃
36、杆菌和变形杆菌等兼性细菌，巨大芽孢杆菌、覃状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等需氧性细菌，腐败芽孢杆菌等厌氧状芽孢杆菌等需氧性细菌，腐败芽孢杆菌等厌氧菌。真菌中有木霉、曲霉、毛霉中的一些种，康菌。真菌中有木霉、曲霉、毛霉中的一些种，康氏木霉和黑曲霉的氨化能力最强。氏木霉和黑曲霉的氨化能力最强。（二）核酸的分解（二）核酸的分解各种生物细胞中均含有大量的核酸，它们是核苷酸的缩聚物。各种生物细胞中均含有大量的核酸，它们是核苷酸的缩聚物。次黄尿环次黄尿环腺嘌呤腺嘌呤许多微生物都能分解核酸。细菌中有芽孢杆菌、梭菌属、分枝许多微生物都能分解核酸。
37、细菌中有芽孢杆菌、梭菌属、分枝杆菌属、节杆菌属等，真菌中有曲霉、青霉、镰胞霉等，放线杆菌属、节杆菌属等，真菌中有曲霉、青霉、镰胞霉等，放线菌中的链霉菌属都能分解核酸。菌中的链霉菌属都能分解核酸。（三）其它含氮有机物的分解（三）其它含氮有机物的分解1. 尿素尿素 分解尿素的微生物有：芽孢八叠球菌、巴斯德氏芽孢分解尿素的微生物有：芽孢八叠球菌、巴斯德氏芽孢杆菌等。杆菌等。O = C + 2H2O (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2ONH2NH2尿酶尿酶2. 几丁质几丁质 某些微生物如贝内克氏菌属中的一些种，产生几丁某些微生物如贝内克氏菌属中的一些种，产生几丁质酶使几丁质水解，生成氨
38、基葡萄糖和乙酸。氨基葡萄糖再经质酶使几丁质水解，生成氨基葡萄糖和乙酸。氨基葡萄糖再经脱氨基酶作用，生成葡萄糖和氨。脱氨基酶作用，生成葡萄糖和氨。C6H11O5NH2 + H2O C6H12O6 + NH3脱氨基酶脱氨基酶几丁质酶几丁质酶C15H26N2O10 + 4H2O 2C6H11O5NH2 +3CH3COOH几丁质几丁质氨基葡萄糖氨基葡萄糖乙酸乙酸三、硝化作用三、硝化作用氨经过微生物作用氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸的过氨经过微生物作用氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸的过程，称为硝化作用（程，称为硝化作用（Nitrification）。）。（一）亚硝化作用（一）亚硝化作用2NH3 +
39、3O2 2HNO2 + 2H2O + 能量能量（二）硝化作用（二）硝化作用2HNO2 + O2 2HNO3 + 能量能量自然界引起氨氧化的微生物最主要是一群化能自养型细菌，它自然界引起氨氧化的微生物最主要是一群化能自养型细菌，它们从氧化们从氧化HNO2及及HNO3中取得能量，以中取得能量，以CO2为碳源进行生活。为碳源进行生活。引起亚硝化作用的主要是亚硝化单胞菌属（引起亚硝化作用的主要是亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），），引起硝化作用的主要是硝化杆菌属（引起硝化作用的主要是硝化杆菌属（Nitrobacter）。）。它们都是它们都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆状细菌。革兰氏
40、染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆状细菌。四、反硝化作用四、反硝化作用硝酸在通气不良情况下借微生物作用而还原的过程，称为反硝硝酸在通气不良情况下借微生物作用而还原的过程，称为反硝化（化（Denitrification）。）。由于还原的程度不同，可生成不同的还由于还原的程度不同，可生成不同的还原态产物，如亚硝酸、次亚硝酸、一氧化氮、以至分子态氮等。原态产物，如亚硝酸、次亚硝酸、一氧化氮、以至分子态氮等。引起反硝化作用的微生物，统称为反硝化微生物。它们在环境引起反硝化作用的微生物，统称为反硝化微生物。它们在环境中种类很多，数量亦大，包括细菌、真菌和放线菌中的多种微中种类很多，数量亦大，包括细菌、真菌
41、和放线菌中的多种微生物，能将硝酸还原为亚硝酸。生物，能将硝酸还原为亚硝酸。在反硝化作用中微生物是将在反硝化作用中微生物是将NO3中的氧作为呼吸作用的受氢体，中的氧作为呼吸作用的受氢体，因而使因而使NO3还原。还原。C6H12O6 + 4NO3 = 6H2O + 6CO2 + 2N2 + 能量能量微生物进行反硝化作用的适宜条件是：微生物进行反硝化作用的适宜条件是：1. 有丰富的有机物作为碳源和能源；有丰富的有机物作为碳源和能源；2. NO3作为氮源与受氢体；作为氮源与受氢体；3. 最适最适pH中性至微碱性，但在中性至微碱性，但在pH3.5 11.2亦曾见到反硝化亦曾见到反硝化作用；作用；4. 温
42、度为中温型温度为中温型25左右，但也曾分离到高温型的反硝化左右，但也曾分离到高温型的反硝化菌，能在菌，能在60 65下进行反硝化作用；下进行反硝化作用；5. 厌氧条件。厌氧条件。五、固氮作用五、固氮作用微生物直接利用大气中的分子态氮，使之还原为氨的过程，微生物直接利用大气中的分子态氮，使之还原为氨的过程，称为固氮作用（称为固氮作用（Nitrogenfixation）。）。N2 + 6e + 6H+ + nATP 2NH3 + nADP + nPi固氮酶固氮酶需氧固氮微生物包括固氮菌属需氧固氮微生物包括固氮菌属(Azotobacter)。兼性厌氧固氮微兼性厌氧固氮微生物中包括肠杆菌中的肺炎克雷伯
43、氏菌生物中包括肠杆菌中的肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)。厌氧性固氮菌中主要有梭状芽孢杆菌属。厌氧性固氮菌中主要有梭状芽孢杆菌属。光合型固氮微生物中，蓝细菌的许多属能进行旺盛的固氮作用。光合型固氮微生物中，蓝细菌的许多属能进行旺盛的固氮作用。共生固氮微生物中最引人注目的是根瘤菌属共生固氮微生物中最引人注目的是根瘤菌属(Rhizobium)。六、其它含氮物质的转化六、其它含氮物质的转化其它含氮物质主要指氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈及硝基化其它含氮物质主要指氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈及硝基化合物。它们来自腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。土合物。它们来自腈纶废水、国防工
44、业废水、电镀废水等。土壤和水体受到上述物质不同程度的污染，对人畜都有毒害。壤和水体受到上述物质不同程度的污染，对人畜都有毒害。CH3COH CH3CHNH2CN CH3CHNH2COOHHCNNH4+甲醛甲醛 -氨基乙腈氨基乙腈丙氨酸丙氨酸在有氧条件下，氰化物氧化分解如下：在有氧条件下，氰化物氧化分解如下：担子菌能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合担子菌能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成成 -氨基乙腈，进而合成丙氨酸。氨基乙腈，进而合成丙氨酸。5HCN + 5.5O2 5CO2 + H2O + 5NH3第四节第四节 硫循环硫循环一、含硫有机物的转化一、含硫有机物的转化二
45、、无机硫的转化二、无机硫的转化硫有三态：元素硫、无机硫化物及含硫有机化合物。这三者硫有三态：元素硫、无机硫化物及含硫有机化合物。这三者在化学和生物作用下互相转化，构成硫的循环。在化学和生物作用下互相转化，构成硫的循环。S含硫有机物含硫有机物反硫化反硫化分解分解同化同化硫化硫化硫化硫化SO42H2S一、含硫有机物的转化一、含硫有机物的转化含硫有机化合物如蛋白质、含硫氨基酸、磺氨酸等在许多土含硫有机化合物如蛋白质、含硫氨基酸、磺氨酸等在许多土壤微生物的分解中，经脱硫作用生成硫化氢，进行含硫有机壤微生物的分解中，经脱硫作用生成硫化氢，进行含硫有机物的无机质化的过程。物的无机质化的过程。CH2 S S
46、 CH2CHNH2CHNH2COOHCOOH2CH3COOH + 2CO2 + 2H2S + 2NH3+ 3H2O +0.5O2 大肠杆菌或变形杆菌胱氨酸在分解不彻底时可形成硫醇暂时累积，但在进一步氧化中，在分解不彻底时可形成硫醇暂时累积，但在进一步氧化中，仍以硫化氢为最后产物。仍以硫化氢为最后产物。二、无机硫的转化二、无机硫的转化1. 硫化作用：硫化氢、元素硫或硫化亚铁等在硫细菌的作用下硫化作用：硫化氢、元素硫或硫化亚铁等在硫细菌的作用下进行氧化，最后生成硫酸的过程，称为硫化作用进行氧化，最后生成硫酸的过程，称为硫化作用 (Sulphurication) 。参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫
47、磺细菌。参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫磺细菌。如：氧化硫杆菌：如：氧化硫杆菌： 2S +3O2 + 2H2O 2H2SO4 + 能量能量2. 反硫化作用：硫酸盐在缺氧条件下被一些微生物利用而还原反硫化作用：硫酸盐在缺氧条件下被一些微生物利用而还原生成硫化氢的过程称为反硫化作用生成硫化氢的过程称为反硫化作用 (Desulphurication) 。主要是。主要是硫酸还原菌所引起。硫酸还原菌所引起。2H2S + O2 2H2O + 2S + 能量能量C6H12O6 + 3H2SO4 6CO2 + 6H2O + 3H2S + 能量能量如脱硫脱硫弧菌如脱硫脱硫弧菌(Desulfovibrio de
48、sulfuricans)是具有强烈反硫化作是具有强烈反硫化作用的细菌的典型代表。能将硫酸盐还原成用的细菌的典型代表。能将硫酸盐还原成H2S。第五节第五节 磷循环磷循环一、含磷有机物的分解一、含磷有机物的分解二、不溶解性磷矿物的溶解二、不溶解性磷矿物的溶解磷在土壤和水体中以含磷有机物、无机磷化合物及还原态磷在土壤和水体中以含磷有机物、无机磷化合物及还原态PH3三种状态存在。磷的循环如下图所示。三种状态存在。磷的循环如下图所示。三、磷酸盐的还原三、磷酸盐的还原一、含磷有机物的分解一、含磷有机物的分解来自生物体的有机磷化物，主要有核酸、植酸、卵磷脂以及各来自生物体的有机磷化物，主要有核酸、植酸、卵磷
49、脂以及各种磷脂酸。能分解这些有机磷化物的微生物有细菌、放线菌和种磷脂酸。能分解这些有机磷化物的微生物有细菌、放线菌和真菌中的有关类群。它们能将有机磷化物转化分解，释放出其真菌中的有关类群。它们能将有机磷化物转化分解，释放出其中的磷酸部分，使成为无机磷酸盐状态存在于环境中。由于微中的磷酸部分，使成为无机磷酸盐状态存在于环境中。由于微生物种类不同，所产生的磷脂酶类不同，作用的有机磷化物不生物种类不同，所产生的磷脂酶类不同，作用的有机磷化物不同，产物也不一样。同，产物也不一样。核糖核酸核糖核酸 核糖核糖+磷酸磷酸+嘌呤和嘧啶嘌呤和嘧啶核糖核酸酶核糖核酸酶植酸植酸 磷酸磷酸+环已六醇环已六醇植酸酶植酸
50、酶卵磷脂卵磷脂 甘油甘油+磷酸磷酸+脂肪酸脂肪酸+胆碱胆碱卵磷脂酶卵磷脂酶磷脂酸磷脂酸+H2O 醇类醇类+磷酸磷酸磷脂酶磷脂酶二、不溶解性磷矿物的溶解二、不溶解性磷矿物的溶解不溶性磷矿物通过微生物生命活动过程中产生的酸类物质逐渐溶解，转化成水溶性的磷酸盐类。微生物分解有机质产生的CO2，溶入水中成为碳酸盐即有此种作用。Ca3(PO4)2 + 4H2CO3 + H2O Ca(H2PO4)2H2O + 2Ca(HCO3)2 至于许多微生物活动产生的各种有机酸，以及硝化细菌、硫化细菌产生的HNO3及H2SO4等，比H2CO3作用更强。Ca3(PO4)2 + 2CH3CHOHCOOH 2CaHPO4