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1、关于污染环境的生物修复原理第一页，讲稿共六十二页哦4.1生物修复概述第二页，讲稿共六十二页哦 1.生物修复(Bioremediation)的概念 广义的生物修复通常是指利用广义的生物修复通常是指利用各种生物各种生物（包括微生物，动（包括微生物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术，一般分为植物修使受污染的环境得到改善的治理技术，一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。复、动物修复和微生物修复三种类型。狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下，狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条
2、件下，利用特定的利用特定的微生物微生物降解、清除环境中污染物的技术。降解、清除环境中污染物的技术。第三页，讲稿共六十二页哦环境生物修复技术主要由三方面的内容组成：环境生物修复技术主要由三方面的内容组成：（1）利用土著微生物代谢能力的技术）利用土著微生物代谢能力的技术（2）活化土著微生物分解能力的方法）活化土著微生物分解能力的方法（3）添加具有高分解难降解化合物能力的）添加具有高分解难降解化合物能力的特定微生物的方法特定微生物的方法第四页，讲稿共六十二页哦第五页，讲稿共六十二页哦2.生物修复的产生发展生物修复起源于生物修复起源于有机污染物有机污染物的治理，利用好氧或厌氧微生物处理污的治理，利用好
3、氧或厌氧微生物处理污水已有水已有100多年的历史，但是利用生物修复技术处理现场有机污染物才多年的历史，但是利用生物修复技术处理现场有机污染物才有有30多年的历史。多年的历史。1972年美国清除宾夕法尼亚州的年美国清除宾夕法尼亚州的Ambler管线泄漏管线泄漏的汽油是史料所记载的首的汽油是史料所记载的首次应用次应用生物修复技术生物修复技术20世纪世纪80年代以后基础研究的成功被应用于大范围的污染环境年代以后基础研究的成功被应用于大范围的污染环境治理，并取得了相当的成功，从而发展成为一种新的生物治理治理，并取得了相当的成功，从而发展成为一种新的生物治理技术。技术。1989年，美国阿拉斯加海域受到大
4、面积石油污染，生物修复技年，美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染，生物修复技术术首次大规模应用首次大规模应用，取得了很好的效果。阿拉斯加溢油生物修复，取得了很好的效果。阿拉斯加溢油生物修复成为生物修复史上的成为生物修复史上的里程碑里程碑，至此，生物修复技术成为一种可，至此，生物修复技术成为一种可被人们接受的油泄漏治理方法。被人们接受的油泄漏治理方法。我国关于生物修复的研究起步较晚，目前尚处于小试与中试阶段，我国关于生物修复的研究起步较晚，目前尚处于小试与中试阶段，还需进一步发展。还需进一步发展。第六页，讲稿共六十二页哦3.生物修复的特点优点优点（1）可以现场进行，节省了很多治理费用）可以现场进行
5、，节省了很多治理费用（2）环境影响小）环境影响小（3）最大限度的降低污染物浓度）最大限度的降低污染物浓度（4）可用于其他处理技术难以应用的场地）可用于其他处理技术难以应用的场地（5）可以同时处理受污染的土壤和地下水）可以同时处理受污染的土壤和地下水缺点缺点 （1）耗时长）耗时长 （2）运行条件苛刻）运行条件苛刻 （3）并非所有进入环境的污染物都能被生物利用）并非所有进入环境的污染物都能被生物利用 （4）特定的生物只能吸收、利用、降解、转化特定类型的化学物质，状态稍有）特定的生物只能吸收、利用、降解、转化特定类型的化学物质，状态稍有变化的化合物就可能不会被同一种生物酶破坏变化的化合物就可能不会被
6、同一种生物酶破坏第七页，讲稿共六十二页哦4.生物修复的类型按修复主体分按修复主体分（1）微生物修复）微生物修复（2）植物修复）植物修复（3）动物修复）动物修复（4）生态修复）生态修复按修复受体分按修复受体分土壤生物修复、河流水生物修复、湖泊水库生物修复、海洋生物修复、土壤生物修复、河流水生物修复、湖泊水库生物修复、海洋生物修复、地下水生物修复、大气生物修复、矿区生物修复、垃圾场生物修复等地下水生物修复、大气生物修复、矿区生物修复、垃圾场生物修复等按修复场所分按修复场所分（1）原位生物修复（原位）原位生物修复（原位工程工程生物修复和原位生物修复和原位自然自然生物修复）生物修复）（2）异位生物修复
7、）异位生物修复（3）原位）原位-异位联合生物修复异位联合生物修复第八页，讲稿共六十二页哦5.生物修复的原则及可处理性实验生物修复的原则生物修复的原则（1）适合的生物（先决条件）适合的生物（先决条件）（2）适合的场所）适合的场所（3）适合的环境条件）适合的环境条件（4）适合的技术费用）适合的技术费用生物修复的可处理性试验生物修复的可处理性试验 可处理性试验的目的：环境中的污染物一般是混合性可处理性试验的目的：环境中的污染物一般是混合性化学物质；污染现场各有特点，在某一现场起作用的化学物质；污染现场各有特点，在某一现场起作用的生物修复技术在另一现场并不一定有效。生物修复技术在另一现场并不一定有效。
8、第九页，讲稿共六十二页哦可处理性试验分为三个不同的规模：实验室可处理性试验分为三个不同的规模：实验室小试、中试和现场试验小试、中试和现场试验可处理性试验的结果应为实际工程的实施回答以下几个问题可处理性试验的结果应为实际工程的实施回答以下几个问题（1）污染物进一步扩散的可能性以及防治措施）污染物进一步扩散的可能性以及防治措施（2）提高生物活性的手段）提高生物活性的手段（3）评价生物修复效果所需要的检测手段）评价生物修复效果所需要的检测手段进行可处理性试验是要进行可处理性试验是要监测污染物的降解过程和最终产物的毒监测污染物的降解过程和最终产物的毒性性，监测方法有化学分析和生物监测。采用生物监测手段
9、能够，监测方法有化学分析和生物监测。采用生物监测手段能够了解污染物的降解和解毒过程中产物毒性的变化，目前常用了解污染物的降解和解毒过程中产物毒性的变化，目前常用Ames试验检测遗传毒性，用发光菌毒性试验检测急性毒性试验检测遗传毒性，用发光菌毒性试验检测急性毒性第十页，讲稿共六十二页哦 可处理性试验方法可处理性试验方法（1）土壤灭菌试验）土壤灭菌试验（2）土壤柱试验）土壤柱试验（3）摇瓶试验）摇瓶试验（4）反应器试验）反应器试验第十一页，讲稿共六十二页哦 6 生物修复工程技术生物修复工程技术 生物修复工程技术可行性研究生物修复工程技术可行性研究（）数据调查（）数据调查污染物性质，受污染前后生物性
10、质、分布，污染现场条件，有关管理法规，确立净化目标。污染物性质，受污染前后生物性质、分布，污染现场条件，有关管理法规，确立净化目标。（二）技术查询（二）技术查询（三）选择技术路线（三）选择技术路线 对各种修复技术以及它们可能组合进行全面客观评价，列出可行方案，并确定最对各种修复技术以及它们可能组合进行全面客观评价，列出可行方案，并确定最佳技术。佳技术。（四）可处理性试验（四）可处理性试验假如生物修复技术可行，要设计小试和中试，不能忽视规模因素。假如生物修复技术可行，要设计小试和中试，不能忽视规模因素。（五）实际工程设计（五）实际工程设计小试和中试可行后，可进行具体设计，包括生物种类筛选、处理设
11、备、营养物和氧小试和中试可行后，可进行具体设计，包括生物种类筛选、处理设备、营养物和氧源等。源等。第十二页，讲稿共六十二页哦 修复效果评价第十三页，讲稿共六十二页哦4.2 环境微生物修复机理第十四页，讲稿共六十二页哦1、用于生物修复的微生物土著微生物外来微生物（需大量接种）基因工程菌用于生物修复的其他微生物微生物产品和酶 基因工程菌基因工程菌 采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地构建能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌。高效降解难降解污染物的工程菌。第十五页，讲稿共六十二页哦
12、表4-1 难降解有机污染物和重金属及其相应的降解转化微生物第十六页，讲稿共六十二页哦第十七页，讲稿共六十二页哦 2、微生物修复的影响因素：微生物修复的影响因素：（1 1）微生物营养盐）微生物营养盐 （2 2）电子受体：）电子受体：溶解氧溶解氧鼓气或添产氧剂鼓气或添产氧剂H2O2、有、有 机物分解机物分解中间产物和无机酸根（如硝酸根、硫酸根）中间产物和无机酸根（如硝酸根、硫酸根）。（3 3）共代谢基质）共代谢基质 ：洋葱假单胞菌以甲苯作生长基质洋葱假单胞菌以甲苯作生长基质可对三氯乙烯共代谢降解。可对三氯乙烯共代谢降解。（4 4）污染现场和土壤特性）污染现场和土壤特性（5 5）有毒有害有机污染物物
13、理化学性质）有毒有害有机污染物物理化学性质：淋失与吸附、挥发、生物降解、化学反应。淋失与吸附、挥发、生物降解、化学反应。第十八页，讲稿共六十二页哦 微生物营养盐微生物营养盐 在营养缺乏的环境中，为了使污染物达到完全降解，适当添加营养物比接种特殊的微在营养缺乏的环境中，为了使污染物达到完全降解，适当添加营养物比接种特殊的微生物更为重要，例如氮、磷营养盐。生物更为重要，例如氮、磷营养盐。电子受体电子受体：土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类和浓度也极大地影响这污染物土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类和浓度也极大地影响这污染物生物降解的速度和进程。微生物氧化还原反应的最终电子受体主要包括生
14、物降解的速度和进程。微生物氧化还原反应的最终电子受体主要包括溶解溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根氧、有机物分解的中间产物和无机酸根（如（如硝酸根和硫酸根）。硝酸根和硫酸根）。可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供DO作为有机物降解的电子受体；作为有机物降解的电子受体；此外，硝酸根、硫酸根、铁离子也可作为有机物降解的电子受体。此外，硝酸根、硫酸根、铁离子也可作为有机物降解的电子受体。共代谢基质共代谢基质 微生物的共代谢基质对一些顽固污染物的降解起着重要作用，因此，微生物的共代谢基质对一些顽固污染物的降解起着重要作用，因此，共代谢基质对生物修复有重要
15、影响。共代谢基质对生物修复有重要影响。污染现场和土壤特性污染现场和土壤特性：土壤特性影响污染物和微生物的相对活性，最终影响生物修复的速土壤特性影响污染物和微生物的相对活性，最终影响生物修复的速度和程度。度和程度。有毒有机污染物的物理化学性质有毒有机污染物的物理化学性质 如有机污染物的化学结构、毒性、生物可利用性。如有机污染物的化学结构、毒性、生物可利用性。第十九页，讲稿共六十二页哦3.微生物修复与物质循环（一）碳循环（一）碳循环（二）氮循环（二）氮循环（三）氢与氧的循环（三）氢与氧的循环（四）硫循环（四）硫循环第二十页，讲稿共六十二页哦（一）（一）碳循环碳循环一、纤维素的转化一、纤维素的转化二
16、、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、烃类物质的转化第二十一页，讲稿共六十二页哦一、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。这类微生物主要有细菌、放线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。菌和真菌等。第二十二页，讲稿共六十二页哦二、半纤维素的转化二、半纤维素的转化半纤维素存在于植物
17、细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖、聚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、聚己糖及聚糖醛酸。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。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：第二十三页，讲稿共六十二页哦三、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、制麻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，称原果废水多含有果胶质。天然的果胶质不溶于水，称原果胶。胶。果胶质水解生成的果胶酸、聚戊糖
18、、半乳糖醛酸、甲醇果胶质水解生成的果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、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、二氧化碳和氢行丁酸发酵，产物有丁酸、乙酸、醇类、二氧化碳和氢气。气。好氧分解果胶质的微生物有：枯草芽孢杆菌、多粘芽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。孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。第二十四页，讲稿共六十二页哦四、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。凡是以上述物质作为淀
19、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。原料的工业废水等均含有淀粉。第二十五页，讲稿共六十二页哦第二十六页，讲稿共六十二页哦五、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，可溶于有机溶剂。毛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。脂肪被微生物分解的反应式纺、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：如下：甘油的转化甘油的转化第二十七页，讲稿共六十二页哦六、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、麦秆和木材是造纸
20、的原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。所以造纸和人造纤维废水均含有大量木料，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。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、伞菌等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。假单胞菌的个别种也能分解木质素的一些种，有厚毛霉和松全菌。假单胞菌的个别种也能分解木质素。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。氧条件下快，
21、真菌分解木质素比细菌快。第二十八页，讲稿共六十二页哦七、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烃。酚炼油厂、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菌，铜绿色假单胞菌及苯杆菌等。和苯的分解菌有假单胞菌，铜绿色假单胞菌及苯杆菌等。苯的代谢如下：苯的代谢如下：第二十九页，讲稿共六十二页哦（二）（二）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第三十页，讲稿共六十
22、二页哦一、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。自然界蕴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：藏着丰富的氮素物质，其主要形态有三种：1.分子态氮，存在于空气分子态氮，存在于空气中，数量最大，占空气容量近中，数量最大，占空气容量近79%，每亩土地上空估计有，每亩土地上空估计有5000吨；吨；2.生物体中的蛋白质、核酸和其它有机氮化物；生物体中的蛋白质、核酸和其它有机氮化物；3.铵盐及硝酸盐等无机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
23、物直接吸态氮化物。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。后一种形态的氮，是植物所能吸收的氮，但为数很少，收利用。后一种形态的氮，是植物所能吸收的氮，但为数很少，远不能满足地面植物对氮素营养的需求。远不能满足地面植物对氮素营养的需求。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，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。进行着氮素循环。氮素循环图例氮素循环图例、第三十一页，讲稿共六十二页哦第三十二页，讲稿共六十二页哦第三十三页，讲稿共六十二页哦二、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，称有机氮化物
24、在微生物的分解作用中释放出氨的过程，称为氨化作用为氨化作用(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第三十四页，讲稿共六十二页哦（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.还原脱氨基作用：产生饱和酸和氨第三十五页，讲稿共六十二页哦氨基酸脱氨基后的残余基团是一个有机酸，将作为微生物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化分解成生活的碳源物质，在呼吸作用中或被氧化分解成
25、CO2。或。或被发酵生成低分子有机酸、醇或碳氢化合物。被发酵生成低分子有机酸、醇或碳氢化合物。绝大多数异养型微生物，包括细菌、真菌、放线菌，都有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，它们分布很多。作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、灵杆菌和变形杆菌等兼性细菌用强的有：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、覃状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜芽，巨大芽孢杆菌、覃状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等需氧性细菌，腐败芽孢杆菌等厌孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等需氧性细菌，腐败芽孢杆菌等厌氧菌。
26、真菌中有木霉、曲霉、毛霉中的一些种，康氏木霉氧菌。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。和黑曲霉的氨化能力最强。第三十六页，讲稿共六十二页哦（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、分枝杆菌属、节许多微生物都能分解核酸。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，放线菌中的链霉菌属都能分杆菌属等，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
27、。解核酸。第三十七页，讲稿共六十二页哦（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、巴斯德氏芽孢杆菌等分解尿素的微生物有：芽孢八叠球菌、巴斯德氏芽孢杆菌等。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，产生几丁质酶使几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，生成氨基葡萄糖和乙酸。氨基葡萄糖再经脱氨基酶作用，生丁质水解，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。成葡萄糖和氨。C6H11O5NH2+H2O C
28、6H12O6+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第三十八页，讲稿共六十二页哦三、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程，称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（为硝化作用（Nitrification）。）。（一）亚硝化作用（一）亚硝化作用2NH3+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，它们从氧化
29、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HNO2及及HNO3中取得能量，以中取得能量，以CO2为碳源进行生活。引起亚硝化作用的主为碳源进行生活。引起亚硝化作用的主要是亚硝化单胞菌属（要是亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），引起硝化作用的主要是硝化杆菌），引起硝化作用的主要是硝化杆菌属（属（Nitrobacter）。它们都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆）。它们都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆状细菌。状细菌。第三十九页，讲稿共六十二页哦四、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，称为反硝化（硝酸在通气不良情况下借微生物
30、作用而还原的过程，称为反硝化（Denitrification）。由于还原的程度不同，可生成不同的还原态产物，如亚硝）。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。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。它们在环境中种类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生物，能将硝很多，数量亦大，包括细菌、真菌和放线菌中的多种微生物，能将硝酸还原为亚硝酸。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
31、，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+能量能量第四十页，讲稿共六十二页哦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亦曾见到反硝化作亦曾见到反硝化作用；用；4.温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菌左右，但也曾分离到高温型的反硝化菌，能在，能在60 65下进行反硝化作用；下进行反硝化作用；5.
32、厌氧条件。厌氧条件。第四十一页，讲稿共六十二页哦五、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，称为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，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)。兼性厌氧固氮微生物中。兼性厌氧固氮微生物中包括肠杆菌中的肺炎克雷伯氏菌包括肠杆菌中的肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)。厌氧性固氮。厌氧性固氮菌中主要有梭状芽孢杆菌属。菌中主要有梭状芽孢
33、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。共生固氮微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生物中最引人注目的是根瘤菌属(Rhizobium)。第四十二页，讲稿共六十二页哦六、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、正丁腈及硝基化合物。它们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。土壤和水体受到上述物质来自腈纶废水、国防工业废水、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。不同程度的污染，对人畜都有毒
34、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成担子菌能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成-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第四十三页，讲稿共六十二页哦（三）（三）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光光第四十四页，讲稿共六十二页哦（四）（四）硫循环硫循环一、含硫有机物的
35、转化一、含硫有机物的转化二、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。这三者在化学和硫有三态：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。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第四十五页，讲稿共六十二页哦一、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、磺氨酸等在许多土壤微生物的分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，进行含硫有机物的无机质化的过程。解中，经脱硫作用生成
36、硫化氢，进行含硫有机物的无机质化的过程。CH2 S S 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，仍以硫化氢为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。最后产物。第四十六页，讲稿共六十二页哦二、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进行氧化硫化作用：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，最后生成硫酸的过程，称为硫化作用(Sul
37、phurication)。参与硫化作用。参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫磺细菌。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生成硫化氢反硫化作用：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的过程称为反硫化作用(Desulphurication)。主要是硫酸还原菌所引起。主要是硫酸还原菌所引起。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(Desulfovi
38、brio desulfuricans)是具有强烈反硫化作用的细菌的是具有强烈反硫化作用的细菌的典型代表。能将硫酸盐还原成典型代表。能将硫酸盐还原成H2S。第四十七页，讲稿共六十二页哦微生物的营养微生物的营养(异化作用和同化作用，自养异化作用和同化作用，自养微生物和异养微生物微生物和异养微生物)微生物生理代谢的基础微生物生理代谢的基础酶酶微生物的能量代谢微生物的能量代谢(好氧呼吸、无氧呼吸和好氧呼吸、无氧呼吸和发酵发酵)微生物的合成代谢微生物的合成代谢(光合作用，化能自养型光合作用，化能自养型微生物合成代谢，产甲烷菌合成代谢微生物合成代谢，产甲烷菌合成代谢)4.环境微生物的代谢第四十八页，讲稿共
39、六十二页哦5.微生物修复污染物的可生物降解性（1）极其多样的）极其多样的代谢类型代谢类型（2）很强的）很强的变异性变异性（3）共代谢基质共代谢基质的存在的存在（4）通过）通过改变有机物的化学结构改变有机物的化学结构，提高生，提高生物降解性物降解性第四十九页，讲稿共六十二页哦6.微生物对有机污染物的修复有机污染物进入微生物细胞的过程有机污染物进入微生物细胞的过程（1）主动运输主动运输 需要消耗能量，可以逆物质浓度梯度进行，需要载体蛋白的参与，对被运输的物需要消耗能量，可以逆物质浓度梯度进行，需要载体蛋白的参与，对被运输的物质有高度的立体专一性，为主要方式。质有高度的立体专一性，为主要方式。（2）
40、被动扩散被动扩散 是微生物吸收营养物各种方式中最简单的一种，不规则运动的营养物质分子通是微生物吸收营养物各种方式中最简单的一种，不规则运动的营养物质分子通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外向低浓度的胞内扩散，具有非特异过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外向低浓度的胞内扩散，具有非特异性。性。（3）促进扩散促进扩散 在运输过程中不需要消耗能量，物质本身在分子结构上也不会发生变化，不能进行逆在运输过程中不需要消耗能量，物质本身在分子结构上也不会发生变化，不能进行逆浓度运输，需要借助位于细胞膜上的一种载体蛋白参与物质运输浓度运输，需要借助位于细胞膜上的一种载体蛋白参与物质运输（4）基团转位基团转位
41、 是另一类型的主动运输，在物质运输过程中，除了物质分子发生化学变化外，其他特点都是另一类型的主动运输，在物质运输过程中，除了物质分子发生化学变化外，其他特点都与主动运输相同，在厌氧微生物中发生。与主动运输相同，在厌氧微生物中发生。（5）胞饮作用胞饮作用 假丝酵母摄取烷烃的一类途径假丝酵母摄取烷烃的一类途径第五十页，讲稿共六十二页哦6.微生物对有机污染物的修复微生物降解有机污染物的基本反应类型微生物降解有机污染物的基本反应类型（1）氧化作用氧化作用 包括包括Fe、S等单质的氧化，等单质的氧化，NH3、NO2等化合物的氧化，以及一些等化合物的氧化，以及一些如甲基、醛有机基团的氧化。如甲基、醛有机基
42、团的氧化。（2）还原作用还原作用 包括高价铁和硫酸盐的还原、包括高价铁和硫酸盐的还原、NO3-的还原、羟基或醇的还原等，还原作用的还原、羟基或醇的还原等，还原作用需要缺氧或者厌氧（无氧）的环境。需要缺氧或者厌氧（无氧）的环境。（3）基团转移作用基团转移作用 如脱羧、脱氨、脱卤等如脱羧、脱氨、脱卤等（4）水解作用水解作用 使大分子转化为小分子，如纤维素降解。使大分子转化为小分子，如纤维素降解。此外还有此外还有酯化作用、缩合作用、氨化作用、乙酰化作用、双键断酯化作用、缩合作用、氨化作用、乙酰化作用、双键断裂反应、卤原子移动裂反应、卤原子移动等。等。第五十一页，讲稿共六十二页哦7.微生物对重金属污染
43、物的作用微生物对重金属离子的微生物对重金属离子的转化转化环境中重金属离子的长期存在使自然界中形成一些特殊微生物，它们对有环境中重金属离子的长期存在使自然界中形成一些特殊微生物，它们对有毒重金属离子具有抗性，可以使金属离子发生转化。对微生物而言，这是毒重金属离子具有抗性，可以使金属离子发生转化。对微生物而言，这是一种很好的解毒作用；对环境而言则是一种很好的修复作用，汞、铅、锡、一种很好的解毒作用；对环境而言则是一种很好的修复作用，汞、铅、锡、砷等金属离子或类金属离子都能在微生物的作用下通过氧化还原作用而失砷等金属离子或类金属离子都能在微生物的作用下通过氧化还原作用而失去毒性。主要包括去毒性。主要
44、包括甲基化作用、还原作用和氧化作用。甲基化作用、还原作用和氧化作用。第五十二页，讲稿共六十二页哦7.微生物对重金属污染物的作用微生物对重金属离子的微生物对重金属离子的吸收与吸附吸收与吸附 微生物对重金属离子微生物对重金属离子吸附吸附的机理主要有的机理主要有静电吸附、共价吸附、静电吸附、共价吸附、络合螯合、离子交换和无机微沉淀络合螯合、离子交换和无机微沉淀等，重金属有可能通过沉淀等，重金属有可能通过沉淀或晶体化作用或晶体化作用沉积于细胞表面沉积于细胞表面，某些难溶性重金属也可能被胞外，某些难溶性重金属也可能被胞外分泌物或是细胞壁的腔洞捕获而沉积。细胞被杀死后，经过一定的分泌物或是细胞壁的腔洞捕获
45、而沉积。细胞被杀死后，经过一定的处理，使其具有一定的粒度、硬度及稳定性，可储存、运输和实际处理，使其具有一定的粒度、硬度及稳定性，可储存、运输和实际应用。应用。微生物微生物吸收吸收主要是利用微生物新陈代谢作用产生能量，通过单价主要是利用微生物新陈代谢作用产生能量，通过单价或二价离子的转移系统把重金属离子或二价离子的转移系统把重金属离子输送到细胞内部输送到细胞内部。由于细胞。由于细胞内的累积，去除效果可能比单纯的微生物吸附好。但是，由于环内的累积，去除效果可能比单纯的微生物吸附好。但是，由于环境中要去除的重金属离子大多有毒有害，抑制微生物活性，甚至境中要去除的重金属离子大多有毒有害，抑制微生物活
46、性，甚至使其中毒死亡，并且生物的新陈代谢作用受温度、使其中毒死亡，并且生物的新陈代谢作用受温度、pH值、能源等值、能源等诸多因素的影响，因此，微生物累积在实际应用中受到很大的限制。诸多因素的影响，因此，微生物累积在实际应用中受到很大的限制。第五十三页，讲稿共六十二页哦污染物质的扩散迁移吸附与沉积微生物对污染物质的吸收污染物质的降解与累积污染物质的生物富集污染物质的生物转化8.污染物质的迁移转化途径第五十四页，讲稿共六十二页哦4.3环境修复微生物生态学原理第五十五页，讲稿共六十二页哦温度pH渗透压氧辐射抗生素化学物质1.环境修复微生物的生态因子第五十六页，讲稿共六十二页哦2.环境微生物的生长与种
47、群的增长第五十七页，讲稿共六十二页哦3.微生物群落结构土壤环境及其微生物土壤环境及其微生物 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、酸碱性、水分、透气性等，土壤中所含的微生物数量分、透气性等，土壤中所含的微生物数量和种类各不相同。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微生物在土壤中的分布随土层深度的增加而减少。而减少。第五十八页，讲稿共六十二页哦3.微生物群落结构水环境及其微生物水环境及其微生物 淡水环境：低营养，以细菌为主，真菌是淡水环境
48、：低营养，以细菌为主，真菌是外来微生物，藻类多是土著微生物。微生外来微生物，藻类多是土著微生物。微生物存在明显的垂直分布差异。物存在明显的垂直分布差异。海洋环境：微生物必须能耐受一定的盐度，海洋环境：微生物必须能耐受一定的盐度，赤潮。赤潮。第五十九页，讲稿共六十二页哦3.微生物群落结构大气环境及其微生物大气环境及其微生物 空气中有较强的紫外辐射，具有较干燥，空气中有较强的紫外辐射，具有较干燥，温度变化大，缺乏营养等特点。所以空气不温度变化大，缺乏营养等特点。所以空气不是微生物生长繁殖的场所。虽然空气中微生是微生物生长繁殖的场所。虽然空气中微生物数量较多，但只是暂时停留。微生物在空物数量较多，但
49、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，但它最终要沉降到土壤、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。水中、建筑物和植物上。第六十页，讲稿共六十二页哦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，不同场所上空微生物的数量如下表所示：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，海拔越高，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。微生物数量越少。单位：个单位：个/m3第六十一页，讲稿共六十二页哦感谢大家观看感谢大家观看第六十二页，讲稿共六十二页哦