（生态学专业论文）几种功能性微生物在富营养化水体净化中的效果研究.pdf

摘要 目前水资源短缺、水体富营养化普遍发生。利用混合微生物不仅可以同时消除几种污染物， 还能够提高降解污染物的效率，而且混合菌群的处理效果无论是在处理时间上还是稳定性上来讲 都优于单一苗拟采用光合细菌、反硝化细菌、不动杆菌和芽孢杆菌四类不同降污功能的生理类 群作为目的菌进行富营养化水体的污染治理，研究其治理富营养化水体的效果，对其作用机理进 行初步探讨，从而达到维持水生生态平衡的目的，以期为富营养化永体的微生物修复提供科学依 据。 本实验从自然界分离筛选到一株紫色非硫光合细菌和一株反硝化细菌，并和不动轩菌、芽孢 杆菌起，分别进行了单一微生物、复合微生物对富营养化景观水体处理试验研究 研究结果如下： l 光合细菌、反硝化细菌的分离、纯化及鉴定结果采用富集培养和平板分离的方法分离到 一株光合细菌，通过细胞形态、平板培养特征、革兰氏染色、d n a 提取、1 6 sr d n a 基因序列并与 数据库进行比较分析，光合细菌v o t o i - - g 菌株属于紫色非硫细菌科红假单胞菌属的沼泽红假单胞 菌( r h o d o p s e u d o m o , a sp o l u s t r i s ) ，反硝化细菌f 1 0 鉴定结果为粪产碱杆菌( a l c a 2 i g e n e s f a e c a l i s ) 。 2 富营养化景观水体的预处理研究结果试验采用3 个投菌浓度梯度0 0 5 、o 1 、o ，2 ， 研究不动杆菌、芽孢杆菌、反硝化细菌、光合细菌处理富营养化水体的初步效果、适宜投菌量 结果表明实验所选的4 个菌种在不同的投菌浓度下均能够有效性地去除水体中的有机物、氮、磷， 均具有净化富营养化水体的作用，其中均在投菌浓度为0 1 9 6 0 时处理效果最好 3 单一微生物处理富营养化河流水体的试验结果。在初试基础上，讨论了不动杆菌、芽孢杆 菌、光合细菌和反硝化细菌在投菌浓度为0 1 5 6 0 时能够有效性地去除水体中的有机物、氮、磷， 均具有净化富营养化河流水体的作用采用连续投菌净化富营养化水体，各去除率c o d ：4 0 3 6 7 5 ；t p ：7 5 i 8 3 0 ；1 n ：4 0 3 缶7 5 ；c h l a ：3 5 o 8 2 - 3 4 单一微生物处理富营养化景观水体的试验结果采用连续投苗，不动杆菌、芽孢杆菌、光 合细菌和反硝化细菌能够有效性地去除水体中的有机物，氮、磷，均具有净化富营养化水体的作 用各去除率c o d ：4 4 ，5 - 5 4 1 ；1 1 p ：5 3 9 - - 6 4 8 ；t n ：3 1 0 - - 3 6 9 ；n 0 2 - n ：8 5 4 - - 8 6 0 ；n h 4 + - n ；8 3 o 9 2 9 ；浊度：8 7 7 ；叶绿素a ：7 8 7 8 3 7 ，其中c o d 、t p 、 t n 的去除率均高于投加一次菌的处理1 2 7 - 3 9 8 ；2 1 5 - 2 8 8 ；1 3 9 一3 6 2 该结果与 单一微生物处理富营养化河流水体的试验结果基本一致，表明试验选取的4 种菌在净化富营养化 水体中具有较好的重复性 5 混合微生物处理富营养化景观水体的试验结果不动杆菌、芽孢杆菌、光合细菌和反硝化 细菌之问进行复合能够有效性地去除水体中的有机物、氮、磷，均具有净化富营养化水体的作用。 复合菌各去除率：c o d 5 3 2 5 7 5 ：t p ：6 8 8 - 7 2 3 ；t n ；3 8 6 - 4 0 2 ；n 0 2 - n ：7 3 5 8 2 7 ；n p h + - n ：8 1 3 8 4 8 ；浊度：8 8 7 9 i 8 ；叶绿素a 8 5 2 以8 8 。除了n o i - n 之外，其他水质指标的去除率均高于单一菌 从上述研究结果可以看出，用复合菌处理富营养化水体时，各处理的去除率和单一菌相比有 小幅的增长，说明不动杆菌、芽孢杆菌、光合细菌和反硝化细菌这4 种微生物之间的确存在某种 有益的相互作用关系，所以净化富营养化水体的效果就好，水体富营养化基本上得到控制。 关键词：富营养化微生物生物降解景观水体 a b s t r a c t c m r e m l y , e u t r o p h i c a t i o ni sam a j o re n v i r o n m e n t a lp r o b l e mw o r l d w i d e , l e a d i n gt ow a t e rq u a l i t y d e t e r i o r a t i o na n ds i g n i f i c a n tl o s s e so f b i e d i v c r s i t y i nt h i sr e s e a r c h , b i o a u g m e n t a t i o nw a sc a r r i e do u tt o b i o r e n a e d i a t ee u t r o p h i c a t e ds c e n e r yw a t e rb o d y u t i l i z a t i o no fm i x e dm i c r o o r g a n i s m sn o to n l y e l i m i n a t e sf i m u l t a n e o u s l ym u l t i - c o n t a m i n a n t s ，b u ta l s oi m p r o v e sr e m o v a lr a t e s c o 雠q u e n t i y , 神i | d yo n s y n e r g i s t i cd e g r a d a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ls om i x e d c o l m o 而u mo f p h o t o s y n t h e t i cb 剖n 眺d e n i n i f y i n g b “：憎f i a a c i n e t o b a c t e r s p ，a n d b a c i l l u s s p w a s u s e d t o p u r i f y e u t r o p h i e a e d w a t d b o d y as t r a i np u r p l en o n - s u l f u rb a c t e r i aa n d 量s t r a i nd e n i u i f y i n gb a c t e r i a 啊传i s o l a t e da n ds c r e e n e d f r o mn a t u r e , a sw e l la l la c i n e t o b a c t e rs p a n db a c i l l u ss p ，w c f eu s e dt ot r e a te n t r o p h i c a t e ds c e n e a y w a t e r , b y p u r e a n d m i x e d m i c r o o r g a n i s m s ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so f t h i sm d yw c l l gd e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 i s o l a t i o n s c r e e n i n ga n di d e n t i f i c a t i o no fp h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i aa n dd e n i t r i f y i n gb a d e f i “ u t i l i z i n ge n r i c h i n gc u l t u r ea n dp l a t ei s o l a t i o n , a $ 1 a i l lp u r p l en o n - s u l f u rb a d 曲a n da s t r a i n d e n i l r i f y i n gb a c t e r i aw i h oo b t a i n e d , r e s p e c t i v e l yn a m e dv 何o l - 6a n df i o b y t h em 酾d t m l m o r p h o l o g y , c o l o n yc u l t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，d n ae x t r a c t i o n , a n d 1 6 sr d n ap e r c e n th o m o l o g yo f s e q u e n c e s s t r a i nv o t d l ga n df 1 0w e i ew o p o s e df o rr h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i sa n da l c a l i g e n e s 如口l 讧， 2p r e t r e a m a e n to fa n t r o p h i c a t e dw a r x b ym i c r o o r g a n i s m s d i f f e r e n tt r e a t m e n 怔w e r ei n o c u l a t e d w i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so f a c i n e t o b a c t e rs p ，r h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i s , a l e a l i g e n e s f a e c a l i s a n db a c u ss p s u s p e n d e dl i q u i d ( 0 0 5 ，o 1 ，0 1 o 2 ( v 聊) t h ef o u rm i c r o o r g a n i s m sc o u l dp 1 1 r i 母 o a 打o p h i e a t e dw a t e r w i t ht h ea d d i t i o no f 0 1 o ，t h eb e s tr e m o v a lr a t e ao f o r g a n i cm a t t e r s ，n i t r o g e na n d p h o s p h o r u sw o b t a i n e d 3t h es t u d yo ne u t r o p h i e a t e dr i v e rw a t e rb o d yb c m g 如r e a t e db yp u r en f l e r o o r g a t f u 黜t r e a t m e n t s w e i n o c u l a t e dw i t h0 1 9 6 eo f a c i n e t o b a c t e r s p r h o d o p s e u d o m o n a s p a l u s t r i s ，a l c a l i g e n e s f a e c a l i sa n d b a c i l l u ss p s u s p e n s i o nl i q u i do n c a 。e v e r y5d a y s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a lr a 懈w c i e o b t a i n e d , w i t h t h er e m o v a le f f i d e n d e s o f 4 0 3 - 6 7 5 f o r c h e m i c a l o x y g e n d e m a n d ( ( ) 0 d ) 7 5 1 - 8 3 o f o rt o t a lp h o s p h o r u sf r p ) ，4 0 3 * * - 6 7 5 f o rt o t a ln i t r o g e nf i n ) a a d3 5 0 - 8 2 3 f o r d d o r o p h y u - a , r e s p e c t i v e l y 4t h es t u d yo ne u t r o p h i e a t e ds c e n e r yw a t c l b o d yb e i n g t r e a t e db yp u r em i c r o o r g a n i s m s t r e a t m e n t sw c ：l - ei n o c u l a t e dw i t h0 1 o f a c i n e t o b a c t e r 印，r h o d o p s e u d o m o n a s p a l u a o 由，a l c a l i g e n e s 血口酝a n db a c i l l u ss p s u s p e n s i o nl i q u i do n e v e r y5d a y a t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a l r a t e s w 粥o b t a i n e d ，w i t ht h er e m o v a le f f i d e n d e so f4 4 5 - 5 4 1 f o rc h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ( c o d ) ， 5 3 9 - 6 4 8 f o rt o t a jp 1 1 0 s p h m sf i t l ) 3 1 0 * - 4 * - 3 6 9 f o rt o t a ln i t r o g e no n ) ，8 3 0 * * - - 9 2 9 f o r n h 4 + - n 8 5 4 一8 6 o f o rn o i - n , 8 7 7 f o rt u r b i d i t y , a n d7 8 7 弗3 7 f o rc h l o r o p h y l l - a , r e s p e c t i v e l y , f u t l h e r m o r e , t h er e m o v a lr a t e so fc o d ，t pa n dt nb yc o n t i n u o u sa d d i t i o nw e i oh i g h e r m t h a nt h o s eb yo i i c ea d d i t i o n t h er e s u l t si sc o n s i s t e n tw i t ht h ee f f e c t so f u s c di ne u t r o p h i c a t e dr i v e r i t i n d i c a t e st h a tt h ef o u r m i e r o o r g a n i s m sh a v er e p e t i t i o ni np i 】r i 轴ge u t r o p h i c a t e dw a t e r , 51 1 1 es t u d yo ne u t r o p h i c a t e ds c e n e r yw a t e rb o d yb e i n g 心e a t e db ym i x e dm i c r o o r g a n i s m s 1 1 壕 r e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a l 姐t e sw e f to b t a i n e d , w i t ht h er e m o v a le f f i c i e n c i e so f5 3 2 0 , - 5 7 5 f o rc o d 。6 8 8 ，7 2 3 6 ”t p ，3 8 6 - - 4 0 2 f o rt n , 8 1 3 一8 4 8 士4 8 f o rn i - h + n ，7 3 5 - 8 2 7 f o rn 0 2 。n ，8 8 7 - - 9 1 8 f o rt u r b i d i t y , a n d8 5 2 一8 8 8 f o rc h l o r o p h y l l - a , r e s p e c t i v e l yb y m i x e dm i c r o o r g a n i s m si n o c u l a t i o no fa c i n e t o b a c t e rs p ，r h o d o p s e u d o m o n a sp a l u s t r i a ，a l c a l i g e n e s f a e c a l i so r b a c i l l u ss p s u s p e n s i o nf i q u i do n c ee v e r y5d a y s i ti sc o n c l u d e dt h a ta d d i t i v e sa d d e dt oe u t r o p h i c a t e dw a t e ra r ec o n d u c t i v et od e g r a d a t i o nn u t r i e n t s , r e d u c ec o n c e n t r a t i o n so fo r g a l l i cm a t t e r s ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，i n h i b i ta l g a eg r o w t h m o r e o v e r , t h e r e m o v a lr a t e so f w a t e r q u a l i t yi n d e x e se x c e p tf o rn o f - ni n o c u l a t i n gp u r em i c r o o r g a n i s m sw e f eh i g h = t h a nt h o s ei n o e u h t i n gp u r em i c r o o r g a n i s m s i ti n d i c a t e st h a ts y n e r g i s t i cd e g r a d a t i o ne x i s t si n a c i n e t o b a c t e r s p 。r h o d o p s e u d o m o n a s p a l u s t r i s ，a l c a l i g e n e s 。f a e c a l i s a n d b a c i l l u s 印 k e yw o r d s ：e u 垃o p h i c a f i o n ：m i c r o o r g a n i s m s ：b i o d e g r a d a t i o n ；s c e n e r yw a t e r b o d y f v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： a 琳 帆 d 7 年厂月心日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 罩琳 导师签名：疹绔 时间： d 7 r 年f 月侈日 时问： 护)年占月牙 - 一 中国农业大学博士学位论文 第一章前言 1 1 研究的背景 第一章前言 水是生命之源，又是国民经济的命脉随着人口和经济的增长，一方面对水的需求量和质量 要求越来越高，另一方面，水污染的范围和程度也越来越大这一对日益严重的矛盾已成为制约 社会、经济和环境可持续发展的主要因素 水是地球上分布最广的物质，是地球环境的重要组成部分地球上的水总量为1 4 亿l 【呻3 ，其中 9 7 5 的水是咸水，无法直接饮用而余下的2 5 的淡水中。有8 9 9 6 中是人类难以利用的极地和高 山上的冰川和冰雪。因此，人类能够直接利用的永仅仅占地球总水量的0 2 0 。而能直接取用的江、 湖淡水仅占全部淡水的0 5 可见，能供人类直接利用而且易于取得的淡水资源是十分有限的 与自然生态环境和人类社会直接相关的是陆地水环境，主要包括河流、湖泊、水库和地下水，河 流和湖泊水库中的水又称为地表水陆地水主要来自降雨据粗略统计，每年全球陆地降雨量约 9 9 万蛔3 ，蒸发水量约6 3 万k 3 ，江河径流量约为4 3 万l 【，流入海洋的约3 6 万k m ，从世界范围来 说，我国淡水资源总储量为2 6 3 万亿立方米( 国家环境保护总局宣传办公室，2 0 0 3 ) ，低于巴西 8 l ) 。b a r a k ( 2 0 0 0 ) 等认为， 脱氮副球菌( p a r a c o c c u sd e n i t r i f i c a n s ) 在好氧、厌氧条件下，均可积累聚磷酸盐m u l l a h ( 2 0 0 2 ) 等研究结果表明，洋葱假氮胞菌( b u r h o l d c r i a c q a a c i a ) 能容纳胞内聚磷酸盐b o n d ( 1 9 9 5 ) 等利 用f i s h 、活体磁共振光谱( i nv i v on m rs p e c 心o s c o p y ) 、激光共聚焦扫描电镜( c o n f o c a ll a s e r s c a n n i n gm i c r o s c o p y ) 、微量放射自显影等技术对e b p r 生物反应器进行分析，硝酸根可以取代氧 作为电子受体，以及原位微生物群落模式和环境因子变化下种群的动态变化另外，生物标记物、 细胞脂肪酸和呼吸作用苯醌等界定了不同细菌属、种和株的分化特征，生物标记法和1 6 sr r n a 基因技术的结合提高了对不同系统微生物群落特征的认识 近年来，虽然借助于现代分子生物学技术，对活性污泥中将近1 0 的微生物有所认识，但是 该数量还不到自然界中微生物种数的l k h o s h m a n e s h ( 2 0 0 2 ) 等的研究表明，细菌在湖泊底泥 磷的固定和释放中起着重要作用，自然界中存在着p a o s ，但未鉴定 1 2 袭1 - 2 能过量积累聚磷酸盐的徽生物 t a b l e1 - 2 p o t y p h o 蛳e a c c u m u l a t i n g m g m 舢 物种拉丁名 物种拉丁名 s p 商i 硝n s 1 涵i 础m $ 弱氧化醋酸轷菌 a c d o b a c c e rs u b o x y d a n s龟分技杆菌 m y c o b a c t e l f ；t u nd t d c i 乙酸钙不动杆菌a c i n e t o b a c t e r c m 4金黄色葡萄球蔼 m u c o r r a c 棚o s u s 。嘶” ( s t 印h y l o c m 衄) 鲁氏不动杆菌 a c n e t o b a c t e r h v o f f i 粘质沙雷氏菌s e w a t i a m 拭s 哪 约氏不动杆荫 a c i n e t o b e c t e r j o h n s o n i i鸟分枝杆菌l v i y c o b m i u m s v i u m 产气气杆菌a c r o b a c t e r a a o g e f t e s 草分枝杆菌 m y c o b a c t e r i t l m p h l e i 敏捷固氨菌 a z o t o b a c t e ra g i l i s耻垢分枝杆菌m y c o t m e t e r l u m s m e g m a t i | 棕色固氮苗 a z o t o b a c t dv i n d a n d i i 蛇分枝杆菌钾。o b a g k d 哪 l h a n m o p h e m 球形红假单胞菌瑚1 0 d 叩鲫d o n i 勰 结核分枝杆菌m y c o b a c t c r i u m s p h a e f o i d e s t u b e r c u l o s i s 产气杆菌 b a c t e r i u ma a r o g e n c s硝化杆菌属 n i t r o b a c t e t 阴沟杆菌 b a 曲i 哪c o a c a c反硝化硝化球菌 n j h o d d o 哪酗曲 矗c 锄s 佛比杆菌 b a c m i u mf r i e d l a n d e r i亚硝化球蕾 n i t r o s o c o c c u s 氧单胞菌h y 出o g e n o m o n a s 欧洲亚硝化单胞菌n i t r m o m o n a e u r o p e a e 深红红螺曹r h o d 础i t u mr u b r i u a n 诺卡氏苗属 n o c a r d i a 弧形柄轩菌 c a u l o b u c t e r v i b r o i d e s抱囊儇单胞菌p s c u d o m o u a s w s i c u l m i s 嗜磕代硫酸盐绿菌q d 渐u m 沼泽红假单胞菌籼o r l a s i h i o s u l f a t o p h i l u m p a t u s u i s 着色苗属a i 科n a t i 岫 荚膜红细菌r h o d o b a c t e r c a p s u l a t u s 梭苗属c l o s l r i d u m枯草杆菌 b a c i l l u s b d 妇 白喉棒杆菌c i 州c 印s p u l p 峨链球菌s l l脚s l - i 干燥棒杆菌c o c y n d , a c 吲m nm w 氧化硫硫杆菌t h i o b a c i l l u st h i o x v d a 大肠杆菌e s c h e r i c h l a c o i l分枝动胶菌z o o g l e a r a m i g e r a 资料来源( 朱怀兰等，1 9 9 3 ；陈华等，1 9 9 7 ；陈欢林，2 0 0 3 ；m o c s e e t a l 1 9 8 8 ；c h o ie t a l ，2 0 0 0 & 嘲弘n 堪 矗柏，1 9 9 8 b ) n a g a d o m ie te 1 ，2 0 0 0 ；n a k a m u r ae ta 1 ，1 9 9 5 ；b 坼h 绷h l g 匝e ta l ，2 0 0 3 ：s t a n t ee ta 1 ，1 9 9 7 ) b a r a k 矗a l ，2 0 0 0 ) 目前，国际上普遍认可和接受的生物除磷理论是聚合磷酸盐( p o l yp ) 积累微生物 1 3 中国农业大学博士学位论文第一章前言 ( p o l r p h o s p h a t ea c c u m u l a t i n go r a n g s i n s ，p a o s ) 的摄放磷原理：在厌氧条件下p a o s 释放细胞内 积累的p o l yp ，同时为好氧环境下摄磷储备能量。近几年的研究发现，兼性厌氧反硝化除磷细菌 ( d c n i 缸f y i n g p h o s p h o r u $ r e m o v i n g b a c t e r i a ，d p b ) 能在缺氧、存在硝酸根的环境下摄磷，且被证 实具有和p a o s 相似的除磷机理。 1 2 。5 3 有机碳的去除 在富营养化水体中，有机碳是指聚集的有机组分，主要是纤维素、半纤维素，木素和蛋白质 以及可溶性物质，如塘、氨基糖、有机酸和氨基酸等。其通过微生物的代谢，转化为c 0 2 从水体 中彻底去除。 纡维素是植物、藻类残体中最丰富的成分，它由p ( 1 _ 4 ) 键的葡萄糖单元所组成，通常与半纤 维素和木素连结在一起。多种细菌，诸如假单胞菌、色杆菌、芽孢杆菌、梭菌、链霉菌、噬纤维 菌，以及多种真菌，诸如木霉，毛壳菌，素青霉可通过纤维素酶的作用分解纤维素 通称半纤维素的化合物，其非均质基团为各种己糖、戊糖，也可能是糖醛酸聚合体这种基 团常见的单体有木糖和甘露塘。纯净态的半纤维素易被分解，它们在自然界常与一些更难分解的 物质相复合在藻类细胞壁具有重要作用的半纤维果胶( 主要是半乳糖醛酸) 的微生物分解，与 几种果胶酶的作用有关在藻类组织降解过程中，真菌有激发作用，而放线菌则能在较长时期维 持这种分解活性 木素象芳香化的有机质一样。不是由专性酶形成的，而是在与酚和一些游离基团的化学反应 中缩合形成的。它以结壳物质的形式生成在纤维素和半纤维素基质上。 木素的分解主要归功于真菌的作用。现在报道较多的白腐真菌，是活性最强的降解木素的微 生物它能使所有木材组分降解为c 0 2 和h 2 0 通常，白腐真菌包括采绒草盖菌、梭菌属、多孔菌 属或云苔属的一些菌，它们能分解芳香环、甲氧基或更长的侧链组分。糙皮侧耳菌和p h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m 也髓对木素有完全降解的作用。然而，这些真菌只是在其它某些可作主要能源的易 降解基质存在下，才能降解木素，即其降解机制靠的是共代谢作用白腐真菌只有在氧充足时才 能活跃地降解木素，而且有效态氮高会抑制木素降解。木素水解真菌仅将极少量木素中的碳结合 为细胞成分。 放线菌如链霉菌和诺卡氏菌以及嫌氧的格兰氏阴性细菌如固氮菌和假单胞菌能使木素分子 减小。不过尚不能肯定这些菌能否使木素完全分解以及能否利用木素碳来生长 1 2 6 富营养化水体的生物修复 1 4 微生物生物修复技术往往被直接称作生物修复技术，又称生物强化技术( b i o a u g m c n t a t i o n ) ， 中国农业大学博士学位论文第一章前言 l i i m,曼!自皇自!s鼍 就是利用天然存在的或特别培养的微生物( 或某些基质) ，将环境中的特定污染物降解的技术( 沈 德中，2 0 0 2 ) 永生生态系统中存在着丰富的微生物，这些微生物之间具有复杂的微生物生态结 构。对水体质量起着决定性的作用。 生物修复同传统或现代的物理、化学修复方法相比，具有以下优点：首先是处理效果好，使 有机物分解为二氧化碳和水，可以永久地消除污染物和长期的臆患，无二次污染也不会使污染 物转移；其次，水体生物修复技术的工程造价相对较低，不需耗能或低耗能，运行成本低廉，费 用是传统物理，化学修复的3 0 - - 5 0 0 , ( g l 德中，2 0 0 2 ) 所需的微生物来源广、繁殖快，如能在一 定条件下，对其进行筛选、定向驯化、富集培养，可以对大多数有机物质实现生物降解处理。当 然，和所有处理技术一样，生物修复技术也有它的局限性和缺点，表现在以下几方面：有些化学 品不易或根本不能被生物降解，如多氯代化合物和重金属；有一些化学品经生物降解后其产物的 毒性和移动性与母体相比反而增加 生物修复是一种技术含量较高的处理方法，它的运作必须符 合污染地的特殊条件：项目执行时的监测指标除化学检测项目以外，还需要微生物检浏项目但 是，对于富营养化的水生生态系统，这种处理技术的缺点几乎没有体现出来所以，这种廉价实 用技术十分适用我国江河湖库大范围的污水治理工作用生物方法治污，还可以与绿化环境及景 观改善相结合，在治理区建设休闲和体育设施，创造人与自然相融合的优美环境 生物强化技术在环境治理工程中的应用始于上世纪2 0 年代，当时兴起的用活性污泥法处理 污东是最典型的范例随着富营养化的加剧到了上世纪6 0 年代，水质富营养化问题就受到越 来越多的国家、政府、有关主管研究机构以及社会各界的关注和重视。近3 0 - 4 0 年来，微生物学 工作者介入污水治理后，广泛研究微生物的净化过程。致力于分离、筛选和培养高效的单一或混 合微生物菌种的研究，以提商微生物的净化效能，使微生物净化技术比早期的活性污泥法又前进 了一步美国、澳大利亚，英国、德国等国已研究采用微生物、水生生物、永生植物、底泥疏挖 等方法对富营养化水体进行综合治理，并有了一些成功实例但由于富营养化水体的净化过程复 杂，制约因素较多，因此，目前世界上还没有一种可以大范围推广应用的有效方法( 福迪，1 9 8 0 ) 我国从上世纪5 0 年代起。对富营养化水体就开始了相关的研究。近年来在采用微生物法净 化各种工业废水以及分离单掾细菌用于净化某种特殊的承体污染物方面已经饿了大量的工作，并 取得了一些成功的经验林毅雄等( 1 9 9 8 ) 对镇池形成富营养化的铜绿微囊藻生长因素进行了研 究，宋祥甫等人( 1 9 9 8 ) 研究采用水域浮床无土种植的方法去除水体中氮、磷元素。任翱等人( 1 9 9 9 ) 应用光合细菌、硝化细菌等高效微生物及其组合。对比分析其对富营养化水体有机物的去除及含 氮化合物的转化效果研究结果表明，采用微生物组合技术治理富营养化水体。是切实可行的( 金 相灿等，1 9 9 0 ) 1 2 6 1 直接投菌法 许多研究表明，直接向富营养化水体中投入单一，复合微生物或者是商品化的环境生物制剂， 利用投加的微生物激活水体中原本存在的可以自净的、但被抑制而不能发挥其功效的微生物，通 过它们的迅速增殖，大量吸收转化水体中的氮，磷等盐类，抑制藻类的生长。可以治理水体的富 营养化。 对于投菌技术，已有许多关于光合细菌硝化细菌、芽孢杆菌等以及它们组成的复合微生物 1 5 中国农业大学博士学位论文 第一章前言 改善富营养化水体的研究报道。 曹式芳等( 2 0 0 2 ) 采用1 ：1 ：l 的比例，对光合细菌、硝化细菌和复合细菌进行混合，处理 富营养化景观水体，结果表明：有机物与叶绿素的去除率分别达到6 0 和9 0 ，含氮化合物的去 除率达到5 0 以上，而且投入微生物可使水体d o 值由l m g l 增j n n 7 m g l 庞金钊( 2 0 0 3 ) 等投 加光合细菌、硝化细菌、复合菌的混合液对水体浊度的去除率达到8 8 ，并且c o d u 。、氨氮、叶 绿素a 等的含量均显著降低。 目前国内开发的环境生物制剂不少，但是处理效果较好的还很少见报道。国外在这方面的研 究已经取得了一些成果( 详见表1 - 3 ) ，如美 a l k e n - m u r r y 公司研制的c l e a r - f l o 系列微生物制剂， 用于富营养化水体的修复，已有很多成功的案例。1 9 9 2 年美国m o u l i nv e r t 水榘使用c l e a r - f l o1 2 0 0 三个月，帆+ 从0 0 2 m g l 降为o 0 0 m g ：l ，c o d 降低了8 锚，b o 跣降低了7 4 ，无毒性检出，连续接 种处理几年后，逐渐恢复了水榘的自净容量；同年，用c l e a r - f 1 0 1 2 0 0 、1 0 0 0 和1 0 0 1 治理了美国纽 约中央公园一个大湖、一个大池塘和。海龟塘”大湖，透明度读数分别提高了7 8 、3 7 、7 8 。 s s 分别下降了7 7 、6 2 、7 0 ，b o d 5 则分别下降6 0 、5 2 、7 2 ；1 9 9 3 年用c l e a r - f l o7 0 1 8 、 1 2 0 0 和7 0 0 0 净化我国昆明的一条河流，治理后n m + 和h 2 s 降低，污泥被分解；1 9 9 3 年用c l e a r - f l o 1 2 0 0 修复法 s o r g u e 湘7 2 个月，c o d 和b o d s 降低，藻华消失；1 9 9 8 年西班牙“瓜达拉哈拉城郊俱 乐”用c l e a r - f l o7 0 0 0 抑制了大部分池塘表面的藻类，但水体仍持续呈现绿色令人不快，之后持续 用c l e a r - f l o1 2 0 0 补加c l e a r - n o1 0 0 1 进行处理以保塘水清澈，b o d s 下降9 7 ，c o d 下降8 5 ，s s 总量下降9 8 ，磷酸盐下降6 9 。 表1 - 3 水处理微生物制剂一览表 ：! ! ! ! ! ! ：! 坚! 鲤! 堡竺! 罂! 艘堡! 型! ! 塑璺! ! 塑氅塑型 分类生产( 研发) 单拉或国家产品肿类适用范围 曼! 篓! ! 壁望垡垒笪! 螋! 垡壁里翌! ! ! 塑! 叁理! ! 趔曼! 塑璺! 璺 美国a l k e n - m u y 公司 产品 美联环保( 南京) 有限公司利蒙l l m o 去酴氨氮，铵化合物的由 比利时硝化微生物、载体和p h 缓冲剂组成的添加剂 由亲东的类似于凝胶的 载体、厌氧微生物和一种 专利日本 篡兰徽翟 ( f e r mb p - 5 8 4 7 ) 的制 剂 用于硝化废水新的硝酸 美国盐氧化的微生物菌群( 含 n i t r o s p i r op h y l u m 等) 湖泊水体富营养化生物 修复 污水，河水、湖泊水治理 养殖水体 废水中磷的去除 养鱼循环水( 尤其是鲠鱼 类的培养基质) 中有机物 质的去除 生活废水及屠宰厂废水 中氨、亚硝酸盐和硝酸盐 的去除 资料来潭( 国家发晨和改革委员会膏技术产业司，中国生物工程学会，2 0 0 4 ) 1 6 中冒农业大学博士学位论文第一章前言 另外，报道较多的还有日本的e m 菌剂李捍东等( 2 0 0 0 ) 采用em 对污水进行处理，向水 面定期投施m 菌液，b o d 5 的去除率达7 0 7 ，c o d 的去除率在6 0 9 6 以上，em 还能将造成水体富 营养的氮转化成亚硝酸盐或硝酸盐，em 对磷的去除效果也很不错。去除率可达7 5 自然生长的微生物虽然能够分解环境中的污染物，由于与降解能力有关的基因大多是易遗失 的质粒，其降解效率不高，远不能满足生物处理的需要，故构建高效的基因工程菌日益成为研究 的热点所谓基因工程菌就是人为的将所需供体生物的d n a 大分子提取出来，把它与作为载体的 d n a 分子连接，然后与载体一起导入一个更易生长，繁殖的受体细胞中，从而获得新物种菌。利 用生物工程技术构建的基因工程菌，不仅具有混合菌的功能，而且纯培养菌株要求单一，生理代 谢稳定、易于调控，而且生长繁殖迅速、絮凝性好、降解活性高目前研究较多的是质粒转移、 原生质融合和基因重组，其中常用的载体有：细菌质粒、遄菌俸，s v 4 0 病毒等研究表明：基 因工程菌进入狰化系统后需要一段适应期；如果降解功能下降，可重新接种；易生存且降解能力 提高；但是其安全有效性尚待研究。 沈士德等( 2 0 0 3 ) 利用基因工程菌硝化细菌及沉淀细菌处理实验水体，水体的营养物质浓度 不断下降、浊度不断降低、透明度升高 构建高效的基因工程菌可显著提高污染物的降解效率，解决了生物修复周期长等问题目前， 基因工程菌应用的关键是安全性问题 l 2 6 2 固定化微生物技术 固定化微生物技术起始于1 9 5 9 年，h a t t o r i 等人首次实现了大肠杆菌的固定化，此后迅速发 展该技术最初应用于工业发酵，2 0 世纪7 0 年代以后，由于水污染加剧，迫切需要一种高效、 快速、能连续处理废水的技术，自此微生物固定化技术在污水处理中得到广泛应用，处理效果较 好。至今已形成了较为完备的理论和方法 固定化微生物技术是通过物理、化学手段将单一或混合的游离细胞或酶固定在特定的载体 上，使其保持活性并可反复利用的一项生物工程技术它克服了生物脱氮除磷、有机碳去除技术 用于治理富营养化水体存在很多问题，如硝化，反硝化细菌生长缓慢、易流失、难成优势菌、菌 的脱氮速率和效率都很低等 目前，常采用的生物固定化方法主要有：载体结合法、包埋法、交联法和共价结合法固定 化细胞载体主要分两类：一是天然高分子凝胶载体，常用的有琼脂、海藻酸钙、明胶等；二是有 机合成高分子凝胶载体，如聚乙烯醇( p v a ) 、聚丙烯酰胺( a c a m ) ，聚乙二酵( p e g ) 等 v a n o t t l 等( 2 0 0 0 ) 用f v a 制成硝化泥球可快速、有效地去除水体中的n h 4 + 张彤等( 2 0 0 0 ) 采用a c a m 固定硝化细菌和反硝化细菌进行生物脱氮实验，结