生物化学课程论文--污水中微生物的应用、研究现状及展望.doc

14安徽建筑大学 生物化学课程论文污水中微生物的应用、研究现状及展望环境工程学院 给水排水工程专业 【摘要】：污水中微生物主要通过生物化学中的代谢作用和吸附作用达到去污净化的效果，我国处理城市生活污水也主要通过生物膜法和活性污泥法，本文介绍了我国水污染的现状以及微生物去除有机物与无机物的作用原理，后续概述了我国污水微生物的研究现状及一些新兴热点技术的介绍与展望。 关键词：微生物；研究现状；热点；展望 引言：在我国, 随着社会经济的发展和城市化进程加快,城镇人口急剧增加,而城市生活污水的污染防治严重滞后,环境基础设施的规划与建设跟不上城市化发展速度,致使城市生活污水成为水污染的一个重要来源。6污水与垃圾处理设施却严重不足。例如,2000年底我国建成的污水处理厂仅427座,每万人仅拥有01003座污水厂,而美国有2万多个污水处理厂,英国、法国、德国平均每万人即拥有一座污水厂。8城市生活污水中主要污染物是有机物,有淀粉、脂肪、蛋白质、纤维素、糖类、尿素等。这些污染物质大量排入天然水体时，超过水体的自净能力,导致水体富营养化, 藻类等异常繁殖,赤潮和水华频发,生态结构受到破坏,人民生活和经济发展受到严重影响。我国处理城市污水的主要方法为活性污泥法和生物膜法,处理过程中依靠微生物的生长代谢吸附作用等完成对污染物的降解, 具有出水水质良好,效率高,运行费用低和环保等优点。在美国和英国，绝大部分的污水处理场所采用的都是利用微生物的生物处理法。人们已经认识到微生物在污染与净化两方面都具有相当大的作用。因此一直以来，人们对污水的研究在很大程度上都跟其相关微生物的研究有着密切的联系。在水污染日益严重的今天，微生物将是人类净化自身生存空间的重要武器。另外，从污水环境中分离典型的微生物菌种，寻找新的功能基因等方面的研究，目前已经在国内广泛地开展起来，例如定向构建的基因工程菌，将发挥巨大的潜力6。1.我国水污染的现状随着我国城镇化速度的加快, 城市生活污水的比例高达70%以上。人们日常生活产生的污水主要含一些无毒有机物, 如糖类、淀粉、油脂、蛋白质和尿素等,其中含氮、磷等植物营养元素较高。在一定的时间和空间范围内, 这些污染物质大量排入天然水体并超过水体的自净能力,导致水体富营养化。进入水体的各种有机物使需氧菌大量繁殖,消耗溶解氧; 也使得藻类及其他水生植物异常繁殖,引起水体透明度降低,溶解氧减少直至为零。此时,需氧菌死亡,厌氧菌大量繁殖继而分解,产生硫化氢、硫酸等物质,使水质恶化、水体的功能退化、生态结构破坏,这将会对我们所生存的环境产生长远的、无法估计的影响。所以,加强城市污水处理,对于保障城市的可持续发展具有重要的社会意义和经济意义2。2. 微生物对有机物的代谢分解作用2.1微生物对不含氮有机物的分解作用每种微生物只能分解特定的有机物，如自然界中大部分微生物能够分解葡萄糖，而只有一些特殊的微生物才能分解纤维素，对微生物的分解作用以霉菌和细菌研究较多。主要有纤维黏菌、生孢纤维黏菌、纤维杆菌、纤维弧菌、链霉菌、毛壳霉、芽枝霉、镰刀霉、青霉和木霉等。淀粉在微生物作用下先分解为葡萄糖，参与的微生物主要有曲霉、根霉等霉菌。葡萄糖的分解则可由另外一些微生物如细菌和酵母菌来完成。脂肪是比较稳定的有机物质，但也能被某些微生物分解，其中最活跃的有荧光杆菌、绿脓杆菌和灵杆菌等；此外，有些放线菌和分枝杆菌以及真菌中的青霉和乳霉等也有分解脂肪的能力，它们从中取得营养物质和能量。芳香族化合物都是六碳环（苯）的衍生物，其中酚类化合物是比较重要的一种，它们也可被微生物分解。酚类化合物存在于炼焦、石油、煤气等多种工业的生产废水中。酚对于微生物有一定的毒害作用，但在适当的条件下仍能被微生物分解破坏。目前，已经发现，在污水、粪便和土壤中存在着能分解酚类物质的细菌，它们在有氧情况下可氧化酚类，分解成二氧化碳和水。烃类物质也能被微生物氧化分解，如引起甲烷氧化的有甲烷基毛杆菌2。2.2微生物对含氮有机物的分解作用生活污水中所含的氮主要是以氨离子或尿素的形式存在的。此外，在全部化合氮中约有10%是更为复杂的有机化合物，包括蛋白质和氨基酸。（1）蛋白质的分解。第1步是氨化作用，蛋白质生物化学变化的第1步是水解。能产生蛋白酶的微生物，可以把蛋白质逐渐水解成简单的产物，最后形成氨基酸。参与氨化作用的细菌称为氨化细菌，在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌，兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。第2 步是硝化作用，氨和硫化氢的进一步转化都需要氧气。氨在硝化细菌的呼吸过程中先氧化成亚硝酸，再氧化成硝酸。在此过程中，硝化细菌获得了反应进程中所需的能量。这种由氨氧化成硝酸的过程称为硝化作用。亚硝酸细菌负责将氨氧化为亚硝酸，硝酸细菌则负责将亚硝酸氧化为硝酸。硝化作用的进行除必须有氧和氨的存在外，还要有细菌生活所需的营养，需要某些碱性物质来中和所产生的亚硝酸和硝酸。第3 步是反硝化作用，硝酸盐在缺氧的情况下可被厌氧菌还原成亚硝酸盐和氮气等，这一过程称为反硝化。参与反硝化作用的细菌叫反硝化细菌，它们的种类很多，多数是异养并兼性的，如反硝化杆菌、荧光假单胞菌等。它们在厌氧条件下利用硝酸中的氧来氧化有机物，以此获得能量。但反硝化细菌也有自养型的，如反硝化杆菌可以利用硝酸盐中的氧把硫氧化成硫酸，并将所得到的能量用来同化二氧化碳。（2）尿素的分解。尿素的分解过程很简单，先由尿素酶把尿素水解成碳酸铵，后者很不稳定，易分解成氨、二氧化碳和水。引起尿素水解的细菌称尿素细菌，尿素细菌可分成球状与杆状两大类。一般来说，它们都是好氧型的，但对氧的需要量不大，并且有若干菌种即使在无氧条件下也能生长2。2.3无机元素的转化（1）硫的转化。硫化作用主要是由硫磺细菌和硫化细菌引起的。硫磺细菌能氧化硫化氢，形成硫磺颗粒贮存于细胞内，当环境中缺乏硫化氢时，则细胞内的硫磺颗粒继续被氧化而成硫酸。硫磺细菌又可分为2 种菌群：一种是无色硫磺细菌，如贝日阿托氏菌、发硫菌等；另一种是紫色硫磺菌，如紫硫菌、八迭硫菌等。硫化细菌主要有排硫杆菌、氧化硫杆菌和脱氮硫杆菌，除脱氮硫杆菌外都是好氧性的。排硫杆菌能氧化硫化氢或硫代硫酸盐为硫酸，同时形成硫，积留于细胞体外，这同硫磺细菌具有显著的差别，氧化硫杆菌能氧化硫或硫代硫酸盐为硫酸；脱氮硫杆菌在缺氧情况下能利用还原硝酸时获得的氧化硫或硫代硫酸盐生成硫酸。2（2）磷的转化。无机磷酸盐可借微生物分解有机物所产生的有机酸和二氧化碳，或由于硝化细菌及硫化细菌所形成的硝酸和硫酸的作用转化成可溶性磷盐。有机磷化物在有氧条件下也可被很多微生物，如解磷大芽孢杆菌、蜡质芽孢杆菌、霉状芽孢杆菌等分解形成磷酸盐。在缺氧的条件下，磷酸盐可以因微生物的作用而被还原。（3）铁的转化。在碱性环境中溶于水中的铁量很少，而在酸性环境中则有较多游离铁。微生物对铁的转化方式有氧化、还原以及有机铁的溶解或铁的沉淀等方面的作用1。3.我国污水中微生物的研究现状国内针对污水中微生物的研究开展的十分广泛，污水环境已经成为微生物和环境微生物研究的前沿和重要领域。在光合细菌、重金属离子吸附菌、石油降解菌、有机物降解菌等领域都取得较大进展。越来越多的报道表明，污水环境实际是一个巨大的微生物资源宝库科学家从污水环境中得到了一系列具有特殊的进化地位或者能产生特殊代谢产物的微生物3。刘勇（2001）等从污水中分离了光合细菌PSB-1菌株，对并其生理生化特征进行了鉴定，PSB-1与嘈酸红假单胞苗(Pseudoparenchymas acidophil)在生长因子需求、细胞形态、繁殖方式、光合内膜结构类型、碳源及硫化物电子供体的利用能力、同化硫酸盐含量等方面具有非常相似的特征，确定PSB-1为嗜酸红假单胞菌(Rho dot，pseudomonads acidophil)。张德民等（2000）从北京高碑店污水处理厂的污水中分离了光合细菌，从生态和分子水平上对该菌进行了分类学鉴定，并将其命名为北京红篓菌。张伟等（2004）研究了从污水中分离到的北京红篓菌合成聚羟基烷酸的情况，对该菌株的生长以及该菌株积累聚羟基烷酸的生长条件进行了分析和确定3。污水环境蕴藏着许多嗜极端环境的微生物。王翠红（2000）等从太原某焦化厂的废水中分离了能降解氰化物的菌株，为生物降解氰化物的研究提供了良好的借鉴和参考。董新娇等（2002）从温州东方集团的污水中分离到了能够降解氰化物的真菌，并对其最适生长条件、降解效率等都进行了研究。陈悟等从油田废水中分离了两株属于极端微生物的嗜热产孢子硫酸还原菌，并进行了系统进化分析。对从污水环境中分离的具有石油分解能力的微生物的研究是采用微生物手段进行油污染环境修复的重要前期研究领域。谢丹平等（2003）从广州石化厂隔油池污水中分离到一株能以石油为碳源的菌，对其生长条件、除油率等进行了研究和测定。邵宗泽等（2004）从厦门储油码头污水中分离得到了2株石油降解菌，进行了生长条件的研究，通过16sr DNA进行了系统学鉴定。同时发现在这两种菌中存在独特的萘双加氧酶基因。秦芳玲（2007）等从中原油田采油污水和咸阳炼油厂活性污泥中分离出10株烃降解菌，并对其中三株降解能力最强的进行了各项培养指标的鉴定3。来自污水环境的微生物在有毒重金属离子的降解研究领域也有很强的发展潜力。秦玉春等（2005）从污水中分离到一株浮游球衣菌，发现该菌对二价铅离子有很强的吸附作用。余晨兴等（2005）从污水中分离了32株氧化铁鞘细菌，通过筛选找出了其中一株氧化活性最强的菌株，并对其铁氧化酶特性进行了初步研究。牟俊华等（2006）从某污水处理中心分离出耐三价铬的细菌和真菌，并对其生长条件和降解参数进行了研究。赵德金等从造纸厂污水中分离到具有重金属铬降解能力的细菌、放线菌、真菌和酵母等，表明了特殊的环境微生物群落功能的巨大影响。李君文等（2004）用硝化细菌选择培养基从土壤污水中获得了10株细菌。对这10株菌的形态进行了电镜观察，依据对特征性基因Born进行了扩增分析和伯杰细菌坚定手册分析，确定主要为硝化杆菌、硝化球菌和硝化刺菌等属3。此外，田萍等（2005）从印染厂污水中分离得到7株聚乙烯醇降解菌，经过紫外线诱变得到突变株，并对其降解特性参数进行了确定。发现突变株的降解效果要好于出发菌株，且适应环境能力更强。赵磊等（2006）从生活污水污染的土壤中分离纯化得到一株高效降解吐温80的菌株，经鉴定为假单胞菌，并对其降解的最适条件和降解参数进行了研究。徐焰等(2003)利用标准菌株从医院污水中分离特异性的噬菌斑，经过与宿主的混合培养，筛选出宿主谱发生突变的具有噬菌性的噬菌体。黄秋敏等(2000)应用微生物学方法，从污水中筛选到可降解脂肪烃和苯酚类的有机物，并进一步通过转基因技术，获得具有双重功能的污水细菌3。4. 新技术方法的研究热点与展望4.1基因工程菌的的巨大潜力传统的生物处理法是对自然生长的微生物群落(包括细菌、真菌和其他种类的微生物)加以驯化、繁殖、利用，所以代谢过程复杂，能量利用不经济，还可能存在各种微生物问的拮抗作用，使污染物的降解效率不高，特别是对难以生物降解的有机物和高浓度的氨氮的降解能力很差。随着基因工程技术、微生物基因组学和遗传学技术的发展，我们可以按照自身的需要，有目的、有计划地通过基因克隆、转化及表达等方式构建自身所需要的新生物种，打破物种间的界限，使一种生物的遗传信息在另一种生物体内得以表达。利用现代分子生物技术。可以构建出具有特殊降解功能的基因工程菌(Geneti2cally engineered microorganisms，GEM8)。它具有高耐毒性、高降解活性，用于污水处理时生长繁殖迅速，絮凝性能好。有特异或广谱降解污染物的优良性状。与此同时，随着代谢工程的发展，应用于环境保护的Fems最重要的研究方向是：运用重组DNA技术，将具有新的催化活性的目的基因导人受体菌，构建新的代谢途径，使其产生高效的生物降解能力。微生物的育种手段包括：诱变育种、原生质体融合、基因工程等。其中诱变育种带很大随机性，并且筛选工作量大，因而其成功率较低，所以在基因工程菌的研制中应用很少。现在的育种方法以原生质体融合技术和基因工程技术为主，它们的定向较为准确，效率高。目前基因工程菌的构建方法有以下几种：降解质粒转移；质粒分子育种；原生质体融合技术；基因工程育种。虽然基因工程菌用于污染物处理的研究成果令人鼓舞，具有很大的发展潜力，但另一方面克隆过多的基因会加重微生物的代谢负担，引起生长缓慢，质粒丢失等现象，同时复杂的基因操作和抗生素的使用也给实际工程应用带来很大的困难。还有一个颇具争议的话题是：当基因工程菌流入自然环境以后，是否会对人类自身的生存和生态环境的平衡造成不利影响。尽管基因工程菌的构建和应用还存在一些问题，还不完美，但只要进一步深入研究，它对净化环境、保护人类健康将产生巨大的作用。随着生物工程技术的发展，基因工程菌在有机物降解的应用中必将日趋完善5。4.2藻类去污净化的可行性藻类具有独特的代谢方式, 可以通过光合作用利用太阳能和无机物合成本身的原生质, 利用藻类处理污水可以克服传统污水处理方法易引起二次污染、潜在营养物质丢失、资源不完全利用等弊端。藻类能够有效并低成本地去除造成水体富营养化的氮、磷等营养物质, 作为一种替代或弥补的方法, 利用藻类去除污水中的氮、磷己引起广泛关注7。各种实验表明,将藻类应用于去除污水中的氮、磷是切实、可行的,它符合生态学意义,具有广阔的前景。但是,国内该技术尚处于实验室研究阶段,一直未取得突破性进展,未能在生产中大规模应用,究其原因有；(1)工作开展的范畴太窄,对藻的大多数研究只停留在藻种的筛选及其性能的研究上；(2)缺乏成熟简便的固定化方法,并且固定化小球的强度较低且寿命较短；(3)目前国内仍缺乏稳定、廉价、性能良好的固定化载体以及高效、可规模化运转的生物反应器。将来廉价、稳定的载体的开发, 高效、可规模化运转的生物反应器的研制以及藻类污水净化系统与其他污水处理工艺相结合的综合系统的研究将是该领域的热点7。参考文献：1乔建强，王增长，董洁.微生物在污水处理中的应用J.科技情报开发与经济，2007，17（10）：128-129，137.2赵广慧.微生物在污水处理中应用.资源与环境科学.现代农业科技，2010年第24期：278-279.3牟润芝，刘浩，王晓玲