环境生物技术

1、“环境生物技术是21世纪国际生物技术的一大热点，兼有基础科学和应用科学的特点在环境污染治理与修复、自然资源可持续再生等方面发挥着日益重要的作用。”（中国科学院）生物吸附 被动摄取: 以细胞壁- 快速(因pH、离子强度影响) 主动摄取: 特殊蛋白质- 慢(受温度和代谢抑制剂的影响) 胞外沉淀: 酸矿排水的重金属回收(生物淋洗)SO42- + CH2O H2S +HCO3-(CO2)H2S + Cu2+ (Fe2+) CuS(FeS) + H+ 以生物技术去除有机物 芳香族（苯、甲苯、乙基苯）、多环芳香族PAHs、高分子支链有机物 甲单胞杆菌属生物修复：是生物特别是微生物催化降解有机污染物，从而修

2、复被污染环境或消除环境中的污染物的一个受控或自发进行的过程。生物修复的类型： 原位生物修复：不需将土壤挖走或将地下水抽至地面上处理，其优点是费用较低，但较难严格控制。污染物可在原地被降解清除，修复时间较短，就地处理的操作简便，人类直接暴露在污染物下的机会减少。 异位生物修复：需将污染物通过某种途径从污染现场运走，这种运输可能会增加费用，但处理过程中便于对修复过程进行控制。细胞壁的功能：（1）固定细胞外形和提高机械强度；（2）为细胞的生长、分裂和鞭毛运动所必需；（3）渗透屏障，阻拦酶蛋白和某些抗生素等大分子物质（分子量大于800）进入细胞，保护细胞免受溶菌酶、消化酶和青霉素等有害物质的损伤；（4

3、）细菌特定的抗原性、致病性以及对抗生素和噬菌体的敏感性的物质基础；革兰氏染色的意义（1）细菌分类，将致病菌的范围缩小；（2）选择药物，细胞壁结构的差异导致其对抗菌素等药物的敏感度不同；（3）致病性，大多数革兰氏阳性菌致病物质是外毒素，而阴性菌是内毒素。细胞膜的生理功能：选择性地控制细胞内、外的营养物质和代谢产物的运送；是维持细胞内正常渗透压的屏障；合成细胞壁和糖被的各种组分（肽聚糖、磷壁酸、LPS、荚膜多糖等）的重要基地；膜上含有氧化磷酸化或光合磷酸化等能量代谢的酶系，是细胞的产能场所；是鞭毛基体的着生部位和鞭毛旋转的供能部位；细胞质和内含物1） 概念：细胞质（cytoplasm）是细胞质膜包

4、围的除核区外的一切半透明、胶状、颗粒状物质的总称。含水量约80%。细胞质的主要成分为核糖体、贮藏物、多种酶类和中间代谢物、质粒、各种营养物和大分子的单体等，少数细菌还有类囊体、羧酶体、气泡或伴孢晶体等多糖类贮藏物：糖原粒、淀粉粒在真细菌中以糖原为多糖原粒较小，不染色需用电镜观察，用碘液染成褐色，可在光学显微镜下看到。有的细菌积累淀粉粒，用碘液染成深兰色。特殊的休眠构造芽孢1） 概念：某些细菌在其生长发育后期，在细胞内形成一个圆形或椭圆形、厚壁、含水量极低、抗逆性极强的休眠体，称为芽孢（endospore或spore，偶译“内生孢子”）。2）细菌芽孢的特点：整个生物界中抗逆性最强的生命体，是否能

5、消灭芽孢是衡量各种消毒灭菌手段的最重要的指标。芽孢是细菌的休眠体，在适宜的条件下可以重新转变成为营养态细胞；产芽孢细菌的保藏多用其芽孢。产芽孢的细菌多为杆菌，也有一些球菌。芽孢的有无、形态、大小和着生位置是细菌分类和鉴定中的重要指标。芽孢与营养细胞相比化学组成存在较大差异，容易在光学显微镜下观察。（相差显微镜直接观察；芽孢染色）放线菌1、概念：在形态上具有分枝状菌丝、菌落形态与霉菌相似，以孢子进行繁殖。“介于细菌与丝状真菌之间又接近细菌的一类丝状原核生物”近代生物学技术：放线菌实际上是属于细菌范畴内的原核微生物，只不过其细胞形态为分枝状菌丝。二、形态与结构：单细胞，大多由分枝发达的菌丝组成；菌

6、丝直径与杆菌类似，约1mm；细胞壁组成与细菌类似，革兰氏染色阳性（少数阴性）；细胞的结构与细菌基本相同，按形态和功能可分为营养、气生和孢子丝三种1、营养菌丝：匍匐生长于培养基内，吸收营养，也称基内菌丝。一般无隔膜，直径0.2-0.8 mm，长度差别很大，有的可产生色素。2、气生菌丝：营养菌丝发育到一定阶段，伸向空间形成气生菌丝，叠生于营养菌丝上，可覆盖整个菌落表面。在光学显微镜下观察，颜色较深，直径较粗（1-1.4 mm），有的产色素。3、孢子丝：气生菌丝发育到一定阶段，其上可分化出形成孢子的菌丝，即孢子丝，又称产孢丝或繁殖菌丝。其形状和排列方式因种而异，常被作为对放线菌进行分类的依据。蓝细菌

7、1、概念：也称蓝藻或蓝绿藻（blue-green algae），是一类含有叶绿素a、能以水作为供氢体和电子供体、通过光合作用将光能转变成化学能、同化CO2为有机物质的光合细菌。以前曾归于藻类，因为它和高等植物一样具有光和色素-叶绿素a，能进行产氧型光合作用。2、特性1）分布极广；2）形态差异极大，有球状、杆状和丝状等形态；3）细胞中含有叶绿素a，进行产氧型光合作用；4）具有原核生物的典型细胞结构：细胞核无核膜，也不进行有丝分裂，细胞壁含胞壁酸和二氨基庚二酸，革兰氏染色阴性。5）营养极为简单，不需要维生素，以硝酸盐或氨作为氮源，多数能固氮，其异形细胞（heterocyst）是进行固氮的场所。6）

8、分泌粘液层、荚膜或形成鞘衣，因此具有强的抗干旱能力。7）无鞭毛，但能在固体表面滑行，进行光趋避运动。8）许多种类细胞质中有气泡，使菌体漂浮，保持在光线最充足的地方，以利光合作用。古生菌一、概念的提出1977年，Carl Woese以16S rRNA序列比较为依据，提出的独立于真细菌和真核生物之外的生命的第三种形式。1. 在分类地位上与真细菌和真核生物并列为三域（Domain），并且在进化谱系上更接近真核生物。2.在细胞构造上与真细菌较为接近，同属原核生物。3.多生活于一些生存条件十分恶劣的极端环境中，例如高温、高盐、高酸等。原名：古细菌（Archaebacteria）；后改名：古生菌（Arch

9、aea）二、细胞形态在显微镜下，古生菌与细菌具有类似的个体形态。三、细胞结构在细胞的结构与功能上，古生菌既有类似真细菌之处，也有类似真核生物之处，还具有一些自己独特的特点。霉菌2、菌丝的特化:1）菌环：菌丝交织成套状2）菌网：菌丝交织成网状:捕虫菌目（Zoopagales）在长期的自然进化中形成的特化结构，特化菌丝构成巧妙的网，可以捕捉小型原生动物或无脊椎动物，捕获物死后，菌丝伸入体内吸收营养。3）附枝：匍匐菌丝、假根（类似树根，吸收营养），功能是固着和吸收营养。4）附着枝：若干寄生真菌由菌丝细胞生出1-2个细胞的短枝，以将菌丝附着于宿主上，这种特殊的结构即附着枝。酵母菌分布及与人类的关系1、

10、多分布在含糖的偏酸性环境，也称为“糖菌”。如水果、蔬菜、叶子、树皮等处，及葡萄园和果园土壤中等。2、重要的微生物资源；酵母菌是人类的第一种“家养微生物”3、重要的科研模式微生物；啤酒酵母（Saccharomyces cerevisae）第一个完成全基因组序列测定的真核生物（1997）4、有些酵母菌具有危害性；有些酵母菌能引起皮肤、呼吸道、消化道、泌尿生殖道疾病形态结构:卵圆、圆、圆柱、梨形等单细胞，其细胞直径一般比细菌粗10倍左右。有的酵母菌子代细胞连在一起成为链状，称为假丝酵母。无性繁殖:1）芽殖:主要的无性繁殖方式，成熟细胞长出一个小芽，到一定程度后脱离母体继续长成新个体。2）裂殖:少数酵

11、母菌可以象细菌一样借细胞横割分裂而繁殖，例如裂殖酵母。原核生物和真核生物遗传和细胞组装上的主要区别原核生物:1.DNA在细胞中游离；2.只有一个染色体；3.DNA与类组蛋白连系；4.含有染色体外的遗传物质，称为质粒；5.在mRNA中没有发现内含子；6.细胞二等分分裂，只有无性繁殖；7.遗传信息可以通过接合、转导、转化发生。真核生物：1. DNA在膜包围的核中，只有一个核仁；2.多于一个染色体，每个染色体是双拷贝3.DNA与组蛋白连系；4.只在酵母中发现质粒；5.所有基因中都发现内含子；6.细胞分裂为有丝分裂；7.遗传信息交换发生在有性繁殖过程，减数分裂导致产生单倍体细胞，它们能融合。微生物的营

12、养：微生物与其他动物一样，也是由C、H、O、N等元素构成的，而这些元素最终也是来自外界的各种营养物质。这些营养物质可归纳为水、无机盐、碳源、氮源和生长因子五类。化能自养（chemoautotroph）或称化能无机营养（chemolithotroph）硝化细菌氧化氨（铵盐）或亚硝酸获得能量，同化二氧化碳。硝化细菌氧化氨（铵盐）或亚硝酸获得能量，同化二氧化碳。硫化细菌氧化还原态无机硫化物（H2S、S、S2O32、SO32一等）获得能量，同化二氧化碳。铁细菌通过氧化Fe2为Fe3来获取能量并同化二氧化碳：2Fe2+ 十1/2 O2十2H 2Fe3+ 十H2O十能量氢细菌具氢化酶，能从氢的氧化中获取能

13、量来同化二氧化碳： H2十1/2 O2 H2O十能量化能异养（chemoheterotroph）或称化能有机营养（chemoorganotroph）腐生性微生物利用无生命的有机物（包括动植物的残体）；寄生性微生物从活的有机体（寄主）中获得营养物质，离开寄主便不能生长和繁殖。微生物的生长 研究方法：以细菌为例将少量同种细菌接种到容积恒定液体培养基中置于适宜的条件下培养如何测定？1、 测细菌的细胞数目2、测细菌的细胞总重量（干重或湿重）定期取样、检测培养基中细菌群体的生长情况（一）以数量变化对微生物生长情况进行测定1、培养平板计数法采用培养平板计数法要求操作熟练、准确，否则难以得到正确的结果：样品

14、充分混匀；每支移液管及涂布棒只能接触一个稀释度的菌液；同一稀释度三个以上重复,取平均值；每个平板上的菌落数目合适，便于准确计数；一个菌落可能是多个细胞一起形成，所以在科研中一般用菌落形成单位（colony forming units， CFU）来表示，而不是直接表示为细胞数。2、 膜过滤培养法当样品中菌数很低时，可以将一定体积的湖水、海水或饮用水等样品通过膜过滤器，然后将将膜转到相应的培养基上进行培养，对形成的菌落进行统计。3、 The most probable number method（液体稀释法）主要适用于只能进行液体培养的微生物，或采用液体鉴别培养基进行直接鉴定并计数的微生物。对未知

15、样品进行十倍稀释，然后根据估算取三个连续的稀释度平行接种多支试管，对这些平行试管的微生物生长情况进行统计，长菌的为阳性，未长菌的为阴性，然后根据数学统计计算出样品中的微生物数目。一条典型的生长曲线至少可以分为迟缓期，对数期，稳定期和衰亡期等四个生长时期微生物的生长时间 调整期 对数期 稳定期 衰亡期菌体数目 增长不明显 快速增长 活菌数目达到最大（K值） 活菌数目急剧减少代谢特点代谢活跃体积增大大量合成初级代谢产物细胞分裂速率最快个体形态、生理特征较稳定繁殖速率等于死亡速率细胞内大量积累次代谢产物，某些细菌可形成芽孢繁殖速率小于死亡速率菌体出现多种形态（畸形），细胞解体、释放代谢产物生长曲线的

16、实践意义： 生产上常用对数期的细菌作为菌种，以缩短生产周期。 用连续培养法来有效延长稳定期、提高代谢产物的产量。微 生 物 生 态水中的病原微生物会对水质产生重要影响：a）致病菌一般对营养要求苛刻，因此在一般的水中只能存活2-3天；b）水表微生物会受辐射等作用而被杀灭；c）原生动物等的吞噬作用；d）由固形物吸附再沉积到水底；饮用水的微生物指标：总菌数： 100个/ml 大肠杆菌 第二阶段 第三阶段影响微生物脱氮的因素：pH值：硝化反应要耗碱，如果污水中没有足够的碱度，随着硝化的进行，pH值会急剧下降，而硝化细菌对pH十分敏感，硝化细菌和亚硝化细菌分别在7.07.8和7.78.1时活性最强，在这

17、个范围以外，其活性就急剧下降温度： 两类硝化细菌的最适温度在30左右。溶解氧：o 硝化过程的DO一般应维持在1.02.0 mg/L。o DO对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作用的反硝化菌是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌。故工艺上最好使其交替处于好氧、缺氧的环境下，所以脱氮反应并不要求DO保持在零的状态。如在悬浮污泥系统中，缺氧段DO应控制在0.5 mg/L以下，在膜法系统中，可控制在1.02 .0 mg/L碳源：废水中所含的有机碳源：当废水中所含碳（BOD5）与总氮的比值大于3：1时，无需外加碳源，即可达到脱氮目的。外加碳源：当废水中所含碳（BOD5）与总氮的比值小于3：1时，

18、需外加碳源，多采用甲醇。内碳源： 内碳源指活性污泥微生物死亡、自溶后释放出来的有机碳，也称二次性基质。 利用内碳源，要求反应器的泥龄长、污泥负荷低，使微生物处于生长曲线稳定期的后部或衰亡期，反硝化速度极低，为前两种方法的十分之一左右 利用内碳源，可使在废水碳氮比较低使不必外加碳源也可达到脱氮目的，并且污泥产率低可减少污泥处理的费用。活性污泥法典型工艺A/O工艺1）缺氧反硝化 细菌：反硝化细菌（兼性厌氧菌） 反应：NO3-N反硝化还原为N2，溢出水面释放到大气 碳源：原水中BOD 硝酸盐来源：回流出水中的硝化产物2）好氧脱碳硝化脱碳氧化去除COD。 脱碳菌好氧有机物呼吸的细菌，以有机物为碳源。

19、硝化菌好氧氨盐呼吸的细菌，以碳酸盐为碳源。（NH4+NO2-NO3-)提问1：为什么先脱碳、后脱氮？硝化菌的碳源是脱碳菌的代谢产物；有机碳源丰富时，脱碳菌世代周期短生长迅速 ，硝化菌氧利用不足，生长缓慢；提问2：硝化脱氮时有时需要补碱（Na2CO3或NaOH)? 硝化作用消耗碱（NH4+、CO32-），水pH下降；补充碳源、升高pH提问3：硝化菌世代周期长，容易从活性污泥系统中被洗掉，如何解决？ 挂生物膜或投加悬浮填料 定期投菌四段Bardenpho工艺P200前两段同A/O法工艺，好氧池1流出的硝酸盐导入缺氧池2，反硝化细菌可利用细菌衰亡后释放的基质作为碳源进行反硝化，污泥最后进入好氧池2，

20、以吹脱氮气，提高污泥沉降性能。微生物除磷工艺原理及其微生物危害：水中P含量是导致或控制水体富营养化的限制因素：0.5mg/l，促进富营养化；0.5mg/l, 控制藻类生长；0.05mg/l，藻类几乎停止生长。（BOD：N：P）100：5：1微生物除碳的同时吸收磷元素用以合成细胞物质和合成ATP等，但只去除污水中约19左右的磷。某些高含磷废水中残留的磷还相当高，故需用除磷工艺处理微生物除磷原理：在厌氧条件下，聚磷菌在分解体内的聚合磷酸盐的同时产生ATP，并利用ATP将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，以PHB（聚羟基丁酸）及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出细胞。

21、然后转入好氧环境，聚磷菌又能利用聚羟基丁酸盐所释放的能量来摄取废水中的磷，并合成聚磷酸盐贮存在细胞内。一般来说，因此，如果能创造厌氧、缺氧和好氧条件的交替，让聚磷菌首先在厌氧条件下释放磷，然后在好氧条件下充分过量地吸磷，尔后通过排泥，就可以达到从废水中去除磷物质的目的。生物除磷中的微生物： 某些微生物在好氧时能大量吸收磷酸盐合成自身核酸和ATP，并且能逆浓度过量吸磷合成贮能的多磷酸盐颗粒（异染粒和PHB）在体内，供其内源呼吸用。这些细菌称为聚磷菌(PAO) 具有聚磷能力的微生物目前所知绝大多数是细菌。聚磷的活性污泥是由许多好氧异氧菌、厌氧异氧菌和兼性厌氧菌组成。实质上是产酸菌（统称）和聚磷菌的

22、混合群体。 从种类上来看，聚磷能力强、数量占优势的有不动杆菌属（莫拉氏菌群）、假单胞菌属、气单胞菌属和黄杆菌属等60多种。硝化杆菌中的亚硝化杆菌属、亚硝化球菌属、亚硝化叶菌属和硝化杆菌属、硝化球菌属等也具有聚磷能力生物除磷中的微生物聚磷菌 (PAO)：o 是一类生长缓慢的细菌，在厌氧条件下，分解体内的聚磷来获得能量生长繁殖，在好氧条件和外界营养基质少的情况下，分解体内的PHB获得能量而生长繁殖，故它与不积磷菌相比更能适应厌氧、好氧交替的环境而成为优势菌群。o 微生物在增殖过程中，好氧摄取的磷比在厌氧条件下所释放的磷多发酵产酸菌和积磷菌的关系：o 积磷菌只能利用低级的脂肪酸，不能直接利用大分子有

23、机基质，而发酵产酸菌可将大分子物质降解为小分子，故在除磷过程中这两类菌是互不可分、密切相关的生物除磷的影响因素（1）碳源的浓度和种类：o 诱导积磷菌放磷的有机基质分为三类： A类：乙酸、甲酸、丙酸等低分子有机酸，该类物质存在时放磷速度最快 B类：乙醇、甲醇、柠檬酸、葡萄糖等需在厌氧条件下转化成A类基质后才能被积磷菌利用 C类：丁酸、乳酸和琥珀酸等，该类能否引发放磷与污泥的微生物有关溶解氧：o 厌氧区DO存在对污泥的放磷不利，DO应小于0.2 mg/L；o 好氧区的DO应大于2.0 mg/L，以保证积磷菌利用好氧代谢中释放的大量能量充分地吸磷。硝酸盐和亚硝酸盐： 厌氧区两者的存在会抑制厌氧发酵而

24、不产生挥发性脂肪酸。温度Ph：中性或弱碱性环境 pH6-8工艺的运行参数和运行方式：o 泥龄 (泥龄短的系统产生剩余污泥量较多, 可取得较好的除磷效果)o 厌氧区停留时间厌氧氨氧化 (ANAMMOX)特点： 以 NH4作为电子供体, NO3 或NO2为电子受体,将NH4+、NO3-或NO2-转变成N2的过程 一类自养细菌，属于浮霉菌门，包括(CandidatusBrocadia)、(Candidatus Kuenenia)和(CandidatusScalindua)属。它们至今未能成功分离得到纯菌株，因此尚未获得正式命名和分类 无需供氧, 无需外加有机碳源, 无需额外投加酸碱中和剂。好氧堆肥的

25、影响因素：有机质含量：o 有机质含量含量过低，产生的热量不足以维持堆肥所需温度；o 有机质含量含量过高不利于通风供氧从而产生厌氧和发臭 水分：o 水分过高不利于升温和通风；o 水分过低，不能满足微生物生长需要，有机物也不能分解 温度：o 温度过低将大大延长堆肥时间；o 温度过高对微生物产生不利影响。 碳氮比：o 碳氮比小，升温快，但最高温度较低；o 碳氮比大，升温慢，但最高温度较高 氮磷比：o 堆肥原料的氮磷比一般在75150之间。 pH厌氧堆肥法：o 指在不通气的条件下，将有机废弃物进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程厌氧堆肥过程的两个阶段： 酸性发酵阶段：产酸细菌分解有机物

26、，产生有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢等，使pH下降； 产气发酵阶段：主要由产甲烷细菌分解有机酸和醇，产生甲烷和二氧化碳，随着有机酸的下降，pH迅速上升厌氧堆肥法特点（与好氧堆肥相比较）： 堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长，但方法简便、省工，在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以采用。什么是卫生填埋法o 指将垃圾在填埋场里分层填埋的处理方法。由废物层（一般厚度2.53.0m）和覆土层（一般厚度为0.20.3m）构成一个填埋单元，由一系列填埋单元构成一个填埋层，当填埋至设计高度后再盖上一层0.91.2m的土壤，压实后就得到了一个完整的卫生填埋场填埋坑内微生物活动过程的四个阶段： 好氧分解阶段：微生物利用垃圾空隙中的空气进行好氧分解 厌氧分解不产甲烷阶段：微生物利用硝酸根和硫酸根作为氧源，产生硫化物、氮气和二氧化碳，硫酸盐还原菌和反硝化细菌的繁殖速度大于产甲烷细菌 厌氧分解产甲烷阶段：当还原状态达到一定程度时开始产甲烷，坑内温度升至55时，进入稳定产气阶段 稳定产气阶段：此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷。填埋场渗沥水和气体收集渗沥水：o 垃圾分解过程中产生的液体以及渗出的地下水和渗入的地表水统称为填埋场渗沥水。o 渗沥水的性质主要取决于所埋垃圾的种类，数量取决于渗沥水的来源、填埋场的面积、垃圾状况和下层土情况等o 为防止渗沥水对地下水的污染可采取以下措施：在