9-10-环境微生物学

1、 第九章 污染环境的生物修复 第一节概述一 生物修复的概念 生物修复-是指利用生物特别是微生物，将环境中的有毒、有害的污染物降解为CO2、H2O，或转化为无害物质，从而使污染生态环境修复为正常生态环境的工程技术体系。 生产上常用工程化生物修复手段 。 生物刺激满足土著微生物生长所必须的环境条 件，诸如提供电子受体、供体、营养物等； 通过各种手段，诱导参与降解环境污染物的微生 物菌群的产生和扩增。 原位生物修复-不需要移动污染物而进行的生物修复。 易位生物修复-采用工程化手段来加速生物修复。 二 生物修复的原理与影响因素 很多具有降解活性细菌、放线菌、丝状真菌、酵母菌以及一些微型藻类微生物通过矿

2、化分解和共代谢作用去除有机污染物。但需要两种或更多种类微生物的协同作用。 一种或多种微生物为其他微生物提供B族维生素、氨基酸及其他生长因素； 一种微生物分解目标化合物成中间代谢产物，其他微生物进一步分解； 一种微生物以共代谢的形式分解目标化合物，其他微生物进一步分解代谢产物。 影响因素: 影响最大的是氧气，其次，温度、湿度、盐度碳源和能源、氮和磷等都能够影响有机物的生物降解性。 三 生物修复的发展过程 生物修复始于30多年前，集中在水体、土壤和地下水环境中石油生物降解的实验室。20世纪80年代以后基础研究的成果被用于大规模的环境污染治理。 特点：污染物在原地被降解清除。修复时间较短。操作简单，

3、对周围环境干扰少。费用少。人类直接暴露在这些污染物下的机会减少。不产生二次污染，遗留问题少。 近年来研究开发出以微生物为主，联合植物，并配合物理、化学措施的综合修复技术。 目前，重视的几个研究方向： 1.研究微生物群体结构及其对环境变化的反应动力学。 2.分析污染物的有氧和厌氧降解生化机理。 3.通过遗传学手段改造菌株以提高其降解能力。 4.对新的生修复技术进行微观及中试研究，考察其实施费用及应用的可行性。 第二节 生物修复的类型一 原位生物修复（一）生物扩增菌株 添加营养物 用土著和接种降解 有机污染物（二）培养法 向污染生境中添加外源生物活性物质和营养物 目前已开发出一种亲油肥料，不但含有

4、N、P营养，而且还有许多易降解的碳源，即使在寒冷的其后条件下，使用该肥料后，烃降解菌的数量也大大增加，从而增加了烃的降解速率和程度。（三）生物通气法 它是指在土壤含水层之上，即不饱和层通入空气为好氧微生物最终电子受体（四）生物翻耕法 利用土著微生物进行分解和去除。此法通对污染土壤进行翻耕，提高土壤通透性，增施肥料，调整污染区域的酸碱度。（五）植物修复 （1）概念 直接或间接利用高等植物去除污染物的技术被称为植物修复。此过程包括植物对污染物质的吸收及植物根际附近土壤中微生物对污染物的降解。 植物修复通过三种机制，即直接吸收刺激根区微生物活性与转化作用，增强根区矿化作用。 它的主要优势是费用低廉，

5、当污染土壤的深度在12m更深时，采用植物修复技术具有相当的保证。其缺点在于，通常速率较低，修复时间较长。而且对于吸附力极强或已经老化或处于螯合状态的有机物不宜采用。(2)植物挥发 其机理是利用植物根系吸收金属，将其转化为气态物质挥发到大气中，以降低土壤污染。目前研究较多的是Hg和Se。湿地上的某些植物可清除土壤中的Se，其中单质占75%，挥发态占2025%。挥发态的Se主要是通过植物体内的ATP硫化酶的作用，还原为可挥发的CH3SeCH3和 CH3SeSeCH3；Meagher等把细菌体中的Hg还原酶基因导入植物，获得耐Hg转基因植物，该植物能从土壤中吸收Hg并将其还原为挥发性单质Hg。 (3

6、)植物稳定 利用耐重金属植物或超累积植物降低重金属的活性，从而减少重金属被淋洗到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的可能性。其机理主要是通过金属在根部的积累、沉淀或根表吸收来加强土壤中重金属的固化。如，植物根系分泌物能改变土壤根际环境，可使多价态的Cr、Hg、As的价态和形态发生改变，影响其毒性效应。植物的根毛可直接从土壤交换吸附重金属增加根表固定。 （六 ）微生物修复技术 微生物在修复被重金属污染的土壤方面具有独特的作用。 其主要作用原理是：微生物可以降低土壤中重金属的毒性；微生物可以吸附积累重金属；微生物可以改变根际微环境，从而提高植物对重金属的吸收，挥发或固定效率。如动胶菌、蓝细菌、硫酸

7、还原菌及某些藻类，能够产生胞外聚合物与重金属离子形成络合物；Macaskie等分离的柠檬酸菌，分解有机质产生的HP O2-4与Cd形成 CdHPO4沉淀；李志超发现有些微生物能把剧毒的甲基汞降解为毒性小、可挥发的单质Hg；Frankenber等以Se的微生物甲基化作为基础进行原位生物修复。耿春女等利用菌根吸收和固定重金属Fe、Mn、Zn、Cu取得了良好的效果。 二 易位生物修复（一）泥浆反应器法 是将污染土壤与液体混合起来形成泥浆，引入反应器进行处理。可添加一些表面活性剂，以促进微生物与污染物的接触，加速污染物的降解。（二）预测床法 预测床是一种用于土壤修复的特制生物床反应器。处理对象主要是多

8、环芳烃等。（三）堆制法 一般是将污染物与容易分解的有机物，如新鲜稻草、木屑等混合堆放，并加入氮磷及其它无机营养物质，搅拌通气，污染物经稳定化作用形成腐殖化高的堆肥。（四）生物堆层修复技术 将含有污染物的土壤堆积在不透水的衬层上，喷淋含有营养物质的液体通入空气或氧气，以促进微生物活性，渗滤液被收集并循环于堆积土壤中。具有挥发性，则需要收集气体。三 原位易位联合生物修复（一）冲洗生物反应器法 用水冲洗土壤中的污染物，并将含有该污染物的废水经回收系统引入生物反应器中，同时连续供给营养、氧气和降解菌以清除污染物。（二）土壤通气堆制法 采用生物通气法驱除污染土壤中易挥发的有机污染物，然后再进行堆制式处理

9、，清除难挥发的有机物。第三节 生物修复的应用一 农药污染的生物修复 农药污染主要是在喷射时造成的。农药残留污染治理一靠合理施用，二是生物修复。 南京农业大学微生物学系历经10多年研究，从盆栽、小区、大田试验到大面积应用推广和生产示范，形成了以投加降解菌为核心技术的生物修复体系。二 石油污染的生物修复 投加微生物、氮、磷营养三 污染水体的生物修复（一）富营养化水体的生物修复 目前在富营养化水体的生物修复中以投加混合微生物制剂的方法较多。国际上目前使用的制剂有EM 、Clear-flo等，它们为专利产品。 对赤潮的防治，以前主要是采取化学法，但所施用的化学药剂给海洋带来了新的污染。目前人们正致力于

10、开发具有抑藻、杀菌作用的细菌、蛭弧菌和藻类病毒。（二）污染地下水的生物修复 早期地下水的修复是通过抽取地下水到反应器中，处理后经表层土壤反渗回地下水中。 常用的地下水原位生物修复是通过注射井向含水层内通入氧气及营养物质，依靠微生物分解污染物质。 目前多主张直接利用地下环境中的土著微生物，它们在接触污染物过程中已经历一段自然驯化期，因此是地下水生物修复的首选菌种。第十章 环保型微生物制剂的开发应用第一节 环保型微生物制剂及其品种 环保型微生物制剂是指将具有特定功能的有益微生物大量生产繁殖后制成含活菌体或菌体内特定物质的产品，起到治理环境污染、改善环境质量给保护环境的作用。一 微生物降解剂 将从不

11、同环境中筛选出的具有高效降解与转化作用菌株（群）扩大生产、制成产品（降解剂），应用于环境污染物无害化处理。研究的降解对象有苯和酚、硝基化合物、农药等多种有机物。二 微生物农药（一）微生物农药的定义和特点1定义：指利用微生物及其基因产生或表达的各种生物活性成分，用于防治植物病虫害、昆虫、杂草、鼠害以及调节植物生长的各种制剂的总称。生物农药有细菌、真菌、病毒、原生动物等。安全无毒、不污染环境、能保持生态平衡，能满足无公害食品的需求。2特点(1)对人畜安全无害，有利于保持生态平衡。(2)多数高效低毒，对植物不产生药害，也不影响蔬菜、水果等的色、香、味等品质，可在特定环境下应用。(3)农药是由多种有效

12、组分构成的，害虫和病原菌难以产生抗药性。（4）生产工艺和设备比较简单，较之化学农药优势。（二）种类 可分为活体微生物农药和农用抗生素两大类；按照用途和防治对象的不同，可分为杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长调节剂、微生态制剂等。 目前细菌制剂以苏云金芽孢杆菌为主；真菌制剂以白僵菌、绿僵菌为主；病毒制剂以核型多角体病毒核颗粒体病毒为主；原生动物制剂以蝗虫微孢子中为主；防病抗生素以井冈霉菌为主；杀虫抗生素以阿维菌素为主。 三）微生物农药品种简介1细菌杀虫剂 苏云金芽孢杆菌是细菌杀虫剂的典型代表。当敏感昆虫吞食该菌制剂后，在害虫肠道碱性条件下，特定的蛋白酶将伴胞晶体降解成活性毒素片断，导致细胞膨胀瓦解

13、。2病毒杀虫剂 昆虫病毒有三类：核型多角体病毒、颗粒体病毒、质型多角体病毒。 病毒包含体被敏感昆虫吞食后在宿主消化道的碱液中崩溃，释放出的病毒颗粒进入宿主的肠上皮细胞进行复制，继而形成芽生型病毒，进入淋巴；或在受感染的组织中生成大量的包含体病毒。宿主死亡分解后，包含体可以较长时间保护病毒使之不失去感染力，当被幼虫吞食后，疾病在昆虫群体内传播。3真菌杀虫剂白僵菌属于半知菌亚门丝孢目白僵菌属，是广谱性寄生真菌。白僵菌侵染虫体后，破坏寄主的组织，使代谢机能紊乱，最后虫体上生出白色的棉絮状菌丝和分生孢子梗及孢子堆，使它变成白色僵尸，故得名。4杀虫抗生素阿维菌素是一种高效、广谱，具有杀虫、杀螨及杀线虫活

14、性得大环内酯类抗生素。5原生动物杀虫剂蝗虫微孢子虫主要经口在蝗虫种群中传播。蝗虫摄取了被微孢子虫污染了得食物后，孢子卵在蝗虫硝化道萌发，在寄主细胞内繁殖。6防病抗生素井冈霉素产生菌是1972年从土壤中分离筛选得吸水链霉菌井冈变种。目前为止它是用量最大的农用抗生素。井冈霉素的特点：效果高，持续期长；未发生抗药性；发酵效价高，应用成本低，生产工艺简单三 微生物肥料（一）微生物肥料的定义1微生物肥料利用有益微生物为植物提供有效养料和促进生长的微生物制剂成为微生物肥料或生物肥料或细菌肥料。它至少具备三个条件：(1)必需含有一定数量的一种或多种活的微生物(2)必需具有特定的提高某种或某几种植物营养元素供

15、应水平的功能(3)不得含有动植物病原体或有毒有害化学物质2微生物肥料与化学肥料的关系 微生物肥料与一般化学肥料有区别。不会破坏土壤结构与功能。微生物肥料是作为接种剂施入土壤。当环境条件适宜时，它会 发挥其特有功能，不断增加植物营养或调节植物生长。该菌即使长期存在于土壤中，亦作为土壤有益微生物群体的一分子，不致构成对环境的污染与危害。 化学肥料是向植物直接提供各种元素营养，如氮、磷、钾及各种微量元素，而生物肥料中能够直接参与为作物制造营养的只有具有固氮作用的品种如根瘤菌肥料。（二）微生物肥料的种类 （1）通过其中所含微生物的生命活动增加了植物元素营养的供应量，导致植物营养状况改善，进而产量增加，

16、这一类生物肥料的代表品种是根瘤菌肥料。 （2）广义的生物肥料。通过生长刺激素对植物的刺激作用，促进植物对营养元素的吸收，或是拮抗某些病原微生物的致病作用，减轻作物病虫害而导致产量增加，植物根圈促生菌属于此类。 可分为：细菌、放线菌、真菌类肥料等。 按其机理可分为:：根瘤菌肥料、固氮菌肥料、磷细菌肥料等 按其制品分为：单一生物肥料和复合生物肥料。(三)主要的微生物肥料1根瘤菌肥料 根瘤菌也称根瘤菌剂，是微生物肥料中开发最早，根瘤有圆形、枣状等不同外部形状。 现已鉴定的根瘤菌有5个属：根瘤菌属、中慢生根瘤菌属、固氮根瘤菌属、中华根瘤菌属、慢生根瘤菌属等。 根瘤菌剂必需经过严格的筛选，结瘤能强、固氮

17、效率高，不能是人畜的条件致病菌。田间使用基本有两种方法，即种子拌菌和土壤混菌。种子拌菌法适用于未栽种过的改种豆科植物的土壤，而在有大量相同土著根瘤菌的土壤中，接种菌形成的根瘤少。土壤混菌法可提高接种菌的根瘤形成率，但大面积使用不方便。2植物根圈促生菌剂 植物根圈促生菌，简称PGPR，大多数菌群PGPR产生铁载体，将铁螯合起来，限制了有害微生物的生长；部分PGPR类群能产生一种或多种抗生素，抑制或杀死多种病原体。3.菌根菌 菌根真菌，尤其是外生菌根菌，与植物共生，形成菌根。菌根真菌的菌丝在宿主根表生长繁殖，交织成致密的网套状菌套，发挥类似根毛的作用，能增加水分的吸收，提高作物的抗旱能力；同时减少

18、农产品中硝酸盐的积累，提高蛋白质、糖类等的含量。典型的例子是彩色豆马勃，它在林木育苗中已显示了很好的作用。四 生物表面活性剂（一）生物表面活性剂的定义与特点 微生物在一定条件下，会分泌出具有一定表面活性的代谢产物，被称作生物表面活性剂，如糖肽、糖脂等。 生物表面活性剂能显著降低表面张力，特别是降低油水间的界面张力。具有良好的稳定性，受温度和酸碱度的影响小。（二）生物表面活性剂的种类及生产1生物表面活性剂的种类 按用途可分为生物表面活性剂和生物乳化剂。按结构分为糖脂、中性脂、含氨基酸类脂等。2生物表面活性剂的生产 （1） 按培养基的碳源可分为：一类是严格的以烷烃作为碳源的微生物，如棒状杆菌；一类

19、是以水溶性底物为碳源的微生物，如芽孢杆菌；另一类是以烷烃核和水溶性底物两者作为碳源的微生物如假单胞菌。（2）生物表面活性剂合成的代谢调节：发酵法生产生物表面活性剂是由细胞中的多种酶系合成，途径包括烃和糖两条基本代谢途径，两者分别参与了表面活性剂疏水及亲水部分的生物合成。（3）提高生物表面活性剂产率的方法： 控制生物合成过程，调控培养基（分别加入不同的碳源）和培养条件。烷烃可以诱导生物表面活性剂的合成，但有的要加入蔗糖，形成甘油酯亲水支链的组成部分。 通过诱变筛选或基因工程技术，构建菌株。（三）生物表面活性剂的应用 起始于采油和相关行业，后来发展到食品、医药、环境工程等行业中。还应用于污染控制，

20、它对环境不产生毒性，可以在污染现场进行原位修复。五、生物塑料 可降解塑料，包括光降解塑料、淀粉基生物可降解塑料、微生物发酵合成生物降解塑料、天然高分子合成生物降解塑料等类型。在众多材料中，以微生物发酵法生产的聚羟基烷酸（PHAs）为原料制造的新型塑料。（一）PHAs的结构及理化性质 PHAs由于具有低溶解性和高相对分子质量，在胞内积累不会引起渗透压的增加。因此PHAs比糖原或脂肪等更加普遍存在于微生物细胞中. 迄今发现的所有 PHAs几乎都是线状的羟基烷酸的聚酯多聚物颗粒。相对分子量可高达2106。单体的数量和组成影响多聚体的韧度、熔点等物理化学性质。PHB是高度结晶的晶体，其在物理性质甚至分

21、子结构上与聚丙稀(PP)很相似，而相对密度大、透氧率低和抗紫外线照射以及具有光学活性、阴湿性和压电性等则是PHB的优点。 (二) PHAs的生物合成 1合成PHAs的微生物 产生PHAs的微生物涉及65个属中的近300种微生物。用苏丹黑或尼罗蓝染色能方便鉴别出微生物积累的PHAs。研究较多的用于PHAs合成的微生物有：产碱杆菌属、固氮菌属、假单胞菌属真菌产碱杆菌等，它们利用不同的碳源产生不同的PHAs。2PHAs的合成及调控 当碳源过量，而氮、磷、镁或氧等其他营养条件不足时，多种微生物能在胞内积累大量的PHAs。PHAs主要作为碳源和能源的储存物，或是作为胞内还原性物质及还原能力的一种储备，当营养条件改善后，被酶解利用。 由于PHAs只在细胞内积累，要实现其大量生产，必需做到：尽可能提高细胞密度；保证高的细胞内积累量；缩短发酵周期以提高生产强度。目前在PHAs发酵中应用最多的是流加培养方法。（三）PHB在环境中的降解1PHB的降解速度及影响因素在自然界中，能降解PHB的微生物范围很广，包括细菌、放线菌、霉菌等。影响降解速度的因素较多，包括环境类型、微生物种群及活力、水分、温度等。2PHB的降解机制PHB表面的OH和COOH基团数量增加。细菌解聚反应，酶将高聚物降解成单体。假单胞菌的降解酶可将PH