第10章 微生物修复-1

第10章微生物修复-1微生物修复

第一节微生物系统简介第二节有机污染的微生物修复第三节无机污染的微生物修复第一节微生物系统简介1、微生物包括细菌、真菌和原生动物等特点：在土壤中数量高，繁殖快。土壤微生物的数量很大，l克土壤中就有几亿到几百亿个。l亩地耕层土壤中，微生物的重量有几百斤到上千斤。土壤越肥沃，微生物越多。知识介绍细菌是微生物世界中数量和种类最多的族群，他们是属于原核生物，包括了螺菌(spirillum)、弧菌(vibrio)、螺旋体(spirocote)、放线菌(actiunomyces)、杆菌(bacillus)、球菌(coccus)、霉浆菌(mycoplasma)、立克次体(rickettsia)、衣原体(chlamydia)。

放线菌实际上是细菌家族中的一员，是一类具有丝状分枝细胞的革兰氏阳性细菌，因菌落呈放射状而名，放线菌最喜欢生活在有机质丰富的微碱性土壤中，泥土所特有的"泥腥味"就是由放线菌产生的。

真菌是真核生物，可能有一个细胞核或多个细胞核。谈到真菌，我们会想到的大概是市场买的美味的菇类或是面包上的霉菌。其实真菌与植物颇为相像，只不过真菌不能进行光合作用。长菌丝的单细胞原始真菌视为酵母菌。这些真菌和生物界的元素循环亦扮演着重要的角色，特别是纤维素或木质素的分解，在医学上，第一种抗生素－盘尼西林－是由真菌产生，但有一些真菌却会产生毒素使人致死；也有的真菌感染虽然不会致死，但却会使人非常不舒服，如香港脚。除了与人的健康有关外，真菌也与我们日常的食物生产有关，如酱油和味精。

原生虫是单细胞的真核生物。在食物链中，原生虫扮演的是一级消费者，并支持着食物链上层的生物，它们可以靠鞭毛，纤毛或伪足来移动。在废水处理厂中，原生虫扮演了减少细菌数量的重要角色。它们也帮助反刍动物分解胃内食物。但有些原生虫如Giardialamblia造成下痢，使人病痛不欲生。

藻类有细胞壁，因为它们有叶绿素，所以它们被误认为是类似植物的生物。在食物链中，它们是第一级的生产者。另一方面，它们也是造成水的腥味或富营养化的原因。有一些藻类如涡鞭藻会产生剧毒，造成人类中毒。其中蓝绿藻是属于原核生物，但绿藻则是真核生物。固氮魚腥藻

病毒是目前发现最小的微生物，他们只能在活的生物体中存活，而且不管动物或植物都难逃病毒的攻击。一般的感冒、泡疹和肝炎都是病毒所造成的疾病。在过去二十年，最严重的病－AIDS是由称为"HIV"的病毒所造成的。尽管它们对生物有很大的害处，由于它们可以将遗传物质插入宿主，病毒现在广为用来进行遗传工程的实验，随着科技的不断发展，微生物在生物学的研究上渐渐成为一个主要的学科。

一般土壤中细菌为107～108个/g土放线菌106～107个/g土，真菌105～106个/g土，藻类104～105个/g土。作用：分解有机质、合成腐殖质，在土壤总的代谢活性中起重要的作用。土壤中生物的数量：微生物数量最多，生物量最大>>动物动物中，蚯蚓、原生动物>线虫、马陆、蜈蚣、昆虫生物类群干物质(kg/hm2)每hm2数量(个)生物类群干物质(kg/hm2)每hm2数量(个)细菌26002×1018蚯蚓1007×103真菌20008×1016蝉螨24×105放线菌2206×1017蜈蚣201×103藻类103×1014蚁类55×106原生动物1007×1016昆虫355×107线虫202.5×1010鼠类104×1051）碳源洋葱假单胞菌可以利用90多种有机物2）能源:对于大多数微生物来说，碳源就是能源3）氮源N2、氨源、铵源，硝酸盐、有机含氮物4）生长因子：AA，嘌呤，嘧啶，维生素5）无机盐：C/N，C/P；N，P常是限制因子。6）水2微生物的营养要求3微生物的营养类型化能有机营养型:是土壤中数量最多的微生物。包括全部真菌和绝大部分细菌化能无机营养型：数量不多。在物质转化中起重要作用。亚硝酸和硝酸细菌，硫氧化细菌，铁细菌（铁细菌在生活过程中，摄取铁质和硅酸等无机物。在沼泽和湖泊中，铁元素通常以可溶性的氢氧化亚铁的形式存在，被铁细菌慑入后，在菌体内经过酶的催化作用，把它氧化成不溶性的三氧化二铁。），氢细菌

《科技日报》2002年6月17日发酵产氢：废水处理的新方法利用某些工业废水作为原料，既能提供丰富的氢能源（比现有方法的氢气排放增加47％），又可以大大节省工业废水处理费用的氢气排放发酵新工艺，由美国宾夕法尼亚州立大学环境工程教授罗根等人开发成功。在宾州大学的试验中，发酵法所使用的细菌来自普通花园土壤。研究人员对收集的土壤进行加热处理，杀死耗氢细菌和非产氢细菌，只留下产氢细菌。在适当的条件下，这些产氢细菌会很快地成活。将热处理过的土壤同工业葡萄糖、蔗糖、纤维素、乳酸盐及糖浆等混合，在微酸性、缺氧条件下发酵，便可产生高浓度的氢气。通常，由糖果制造厂、罐头食品厂、糖厂及其他工厂排出的废水，富含葡萄糖及蔗糖。通过产出氢气，将这些糖中的化学能转变成燃料电池中的电能，既可以实现废水处理，又可以获得再生能源，一箭双雕。除此之外，这种发酵新工艺还可减少废水处理中充气器的使用，极大地降低了废水处理的成本。用这种方法获得的氢不仅可为汽车提供动力源，而且可成为各种燃料电池的能源，如家用电站、台式计算机和手提电话等所使用的微型燃料电池的能源。（张孟军）

太空食物自从人类建立太空站以后，科学家便一直在寻找一种吃不完的再生食物源，特别是美国国家航空和宇航局，为了解决长途宇宙航行，以及在远离地球环境（如在月球上）维持人类生活所必须的食物问题，开展了对永恒食物——太空食物的研究，以获得一种生物物质循环的永久性吃不完的食品。经过几十年的艰辛研究，终于研制出这种神奇的食品“复制”装置。这种太空食品是利用一种叫做“氢细菌”的微生物来制造的。氢细菌是一种以氢气为惟一能源、以二氢化碳为惟一碳源而生长的细菌，即仅仅依靠气体作自己的养分来制造人类食物的微生物。从而开辟了人类在太空旅行中食物来源的新蹊径。这样，在宇宙中遨游时，人们不需携带任何食品，只要靠这种生物物质循环的密闭装置就能生存。这种生物物质循环装置，能将人体排泄出来的水，经过太阳能电池的电解，变成氢和氧。所生成的氧一部分供人呼吸用，另一部分同氢和人体呼出的二氧化碳以及排出的尿素一起通入氢细菌培养槽中。氢细菌在培养槽中大量繁殖，最后得到与肉类相似的氢细菌菌体，经过处理后就成了人类的食物，这就是吃不完的宇宙飞船食品。这种食品含的蛋白质高达70%至80%，各种氨基酸组成很全面，超过大豆和动物性蛋白。其中赖氨酸含量很高，蛋氨酸、亮氨酸、异亮氨酸含量也很丰富，消化率为98.9%。宇航员吃进这种食物，消化吸收后的排泄物，经处理后又回到氢细菌的培养槽中，使氢细菌重新生长繁殖，不断提供食物。如此循环不止，食品就永远也吃不完。这样，人在宇宙旅行中，既解决了食物问题，又解决了缺氧问题，一举多得。科学家按菌浓度3.5克／升进行连续培养时，其生产效率为每升培养液每小时可得1.4克干菌体。所以，在宇宙飞行站中，每人配备20升的氢细菌培养装置，就能得到维持生活所必需的食物。(2002.9)

光能有机营养型：以光能为原料，还原CO2需要有机化合物作为供氢体。如，深红红螺菌光能无机营养型：以光能为原料，还原CO2需要无机化合物作为供氢体。藻类和大多数光合细菌4影响微生物生长的条件1）温度低温菌（5-20ºC），中温菌（20-40ºC），高温菌（40-60ºC）2）pH嗜碱微生物：多为细菌，如尿素分解菌嗜酸微生物：硫杆菌真菌喜好酸性环境，pH=5细菌喜好碱性环境，pH=83）氧气专性好氧，微好氧，耐氧，兼性厌氧，厌氧5微生物的呼吸类型好气性(aerobic)微生物：这类微生物在有氧环境中生长，以氧分子为呼吸基质氧化时的最终电子受体。由于来自空气中的氧能不断供应，所以能使基质彻底氧化，释放出全部能量。土壤中大多数细菌，如芽孢杆菌、假单胞菌、根瘤菌、硝酸化细菌和硫化细菌等都属于这一类。另外土壤放线菌、藻类等也属于好气性微生物。厌气性(anaerobic)微生物：这类微生物在嫌气条件下进行无氧呼吸，以无机氧化物（NO3-、SO42-、CO2）作为最终电子受体，通过脱氧酶将氢传递给其它的有机或无机化合物，并使之还原。土壤中的嫌气固氮菌就属于这一类。另外，产甲烷细菌和脱硫弧菌等也属于嫌气性微生物。

兼厌气性(‘facultative)微生物：典型的有酵母菌，大肠杆菌，反硝化细菌这是一类在有氧和无氧环境中均能进行呼吸的土壤微生物。在有氧环境中，它们与其它好气性细菌一样进行有氧呼吸。而在缺氧环境中，它们能将呼吸基质彻底氧化，以硝酸或碳酸中的氧作为受氢体，使硝酸还原为亚硝酸或分子氮，使硫酸还原为硫或硫化氢6微生物生态生态学是研究生物与环境、生物与生物之间的相互关系的科学。生态学研究的层次包括个体（individual）,种群（population）,群落（community）和生态系统（ecosystem）。微生物生态学研究的层次主要是种群和群落。

微生物种群之间的相互作用1）中性共栖(neutralism)2）偏利共栖（commensalism）3)协同共栖（synergism）4)共生（nutualism）5)竞争（competition）6)偏害共栖（amensalism）7)捕食（Predation）8）寄生（parasitism）表微生物种群之间的相互作用类型作用名称种群A种群B作用名称种群A种群B中性共栖00偏利共栖0+协同共栖++共生++竞争--偏害共栖0/+-捕食+-寄生+-第二节有机污染的微生物修复本节讨论微生物对环境有机污染物形态和毒性的影响，包括降解作用，共代谢作用、去毒作用，和激活作用1微生物的降解作用基质代谢的生理过程包括：==向基质接近：生物要降解，首先要与之接近==对固体基质吸附：吸附作用必不可少.==分泌胞外酶：将大分子降解为小分子的必要手段==基质的跨膜运输：被动运输（passivetransport）:主动运输（activetransport）:

被动运输（passivetransport）:顺浓度，无载体，无选择性，不需能量主动运输（activetransport）：逆浓度，有载体，有选择性，需能量2共代谢所谓共代谢(Co-metabolism)是指有些难以降解的化合物不能被完全矿化利用,降解菌在降解这些化合物时，必须从其它底物获得大部分碳源和能源。或者，指微生物群落在利用另一化学物质作为碳源或能源的同时，使环境中存在的其它污染物也得以参与代谢转化的过程。共代谢是许多污染物降解的主要机制。[e’pksaid]共代谢的原因1）缺少进一步降解的酶系微生物的第一个酶或酶系可以将基质转化为产物，但该产物不能被这个微生物的其他酶系进一步转化，故代谢中间产物不能供生物合成和能量代谢用。这是共代谢的主要原因。2）中间产物的抑制作用基质最初转化的产物抑制了在以后起矿化作用的酶系的活性或抑制了该微生物的生长。3）需要另外的基质有些微生物需要第二种基质进行特定的反应。如提供当前细胞反应中不能供应充分的物质，如电子供体。共代谢的环境意义共代谢造成不良的环境影响，这是因为：1）共代谢中微生物数量不增加，导致转化率低。2）共代谢是有机产物积累，特别是有毒产物积累3）增加了污染物微生物修复的不可预测性。考察了五种共代谢基质对2,4-DCP(2,4-二氯代酚)降解的影响，发现苯酚和4-MCP(2-氯代酚)能明显促进共代谢降解过程，葡萄糖和酵母膏的促进作用不明显，2-MCP没有促进作用。共代谢的应用研究3微生物的去毒作用去毒作用（detoxification）:指污染物分子结构发生改变，从而降低或去除其对于敏感物种的有害性。去毒作用导致钝化作用，即将在毒理学上具有活性的物质转化为无活性的产物。包括下述反应类型：常见去毒反应1）水解作用(hy’drolysis)通常是酯键或酰胺键的水解使毒物脱毒。2）羟基化作用（hydroxy’lation）在苯环或脂肪链上引入羟基

3）脱卤作用（dehalogenation）许多有毒化合物都含有卤素4）甲基化（’methylation）对有毒的酚类加入甲基可使酚类钝化。5）硝基还原（nitroreduction）硝基对生物通常都是有毒的。

6）扼和作用（conju’gation）生物体内的中间代谢产物和异生素可以进行合成反应，称为conjugation。结合后形成的产物一般没有毒性。一般一种微生物可以以一种或多种方式使毒物脱毒。4微生物的激活作用与去毒作用相反，激活作用(activation)指将无害的物质转化为有毒产物的过程。在某种意义上讲，微生物也可以产生新的污染物。因此，我们应该了解生物修复未必就是消除了有害物质的危险性。激活作用可以发生在微生物活跃的任何环境。激活作用及其特点无毒化合物活化致癌物致畸物致突变物急性毒物毒植物素抗菌素缓慢矿化迅速矿化持久性ActiviationanditscharacterizationnontoxiccompoundsactivatingCar’cinogens‘teratogens‘mutagensAcutetoxinsPhyto’toxinsantibacteriaSlowminer.Rapidminer.persistent激活反应1）脱卤反应如三氯乙烯（TCE）脱氯形成氯乙烯，氯乙烯是强致癌物。Cl2CCHCl-------ClHCCH2TCE的用途十分广泛。在甲烷营养的培养物中不进行脱卤，而形成三氯乙醛，后者是致癌物又有急性毒性。如果和乙醇一起摄入会立即失去知觉。

2）亚硝胺的形成NNO上式是亚硝胺化合物的基本结构，它是很强的致癌、致畸和致突变物。RR’

3）环氧化作用微生物可以使一些带双键的化合物新春环氧化物。如艾氏剂变为环氧化物狄氏剂。HCCH------HCCHO

4)硫代磷酸酯转化为磷酸酯5）苯氧羧酸的代谢6）硫醚的氧化7）酯的水解8）甲基化9）去甲基化激活作用的类型1）典型激活产物比前体更具毒性；迁移性更强；更持久。如艾氏剂使用后转变为狄氏剂。更毒，更持久。二甲胺转化为N-亚硝基二甲胺，毒性更强，更易移动进入地下水，更持久。Dieldrin二甲胺

Dimethylamine分子式:(CH3)2NHN-亚硝基二甲胺,

二甲基亚硝胺C2H6N2O

2）缓解B（有毒）A(无毒)--------C（无毒）激活缓解

3）生物毒性谱的变化对一类生物有毒的化合物，在分子结构改变以后会对完全不同的另一类生物有害，这即是毒性谱（toxicityspectrum）的变化。化学结构变化引起毒性谱的变化举例毒性谱变化化学反应举例抗真菌剂-致癌物前体福美双—二甲胺杀虫剂—鱼类毒素DDT—1,1-二氯-双(4-氯苯基)乙烷杀虫剂—杀螨剂DDT—1,1-二氯-双(4-氯苯基)乙烷除草剂—基因毒性产物敌稗—3,3‘,4,4’-四氯偶氮苯第3节无机污染的微生物修复

微生物修复-2一、无机污染物的修复方法物理方法:化学方法:生物方法：生物通过改变无机污染物的形态降低它们的毒性；生物还可以对污染物进行固定，移动或转化，改变它们在环境中的迁移特性和形态。包括：生物积累，生物吸着，氧化，还原，甲基化，去甲基化，金属-有机络合，配位体衰减（liganddegradation）。二、无机污染物的生物积累和生物吸着生物积累（bioaccumulation）：是生物的主动吸收过程，需要使用代谢能来同化。生物吸着（biosorption）：不需要代谢能。通常是无机污染物与细胞外表面的配位体或官能团发生络合。微生物还可以通过细胞内部的各种细胞质配位体（如多聚磷酸盐，蛋白质）的络合作用而多价螯合金属。1生物积累和生物吸着的方式微生物结合无机污染物表现出有选择性，甚至更甚于合成的化学吸着剂。微生物对金属的吸着和积累的选择性取决于不同配位体结合部位对金属的选择性。如，细胞质中Cd能与多聚磷酸盐或含硫蛋白质络合，也能在细胞外形成磷酸镉和硫化镉沉淀。因为Cd偏好P和S配位体。

1）金属磷酸盐、金属硫化物沉淀。金属可以在细胞表面形成金属磷酸盐和金属硫化物沉淀。柠檬酸杆菌属（Citrobacter）可促进磷酸镉沉淀，也可以主动沉淀铀为磷酸双氧铀。

2）细胞胞外多聚体细胞胞外有夹膜或粘膜层可产生多种胞外多聚体，主要是多糖、蛋白质和核酸。但以杂合体如糖蛋白，脂多糖等存在。胞外多聚体能够吸着自然条件下或废水处理设施中的重金属和放射性核素。胞外多聚体的产生可以通过控制培养条件，如碳源、氮源，即其他营养条件而实现。

3）金属硫蛋白，植物螯合肽，和其他金属结合蛋白①金属硫蛋白（Metallothionein,MT）②植物螯合肽（phytochelatin）

4)铁载体（嗜铁素）铁载体又称嗜铁素、铁螯合剂，是一种低分子量的Fe3+的配位化合物。它是由许多依赖铁的微生物（尤其是细菌和真菌）在铁受限制的条件下分泌出来的，能从环境中积累铁供植物生长。铁载体主要有两类：酚盐-儿茶酚盐型异羟肟酸盐型

5）真菌来源物质对金属的去除许多真菌的细胞含有几丁质(chitin)，这种N-乙酰葡萄糖氨多聚体是一种有效的金属和放射性核素的吸附剂。可以用于废水的处理

6）衍生、诱导或分泌的微生物产物与金属去除所有的生物物资都对重金属和放射性核素有高度的亲和性。金属与这些成分结合的相对效率很大程度上取决于金属种类、形态、和存在的金属结合配位体的化学性质和反应活性。实际应用在工业上采用多种方式生物积累无机物。可以采用活细胞，也可以采用固定化的细胞。1）活细胞去除废水中的金属可以是单一的或者是混合的微生物系统，也可以是高等植物。如，加入生活污水培养藻类和蓝细菌让其产生藻华，降低矿山废水中的重金属，Fe,Hg,Cd,Zn,Cu.美国HomestakeBuick铅矿，使用迷宫式的渠道，去除金属到达99%以上。

2）固定细胞生物转盘处理氰化物、硫氰化物和氨水。生物膜去除重金属注意生物量要定期回收生物转盘由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置组成。盘片采用插片式连接，以中心管为转轴，转轴的两端安设在半圆形接触反应槽的支座上。按照有无氧参与，生物转盘分为好氧生物转盘和厌氧生物转盘。好氧生物转盘的转盘面积约40%浸没在槽内的污水中，转轴高出水面10-25cm；厌氧生物转盘的盘片大部分或全部浸没于水中，接触反应槽密封，以利于厌氧反应的进行和收集沼气。2生物氧化还原微生物通过直接或间接的氧化作用和还原作用，可改变无机污染物的价态。金属价态的改变会影响到金属的溶解性、移动性以及毒性。Cr3+毒性低(产生沉淀)，Cr6+毒性高，易移动As3+易移动，As5+易产生沉淀1）直接还原-酶的作用Fe3

+---Fe2+；Mn4+--Mn2+;通常伴随有机质的氧化U6+--U4+(沉淀)Cr6+---Cr