HX03 微生物在水化学中的催化作用-补充

第一节水中微生物的种类1.细菌基本形状有：球状、杆状和螺旋状。存在形式：以单个形式存在、也可繁殖2-百万。大小：0.3-50μm，大多数0.5-3.0μm,045μm滤膜可以除掉。2.真菌一种非光合生物体。大多数具有丝状结构。属需氧生物体，可以在酸性较强的介质中繁殖生长，忍耐重金属离子的能力比细菌强。第3章微生物在水化学中的作用最重要的功能：分解木质纤维素和其他植物的纤维性材料（分解纤维素酶催化剂）真菌在水中不能很好地生长繁殖，但对于天然水和废水的组成仍有很大的影响，因被分解的很多产物进入水体后能与氢离子和金属发生相互作用。3.藻类第二节细菌的类型与繁殖一、细菌的类型分两类：自养细菌、异养细菌自养细菌：能在完全无机介质中繁殖生长，不依赖有机物质，能把二氧化碳或其它碳酸盐作为碳源利用。如：盖氏铁杆菌4FeS(固)＋O2+10H2O→4Fe(OH)3(固)+SO42-+8H+

自养细菌既要消耗多种矿物质，也能产生很多矿物质。第二节细菌的类型与繁殖一、细菌的类型异养细菌：必须依赖有机物为生，无论是能源还是制造生物量所需的碳源，两者都离不开有机物质。水中有机污染物的分解以及生物法处理废水过程中有机物的降解都与异养细菌的作用有关。按其需氧的程度分类：需氧细菌：以分子氧作电子的受体O2+4H++4e→4H2O第二节细菌的类型与繁殖按其需氧的程度分类：厌氧细菌：只能在完全没有氧的情况下生存。兼性细菌：兼备需氧和厌氧两类细菌特性的细菌。在水中，被兼性细菌利用的氧的代替物为：NO3-、SO42-。二、细菌的繁殖1.停滞期很少发现有细菌增殖的迹象，原因是细菌需要有一个适应环境的时间。2.对数生长期在这段区域内，细菌快速繁殖生长，其个数成倍增长。细菌的增殖率与细菌存活个数成正比（不包括死亡和食物匮乏等对生长的影响）在对数生长期内，细菌迅速繁殖，将大大加速反应进行。第二节细菌的类型与繁殖二、细菌的繁殖1.停滞期很少发现有细菌增殖的迹象，原因是细菌需要有一个适应环境的时间。2.对数生长期在这段区域内，细菌快速繁殖生长，其个数成倍增长。3.稳定期如果营养物质耗尽、供养不足和遇有毒物质等，对数生长期结束，进入稳定期。4.死亡期稳定期过后，细菌开始死亡，当死亡率超过增殖率时，将进入死亡期。温度对细菌生长的影响：第三节碳的微生物转化一、碳的微生物催化转化与能源如：藻类CO2+H2O

(hγ）→[CH2O]+O2①1/4O2+1/4[CH2O]→1/4CO2+1/4H2O②在①中将太阳能贮存于有机物中；在②中消耗氧气，释放能量。在还原的条件下，尤其是在深水下的沉积物中，细菌的作用有助于降低原始植物材料中氧的含量，使残存物质中的碳相对含量得以提高。例如：泥煤、褐煤、煤炭、油页岩、石油的形成。第三节碳的微生物转化二、细菌作用产生甲烷在少氧的情况下：1/4[CH2O]→1/8CH4+1/8CO2产甲烷的细菌有：甲烷杆菌属、甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷螺旋菌。例如：沼气。第三节碳的微生物转化三、细菌对碳氢化合物的利用有氧存在时，甲烷可被一些细菌氧化，如甲烷单毛杆菌，它专门以甲烷为能源，甲醇、甲醛和甲酸是几个中间产物。某些细菌能降解比较高级的碳氢化合物，并把其用作碳源和能源。细菌有：细球菌、假单胞菌、分支杆菌、卡诺氏菌。例如：烷烃的微生物氧化。①把末端的-CH3基团转变成为-COOH②β-氧化CH3(CH2)4COOH+3O2→CH3(CH2)2COOH+2CO2+2H2O支链烃相对直链烃要困难些，因为支链烃结构对β位置碳的氧化有阻碍作用。芳烃的化学性质稳定，但也可被微生物氧化。第四节氮的微生物转化1.固氮大气中的分子氮经过微生物的作用以化合物的形式予以固定。3[CH2O]+N2+3H2O+4H+→2CO2+4NH4+固氮过程很复杂，确切机理不清楚。在水环境中，据有固定大气中氮能力的水生微生物不多。光合细菌、固氮菌属和固氮梭状杆菌。在藻类生物中，蓝绿藻具有固定大气氮的能力。在大多数的天然淡水体系中，其含氮量主要来自有机物的腐解，氮肥的径流以及其它外部氮源。环境中固氮的主要来源来源占总固氮的百分数（%）农田中发生的自然过程38森林和荒原上发生的自然过程25合成固氮24燃烧9雷电4第四节氮的微生物转化2.硝化作用是指N(-Ⅲ）氧化转化成N(+Ⅴ）的过程。1/4O2+1/8NH4+→1/8NO3-+1/8H2O+1/4H+该反应的lgK=7.59，很容易进行。①在自然界，硝化作用的意义很大。能够被植物吸收的氮类营养物质主要形式是NO3-

，施用肥料时，氨无法直接被植物吸收。②在活性污泥废水处理中，如果能充分曝气，有可能发生把氨转化为硝酸根的硝化作用。当污泥从澄清池中沉降时，污泥中的细菌把硝酸根作氧源产生N2。③在自然界中，有两种细菌对消化反应有催化作用：亚硝化单胞菌和硝化杆菌。第四节氮的微生物转化亚硝化单胞菌把氮转化成亚硝酸根：3/2O2+NH3

→NO2-+H2O+H+硝化杆菌亚硝酸根转化成硝酸根：

NO2-+1/2O2→NO3-

3.硝酸根还原在没有游离的氧存在时，硝酸盐可以作为替代的电子接受体被某些细菌利用。硝酸盐中氮的最完全的还原反应是还原为NH3。氮是蛋白质的基本组成，任何生物利用硝酸盐中的氮合成蛋白质时，必须将硝酸盐还原成氨型氮。1/2NO3-+1/4[CH2O]→1/2NO2-+1/4H2O+1/4CO2第四节氮的微生物转化水体中NO3-

的浓度较低，在用硝酸根离子作电子受体时将受到一定的限制。NO2-

有一定的毒性，当积累到一定程度时，很多细菌的繁殖将受到抑制。4、脱氮作用脱氮是硝酸跟还原的一种特殊情况。在pH=7时：1/5NO3-+1/4[CH2O]→1/10N2+7/20H2O+1/4CO2脱氮使自然界氮循环中的一个重要过程，它的作用在于把固氮重新送回大气。脱氮作用可以使得细菌在缺氧条件下充分生长。第四节氮的微生物转化五、有机物的竞争性氧化水中的有机物依次被溶解氧、硝酸根离子和硫酸跟离子氧化。这种竞争性氧化作用对于底质沉积物、湖底静水中硝酸根离子含量的变化具有微妙的影响。反应：[(CH2O)106(NH2)16P]+O2→CO2+NO3-+H2O+H2PO4-+H+

[(CH2O)106(NH2)16P]+NO3-→CO2+N2+H2O+H2PO4-[(CH2O)106(NH2)16P]+SO42-→CO2+NH4++H2S+H2PO4-+H+有机物在水中的氧化是一个竞争性的过程。水中的溶解氧存在，有机物中就有可能被氧化而形成硝酸根离子。一旦氧气完全消耗以后，硝酸根离子取而代之，充当氧化剂的作用，其浓度可以从最大减小到零。当硝酸根离子被全部用完之后，含量较多的硫酸根离子起电子受体的作用。第五节硫的微生物转化硫的存在形式：SO2、SO42-、H2S一、微生物对H2S的氧化和对SO42-的还原一般，有机物是水中的H2S的主要来源，但H2S的形成并不一定需要以有机硫化物作硫源。例如：2[CH2O]＋SO42-+2H+→H2S＋2CO2+3H2O如把有机物氧化成CO2

，除了脱硫弧菌的作用外，实际上还需要其它细菌予以协同。第五节硫的微生物转化脱硫弧菌：脱硫弧菌氧化有机物的最终产物一般为醋酸，醋酸的积聚是脱硫弧菌的存在特征。这类细菌在水底区域的活性最为明显。在硫离子存在的水体中，其底质常常是黑色的，这是因为其中含有FeS。在硫酸钙沉积物中，细菌对SO42-的催化氧化作用可生成元素硫，它广泛分散于石灰石的孔隙中。2CaSO4+3[CH2O]→2CaCO3+2S+CO2+3H2O除了元素S以外，还有H2S，挥发至大气中。第五节硫的微生物转化二、微生物对有机硫化物的降解水中的有机硫化物：巯基：-SH双硫基：-S-S-硫基：-S-亚砜基：磺酸基：-SO2OH硫酮基：在天然水中，也有含硫官能团的氨基酸组成的蛋白质。如：HO2C-CH(NH2)-CH2-SH半胱氨酸HO2C-CH(NH2)-CH2-S-S-CH2-CH(NH2)-CO2H胱氨酸第五节硫的微生物转化氨基酸很容易被细菌和真菌分解。含硫有机物被微生物降解产物：甲硫醇，CH3SH二甲基二硫醚，CH3SSCH3这些硫化物具有恶臭。如：有些机理还不清楚。第六节微生物对铁的转化一、细菌对铁的利用亚铁杆菌，盖氏铁柄杆菌和球衣细菌，能够从铁的化合物获得代谢所需的能量。能