發(fā)酵803微生物-電子版2、微生物學(xué)課件

1、第七章 微生物生態(tài)和廢水的生物處理江南大學(xué)生物工程學(xué)院微生物生態(tài)學(xué)Microbial ecology 研究處于環(huán)境中的微生物的生命活動(dòng)規(guī)律和它們與環(huán)境條件之間的相互關(guān)系的一門分支科學(xué)。 研究微生物生態(tài)的意義：掌握微生物在自然環(huán)境中的活動(dòng)規(guī)律，使能更好地發(fā)揮微生物的作用了解微生物在自然界的分布規(guī)律，可為人類開發(fā)微生物資源提供理論依據(jù)；根據(jù)微生物生態(tài)學(xué)原理，利用微生物對(duì)環(huán)境的保護(hù)作用來修復(fù)被污染、被破壞了的環(huán)境 -生物修復(fù) bioremediation 生態(tài)系統(tǒng)ecosystem ： 在一定的時(shí)間和空間內(nèi)生物群落與它們的環(huán)境通過物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)相互作用,相互依存而構(gòu)成的一個(gè)生態(tài)學(xué)功能單位。 生態(tài)

2、系統(tǒng)=生物群落（生產(chǎn)者+消費(fèi)者+分解轉(zhuǎn)化者） + 環(huán)境條件生物群落community ：指生活在特定空間或區(qū)域的所有生物種群的集合體種群population ：指生活在特定空間或區(qū)域的同一物種的所有個(gè)體的集合體生物圈biosphere ：地球上所有生物群落以及它們生存的環(huán)境的總體，統(tǒng)稱為生物圈。微生物只是生態(tài)系統(tǒng)中生物群落的一部分。 生物圈 biosphere生態(tài)系統(tǒng) ecosystem群落 community種群 population個(gè)體 individual器官 organ組織 tissue細(xì)胞 cell細(xì)胞器 organelle分子 molecule生命科學(xué)研究的層次微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的

3、作用有機(jī)物的主要分解者；物質(zhì)循環(huán)中的重要成員；生態(tài)系統(tǒng)中的初級(jí)生產(chǎn)者；物質(zhì)和能量的儲(chǔ)存者；地球生物演化中的先鋒種類第一節(jié) 自然界中的微生物一、土壤中的微生物（一） 土壤的生態(tài)條件： 土壤具備微生物生存必需的基本條件水分：營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)：有機(jī)物、無機(jī)鹽、微量元素等。pH：3.58.5，多數(shù)在5.58.5。氧氣：滲透壓：0.30.6MPa，適合于微生物生長(zhǎng)溫度：保護(hù)層：幾毫米厚（二） 土壤中微生物的種類、數(shù)量和分布數(shù)量：108 109 /克肥沃土, 106 107個(gè)/克貧瘠土種類：細(xì)菌放線菌真菌藻類原生動(dòng)物 個(gè)/g: 108 107 106 104 103 kg/畝：75 150 7.5 15分布：水平

4、分布：取決于有機(jī)物的種類和濃度垂直分布：表面土數(shù)量少；520cm處最多；20cm以下隨深度增加而減少影響因素：土壤肥力（有機(jī)物類型及含量）、濕度、pH、土壤類型、 深度、植被、耕作狀況、季節(jié)等Viable but nonculturable microorganisms （三） 主要類群：細(xì)菌： 主要為異養(yǎng)菌，適宜在潮濕、pH近中性土壤中生長(zhǎng)，以中溫好氧和兼性厭氧為多，其中以G+為多見，厭氧菌較少，主要為梭狀芽孢桿菌。放線菌： 異養(yǎng)型，pH 6.5-8.0 時(shí)種類數(shù)量豐富，主要存在于有機(jī)質(zhì)豐富的土壤中，干旱土中較多真菌：異養(yǎng)型霉菌：嚴(yán)格好氧類群，在通氣良好的耕作土壤中廣泛分布，酸性土壤中霉菌比

5、例增加酵母菌：幾個(gè)幾千個(gè)/克，果園、養(yǎng)蜂場(chǎng)等含糖豐富土壤中較多（105個(gè)/g）藻類：光能自養(yǎng)型，較少，一般103 104/克，主要生活在光照和CO2供應(yīng)充足的淺層土中原生動(dòng)物：數(shù)量變化大， 10 105/克不等，富含有機(jī)質(zhì)的土壤含量較多我國(guó)主要土類中的微生物數(shù)(萬/g干土)二. 水中的微生物（一） 水體的生態(tài)條件：營(yíng)養(yǎng)狀況： 溫度：各種水體也有較大差異，并隨著季節(jié)等有較大變化。一般淡水在036之間，海洋水溫在5以下，溫泉水溫可在70以上。氧分壓：水體中空氣供應(yīng)較差。因此，氧氣是水生環(huán)境里最重要的限制因子。靜水湖泊更為明顯，江河水域由于水的流動(dòng)溶解氧能不斷得以補(bǔ)充。 pH值：變化范圍3.710.

6、5之間，大多數(shù)淡水pH值6.58.5，適于微生物生長(zhǎng)。 （二） 水中微生物的來源水中“土著”微生物來自土壤的微生物來自污水、有機(jī)物垃圾、死的動(dòng)植物和糞便等中的微生物來自空氣中的微生物（三）水中微生物的種類、數(shù)量和分布大氣水來自于空氣中的微生物地面水聚積水江河湖泊、池塘、水庫(kù)等地下水（四） 水體微生物群落海洋微生物群落：水中細(xì)菌以G-為主，常見的海洋微生物有假單胞菌、弧菌、黃色桿菌、無色桿菌、芽孢桿菌和藻類等。水平分布：沿海比外海多；受內(nèi)陸氣候、雨量和潮汐的影響。垂直分布：受陽光、溶氧及壓力影響，海面（010M）受陽光照射，含菌量少（好氧異養(yǎng)菌），藻類較多；510M以下至2550M處微生物數(shù)量較

7、多（兼性厭氧），且隨海水深度增加而增加；50M以下微生物數(shù)量隨海水增加而減少。在海底因沉積有很豐富的有機(jī)物，微生物數(shù)量增多（兼性厭氧、厭養(yǎng)、硫酸還原菌等，以厭養(yǎng)腐敗細(xì)菌為主）。按棲息地可分為底棲性細(xì)菌、浮游性細(xì)菌和附著性細(xì)菌；大多數(shù)是耐鹽或嗜鹽微生物；部分為低溫微生物；有些還耐高的靜水壓力，甚至嗜高靜水壓力。淡水微生物群落：微生物種類和土壤中差不多，但仍以G-菌為主，分布規(guī)律和海洋中的相似。影響因素：水體類型、受污染程度、有機(jī)物含量、溶解氧量、水溫、pH及水深。水平分布共同特點(diǎn)：沿岸水域有機(jī)物較多，微生物種類和數(shù)量也多。淡水微生物一般是中溫性的。少數(shù)生活在溫泉中的細(xì)菌是耐熱或嗜熱微生物。（五）

8、飲用水衛(wèi)生細(xì)菌學(xué)由水傳播的最重要的傳染病是痢疾、霍亂和傷寒，它們都是腸道傳染病。腸道病原菌都是通過糞便污染水源而傳播的，因此防治飲用水傳染病的關(guān)鍵是要嚴(yán)防水源被糞便污染。水中存在病原菌可能性很小，直接檢測(cè)困難；選擇一種指示菌作為衛(wèi)生指標(biāo)？作為衛(wèi)生指標(biāo)的指示細(xì)菌必須符合：生理習(xí)性與腸道病原菌類似，即在外界的生存時(shí)間基本一致；（代表性）在糞便中的數(shù)量比病原菌多，不會(huì)漏檢；（靈敏性）檢驗(yàn)技術(shù)較簡(jiǎn)單;（操作方便）比較理想的指示菌是大腸桿菌；大腸桿菌的檢測(cè)容易受一些形態(tài)和理化特性相似的細(xì)菌的干擾；選擇大腸菌群（coliform)作為指示菌！大腸菌群是一群好氧和兼性厭氧的，能在3724h內(nèi)發(fā)酵乳糖產(chǎn)酸產(chǎn)氣

9、的革蘭氏陰性無芽胞桿菌的總稱。一般包括大腸埃希氏桿菌、產(chǎn)氣桿菌、檸檬酸鹽桿菌和副大腸桿菌等。水中大腸菌群數(shù)量超過一定的數(shù)量，則說明水源可能被糞便污染，有存在腸道病原菌的可能性。大腸菌群的測(cè)定方法通常采用MPN法。我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749-85關(guān)于飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)為大腸菌群 3 個(gè)/L 三. 空氣中的微生物1. 空氣的生態(tài)條件：不適合微生物生長(zhǎng)繁殖紫外輻射；較干燥；溫度變化大；缺乏營(yíng)養(yǎng) 2. 空氣中的微生物的來源土壤塵埃；水面吹起的小水滴；人和動(dòng)物體表面的干燥脫落物；呼吸道的微生物；敞口的廢水處理系統(tǒng)。 3. 空氣中微生物的種類、數(shù)量和分布空氣中無固定的微生物種類和數(shù)量；影響因素：環(huán)境

10、衛(wèi)生狀況、綠化程度、塵埃顆粒大小和數(shù)量、空氣相對(duì)濕度、輻射的強(qiáng)弱、人員密度和活動(dòng)情況、空氣流通情況等。主要類群：芽孢桿菌、霉菌和放線菌孢子、野生酵母、原生動(dòng)物孢囊等。分布： 不同場(chǎng)所空氣中的細(xì)菌數(shù)場(chǎng)所空氣中的細(xì)菌數(shù)/(個(gè)/m3)蓄舍12106 宿舍2104 城市街道5103 公園200 海面12北極01第二節(jié) 微生物之間的相互關(guān)系生物間的相互關(guān)系有利關(guān)系有害關(guān)系中性關(guān)系一、互生（syntrophism）：又稱代謝共棲(metabiosis)定義：兩種可單獨(dú)生活的微生物共同生活在一起時(shí)，通過各自的代謝活動(dòng)而有利于對(duì)方，或偏利于一方的生活方式。 單方面的有利：偏利共棲（commensalism）

11、雙方面的有利：互惠共棲（mutualism）特點(diǎn)：可分可合，合比分好?！昂湍老嗵帯?例1：產(chǎn)甲烷細(xì)菌和甲烷氧化菌例2：土壤中的好氧性自生固氮菌與纖維素分解菌 二、共生 symbiosis定義 ：兩種微生物共同生活在一起時(shí)，相互依賴，彼此有利，甚至形成特殊的共生體，它們?cè)谏砩媳憩F(xiàn)出一定的分工， 在組織和形態(tài)上產(chǎn)生了新的結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：難分難解，合二為一。 “相依為命”例：地衣 Lichen為絲狀真菌和藻類的共生體A葉狀地衣和B殼狀地衣營(yíng)養(yǎng)體縱剖面三、競(jìng)爭(zhēng) competition定義：生活在同一環(huán)境中的兩種微生物，對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧、生活空間等共同要求的環(huán)境因子的相互爭(zhēng)奪、相互受到不利的影響 特點(diǎn)：

12、“明爭(zhēng)暗斗”例：啤酒發(fā)酵過程中培養(yǎng)酵母與野生酵母之間的關(guān)系四、拮抗/抗生 antagonism 定義：兩種微生物生活在一起，其中一種能產(chǎn)生某種特殊的代謝產(chǎn)物或改變環(huán)境條件，從而抑制甚至殺死另一種微生物的現(xiàn)象。特點(diǎn)：“排除異己”例：泡菜制作過程中乳酸菌與腐敗菌：乳酸細(xì)菌產(chǎn)生乳酸，抑制其它腐敗菌的生長(zhǎng)。 青霉菌和金黃色葡萄球菌五、寄生 parasitism定義 ：一種微生物生活在另一種微生物的體內(nèi)或體表，依靠攝取后者細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖，并使之遭受損害甚至被殺死的一種相互關(guān)系。前者稱為寄生物parasite，后者稱為宿主 host特點(diǎn)：“損人利己”例1：噬菌體與宿主細(xì)菌寄生物：食菌蛭弧菌 Bde

13、llvibrio bacteriovorus宿 主：大腸桿菌 E. coli例2第三節(jié) 微生物與環(huán)境保護(hù)污染物：對(duì)環(huán)境有毒害作用的各種有機(jī)或無機(jī)化合物通稱污染物。（1）無毒有機(jī)物：較易分解的有機(jī)化合物：多糖類、脂肪類、蛋白類；（2）有毒有機(jī)物：苯酚、多環(huán)芳烴和各種人工合成的具有積累性的穩(wěn)定的有機(jī)物。如多氯聯(lián)苯和有機(jī)農(nóng)藥等；（3）無毒無機(jī)物：酸、堿、一般無機(jī)鹽、N、P等植物營(yíng)養(yǎng)物；（4）有毒無機(jī)物：重金屬、氰化物、氟化物環(huán)境自凈：環(huán)境接受了一定量的外來污染物后，通過物理、化學(xué)和生物等因素綜合作用將污染物去除，環(huán)境指標(biāo)恢復(fù)到污染前的水平和狀態(tài)，這一過程稱為環(huán)境自凈。自凈容量：正常情況下，環(huán)境在一定

14、時(shí)間內(nèi)所能接納的外來污染物的最大量。環(huán)境污染： environment contamination 當(dāng)污染物濃度超過環(huán)境的自凈容量時(shí)，將破壞生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，打破生態(tài)平衡，使生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為環(huán)境污染。 一、水的污染源 工業(yè)生產(chǎn)排放的廢水；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的廢水；城鎮(zhèn)居民生活廢水；廢氣、廢渣中有害物質(zhì)溶入。水體污染物的特點(diǎn)種類多；成分復(fù)雜多變；理化性質(zhì)多樣；可生物降解性差異大水體污染物濃度指標(biāo)及其意義TOD、COD和BOD:水中有機(jī)物含量的間接指標(biāo)TOD（total oxygen demand，總需氧量）：水中所有能被氧化的物質(zhì)在高溫下燃燒變成穩(wěn)定氧化物時(shí)所消耗的氧量。COD（ch

15、emical oxygen demand，化學(xué)需氧量）： 水中有機(jī)物被強(qiáng)氧化劑氧化時(shí)所消耗的氧量，單位mg/L。常用氧化劑為重鉻酸鉀或高錳酸鉀，分別記做CODCr和CODMn，不標(biāo)明時(shí)則指CODCr；BOD（biochemical oxygen demand，生化需氧量）： 在特定的時(shí)間及溫度條件下，微生物氧化水中有機(jī)物所消耗的氧量，單位mg/L。因一般采用20，5天，故常用BOD5表示。一般TOD COD BODTOC（total organic carbon，總有機(jī)碳）： 污水中有機(jī)物的總含碳量。由于有機(jī)物都含有碳元素，因此TOC能完全反映污水中有機(jī)物的總量。DO（dissolved ox

16、ygen，溶解氧）： 溶于水體中分子態(tài)氧的含量，單位mg/L。是評(píng)價(jià)水體污染程度和自凈程度的指標(biāo)。一般天然水體為5-10 mg/L。P/H指數(shù)和BIP指數(shù)：評(píng)價(jià)水體污染程度和自凈程度的指標(biāo)P/H指數(shù)：水體中光合自養(yǎng)微生物與異養(yǎng)微生物數(shù)量之比BIP指數(shù)：水體中不含葉綠素的微生物和全部微生物數(shù)量之比。水體中有機(jī)物濃度高，則異養(yǎng)微生物大量繁殖， P/H指數(shù)降低，BIP指數(shù)升高。二、污水的微生物處理污水生物處理的方法及種類好氧處理和厭氧處理 通常低濃度（COD1500mg/L）的有機(jī)污染物廢水適合用好氧處理；高濃度有機(jī)污廢水（COD1500mg/L）用厭氧處理更為適宜。為什么過高COD的廢水不宜用好氧

17、法？ 有機(jī)物濃度過高，好氧生物代謝迅速，水中溶解氧難以即時(shí)供應(yīng)，好氧生物生長(zhǎng)受限，很難保證處理質(zhì)量，而厭氧生物則沒有這種限制。活性污泥法和生物膜法活性污泥法：微生物在設(shè)備中呈懸浮絮凝狀態(tài)，與污廢水接觸使之凈化的方法，該方法模擬天然水體自凈；生物膜法：微生物附著于其他物體表面上成薄膜狀，與污廢水接觸使之凈化的方法。該方法模擬天然土壤自凈好氧處理厭氧處理活性污泥法生物膜法（一） 好氧活性污泥法好氧活性污泥法又叫曝氣法，由英國(guó)人于1914年創(chuàng)建，已成為處理有機(jī)廢水最主要的方法。一般可使污水的BOD5減少9095%。它是利用含有好氧微生物的活性污泥，在通氣條件下，使污水凈化的微生物處理法?；钚晕勰?a

18、ctivated sludge 由活性細(xì)菌、原生動(dòng)物和其它微生物與污廢水中有機(jī)和無機(jī)固形物混凝交織在一起形成的絮狀體。在污水處理過程中具有很強(qiáng)的吸附和分解有機(jī)物和毒物的能力。 好氧活性污泥是由多種多樣的好氧微生物和兼性厭氧微生物(兼有少量的厭氧微生物)與污(廢)水中有機(jī)的和無機(jī)固體物混凝交織在一起，形成的絮狀體或稱絨粒。 好氧活性污泥的特性：活性污泥有沉降性能；有生物活性，具有吸附氧化有機(jī)物的能力；有自我繁殖的能力。 好氧活性污泥及其特性組成：好氧微生物和兼性厭氧微生物(兼有少量的厭氧微生物)與其上吸附的有機(jī)的和無機(jī)的固體雜質(zhì)組成。好氧活性污泥中的微生物群落：中心是能起絮凝作用的細(xì)菌形成的菌膠

19、團(tuán)，在其上生長(zhǎng)著其他微生物。如酵母菌、霉菌、放線菌、藻類、原生動(dòng)物和某些微型后生動(dòng)物(輪蟲及線蟲等)。構(gòu)成活性污泥的微生物種群相對(duì)穩(wěn)定，但當(dāng)營(yíng)養(yǎng)條件（廢水種類、化學(xué)組成、有機(jī)物含量等）、溫度、供氧、pH等環(huán)境條件改變，會(huì)導(dǎo)致主要細(xì)菌種群改變。 好氧活性污泥的組成和性質(zhì)活性污泥中的細(xì)菌主要存在于菌膠團(tuán)中；多數(shù)是革蘭氏陰性菌，主要是動(dòng)膠菌屬和叢毛單胞菌屬（70），還有其他革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌以及少量絲狀細(xì)菌。 生活污水好氧處理時(shí)菌膠團(tuán)中的主要細(xì)菌好氧活性污泥法的工藝流程好氧活性污泥凈化廢水的作用機(jī)理（二）好氧生物膜法生物膜biofilm 生長(zhǎng)在固體表面上的一層由多種微生物構(gòu)成的具有分解有機(jī)物和毒物能力的薄膜。好氧生物膜法是模擬土壤廢水凈化時(shí)依靠顆粒表面附著的生物薄膜進(jìn)行污染物降解的生物處理法。1. 生物濾池法目前常用塑料作為填料，并做成多級(jí)的塔式生物濾池。生物轉(zhuǎn)盤法中的生物膜，厚度：約2mm生物濾池（塔）中的分層特征好氧生物膜的培育自然掛膜法：利用待處理污水中的自然菌種進(jìn)行生物膜培育的方法。具體做法：一次進(jìn)水不進(jìn)水循環(huán)37天慢速連續(xù)進(jìn)水，不斷增加進(jìn)水量菌種添加掛膜法：為加速生物膜的形成或提高生物膜的降解能力，可向污水中投加優(yōu)良菌種。具體做法：將待處理污水與接種菌種在生物膜反應(yīng)器內(nèi)混合，連續(xù)循環(huán)37天連續(xù)進(jìn)水，不斷增加進(jìn)水量2