微生物降解水中污染物分析研究 環(huán)境工程專業(yè)

微生物降解水中污染物分析研究環(huán)境工程專業(yè)摘要：自然界中的微生物資源十分豐富，而微生物降解在環(huán)境污染治理過程中的地位也十分重要。微生物的代謝方式具有多樣性，而對(duì)于降解污染物，主要有好氧凈化和厭氧凈化兩大類型。微生物在凈化某些工業(yè)廢水中的降解作用中起著十分重要的作用。關(guān)鍵詞：水體微生物好氧厭養(yǎng)凈化降解作用自然界有著豐富的微生物資源，由于微生物具有分布廣泛，種類多樣，繁殖迅速等特點(diǎn)，使其在自然界物質(zhì)循環(huán)和轉(zhuǎn)化中起著巨大的生物降解作用，并且在環(huán)境污染治理過程中占據(jù)重要的地位，是整個(gè)生物圈維持生態(tài)平衡不可缺少的、重要的組成部分。[1]水體有天然水體和人工水體。天然水體有海洋、湖泊、江河等，人工水體有水庫(kù)、運(yùn)河、下水道、各種污水處理系統(tǒng)等。[2]由于雨水的沖刷，將土壤中各種有機(jī)物和無機(jī)物，動(dòng)植物殘?bào)w帶入水體，工業(yè)廢水和生活污水不斷的排入，水生動(dòng)植物死亡等都為水體中微生物提供了豐富的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)。水體中微生物來源主要有以下四個(gè)方面：水體中固有的微生物；來自土壤的微生物；來自生產(chǎn)和生活的微生物；來自空氣的微生物。[3]海洋中微生物群落分布和數(shù)量受到海洋環(huán)境變化、人類活動(dòng)等因素的影響。在沿海帶，由于沿海城市人口密集、工廠多，污水和工業(yè)廢水的流入，故沿海帶海水中大量的有機(jī)物，每毫升海水含菌1.0×105個(gè)。在外海，人類活動(dòng)較少，每毫升海水含菌10~250個(gè)。此外在漲潮時(shí)由于海水受到稀釋，含菌量明顯較少，退潮時(shí)含菌量明顯增加。距海面0~10m的深處含菌量較少，浮游藻類較多。5~10m以下至20~30m處的微生物數(shù)量較多，而且隨著海水深度的增加，50m以下微生物的數(shù)量隨著海水深度的增加而減少。在海底由于沉積有很豐富的有機(jī)物，微生物數(shù)量增多。[4]常見的海洋微生物有假單胞菌屬(Pseudomonas)、弧菌屬(Vibrio)、黃桿菌屬(Flavobacteium)、無色桿菌屬(Achromobacter)和芽孢桿菌屬(Bacillus)等。[4]河流、湖泊、小溪和池塘等水體中微生物種類和土壤中差不多，分布規(guī)律與海洋相似。影響微生物群落的分布，種類和數(shù)量的因素有水體類型、受污水污染程度、有機(jī)物的含量、溶解氧量、水溫、pH及水深等。沿海岸水域有機(jī)物較多，微生物種類和數(shù)量也較多。地下水、自流井、山泉及溫泉等經(jīng)過厚土層過濾，有機(jī)物含量和微生物數(shù)量都較少。微生物的體積小而表面積大，繁殖速度驚人，能不斷地與周圍環(huán)境快速進(jìn)行物質(zhì)交換。污水通過能滿足微生物生長(zhǎng)、繁殖條件下的設(shè)備，微生物便從污水中獲取營(yíng)養(yǎng)成分，同時(shí)降解和利用有害物質(zhì)，從而使污水得到凈化。1．微生物的好氧和厭氧凈化微生物的代謝方式具有多樣性，能從污水中攝取淀粉、糖、脂肪、蛋白質(zhì)等高分子化合物及其他低分子化合物。[3]1.1好氧凈化氧存在條件下，許多好氧微生物通過分解代謝、合成代謝和物質(zhì)礦物化，在把污水中的有機(jī)物氧化分解成CO2、H2O等的過程中，獲得C源、N源、P源、S和能量。污水的微生物好氧凈化處理，就是模擬這種生物凈化原理，把微生物置于一定的構(gòu)筑物內(nèi)通氣培養(yǎng)，達(dá)到高效率凈化污水的目的?；钚晕勰喾ɑ蛏镞^濾法處理污水，已是國(guó)內(nèi)外凈化污水和工業(yè)廢水的重要方法。當(dāng)污水與懸浮的活性污泥接觸時(shí)或通過以細(xì)菌為主形成的生物膜時(shí)，微生物便對(duì)污水中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行吸附、吞噬、氧化、分解和轉(zhuǎn)化，從而完成凈化污水的過程。[5]1.2厭氧凈化微生物在嚴(yán)格厭氧條件下，對(duì)有機(jī)物質(zhì)發(fā)酵或消化過程中，大部分有機(jī)物被分解生成H2、CO2、H2S和CH4等氣體。污水的微生物厭氧凈化處理，就是根據(jù)污水經(jīng)厭氧發(fā)酵后既得到凈化，又獲得了生物能源CH4的原理。微生物細(xì)胞能量轉(zhuǎn)移的電子受體，由在好氧條件下的分子氧改變?yōu)閰捬鯒l件下的有機(jī)物。在厭氧發(fā)酵中，難分解的大分子物質(zhì)先在微生物的胞外酶（如纖維素酶、果膠酶、脂酶、蛋白酶）作用下，分解為可溶性物質(zhì)，再通過非產(chǎn)甲烷氏氧細(xì)菌和產(chǎn)氫細(xì)菌降解成低分子的有機(jī)酸類和醇類，并放出H2和CO2；有機(jī)酸類和醇類在產(chǎn)甲烷細(xì)菌作用下，形成H2、CO2和CH4。甲烷細(xì)菌還可利用H2還原CO2形成CH4。[6]厭氧發(fā)酵法凈化污水在密閉容器內(nèi)進(jìn)行，常被廣泛應(yīng)用于用好氧方法難以凈化的有機(jī)污染物含量高或含不溶性有機(jī)物較多的污水和廢水。國(guó)內(nèi)已有在處理造紙、抗菌素發(fā)酵的廢水中采用此法。2．微生物在凈化某些工業(yè)廢水中的降解作用工業(yè)廢水和廢料中所含的物質(zhì)成分、溫度、pH值等差異較大。有些有毒物質(zhì)可被微生物降解，有些卻不易被降解。自然界中能降解烴類的微生物有幾百種，多數(shù)為細(xì)菌、酵母菌和真菌，降解是由他們所產(chǎn)生的酶和酶系完成的。一般來說，直鏈化合物比支鏈化合物、飽和化合物比非飽和化合物、脂肪烴比芳香烴容易被較多種類的微生物降解和同化。直鏈烴的降解是末端甲基先被氧化形成醇、醛后再生成脂肪酸，由脂肪酸形成醋酸，最后氧化成CO2和H2O。微生物對(duì)單環(huán)芳烴及其衍生物的降解與直鏈烴有些類似。能降解苯和酚的微生物種類很多，有細(xì)菌中的許多屬、放線菌等。[7]氰（腈）是劇毒物質(zhì)。人們發(fā)現(xiàn)對(duì)氰有不同程度降解能力的微生物約50種，有茄病鐮刀霉、假單孢菌屬、諾卡氏菌屬等屬。它們能產(chǎn)生一種氰水解酶，把氰中的碳、氮轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2、NH3；鐮刀霉還可利用氰作為合成細(xì)胞所需要的碳源和氮源，使污水得到凈化和解毒。早有人報(bào)道，用珊瑚色諾卡菌降解腈綸廢水中的丙烯腈速度快效果好，1g菌體在25min內(nèi)可降解250mg丙烯腈。[8]某些污染物對(duì)人體有致癌性，如多環(huán)芳烴就是一類致癌性物質(zhì)。許多細(xì)菌能降解多種多環(huán)芳烴，如產(chǎn)堿桿菌、棒狀桿菌、諾卡氏菌、假單胞菌屬的某些種就能降解蒽和菲?；钚晕勰嘀械脑S多細(xì)菌對(duì)多環(huán)芳烴有較緩慢的降解作用。硝基化合物對(duì)人類也有致癌作用，我國(guó)應(yīng)用腸桿菌、克氏桿菌和假單胞菌等屬的細(xì)菌，降解制造三硝基甲苯炸藥過程中的污水，效果很好。[7]塑料、合成纖維等許多制品的廢物，生活污水中的洗滌劑、表面活性劑等，都難以利用普通活性污泥中的微生物進(jìn)行降解和去除。有人培育出一種體內(nèi)具有兩種酶的假單胞菌O－3號(hào)細(xì)菌，該菌可利用聚乙烯醇作碳源并對(duì)其進(jìn)行降解?；钚晕勰嘀型度氪司鷷r(shí)，能大大提高凈化含聚乙烯醇污水的效率。人們?cè)缫涯芎铣捎袡C(jī)化合物，但自然界中的微生物體內(nèi)卻未有分解這些人工合成的化合物的酶系。經(jīng)探索已選育出一些經(jīng)過馴化、誘導(dǎo)后具有降解人工合成物質(zhì)的酶系的特殊功能微生物。例如，2，4－D、DDT等一些農(nóng)藥，就可以被微生物降解而消除污染。[9]3．遺傳工程菌在凈化工業(yè)廢水中的降解作用為了提高污水生物凈化的效率，人們應(yīng)用分子遺傳學(xué)技術(shù)不僅對(duì)現(xiàn)有的微生物進(jìn)行改造，而且在研究創(chuàng)造具有新的特殊功能的微生物。由于分子遺傳學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)假單胞桿菌屬中許多種的細(xì)胞里，具有調(diào)控多種性狀的質(zhì)粒，這些質(zhì)?；蚩刂浦鵁N化合物分解的酶系合成。應(yīng)用質(zhì)粒工程技術(shù)把分別降解芳烴、多環(huán)芳烴、萜烴的質(zhì)粒接合到降解酯烴的細(xì)菌體內(nèi)，創(chuàng)造出一種具有多質(zhì)粒的所謂“超級(jí)菌”新菌種。這種菌在消除石油污染中，不僅能把60%的烴降解，而且只在幾小時(shí)內(nèi)就可達(dá)到自然菌種要用一年多時(shí)間的凈化效果。人們采用把一種細(xì)菌的調(diào)控還原酶的質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到另一種菌體中的技術(shù)，使得到新質(zhì)粒的細(xì)菌對(duì)汞的還原能力大大增強(qiáng)。用這種細(xì)菌既解除含汞廢水中的汞毒，又可回收到汞?？傊z傳工程菌的研究和應(yīng)用，必將對(duì)生物凈化污水起到變革性作用。[7]4．污水中微生物種類變化與凈化的關(guān)系污水中生活的微生物，由極為適應(yīng)于污水的多種微生物類群組成。它們?cè)谖鬯械纳锬ど匣蚧钚阅嘀行纬梢粋€(gè)小的生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈的縮影。食物鏈中的每一步都有一部分有機(jī)物被轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，使污水逐漸得到凈化?；钚晕勰嘀兄饕屑?xì)菌，還有酵母菌、霉菌、單細(xì)胞藻類等。此外，還有大量原生動(dòng)物和少數(shù)后生動(dòng)物。當(dāng)然，污水性質(zhì)和污染程度的不同，微生物種類和數(shù)量會(huì)有很大差別。[5]污水中原生動(dòng)物的種類和數(shù)量與生物處理的效果有著密切關(guān)系，故又可作為污水處理的指示生物，進(jìn)行處理效果的預(yù)報(bào)。一般說來,游動(dòng)鞭毛蟲類或自由生活的纖毛蟲類占較大優(yōu)勢(shì)時(shí)，往往說明凈化效果較差或廢水處于培育活性污泥初期。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有固定纖毛蟲類時(shí)，活性污泥已經(jīng)形成。輪蟲對(duì)水有自凈作用。如活性污泥中有大量輪蟲和多種纖毛蟲出現(xiàn)，說明凈化度較高，污水處理效果好。水蚯蚓對(duì)水也有自凈作用，其種類與數(shù)量隨污染的減輕而減少。在凈化效果較好的污水中，還會(huì)出現(xiàn)線蟲及顫蚯蚓等后生動(dòng)物。[10]自然界中豐富的微生物資源開創(chuàng)了污水處理的新領(lǐng)域。污染物進(jìn)入水體后，會(huì)發(fā)生沉降、凝聚和擴(kuò)散等過程，還會(huì)發(fā)生非生物和生物降解與合成的過程。微生物降解污水污染物的實(shí)質(zhì)也就是污染物被微生物生化代謝的過程。微生物不僅在污水污染物的降解中起到了舉足輕重的作用，還在其他領(lǐng)域污染物的治理中也發(fā)揮了重要的作用。例如：封閉式微生物好氧發(fā)酵是城市污泥處理的關(guān)鍵技術(shù)；AOC工藝采用了微生物自身消化式的內(nèi)循環(huán)處理技術(shù)，有效地解決了因大量有機(jī)污泥排放而造成第二公害的問題；而污水微生物厭氧消化處理則是國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。由此可見，微生物處理污染物是十分有效的方法，更是需要我們關(guān)注和投入精力的重要方面。參考文獻(xiàn)：[1]王家玲主編,環(huán)境微生物學(xué),高等教育出版社,北京,1988,3p50[2]王翊亭著,環(huán)境學(xué)導(dǎo)論,清華大學(xué)出版社,北京,1985,p77[3]周群英,高廷耀編著,環(huán)境工程微生物學(xué),高等教育出版社,北京,2000,p20p25[4]林永成著,海洋微生物及其代謝產(chǎn)物,化學(xué)工業(yè)出版社,北京,2003,p68p70[5]李漢昭著,活性污泥法概述,中國(guó)建筑工業(yè)出版社,北京，1977，p12p20[6]