微生物與環境保護（1）

  隨著工業高度發展、人口急劇增長，在人類生活的環境中，大量的生活廢棄物 ( 糞便、垃圾和廢水 ) ，工業生產形成的三廢 ( 廢氣、廢渣和廢水 ) 及農業上使用化肥、農藥的殘留物等，特別是生活汙水和工業廢水，不經處理，大量排放入水體，給人類生存環境造成嚴重汙染。環境汙染對人畜健康、工業、農業、水產業等都有很大危害。所謂環境汙染即是指生態係統的結構和機能受到外來有害物質的影響或破壞，超過了生態係統的自淨能力，打破了正常的生態平衡，給人類造成嚴重危害。所以保護生態環境已成為人類最關心的大問題。

    環境保護除保護自然環境外，就是防治汙染和其他公害。水源的汙染危害最大、汙染範圍最廣、種類最多。包括生活汙水、工廠有機廢水、有毒、有害汙水。為了保護環境，節約水源，生活汙水和工業廢水必須先經處理，除去其雜質與汙染物，待水質達到一定標準後，才能排放入自然水體或直接供給生產和生活重複使用。

汙水的生物處理較有效、最常用的是微生物處理法。微生物不但處理汙染物，還可用於環境監測。所以微生物在環境保護方麵起重要作用。

一、微生物與汙水處理

    微生物處理汙水的原理：利用各種生理生化性能的微生物類群間的相互配合而進行的一種物質循環的過程。

    BOD 5 ：即“五日生化需氧量”它是一種表示水中有機物含量的間接指標，一般指在 20 ℃ 下， 1L 汙水中所含的有機物，在進行微生物氧化時， 5 日內所消耗的分子氧的毫克數。

    COD ：使用強氧化劑使 1L 汙水中的有機物質迅速進行化學氧化時所消耗氧的毫克數。

    汙水處理的方法有物理法、化學法和生物法。各種方法都有其特點，可以相互配合、相互補充。目前應用最廣是生物學方法，其優點是效率高、費用低、簡單方便。

    汙水處理按程度可分為一級處理、二級處理和三級處理，一級處理也稱為預處理，二級處理稱為常規處理，三級處理則稱為高級處理。一級處理主要通過格柵等過濾器除去粗固體。二級處理主要去除可溶性的有機物，方法包括生物方法、化學方法和物理方法。三級處理主要是除氮、磷和其他無機物，還包括出水的氯化消毒，也有生物、物理、化學方法。依處理過程中氧的狀況，生物處理可分為好氧處理係統與厭氧處理係統。

（一）好氧生物處理

    微生物在有氧條件下，吸附環境中的有機物，並將有機物氧化分解成無機物，使汙水得到淨化，同時合成細胞物質。微生物在汙水淨化過程，以活性汙泥和生物膜的主要成分等形式存在。

1 ．活性汙泥法

    又稱曝氣法。是利用含有好氧微生物的活性汙泥，由通氣條件下，使汙水淨化的生物學方法。此法自 1914 英國人 Ardern 和 Lockett 創建以來，至今已有 80 多年的曆史。經過反複改造，發展至今，已成為處理有機廢水最主要的方法。

    所謂活性汙泥是指由菌膠團形成菌、原生動物、有機和無機膠體及懸浮物組成的絮狀體。在汙水處理過程中，它具有很強的吸附、氧化和分解有機物的能力。在靜止狀態時，又具有良好的沉降性能。活性汙泥是一種特殊的、複雜的生態係統，在多種酶的作用下進行著複雜的生化反應。活性汙泥中的微生物主要是細菌，占微生物總數的 90 ％ -95 ％。常見的細菌主要有生枝動膠杆菌、假單胞菌屬、無色杆菌屬、黃杆菌屬、節杆菌屬、亞硝化單胞菌、原生動物以鍾蟲屬最為常見。活性汙泥與生物膜中的微生物基本相似，均以菌膠團的形式存在。

    汙水處理中的特殊微生物隨汙水性質不同需要篩選、培養特殊的微生物，組建各種優勢苗群，以處理相應的汙水。例如處理含氰 ( 腈 ) 廢水，需要篩選產生氰解酶和丙烯睛水解酶的細菌，主要有諾卡氏菌屬、腐皮鐮孢黴、假單胞菌屬、棒杆菌屬等。篩選特殊的微生物，降解相應的難分解的有毒汙染物，以降低 BoD5 去除率，提高汙水處理質量。活性汙泥法根據曝氣方式不同，分多種方法，目前最常用的是完全混合瀑氣法。

    汙水進人曝氣池後，活性汙泥中主要細菌、動膠菌等大量繁殖，形成菌膠團絮體，構成活性汙泥骨架，原生動物附著上麵，絲狀細菌和真菌交織在一起，形成十個個顆粒狀的活躍的微生物群體。曝氣池內不斷充氣、攪拌，形成泥水混合液，當廢水與活性汙泥接觸時，廢水中的有機物在很短時間 ( 約 lO-30min) 內被吸附到活性汙泥上，可溶性物質直接透入細胞內。大分子有機物通過細胞內產生的胞外酶的作用將大分子有機物分解成為小分子物質後滲入細胞內。進入細胞內的營養物質在細胞內酶的作用下，經一係列生化反應，使有機物轉化為 CO 2 、 H 2 0 等簡單無機物。同時產生能量。微生物利用呼吸放出的能量和氧化過程中產生的中間產物合成細胞物質，使菌體大量繁殖。微生物不斷進行生物氧化，環境中有機物不斷減少，使汙水得到淨化。當營養缺乏時，微生物氧化細胞內貯藏物質，並產生能量，這種現象叫自身氧化或內源呼吸。

    曝氣池中混合物以低 BOD 5 溢流人沉澱池。活性汙泥通過靜止、凝集、沉澱和分離，上清液是處理好的水、排放到係統外。沉澱的活性汙泥一部分回流曝氣池與未生化處理的廢水混合，重複上述過程。回流汙泥可增加曝氣池內微生物含量，加速生化反應過程。剩餘汙泥排放出去或進行其他理後應用。

2. 生物膜法

    是以生物膜為淨化主體的生物處理法。生物膜是附著在載體表麵，以菌膠團為主體所形成的粘膜狀物，由於膜中的微生物不斷生長繁殖致使膜逐漸加厚。膜的形成有一定規律，。初生、生長及老化剝落過程，脫落後再形成新的膜，這是生物膜的正常更新，剝落的膜隨水排出 .

    膜中的微生物相與活性汙泥中的基本原理相同 , 因膜有一定厚度 , 在膜的表麵、底部和中間分布著不同類型的微生物。生物膜的淨化原理是：生物膜的表麵總是吸附著一層薄薄的汙水，稱為附著水層或結合水層；其外是能自由流動的汙水，稱為運動水層；當“附著水”中的有機物被生物膜中的微生物吸附、吸收、氧化分解時，附著水層中有機物質濃度隨之降低，由於運動水層中有機物濃度高，便迅速地向附著水層轉移，並不斷地進人生物膜被微生物分解；微生物所需要的氧是從空氣一運動水層一附著水層而進人生物原，微生物分解有機物產生的代謝產物及最終生成的無機物以及 CO 2 等，則沿相反方向移動。

    根據介質與水接觸方式不同，生物轉盤法、塔式生物濾池法等。

3 ．氧化塘

    也稱穩定塘，是利用自然生態係統淨化汙水的一處大麵積、敝開式的汙水處理池塘。氧化塘是利用細菌和藻類的共生關係來分解有機汙染物的一種廢水處理法。細菌利用藻類光合作用產生的氧和空氣溶解在水中的溶解氧氧化分解塘內的有機汙染物；藻類利用細菌氧化分解產生的無機物和小分子有機物作為營養源繁殖自身。如此不斷循環，使有機物逐漸減少，汙水得以淨化。過多的細菌和藻體易被微型動物捕食。

    此外，流入汙水中沉澱下來的固體及衰亡的細胞沉入塘底，這些有機物被兼性厭氧菌分解產生有機酸、醇等簡單有機物，其中一部分被上層好氧菌或兼性厭氧菌繼續分解，另一部分波汙泥中的產甲烷細菌分解成 CH 4 。隻要上述各個環節保持良好的平衡，氧化塘這個生態係統就能相對穩定，汙水得以不斷淨化。效果好的氧化塘，能使汙水中 BOD 去除率達到 80 ％一 95 ％，磷減少 90 ％，氮去除率 80 ％以上。由於供氧量低，處理同量汙水同暖氣池、生物轉盤相比，

    氧化塘需麵積大、時間長，但氧化塘構築簡單，投資少，操作容易。此法適宜處理生活汙水以及、製革、造紙、石油化工、乙烯、焦化和農藥等部門的工業廢水，還可養藻、養魚、養鴨、鵝等。

( 二 ) 厭氧生物處理

    厭氧生物處理是在缺氧條件下，利用厭氧性微生物 ( 包括兼性厭氧微生物 ) 分解汙水中有機汙染物的方法。因為發酵產物產生甲烷，又稱甲烷發酵。此法既能消除環境汙染，又能開發生物能源，所以倍受人們重視。

    汙水厭氧發酵是一個極為複雜的生態係統，它涉及多種交替作用的菌群，各要求不同的基質和條件，形成複雜的生態體係，甲烷發酸包括 3 個階段：

1 ．液化階段

    由厭氧或兼性厭氧的細菌將複雜有機物如纖維素、蛋白質、脂肪等分解為有機酸、醇等。。

2 ．產氫產乙酸階段

    由產氫產乙酸細菌群利用液化階段產生的各種脂肪酸、醇等進一步轉化為乙酸、 H 2 和 CO 2 。

3 ．產甲烷階段

    產甲烷菌利用乙酸、甲酸、甲醇、 CO 2 、 H 2 等、形成甲烷。產甲烷菌屬於古細菌，嚴格厭氧，主要包括甲烷杆菌屬、甲烷八疊球菌屬和甲烷球菌屬等。產甲烷菌是嚴格厭氧菌，故汙水的厭氧處理必須在厭氧消化池中進行。

    發酵後的汙水和汙泥分別從池的上部和底部排出，所產生的沼氣則由頂部排出，可作為能源加以利用。發酵池中也可產生如 H 2 S 、 CO 等一些有毒的氣體，故不能冒然進入。

    此法主要用於處理農業和生活廢棄物或汙水廠的剩餘汙泥，也可用工業廢水處理。

二、微生物對汙染物的降解與轉化

    由於微生物代謝類型多樣，所以自然界所有的有機物幾乎都能被微生物降解與轉化。隨著工發展，許多人工合成的新的化合物，摻入到自然環境中，引起環境汙染。微生物以其個體小、繁俠、適應性強、易變異等特點，可隨環境變化，產生新的自發突變株，也可能通過形成誘導酶、生新的酶係，具備新的代謝功能以適應新的環境，從而降解和轉化那些“陌生”的化合物。大事實證明微生物有著降解、轉化物質的巨大潛力。

( 一 ) 環境中的主要汙染物

    所謂汙染物，是指人類在生產生活中，排人大氣、水體或土壤內的能引起環境汙染，並對人環境有不利影響的物質的總稱。這些物質主要有農藥、汙泥、烴類、合成聚合物、重金屬、放射性核素等。總體可歸為無毒和有毒汙染物 2 大類，前者如纖維素、澱粉等有機物和酸、堿等無機物，後者如苯酚、多氯聯苯等有機毒物和氰化物、各種重金屬等無機毒物。汙染物對人類的危害是極其複雜的，有些汙染物在短期內通過空氣、水、食物鏈等多種媒介侵入人體，造成急性危。也有些汙染物通過小劑量持續不斷地侵人人體，經過相當長時間，才顯露出對人體的慢性危害或遠期危害，甚至影響到子孫後代的健康。

( 二 ) 微生物對農藥等有毒汙染物的降解

    農藥是除草劑、殺蟲劑、殺菌劑等化學製劑的總稱。我國每年使用 50 多萬噸農藥，利用率隻“ 10 ％。絕大部分殘留在土壤中，有的被土壤吸附，有的經空氣、江河傳播擴散，引起大範圍汙染。目前的農藥多是有機氯、有機磷、有機氮、有機硫農藥，其中有機氯農藥危害性最大。這些有毒化合物在自然界存留時間長、對人畜危害嚴重。實驗證明，環境中農藥的清除主要靠細菌、放線菌、真菌等微生物的作用，

    微生物降解農藥的方式有 2 種，一種是以農藥作為唯一碳源和能源，或作為唯一的氮源物質，此類農藥能很快被微生物降解，如氟樂靈，這是一種新型除草劑，它可作為曲黴屬的唯一碳源，所以很易被分解；另一種是通過共代謝作用，共代謝是指一些很難降解的有機物，雖不能作為微生物唯一碳源或能源被降解，但可通過微生物利用其他有機物作為碳源或能源的同時被降解的現象，如直腸梭菌降解 666 時需要有蛋白腖之類物質提供能量才能降解。微生物降解農藥主要是通過脫鹵作用、脫烴作用，對酰胺及脂的水解、氧化作用、還原作用及環裂解、縮合等方式把農藥分子的一些化學基本結構改變而達到的。

（三）重金屬的轉化

    環境汙染中所說的重金屬一般指汞、鍋、鉻、鉛、砷、銀、硒、錫等。微生物特別是細菌、真菌在重金屬的生物轉化中起重要作用。微生物可以改變重金屬在環境中的存在狀態，會使化學物毒性增強，引起嚴重環境問題，還可以濃縮重金屬，並通過食物鏈積累。另一方麵微生物直接和間接的作用也可以去除環境中的重金屬，有助於改善環境。

    汞所造成的環境汙染最早受到關注，汞的微生物轉化及其環境意義具有代表性。汞的微生物轉化包括三個方麵無機汞的甲基化；有機汞還原成汞；甲基汞和其他有機汞化合物裂解並還原成汞。包括梭茵、脈胞菌、假單胞菌等和許多真菌在內的微生物具有甲基化汞的能力。能使無機汞和有機汞轉化為單質汞的微生物也被稱為抗汞微生物，包括銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌等。微生物的抗汞功能是由質粒控製的，編碼有機汞裂解酶和無機汞還原酶的是 mer 操縱子。

    微生物對其他重金屬也具有轉化能力，硒、鉛、錫、鎬、砷、鋁、鎂、把、金、鈍也可以甲基化轉化。微生物雖然不能降解重金屬，但通過對重金屬的轉化作用，控製其轉化途徑，可以達到減輕毒性的作用。

（四）固體廢物的生物處理

    固體廢棄物處理的方法有物理法、化學法和生物法。其中生物法主要是利用微生物分解有機物，製作有機肥料和沼氣。且在發酵過程 70 一 80 ℃ 高溫能殺死病原菌、蟲卵及雜草種子，達到無害化目的。根據微生物與氧的關係，可分為好氧性堆肥法和厭氧發酵法兩大類。

1 ．好氧堆肥法

    好氧堆肥法是指有機棄廢物，在好氧微生物作用下，達到穩定化，轉變為有利於土壤性狀改良並利於作物吸收和利用的有機物的方法。所謂穩定化是指病原性生物的失活，有機物的分解及腐殖質的生成。從堆肥到腐殖質的整個過程中有機汙染物發生複雜的分解與合成的變化，可分為 3 個階段。

(1) 發熱階段 堆肥初期，中溫性好氧細菌和真菌，充分利用堆肥中易分解、可溶性物質 ( 澱粉、糖類 ) 而旺盛增殖，釋放出熱量，使堆肥溫度逐漸上升。

(2) 高溫階段 堆肥溫度上升到 50 ℃ 以上進入高溫階段。中溫性微生物逐步被高溫性微生物取代，堆肥中除剩餘的或新形成的可溶性有機物繼續被分解轉化外，複雜有機物也開始分解，腐殖質開始形成。在 50 ℃ 左右，堆肥中的微生物主要是嗜熱性真菌和放線菌，溫度達到 60 ℃ 時，真菌幾乎全部停止活動，隻有嗜熱放線菌和細菌活動，當溫度升到 70 ℃ 時，微生物大部分死亡，或進人休眠狀態。高溫可使有機物快速腐熟，並可殺滅病原性生物。

(3) 降溫腐熟保溫階段 當高溫持續一段時間後，易分解或較易分解的有機物已大部分被利用，剩下難分解物質 ( 如木質素 ) 和新形式的腐殖質。此時微生物活動減弱，產生熱量少，溫度下降，中溫性微生物逐漸形成優勢種群。殘留物質進一步被分解，腐殖質積累不斷增加，堆肥進入腐熟階段。為避免堆肥有機物礦化損失肥效，應把堆肥壓緊，使造成厭氧狀態。

2 ．厭氧發酵法

    厭氧發酵法包括厭氧堆肥法和沼氣發酵。厭氧堆肥法是指在不通氣條件下，微生物通過厭氧發酵將有機棄廢物轉化為有機肥料，使固體廢物無害化的過程。堆製方式與好氧堆肥法基本相同。但此法不設通氣係統、有機廢棄物在堆內進行厭氧發酵，溫度低，腐熟及無害化所需時間長。利用固體廢棄物進行沼氣發酵與汙水的厭氧處理情況基本相似。