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104×105•1）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=8•3）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