厌氧微生物及其在环境工程中的作用分类与研究

I厌氧微生物及其在环境工程中的作用分类与研究摘要厌氧微生物是整个微生物世界的一个重要组成部分。近二十多年随着厌氧操作技术的不断完善，厌氧微生物研究方法的不断改进，尤其近十多年来许多新技术和方法的应用，致使厌氧微生物学取得很大的进展，获得了丰硕的成果。厌氧微生物在各方面的应用所进行的广泛而深人的研究，也开阔了人们对丰富多彩的厌氧微生物世界的认识，揭示了厌氧微生物广阔的应用前景。厌氧微生物涉及面广，本文就三种厌氧微生物（产甲烷菌，厌氧氨氧化菌，硫酸盐还原菌）进行了在环境工程中的作用分类与研究进行探讨。产甲烷菌在自然界中的种类和生态类群是相当丰富的，随着厌氧培养技术和分子生物学技术的不断发展，人们对产甲烷菌这一独特类群的研究将更加细致和全面。产甲烷菌由于具有独特的代谢机制，所以必将在环境和能源工业领域发挥重要的作用。厌氧氨氧化可同时去除氨氮和亚硝氮,在环境工程上具有重大开发价值.厌氧氨氧化菌种类丰富,经过长期培养,厌氧消化污泥可呈现硫酸盐型厌氧氨氧化活性,这为新型生物脱氮工艺的研发打下了基础。硫酸盐还原菌处理废水的理论在国内外处于热点研究探索中，又由于硫酸盐还原菌容易培养等一系列优点，使其在工程上的应用成为可能。关键词：厌氧微生物，产甲烷菌，厌氧氨氧化菌，硫酸盐还原菌，环境1目录摘要...............................................................I1研究背景.........................................................12研究方法及内容...................................................32．1厌氧微生物介绍.............................................32．2厌氧微生物的分类...........................................32．3厌氧微生物的分类及其在生物系统发育中的地位.................33研究结果.........................................................53．1产甲烷菌...................................................53．1．1产甲烷菌的分类.......................................53．1．2产甲烷菌的生态多样性.................................63．1．3产甲烷菌在厌氧生物处理中的应用.......................73．2厌氧氨氧化菌...............................................83．2．1厌氧氨氧化菌的分类...................................83．2．2厌氧氨氧化菌的应用..................................133．3硫酸盐还原菌..............................................143．3．1硫酸盐还原菌及其分类................................143．3．2硫酸盐还原菌的培养和分离............................153．3．3硫酸盐还原菌的代谢机理..............................163．3．4硫酸盐还原菌去除硫酸盐废水中重金属的机理............173．3．5硫酸盐还原菌处理废水的研究..........................174研究未来预测....................................................214．1产甲烷菌..................................................214．2厌氧氨氧化菌..............................................214．3硫酸盐还原菌..............................................215本人评述及本人拟定研究计划......................................23参考文献..........................................................2511研究背景自然界的生物种类繁多、性状各异、功能当然也相差甚远。人类在不断探索利用自然界的各种生物为自身谋福利。至今为止人类的衣、食、住、行等方面都利用了生物，在环境保护方面也很好地利用了生物。但是我们还有很多生物没有很好地利用，也有很多领域生物的自然优势没有被充分地利用。尤其在利用生物进行环境保护方面更需要我们大胆地去探索。由于人口的快速增长，自然资源的大量消耗，全球的环境状况急剧恶化、水资源短缺、土地沙漠化、酸雨肆虐、森林减少、物种灭绝等等。人类的生存和发展面临严峻的挑战，迫使人类进行一场“环境革命”以拯救人类自身。在这场环境革命中，环境生物技术的兴起和发展具有十分重要的意义，并且成为了具有核心作用的、安全可靠的、行之有效的技术和手段。厌氧微生物是整个微生物世界的一个重要组成部分。厌氧微生物绝大多数为细菌，很少数是放线菌，极少数是枝原体，厌氧真菌尚见于个别的报道。厌氧微生物在自然界分布广泛。人类生活的环境和人体本身就生存有种类众多的厌氧微生物，它们与人类的关系密切。然而由于厌氧微生物的分离和纯种培养的困难，研究厌氧微生物的技术和方法进展又相当缓慢，致使人类对厌氧微生物的认识和利用远远落后于对好氧和兼性厌氧微生物的研究工作。直到近二十多年随着厌氧操作技术的不断完善，厌氧微生物研究方法的不断改进，尤其近十多年来许多新技术和方法的应用，致使厌氧微生物学取得很大的进展，获得了丰硕的成果。发现了众多种类的厌氧微生物，它们在自然界不仅生存于一般的常温的无氧和少氧环境中，最近尚发现有生存于高温环境最适生长温度为100一103℃甚至有高达105℃的超嗜热专性厌氧细菌，亦发现有能生长在南极的嗜冷厌氧菌，尚发现有能在22一25%盐浓度中生长的专性厌氧发酵的嗜盐菌[1]。随着涌现出众多的新目、新属和新种，某些已知的属种分类位置也有很大变动。尤其是现已明确厌氧微生物在生物进化中系统发育的特殊地位更显示出它们的重要性。厌氧微生物可利用的基质极为广泛，包括了自然界各种各样含氮和不含氮的有机物及CO2等。2它们在氮和碳等元素地球生物化学大循环中起着很重要的作用。厌氧微生物在各方面的应用所进行的广泛而深人的研究，也开阔了人们对丰富多彩的厌氧微生物世界的认识，揭示了厌氧微生物广阔的应用前景。厌氧微生物涉及面广，本文就三种厌氧微生物（产甲烷菌，厌氧氨氧化菌，硫酸盐还原菌）在环境工程中的作用分类与研究进行探讨。32研究方法及内容2．1厌氧微生物介绍厌氧微生物尚无公认的确切定义，但通常认为这是一类只能在低氧分压的条件下生长，而不能在空气（18%氧气）和（或）10％二氧化碳浓度下的固体培养基表面生长的微生物。按其对氧的耐受程度的不同，可分为专性厌氧微生物、微需氧厌氧微生物和兼性厌氧微生物。2．2厌氧微生物的分类根据对O2的耐受程度，可将厌氧微生物分为3大类：（1）对氧极端敏感的厌氧微生物：代表菌种为月形单胞菌。这类细菌对厌氧条件要求很高，在空气中暴露10min即死亡，临床上很难分离出；（2）中度厌氧微生物：代表菌种为脆弱拟杆菌、产气荚膜梭菌等临床分离常见的厌氧菌。它们在空气中暴露60～90min或在脓汁抽出72h后仍然能分离出来；（3）耐氧厌氧微生物：代表菌种为溶组织梭菌。这类细菌不能利用氧，在无氧条件下生长好，而在有氧条件下生长不佳。2．3厌氧微生物的分类及其在生物系统发育中的地位厌氧微生物中绝大多数是细菌，很少数为放线菌，极少数是枝原体，个别的属于真菌。目前所知有研究者从动物的瘤胃中分离到着生鞭毛的属于藻状菌纲（phycomycetes）的厌氧真菌。也有极个别报道厌氧消化器中也存在有厌氧真菌。支原体（mycoplasma）这一俗名是指在表型上比一般细菌小，缺乏细胞壁的一大群原核生物。因其特征分类学上将其置于柔膜菌纲。厌氧的支原体发现于牛羊的瘤胃内，原作为柔膜菌纲下的一个属。从营养、生化、血清和基因组的资料分析，表明厌氧支原体与兼性厌氧的支原体不相同。在分类上现已将它们升为“目”的位置—厌氧原体目。其主要的科属列如下：厌氧原体目（Anaeroplasmatales）厌氧原体科(Anaeroplasmaceae)4厌氧枝原体属(Anaeroplasma)无幽醇枝原体属(Asteroleplasma)Woese氏实验室于1976年开始应用16SrRNA寡核昔酸序列分析法对微生物中有代表性的60个种进行了实验，发现其中产甲烷细菌与其它类群菌明显不一。以后他们又扩大了研究范围，也使更多的研究者应用这一方法寻求在微生物世界建立一个自然发育系统，也导至了古细菌界的建立阁。Woese的论述中又概括了大量的研究资料，绘制了原核生物和真核生物的16SrRNA寡核昔酸的序列谱。经分析比较古细菌、真细菌和真核生物按其综合系数各自成为一群。古细菌与典型的真细菌不同之处还显示出它们具有独特的细胞结构和特有的辅酶等性状。它们既不能归属于真核生物，也不属原核生物，而是构成一个新的古细菌分支。研究结果表明在自然系统发育史上生命是按遗传的三条干线即古细菌、真细菌和真核生物进化的。三条干线的发源根基来自一个共同的祖先，而古细菌离共同的祖先较之真细菌和真核生物要近得多。古细菌包括专性厌氧的产甲烷细菌、极端嗜盐细菌和嗜酸嗜热细菌。它们生存的环境正是生命起源的环境条件。这与地球曾是厌氧的和生命开始出现于厌氧时期的理论是相吻合的。微生物是整个生物界起源最早的生物，而厌氧微生物是地球处于厌氧状况下发展起来的最早生命体。好氧菌是地球逐渐积累有氧的条件下由部分厌氧菌长期地适应环境进化而来的。为了研究微生物在进化中的关系，探索生命起源的源头，构建生物界完整的系统发育图谱，很显然对厌氧微生物的研究占有极重要的地位，其意义也是重大的。53研究结果本文就三种厌氧微生物（产甲烷菌，厌氧氨氧化菌，硫酸盐还原菌）在环境工程中的作用分类与研究进行探讨。3．1产甲烷菌产甲烷菌是一类严格厌氧的原核微生物，是有机物甲烷化作用中食物链的最后一组成员，其独特的厌氧代谢机制使其在自然界物质循环中起着重要作用。一方面，产甲烷菌是产生温室气体的主要因素，全球甲烷的排放量每年大约是500t，其中74%是由产甲烷菌代谢产生的[2]；另一方面，产甲烷菌在有机质的厌氧生物处理工业应用中发挥着关键的作用，如沼气发酵、煤层气开发等。因此，对产甲烷菌的研究具有重要的理论和实践意义。3．1．1产甲烷菌的分类1776年，AlessandroVolta首次发现了湖底的沉积物能产生甲烷，之后历经一个多世纪的研究，利用有机物产甲烷的厌氧微生物才大致被分为两类：一类是产氢、产乙酸菌，另一类就是产甲烷菌。W.E.Balch等在1979年报道了3个目、4个科、7个属和13个种的产甲烷微生物，他们的分类是建立在形态学、生理学等传统分类特征以及16SrRNA寡核苷酸序列等分子特征基础上的[3]，随着厌氧培养技术和菌种鉴定技术的不断成熟，产甲烷菌的系统分类也在不断完善。《伯杰系统细菌学手册》第9版将近年来的研究成果进行了总结和肯定，并建立了以系统发育为主的产甲烷菌最新分类系统。产甲烷菌分可为5个大目，分别是：甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷球菌目(Methanococcales)、甲烷微菌目(Methanomicrobiales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)和甲烷火菌目(Methanopy