1、污染處理生力軍生物降解參與人：張自愿 林輝2010年12月12日 有許多微生物及其活動對人類都是有益的，比如在釀造業、石油發酵、抗生素藥品生產中等，微生物都起著重要作用，但是事物發展都是辯證的，環境中的藍藻、綠藻中的某些種，若過度生長，將引起湖泊發生“水華”和海洋發生赤潮，污染控制微生物學正在研究這些問題，生物降解也成了污染處理的有力手段。 Tips生物降解概述微生物對無機污染物的轉化廢水生物處理基本原理堆肥化處理污染環境的生物修復環境污染的微生物檢測1.1 生物降解概述 生物降解，biodegradation，簡單來說是某些物質（尤其是環境污染物）在生物或其酶的作用下分解的過程。 生物降解是

2、生態系統物質循環過程中偶那個的重要一環，研究難降解污染物的降解是當前生物降解的主要課題。 生物降解有很多種定義，單從污染處理以及可降解材料方面講，我們可以概括生物降解定義為： 一種環境友好型生物降解聚合物材料可通過自然界中的微生物（如細菌、真菌和藻類）的作用而降解生成二氧化碳和水，或者伴有自然發生的水解過程，而不產生任何有毒的中間產物，并且最終沒有有毒或者對環境有害的殘余物留下。即使有殘留物，也必須是天然的，即是生物相容的（如真菌）或是惰性的（如礦物填料）。具體的來說，生物降解分為三種基本類型：Primary biodegradation初級生物降解:指的是母體化合物的結構發生變化，并改變原化

3、合物分子的完整性；Environmentally acceptable biodegradation環境兼容性降解:是指可除去有機污染物的毒性或者人們所不希望的特性；Ultimate biodegradation完全生物降解:指的是有機污染物經過礦化轉化后轉化為二氧化碳和水以及其他的可利用的無機鹽。 1.2 生物降解性 化學結構是決定化合物生物降解性的主要因素，一般一種有機物其結構與自然物質越相似，就越容易降解，結構差別越大，就越難降解。 具有不常見取代基和化學結構使部分化學農藥難于生物降解而殘留。比如塑料薄膜等因分子體積過大而抗降解，造成白色污染。1.3 評價化合物的生物降解性微生物學方法：

4、通常使用純培養在最適條件下研究化合物的降解，降解性是被高估的。環境學方法：著眼于化學物在受污染水體和土壤中的降解性，通常使用取自污染區域或廢水處理廠的混合微生物源或模擬自然條件培養與實驗室的混合微生物培養物來進行試驗研究。對所得結果的評價更接近于野外的實際情況。聚合物結構和材料組成對降解的影響聚合物結構組成生物降解可能性備注化學鍵（不穩定水解）/酯醚氨基化合物尿烷骨架上帶有異性原子的聚合物能只有當帶有能水解基團的時候親水性/親水性越好降解越快一般的相對分子質量/越低降解越快硬度/軟的降解越快形態/無定形的晶體1.4 影響生物降解的因素外因： 水 溫度 PH值 氧氣內因 化合物的結構 官能團 支

5、化和交聯 材料的表面特征生物降解的三種作用方式生物的物理作用：由于生物細胞的增長而使物質發生機械性的毀壞；生物的化學作用：微生物對聚合物的作用而產生新的物質酶的直接作用：微生物侵蝕部分導致材料分裂或者氧化崩裂。1.5 降解性質粒 污染物的生物降解反應和其他生物反應本質上都是酶促反應，降解過程中大部分降解酶是由染色體編碼的，但其中有些酶，特別是降解難降解化合物的酶類是由質粒控制的，這類質粒被稱為降解性質粒（catabolic plasmids). 細菌中的降解性質粒和分離的細菌所處環境污染程度密切相關，從污染地分離到的細菌50%以上含有降解性質粒，與從清潔區分離的細菌質粒相比，不但數量大，其分子

6、也大，信息量也更大，被廣泛深入研究的質粒見附表。2 微生物對無機污染物的轉化2.1 汞的生物學轉化 汞所造成的環境污染最早受到關注，日本的水吳病就是由于使用了含有告訴富集甲基汞的魚和貝類而造成的汞中毒癥，環境中最主要的汞污染源是氯堿工業。 汞的微生物轉化包括三個方面：無機汞的甲基化，無機汞還原成元素汞，甲基汞和其他有機汞化合物裂解并還原成元素汞。 包括梭菌、脈孢菌、假單胞菌等和愈多真菌在內的微生物都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制的，編碼有機汞裂解酶和無機汞還原酶的是

7、mer操縱子。 在被污染的河泥中存在一些抗汞細菌，能把甲基汞和離子汞還原成元素汞，亦可把苯基汞、乙基汞轉化為元素汞和甲烷：2.2 鐵的生物轉化 鐵是生物體中重要的微量元素，自然界中有許多微生物對鐵的轉化起著重要的作用，如氧化亞鐵硫桿菌在酸性環境中能將低鐵氧化成高鐵。 球衣細菌和纖發細菌亦可將低鐵氧化為高鐵，高鐵常以氫氧化鐵的形式沉積在衣鞘上。 在含有亞鐵鹽的工業廢水中，亞鐵被氧化形成不溶性的高鐵，廢水雖得到凈化，但水中貼的沉積物大量積累與不斷增生的絲狀菌體粘合在一起，會造成管道堵塞。2.3 鎘的生物轉化 鎘是毒性很強的金屬，在礦石的熔煉過程中，常有大量的鎘排出。鎘也是汽油添加劑的重要成分，隨著

8、汽油的消耗而被排入大氣。進入水體中的鎘，能通過食物鏈被富集放大，也能以元素的形式直接被富有生物和高等生物吸收。 蠟狀芽孢桿菌、大腸埃希氏菌和黑曲霉等，在含二價鎘化合物中生長時，體內能濃縮大量的鎘。能使鎘甲基化的假單胞桿菌，在有維生素B12存在條件下，能將二價鎘化物轉化生成少量的揮發性鎘化物。2.4 鉛的生物轉化 鉛在地球上分布很廣，用途也非常廣泛。主要用作電纜、蓄電池、合金、防放射線材料等，也是油漆、農藥、醫藥的原料，鉛化物可造成環境污染。 微生物可使鉛甲基化，產生四甲基鉛（具有揮發性）。純培養的假單胞菌屬、產堿桿菌屬、黃桿菌屬、氣單胞菌屬種的某些種，能將乙酸三甲基鉛轉化生成四甲基鉛，但不能轉

9、化無機鉛。3 廢水生物處理基本原理 廢水生物處理的作用原理概括起來說，是通過微生物酶的作用，將廢水中的污染物氧化分解。 在好氧條件下污染物最終被分解成二氧化碳和水；厭氧條件下污染物最終形成甲烷、二氧化碳、硫化氫、氮以及有機酸和醇等。 在廢水生物處理裝置中微生物主要以活性污泥（activated sludge)和生物膜(biomembrance)的形式存在，在廢水厭氧生物處理的UASB反應器中，微生物還能以顆粒污泥（granular sludge)的形式存在。 它們具有很強的吸附和氧化分解有機物的能力，又具有良好的沉降性能，經處理后的廢水能很好的進行泥水分離，澄清水排走，使廢水得到凈化。3.1

10、活性污泥法 活性污泥法處理廢水的實質，是在充分曝氣供氧條件下（好氧處理），以廢水中有機污染物質作為底物，對活性污泥進行連續或者間歇培養，并將有機污染物質無機化的過程。 活性污泥是由復雜的微生物群落與廢水中的有機、無機固體物混凝交織在一起構成的絮狀物。這種處理方法對生活污水的BOD5去除率可達95%，去除懸浮固體也達到90%左右，是一種應用最廣的好氧二級處理方法。3.1.1 活性污泥法的工藝流程 活性污泥法的處理過程相當于一個有部分細胞回流的完全混合的均一連續培養系統。進入曝氣池的污水與污泥相接觸，使污水得到凈化，凈化過程包括兩種作用： 一是生化作用，污水中的有機物為微生物所代謝； 二是物理吸附

11、、化學分解等物理、化學作用。 3.1.2 活性污泥的組成與性質 活性污泥在曝氣池中呈懸浮狀態，而在沉淀池中因其重力而沉淀實現固液分離，沉淀下來的活性污泥被連續回流到曝氣池，以維持污水處理所需的一定污泥濃度。多余的污泥被排除。（見流程圖） 污水處理過程中的微生物是一個按一定需要組合起來適應污水的極為復雜的群落。它包括細菌、真菌、藻類、原生動物和極少數的后生動物。其中異養細菌的數量最多，作用最大，除膨脹的活性污泥外，真菌一般數量較少，藻類也少，相當數量的原生動物起重要作用。 活性污泥法一般用自然的混合微生物群體來處理污水，也可以用人工選育的（包括從自然環境中分離或者遺傳工程菌）一種或多種微生物組合

12、菌群。3.2 生物膜法 生物膜法也是一種常用的生物處理方法。凈化污水的主要原理是附著在濾料表面的生物膜對污水中有機物的吸附和氧化分解作用。 根據介質與污水的不同接觸方式，又有不同的處理裝置與方法，包括生物濾池法、生物轉盤法、生物接觸氧化法等。3.2.1 生物膜的功能 生物膜的功能和活性污泥法中的活性污泥相同，其微生物的組成也類似。由于微生物固著生長在固體膜表面，故生物膜中的生物相當豐富，形成由各種微生物所構成的一個較穩定的生態系統，在該系統中各微生物協同合作完成對污泥的降解處理。3.2.2 生物濾池的工作原理 普通生物濾池是由池體、濾料、布水系統、排水體統等組成。 廢水通過布水器均勻地分布在濾

13、池表面。沿濾料空隙自上而下流動。 在供氧充足的條件下，好氧微生物在濾料表面迅速繁殖，這些微生物又進一步吸附廢水中呈懸浮、膠體和溶解狀態的有機物質，并隨著有機物被分解的同時，微生物也不斷的增長和繁殖，使生物膜厚度不斷增加。當生物膜上的微生物老化或者死亡，濾池中由于某些蠅類的幼蟲活動以及在水流的沖刷下，生物膜將從濾料表面上脫落下來，然后隨廢水流出池外。 3.3 厭氧處理系統 厭氧處理體統用來處理高濃度有機污水，處理過程殺死各種病原微生物，去除有機物，并獲得大量的沼氣作為能源，因此也稱為沼氣發酵。 從復雜的有機物（糖類，蛋白質、脂類）變成甲烷，要經歷一個復雜的生物化學過程。首先在發酵細菌作用下，有機

14、物被解聚，轉化成脂肪酸、乙醇、CO2、H2、NH3.而后產氫產乙酸的細菌把乙醇和脂肪酸（主要是丙酸、丁酸和長鏈脂肪酸）轉化成乙酸、H2、CO2。最后乙酸的甲基被直接還原產生甲烷，CO2被還原也產生甲烷。 3.4 水體富營養化及氮、磷去除技術 水體富營養化（entrophication）是指大量溶解性營養鹽類進入水體，使水中藻類等浮游生物大量生長繁殖，而后因此異養微生物旺盛代謝活動，耗盡了水體中的溶解氧（dissolved oxygen)，水質變差，導致其他水生生物死亡，破壞水體生態平衡的現象。 其中氮和磷是兩種造成水體富營養化的主要營養元素。3.4.1 控制水體富營養化的措施化學藥劑控制：使用

15、硫酸銅，適用于水體面積小的水域。生物學控制：可以利用接種寄生于藻類的細菌，比如粘細菌、壺菌等來抑制藻類生長，但此法尚未在天然水體范圍內實驗。攪動水層：表層水為藻類生長區，可以通過人工攪動破壞水體的分層現象，來控制藻類生長。對二級生化處理的排出水進行脫氮和除磷。3.4.2 氮去除技術 生物脫氮的代表工藝流程是缺氧-好氧（A-O(anxic-oxic)系統。污水流經系統的缺氧池、好氧池和沉淀池，并將好氧池的混合液和沉淀池的污泥同時回流至缺氧池。廢水中的含氮化合物可在厭氧池、好氧池中發生氨化作用，在好氧池中發生硝化作用，回流混合液把大量硝酸鹽帶回厭氧池進行反硝化作用，氮化物被轉化成N2O和N2，從而

16、揮發到空氣中，達到脫氮的目的。 3.4.3 磷去除技術 生物脫磷的代表性工藝流程是厭氧-好氧（A-O（anaerobic-oxic)系統。污泥中的細菌在厭氧條件下吸收低分子的有機物（如脂肪酸），同時將細胞原生質中聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來，取得必要的能量，在隨后的好氧條件下，所吸收的有機物將被氧化并提供能量，同時從廢水中吸收超過其生長所需的磷，并以聚磷酸鹽的形式儲存起來。通過排放污泥達到去磷的目的。活性污泥的脫磷細菌主要是不動桿菌屬，氣生單胞菌屬，假單胞菌屬的細菌。3.5 生態工程處理方法 污水處理生態工程是生態學原理和工程處理設施相結合的污水處理方法。由于這種處理方法和污水的資源化密切相關

17、，因此也稱為污水資源化生態工程。 穩定塘（氧化塘）、土地處理系統、水生植物處理系統等都可以劃歸這個范圍，污水生態工程處理方法與常規的二級處理方法相比，具有投資少、運行管理費用低的優點，同時處理后的出水可以被再生利用，進行資源化。4 堆肥化處理 堆肥化是處理有機廢棄物（生活垃圾及其他無毒廢棄物）的主要方法，是有控制地促進可被生物降解的有機物向穩定的腐殖質轉化的生物化學過程。堆肥產品是具有一定肥力的有機肥，具有保護環境和資源化的雙重效果。因氧的狀態而分為好氧堆肥和厭氧堆肥。 4.1 好氧堆肥好氧堆肥的基本生物化學過程與污水生物處理相似，但堆肥處理只進行到腐熟階段，并不需有機物的徹底氧化。好氧堆肥從

18、堆積到腐熟，微生物在分解有機物的生物化學過程中，改變了周圍環境，自身的群落組成也發生一系列變化。這個過程大致可分為中溫需氧微生物為主的中溫階段（產熱階段）、嗜熱微生物占主導的高溫階段和嗜溫微生物（最適溫度為中溫，能耐受高溫）為主的降溫階段。4.2 厭氧堆肥厭氧堆肥即沼氣化，是將堆料在與空氣隔絕的條件下堆制發酵。其機制與污水處理中的厭氧消化相似，最終可產生甲烷，二氧化碳等產物。該技術在城市下水道污泥、農業固體廢棄物（農作物秸稈等）和糞便處理中得到廣泛應用。5 污染環境的生物修復 生物修復時微生物催化降解有機污染物，轉化其他污染物從而消除污染的一個受控或自發進行的過程。 目前生物修復技術主要用于土壤、水體（包括地下水）、海灘的污染治理以及固體廢棄物的處理。主要污染物是石油烴及各種有毒有害難降解的有機污染物。 生物修復的本質是生物降解，能否成功取決于生物降解速率，在生物修復中可以采取強化措施以促進生物降解：1、接種微生物，增加降解微生