江南大学微生物课件 第七章 微生物生态[1]

第七章 微生物生态

和废水的生物处理

? 生态系统ecosystem ：

在一定的时间和空间内生物群落与它们的环境通过物质循环和能量流动相互作用,相互依存而构成的一个生态学功能单位。

生态系统=生物群落（生产者+消费者+分解转化者） + 环境条件

? 生物群落community ：指生活在特定空间或区域的所有生物种群的集合体

? 种群population ：指生活在特定空间或区域的同一物种的所有个体的集合体

? 生物圈biosphere ：地球上所有生物群落以及它们生存的环境的总体，统称为生物圈。 ? 微生物只是生态系统中生物群落的一部分。

微生物在生态系统中的作用

? 有机物的主要分解者；

? 物质循环中的重要成员；

? 生态系统中的初级生产者；

? 物质和能量的储存者；

? 地球生物演化中的先锋种类

第一节自然界中的微生物

一、土壤中的微生物

（一）土壤的生态条件：

土壤具备微生物生存必需的基本条件

? 水分：

? 营养状态：有机物、无机盐、微量元素等。

? pH：3.5~8.5，多数在5.5~8.5。

? 氧气：

? 渗透压：0.3~0.6MPa，适合于微生物生长

? 温度：

? 保护层：几毫米厚

（二）土壤中微生物的种类、数量和分布

? 数量：108 ~109 /克肥沃土, 106 ~107个/克贫瘠土

? 种类：细菌＞放线菌＞真菌＞藻类＞原生动物

个/g:108 107 106 104 103

kg/亩：75 150 7.5 15

? 分布：

9水平分布：取决于有机物的种类和浓度

9垂直分布：表面土数量少；5~20cm处最多；20cm以下随深度增加而减少

（三）主要类群：

? 细菌：主要为异养菌，适宜在潮湿、pH近中性土壤中生长，以中温好氧和兼性厌氧为多，其中以G+为多见，厌氧菌较少，主要为梭状芽孢杆菌。

? 放线菌：异养型，pH 6.5-8.0 时种类数量丰富，主要存在于有机质丰富的土壤中，干旱土中较多

? 真菌：异养型

9霉菌：严格好氧类群，在通气良好的耕作土壤中广泛分布，酸性土壤中霉菌比例增加 9酵母菌：几个～几千个/克，果园、养蜂场等含糖丰富土壤中较多（105个/g）

? 藻类：光能自养型，较少，一般103 ~104/克，主要生活在光照和CO

供应充足的浅层土中

2

? 原生动物：数量变化大， 10 ~105/克不等，富含有机质的土壤含量较多

我国主要土类中的微生物数(万/g干土)

二. 水中的微生物

（一）水体的生态条件：

? 营养状况：

? 温度：各种水体也有较大差异，并随着季节等有较大变化。一般淡水在0~36℃之间，海洋水温在5℃以下，温泉水温可在70℃以上。

? 氧分压：水体中空气供应较差。因此，氧气是水生环境里最重要的限制因子。静水湖泊更为明显，江河水域由于水的流动溶解氧能不断得以补充。

? pH值：变化范围3.7~10.5之间，大多数淡水pH值6.5~8.5，适于微生物生长。

（二）水中微生物的来源

? 水中“土著”微生物

? 来自土壤的微生物

? 来自污水、有机物垃圾、死的动植物和粪便等中的微生物

? 来自空气中的微生物

（四）水体微生物群落

? 海洋微生物群落：水中细菌以G-为主，常见的海洋微生物有假单胞菌、弧菌、黄色杆菌、无色杆菌、芽孢杆菌和藻类等。

9水平分布：沿海比外海多；受内陆气候、雨量和潮汐的影响。

9垂直分布：受阳光、溶氧及压力影响，海面（0~10M）受阳光照射，含菌量少（好氧异养菌），藻类较多；5~10M以下至25~50M处微生物数量较多（兼性厌氧），且随海水深度增加而增

加；50M以下微生物数量随海水增加而减少。在海底因沉积有很丰富的有机物，微生物数量增多（兼性厌氧、厌养、硫酸还原菌等，以厌养腐败细菌为主）。

9按栖息地可分为底栖性细菌、浮游性细菌和附着性细菌；

9大多数是耐盐或嗜盐微生物；部分为低温微生物；

9有些还耐高的静水压力，甚至嗜高静水压力。

? 淡水微生物群落：微生物种类和土壤中差不多，但仍以G-菌为主，分布规律和海洋中的相似。9影响因素：水体类型、受污染程度、有机物含量、溶解氧量、水温、pH及水深。

9水平分布共同特点：沿岸水域有机物较多，微生物种类和数量也多。

9淡水微生物一般是中温性的。少数生活在温泉中的细菌是耐热或嗜热微生物。

（五）饮用水卫生细菌学

? 由水传播的最重要的传染病是痢疾、霍乱和伤寒，它们都是肠道传染病。肠道病原菌都是通过粪便污染水源而传播的，因此防治饮用水传染病的关键是要严防水源被粪便污染。

? 比较理想的指示菌是大肠杆菌；

? 大肠杆菌的检测容易受一些形态和理化特性相似的细菌的干扰；

? 选择大肠菌群（coliform)作为指示菌！

? 大肠菌群是一群好氧和兼性厌氧的，能在37℃24h内发酵乳糖产酸产气的革兰氏阴性无芽胞杆菌的总称。一般包括大肠埃希氏杆菌、产气杆菌、柠檬酸盐杆菌和副大肠杆菌等。

? 水中大肠菌群数量超过一定的数量，则说明水源可能被粪便污染，有存在肠道病原菌的可能性。

? 大肠菌群的测定方法通常采用MPN法。

?我国《生活饮用水卫生标准》GB5749-85关于饮用水的卫生标准为大肠菌群≤3个/L

三. 空气中的微生物

1. 空气的生态条件：不适合微生物生长繁殖

?紫外辐射；

?较干燥；

?温度变化大；

?缺乏营养

2. 空气中的微生物的来源

?土壤尘埃；

?水面吹起的小水滴；

?人和动物体表面的干燥脱落物；

?呼吸道的微生物；

?敞口的废水处理系统。

3. 空气中微生物的种类、数量和分布

? 空气中无固定的微生物种类和数量；

? 影响因素：环境卫生状况、绿化程度、尘埃颗粒大小和数量、空气相对湿度、辐射的强弱、人员密度和活动情况、空气流通情况等。

? 主要类群：芽孢杆菌、霉菌和放线菌孢子、野生酵母、原生动物孢囊等。

? 分布：

不同场所空气中的细菌数

第二节微生物之间的相互关系

一、互生（syntrophism）：又称代谢共栖(metabiosis)

? 定义：两种可单独生活的微生物共同生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的生活方式。

单方面的有利：偏利共栖（commensalism）

双方面的有利：互惠共栖（mutualism）

? 特点：可分可合，合比分好。“和睦相处”

? 例1：产甲烷细菌和甲烷氧化菌

? 例2：土壤中的好氧性自生固氮菌与纤维素分解菌

二、共生 symbiosis

? 定义：两种微生物共同生活在一起时，相互依赖，彼此有利，甚至形成特殊的共生体，它们在生理上表现出一定的分工，在组织和形态上产生了新的结构。

? 特点：难分难解，合二为一。“相依为命”

? 例：地衣 Lichen为丝状真菌和藻类的共生体

三、竞争 competition

? 定义：生活在同一环境中的两种微生物，对营养物质、溶解氧、生活空间等共同要求的环境因子的相互争夺、相互受到不利的影响

? 特点：“明争暗斗”

? 例：啤酒发酵过程中培养酵母与野生酵母之间的关系

四、拮抗/抗生 antagonism

? 定义：两种微生物生活在一起，其中一种能产生某种特殊的代谢产物或改变环境条件，从而抑制甚至杀死另一种微生物的现象。

? 特点：“排除异己”

? 例：

①泡菜制作过程中乳酸菌与腐败菌：乳酸细菌产生乳酸，抑制其它腐败菌的生长。

②青霉菌和金黄色葡萄球菌

五、寄生 parasitism

? 定义：一种微生物生活在另一种微生物的体内或体表，依靠摄取后者细胞的营养进行生长繁殖，并使之遭受损害甚至被杀死的一种相互关系。前者称为寄生物parasite，后者称为宿主host

? 特点：“损人利己”

? 例1：噬菌体与宿主细菌

寄生物：食菌蛭弧菌Bdellvibrio bacteriovorus

宿主：大肠杆菌 E. coli

第三节微生物与环境保护? 污染物：对环境有毒害作用的各种有机或无机化合物通称污染物。

（1）无毒有机物：较易分解的有机化合物：多糖类、脂肪类、蛋白类；

（2）有毒有机物：苯酚、多环芳烃和各种人工合成的具有积累性的稳定的有机物。如多氯联苯和有机农药等；

（3）无毒无机物：酸、碱、一般无机盐、N、P等植物营养物；

（4）有毒无机物：重金属、氰化物、氟化物

一、水的污染源

? 工业生产排放的废水；

? 农业生产排放的废水；

? 城镇居民生活废水；

? 废气、废渣中有害物质溶入。

水体污染物的特点

? 种类多；

? 成分复杂多变；

? 理化性质多样；

? 可生物降解性差异大

水体污染物浓度指标及其意义

? TOD、COD和BOD:水中有机物含量的间接指标

9TOD（total oxygen demand，总需氧量）：水中所有能被氧化的物质在高温下燃烧变成稳定氧化物时所消耗的氧量。

9COD（chemical oxygen demand，化学需氧量）：

水中有机物被强氧化剂氧化时所消耗的氧量，单位mg/L。常用氧化剂为重铬酸钾或高锰酸钾，分别记做COD Cr和COD Mn，不标明时则指COD Cr；

9BOD（biochemical oxygen demand，生化需氧量）：

在特定的时间及温度条件下，微生物氧化水中有机物所消耗的氧量，单位mg/L。因一般采用20℃，5天，故常用BOD5表示。

? 一般TOD ≥ COD ≥ BOD

? TOC（total organic carbon，总有机碳）：

污水中有机物的总含碳量。由于有机物都含有碳元素，因此TOC能完全反映污水中有机物的总量。

? DO（dissolved oxygen，溶解氧）：

溶于水体中分子态氧的含量，单位mg/L。是评价水体污染程度和自净程度的指标。一般天然水体为5-10 mg/L。

? P/H指数和BIP指数：评价水体污染程度和自净程度的指标

9P/H指数：水体中光合自养微生物与异养微生物数量之比

9B IP指数：水体中不含叶绿素的微生物和全部微生物数量之比。

? 水体中有机物浓度高，则异养微生物大量繁殖， P/H指数降低，BIP指数升高。

二、污水的微生物处理

? 污水生物处理的方法及种类

好氧处理和厌氧处理

通常低浓度（COD＜1500mg/L）的有机污染物废水适合用好氧处理；高浓度有机污废水（COD≥1500mg/L）用厌氧处理更为适宜。

? 为什么过高COD的废水不宜用好氧法？

有机物浓度过高，好氧生物代谢迅速，水中溶解氧难以即时供应，好氧生物生长受限，很难保证处理质量，而厌氧生物则没有这种限制。

活性污泥法和生物膜法9活性污泥法：微生物在设备中呈悬浮絮凝状态，与污废水接触使之净化的方法，该方法模拟天然水体自净；

9生物膜法：微生物附着于其他物体表面上成薄膜状，与污废水接触使之净化的方法。该方法模拟天然土壤自净

（一）好氧活性污泥法

? 好氧活性污泥法又叫曝气法，由英国人于1914年创建，已成为处理有机废水最主要的方法。

一般可使污水的BOD5减少90~95%。它是利用含有好氧微生物的活性污泥，在通气条件下，使污水净化的微生物处理法。

? 活性污泥 activated sludge

由活性细菌、原生动物和其它微生物与污废水中有机和无机固形物混凝交织在一起形成的絮状体。在污水处理过程中具有很强的吸附和分解有机物和毒物的能力。

?好氧活性污泥及其特性

好氧活性污泥是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与污(废)水中有机的和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体或称绒粒。

好氧活性污泥的特性：

活性污泥有沉降性能；

有生物活性，具有吸附氧化有机物的能力；

有自我繁殖的能力。

?好氧活性污泥的组成和性质

组成：好氧微生物和兼性厌氧微生物(兼有少量的厌氧微生物)与其上吸附的有机的和无机的固体杂质组成。

好氧活性污泥中的微生物群落：中心是能起絮凝作用的细菌形成的菌胶团，在其上生长着其他微生物。如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、原生动物和某些微型后生动物(轮虫及线虫等)。? 构成活性污泥的微生物种群相对稳定，但当营养条件（废水种类、化学组成、有机物含量等）、温度、供氧、pH等环境条件改变，会导致主要细菌种群改变。

? 活性污泥中的细菌主要存在于菌胶团中；多数是革兰氏阴性菌，主要是动胶菌属和丛毛单胞菌属（70％），还有其他革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌以及少量丝状细菌。

生活污水好氧处理时菌胶团中的主要细菌

?好氧活性污泥法的工艺流程

?好氧活性污泥净化废水的作用机理

（二）好氧生物膜法? 生物膜biofilm

生长在固体表面上的一层由多种微生物构成的具有分解有机物和毒物能力的薄膜。

? 好氧生物膜法是模拟土壤废水净化时依靠颗粒表面附着的生物薄膜进行污染物降解的生物处理法。

1. 生物滤池法

生物滤池（塔）中的分层特征

?好氧生物膜的培育

? 自然挂膜法：利用待处理污水中的自然菌种进行生物膜培育的方法。具体做法：一次进水→不进水循环3~7天→慢速连续进水，不断增加进水量

? 菌种添加挂膜法：为加速生物膜的形成或提高生物膜的降解能力，可向污水中投加优良菌种。

具体做法：将待处理污水与接种菌种在生物膜反应器内混合，连续循环3~7天→连续进水，不断增加进水量

2.生物转盘法

生物转盘法是将生物膜固定在许多片等距离紧密排列的、中心由横轴串联的质轻而耐腐蚀的塑料圆盘上的一种污废水的好氧生物膜处理法。

生物转盘法

（三）厌氧生物处理法

在厌氧条件或缺氧条件下，利用厌氧或兼性厌氧微生物分解污水中的有机物的方法，也称厌氧消化或厌氧发酵法。其中沼气发酵（或称甲烷发酵）最为常用。

?厌氧活性污泥性质和组成

厌氧活性污泥是由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质交织在一起形成的颗粒污泥。呈灰色至黑色，有生物吸附作用、生物降解作用和絮凝作用，有一定的沉降性能。颗粒厌氧活性污泥的直径在0．5mm以上。

?厌氧活性污泥净化废水的作用机理

复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段

1．水解阶段

2．发酵阶段（或酸化阶段）

3．产乙酸阶段

4．产甲烷菌阶段

经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。

? 普通厌氧反应器（AP）

? 厌氧接触反应器（ACP）

? 上流式厌氧污泥床（UASB）

? 厌氧流化床（AFB）

（四）氧化塘法

? 氧化塘是人工的、接近自然的生态系统，与自然水体基本相同。

? 氧化塘中的生物

细菌、藻类、霉菌、放线菌、原生动物、线虫及水生植物等。

各种微生物法处理有机废水的比较