环境微生物学

。

第四章微生物的处理

1.根据碳源和能源的不同可将细菌分为哪四类?

根据能源不同分为光能自养型微生物和化能自养型微生物；根据碳源不同分为光能异养微生物和化能异养微生物。

2.紫硫细菌和绿硫细菌属于哪一类?有何用途?

光能自养微生物只有紫硫细菌和绿硫细菌。用途：依靠体内的光合作用色素，利用阳光（或灯光）做能源，以H2O和H2S作供氢体，CO2为碳源合成有机物，构成自身细胞物质。

3.无机自养型细菌在环保中有哪些用途?

固氮，除硫

4.有机污水处理中最重要的细菌营养型是哪一种?

有机营养微生物（异养微生物），异养菌是有机污水处理的主角。

5.红螺菌属于哪一类细菌?有何用途?

光能异养微生物:主要指红螺菌（有氧无光时可化能异养生存)。用途：不受氧气限制，尤其适于高浓度有机废水（食品行业）的高效处理。

6.在液体培养基中添加%的可制得固体培养基?

向液体培养基中加入2％左右的琼脂，加热至100℃溶解，40℃下冷却并凝固。

7.废水好氧、厌氧活性污泥生物处理时BOD5:N:P分别为多少?

污(废)水生物处理中：好氧微生物群体(活性污泥)要求为BOD5：N：P＝100：5：1

厌氧生物处理中的厌氧微生物群体要求BOD5：N：P＝100：6：1

8.比较营养物质进入细胞的四种方式。

无载体不耗能溶质分子不变单纯扩散

不耗能溶质分子不变促进扩散

有载体

耗能溶质分子不变主动运输

溶质分子改变基团移位

9.按照微生物和氧的关系如何进行呼吸的分类？每种呼吸类型属于哪种微生物？

按与氧气关系分为好氧呼吸和厌氧呼吸。

好氧有机物呼吸：化能异养型；好氧无机盐呼吸：化能自养型；

厌氧有机物呼吸：化能异养型；厌氧无机盐呼吸：化能异养型。

作业：为什么水处理中都是先异养菌脱碳再由自养菌脱氨?

1.自养菌反驯化,利用有机物,不再利用氨氮；

2.有机物为主时自养菌生长慢竞争不过异养菌；

3.异养菌分解蛋白质等产生的氨再被自养菌利用；

4.异养菌分解有机物产生碳酸盐作为自养菌碳源。

第五章微生物的生长繁殖和生存因子

1.生长繁殖灭菌消毒世代时间

生长——微生物体积的增长;

繁殖——微生物群体数量的增长;

灭菌——通过超高温或其他的物理、化学因素将所有微生物的营养细胞和所有的芽孢或孢子全部杀死；

消毒：采用较温和的理化因素，仅杀死物体表面或内部一部分对人体或动、植物有害的病原菌。而对被消毒的对象基本无害的措施；

代时（时代时间）——细菌两次细胞分裂之间的时间；

2.细菌数量生长曲线。说明细菌的各个生长时期及在废水处理中的应用。

迟滞期:

对数生长期:高负荷活性污泥法(大部分区域），生长繁殖快，代谢活力强，能大量去除废水中有机物;

稳定期:生物膜法、常规活性污泥法(大部分区域)，虽然比对数生长期的差，但仍有相当的代谢活力，细菌体内积累了大量贮存物，如异染粒、聚β—羟基丁酸等，体表的粘液层和荚膜强化了细菌的生物吸附能力，自我絮凝、聚合能力强，在二沉池中泥水分离效果好，出水水质好.

衰老期:低浓度污水延时曝气法,污泥的厌氧消化。营养物浓度过低，难以满足其他阶段细菌的生长需要。

3.温度、pH 、氧化还原电位、溶解氧、渗透压及化学试剂对细菌的影响。

温度：一般来说无芽孢的细菌在水中加热到100℃迅速死亡；根据细菌最适温度的不同，可将细菌分为四大类，嗜冷菌、嗜中温菌、嗜热菌及嗜超热菌。废水中的细菌一般都是嗜中温菌，最适温度多在30℃左右，嗜冷菌和嗜热菌占少数。低温——细胞结冻～生存温度下限进入休眠状态。

PH：细胞内部由于细胞膜的屏蔽作用、磷酸盐缓冲及细菌能动的调节，pH一般都保持中性，环境的pH难以影响细胞内的pH变化。某些细菌，例如氧化铁硫杆菌和其他极端嗜酸菌，需在酸性环境中生活，其最适pH为3，在pH为1.5时仍可生活。各种工业废水通常设前调节池，维持曝气池pH7左右。事实上，净化污(废)水的微生物适应pH变化的能力比较强，pH在6.5～8.5均可不加调节。

氧化还原电位：过高，将不利于厌氧细菌的生长，应改进工艺降低水中溶解氧量。

溶解氧：

渗透压：渗透压可影响细菌生存：1.相同渗透压溶液中细菌细胞内水含量稳定，细菌生活得最好。等渗透压溶液——0.85％的食盐(NaCl)溶液（生理盐水）。常作为进行细菌稀释分离的稀释液。低渗透压：外界大量水流入细菌细胞内，细胞膨胀，甚至破裂。

化学试剂：细菌有抑制作用。低浓度时可作为细菌的营养物，高浓度则对细菌产生抑制。

4.醇类物质杀菌的原理和应用的种类。

原理：可使蛋白质脱水、变性，溶解细胞质膜的脂类物质，进而杀死微生物机体。

乙醇：体积分数为70～80％的乙醇杀菌力最强。乙醇浓度过低或过纯杀菌力差；

甲醇：杀菌力差，对人有毒，不作杀菌剂。在废水生物反硝化脱氮处理工艺中，缺碳源时常用甲醇作碳源。

其它醇：丙醇、丁醇及其他高级醇的杀菌力均比乙醇强，但由于不溶于水，不作杀菌剂。

5.抗生素对微生物的影响

①抑制细胞壁形成，青霉素抑制革兰氏阳性菌肽聚糖的合成，进而阻碍细胞壁合成；

②破坏微生物的细胞膜，多粘菌素中的游离氨基与革兰氏阴性菌细胞质膜中的磷酸根(P043—)结合，损伤其细胞质膜；③抑制蛋白质合成，氯霉素、金霉素、土霉素、四环素、链霉素、卡那霉素、新霉素、庆大霉素、嘌呤霉素及春日霉素等都能与核糖体蛋白结合，抑制微生物蛋白质合成；④医疗界病原菌的驯化——抗药性，各种抗生素发酵厂的废水分别含有一定浓度的、相应的抗生素，造成在废水生物处理初期的处理效果不好，经过相当长时间的驯化期后，活性污泥中的微生物逐渐适应了各种抗生素，进而降解抗生素，从而废水得到净化。

6.微生物之间的关系

竞争关系、原始合作关系、共生关系、偏害关系、捕食关系、寄生关系。

7.菌种保藏方法有几种？

定期移植法、干燥法、隔绝空气法、蒸馏水悬浮法、综合法。

第七章微生物的生态

1.生态系统生态平衡

生态系统：生物群落和它们所生活的非生物环境结合起来的一个整体，是生物圈的组成单元。

生态平衡：一个生态系统在长时间内，其结构和功能相对稳定，物质与能量的输入、输出接近平衡，在外来干扰下，通过自然调节（或人为调控）能恢复原初的稳定状态。

2.土壤自净和土壤修复

土壤自净：土壤对施入其中一定负荷的有机物或有机污染物具有吸附和生物降解能力，通过各种物理、生化过程自动分解污染物使土壤恢复到原有水平的净化过程，称土壤自净。

土壤修复：是利用土壤中天然的微生物资源或投加目的菌株，甚至用构建的特异降解功能菌投加到污染土壤中，将滞留的污染物快速降解和转化，使土壤恢复天然功能。

3.空气污染的指标和指示菌

一般以室内1m3空气中细菌总数为500-1000个以上作为空气污染的指标。 指示菌：绿色链球菌 4.水体自净容量水体自净及其过程 水体的自净速度是有限的。在正常情况下，水体单位时间内通过正常生物循环中能够同化有机污染物的最大数量称为同化容量或自净容量。 水体自净过程大致如下a.物理作用有机污染物排入水体后被水稀释，有机和无机固体沉降到河底； b.生物作用

溶氧↓ 溶解氧↑ 好氧菌↑—— 好氧菌↓ ———————— 有机物降解 厌氧菌↑ 自然溶氧、藻类产氧 5.衡量水体污染与自净的指标

A ．P ／H 指数与BIP 指数；P 代表光合自养型微生物（如藻类）；H 代表异养型微生物（如细菌等），两者的比即P ／H 指数；P/H =（有叶绿素的微生物数量）/（异养微生物数量）；BIP =（无叶绿素的微生物数量）/（全部微生物数量）×100%≈H/（P+H ）×100%。

B ．氧浓度昼夜变化幅度；氧浓度高低与细菌含量有关，昼夜变幅与藻类数量有关，因此与P/H 或BIP 有关。

C ．水体外观：

D ．指示生物。可作为指示生物的生物种类很多，包括细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、浮游甲壳动物、底栖动物有寡毛类的颤蚯蚓、软体动物和植物和水生昆虫等。

6.水体自净指标综合应用——污化系统

污化系统将污染水体划属为不同的污染带类型。分多污带、α中污带、β中污带、寡污带。

类型外观BIP 生物特征

多污带1． 暗灰色，很浑浊，含大量有机物，BOD 高，溶解氧极低(或无)，为厌氧状态。2． 在有机物分解过程中，产生H 2S 、C02和CH 4等气体。臭味。3． 水底沉积许多由有机和无机物形成的淤

泥。水面上有气泡。60~1001． 种类很少，厌氧菌和兼性厌氧菌种类多，数量大，每毫升水含有几

亿个细菌。有能分解复

杂有机物的菌种，硫酸还原菌、产甲烷菌等。2． 无显花植物，鱼类绝迹。3． 河底淤泥中有大量寡毛类(颤蚯蚓)动物。*河流流向类型外观BIP 生物特征河流流向α-中污带1． 水为灰色，溶解氧少，为半厌氧状态，有机物量减少，BOD 下降；2． 水面上有泡沫和浮泥，有NH 3、氨基酸及H 2S 。臭味。 20~601． 生物种类比多污带稍多。细菌数量较多，每毫升水约有几千万个。2． 出现有蓝藻、裸藻、绿藻，原生动物有天蓝喇叭虫、美观独缩虫、椎尾水轮虫、臂尾水轮虫及栉虾等。**3． 底泥已部分无机化，滋生了很多颤蚯蚓。

7. 总大肠菌群 CFU （细菌菌落指数） 饮用水的微生物指标： 总菌数： < 100个/mL 大肠杆菌：< 3 个/L 8. 水体富营养化 （1）藻类等过量生长，产生大量的有机物； （2）异养微生物氧化这些有机物，耗尽水中的氧，使厌氧菌开始大量生长和代谢；

（3）分解含硫化合物，产生H2S ，从而导致水有难闻的气味；

（4）鱼和好氧微生物大量死亡，水体出现大量沉淀物和异常颜色。

第八章 微生物在环境物质循环中的作用

1.有机污染物的生物净化机理 有机污染物的生物净化机理:净化本质——微生物转化为无机物;依靠——好氧分解与厌氧分解. 好氧分解:细菌是其中的主力军。原理：好氧有机物呼吸 ； 厌氧分解：厌氧细菌。原理：发酵、厌氧无机盐呼吸。

2.多糖污染物、油脂的降解途径

多糖污染物：难溶的多糖，且当一些难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加，从而对环境造成污染。这类多糖主要是纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。 降解油脂较快的微生物： 细菌 —— 荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌 丝状菌 —— 放线菌、分支杆菌 真菌 —— 青霉、乳霉、曲霉 途径：水解+β氧化

类型外观BIP 生物特征河流流向β-中污带1． 有机物较少，BOD 和悬浮物含量低，溶解氧浓度升高；2． N H 3和H 2S 分别氧化为N03—和S042-，两者含量均减少。 8~201． 细菌数量减少，每毫升水只有几万个。2． 藻类大量繁殖，水生植物出现。***3． 原生动物有固着型纤毛虫如：独缩虫、聚缩

虫等活跃，轮虫、浮游甲壳动物及昆虫出现。类型外观BIP 生物特征河流流向 寡污带1． 有机物全部无机化，BOD 和悬浮物含量极低，水的浑浊度低，溶解氧恢复到正常含量。2． H 2S 消失；3． 河流自净过程已完成的标志 0~81． 细菌极少；2． 出现鱼腥藻、硅藻、黄藻、钟虫、变形虫、旋轮虫、浮游甲壳动物、水生植物及鱼。****

3.芳香烃物质相同的后半段降解途径

先被氧化为邻苯二酚，这样各类芳香烃在降解的后半段是相同的，可表示如下：

苯

酚氧化酶酶

萘邻苯二酚酮基己二酸

菲+O2 +O2 +2H

蒽

琥珀酸三羧酸循环

乙酰辅酶A CO2+H2O

4.硫化细菌和硫磺细菌硫化作用自然界中硫循环的过程

硫化细菌：属于硫杆菌属，G—；硫化氢、元素硫、硫代硫酸盐、亚硫酸盐及多硫磺酸盐；产生硫酸，同化二氧化碳合成有机物；多半在细胞外积累硫，有些菌株也在细胞内积累硫。

（1）氧化硫硫杆菌：2S + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 +能量

Na2S2O3 + 2O2 + H2O Na2SO4 +H2SO4 +能量

2H2S + O2 2H2O + 2S +能量

（2）氧化亚铁硫杆菌：4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 2Fe2 ( SO4 ) 3+ 2H2O

硫磺细菌：（1）丝状硫磺细菌包括贝日阿托氏菌属、发硫菌属、辫硫菌属、亮发菌属和透明颤菌属；（2）光能自养硫细菌：2H2S + O2 2H2O + 2S +能量

硫化作用：硫化作用：在有氧条件下，通过硫细菌的作用将硫化氢氧化为元素硫，再进而氧化为硫酸的过程。参与微生物：硫化细菌硫磺细菌。

硫循环的过程：硫的三种状态：元素硫、无机硫化物和有机硫化物

5.铸铁管道被腐蚀和阻塞的原理

在混凝土排水管和铸铁排水管中，如果有硫酸盐存在，管的底部则常因缺氧而被还原为硫化氢。硫化氢上升到污水表层（或溢出污水层），与污水表面溶解氧相遇，被硫化细菌或硫细菌将硫化氢氧化为硫酸。再与管顶部的凝结水结合，使混凝土管和铸铁管受到腐蚀。铸铁水管时，常因水管中有酸性水而将铁转化为溶解性的二价铁，铁细菌就转化二价铁为三价铁（锈铁）并沉积于水管壁上，越积越多，以致阻塞水管。

第九章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理

1.污水生物处理的基本原理

（1）生物絮凝具有荚膜和黏液层的细菌相互粘连形成菌胶团，而菌胶团之间的粘连就形成了体积较大的污泥絮体，如果黏附在载体上即形成生物膜。纤毛类的原生动物对污泥絮体的形成起到促进作用。吸附

（2）生物吸附是发生在微小粒子表面的一种物理化学作用过程：微生物（-）有机物（+）可去除30-90%的重金属离子（Fe3+、Cu2+、Cd2+、Sn4+、Pb2+、Hg2+）

（3）生物氧化大分子有机物质

微生物胞外酶

可溶性的有机小分子物质

透过细胞膜

被氧化分解释放能量

进入微生物细胞内

转化为生物体的组成物质

（4）沉淀作用经过活性污泥处理过的污水，必须进行泥水分离

重力作用沉降

上清液则是污水生物处理系统的最终出水

2.活性污泥好氧生物膜

活性污泥和生物膜是净化污（废）水的工作主体。

活性污泥：有机废水经过一段时间的曝气后，水中会产生一种以好氧菌为主体的茶褐色絮凝体，其中含有大量的活性微生物，这种污泥絮体就是活性污泥。

好氧生物膜：好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料上或生物转盘盘片上的一层带粘性、薄膜状的微生物混合群体。是生物膜法净化污水的工作主体。

3.活性污泥法的基本流程

曝气池

二沉池

污泥回流系统

空气扩散装置

4.好氧生物膜中的微生物种类及其功能

根据位置与功能不同——生物膜生物、生物膜面生物及滤池扫除生物。

生物膜生物：以菌胶团为主，净化和降解作用；

膜面生物：固着型纤毛虫和游泳型纤毛虫，起促进滤池净化速度，提高整体效率的作用；

滤池扫除生物：轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、顠体虫等，起去除滤池内的污泥、防止污泥积聚和堵塞的功能。

5.污泥膨胀预防与控制对策

污泥膨胀：污泥膨胀是指在活性污泥法处理污水的过程中，由于种种的原因所引起的污泥微生物结构的破坏，从而导致污泥的结构松散，体积膨胀，进而影响到污水后续处理过程的现象。

原因：（1）进水水质：原水中营养物质含量不足；原水中碳水化合物及可溶性物质的含量较高；硫化物的含量高；进水波动。

（2）反应器环境：温度、溶解氧、pH值、BOD-污泥负荷。

预防：A.设调节池控制高负荷（BOD、毒物）冲击；

B. 控制溶解氧，溶解氧浓度必须控制在3～4mg/L；

C 调节废水的营养配比，尽量逼近BOD5与N和P的比例BOD5：N：P＝100：5：1；

补N——尿素或含氮量高的污泥消化池上清液；补P——磷酸钠；

D. 改革工艺，将活性污泥法改为生物膜法在曝气池中加填料改为生物接触氧化法SBR(即序批式间歇曝气反应器)法；

对策：（1）调整溶解氧；

（2）调整剩余污泥排放量和回流量；

（3）调整进水量；

（4）调整污泥负荷率；

（5）投加药剂（Bulhibitor ）。

6.活性污泥法处理污水中菌胶团细菌和原生动物的作用

菌胶团细菌的作用：

（1）对有机物进行吸附和氧化分解；

（2）为原生动物和微型后生动物提供良好的生存环境；

（3）为原生动物提供附着场所；

（4）具有指示作用。

原生动物的作用：

（1）指示作用；

（2）净化作用；

（3）促进絮凝和沉淀作用。

7.原生动物与出水水质的关系

8.厌氧活性污泥处理废水的原理和过程

复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段水解阶段、发酵阶段（又称酸化阶段）、产乙酸阶段、产甲烷阶段:

(1)．水解阶段:在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物;

(2)．发酵阶段:梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等;

(3)．产乙酸阶段:上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。

(4)．产甲烷阶段:乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和甲烷菌细胞物质。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。

9.比较好氧处理和厌氧处理的优缺点

厌氧法的优点:1．产生的沼气可用于发电或作为能源;2．对营养物的需求量少好氧方法BOD：N：P=100：5：1，而厌氧方法为（350~500）：5：1，相比而言对N、P的需求要小的多，因此厌氧处理时可以不添加或少添加营养盐;3．产生的污泥量少，运行费用低

繁殖慢；不需要曝气基于这些优点，厌氧处理在食品、酿造、制糖等工业中得到了广泛的应用。但厌氧处理也存在缺点;

厌氧法的缺点:1．出水的有机物浓度高于好氧处理；发酵分解有机物不完全;2．对温度变化较为敏感；工业中需要设置进水的控温装置，37℃。3．厌氧微生物对有毒物质较为敏感；但经过毒物驯化处理的厌氧菌对毒物的耐受力常常会极大地提高。4. 初次启动过程缓慢,处理时间长

好氧处理体系的活性污泥或生物膜通常只需要7天就可以培育成功，而厌氧处理体系的活性污泥或生物膜一般需要8~12周才可以培育成功;5．处理过程中产生臭气和有色物质,臭气主要是SRB形成的具有臭味的硫化氢气体以及硫醇、氨气、有机酸等的臭气。同时硫化氢还会与水中的铁离子等金属离子反应形成黑色的硫化物沉淀，使处理后的废水颜色较深，需要添加后处理设施，进一步脱色脱臭。

第十章污、废水深度处理和微污染水源水预处理

1.微生物脱氮的原理

（1）.好氧硝化：硝化菌（亚硝化细菌、硝化细菌）化能自养型微生物，利用无机碳化合物，如CO2、CO3 2 - 、HCO3 -。（NH3→NO2-→NO3-)，最适pH7.5-8.0。

（2）.缺氧反硝化：

细菌：反硝化细菌（兼性厌氧菌）

反应：NO3-—N反硝化还原为N2，溢出水面释放到大气

碳源：补充投加易于降解的碳源有机物，如甲醇（有毒），用乙醇代替

5CH3OH+ 6NO3- 3N2 +7H2O+5CO2+6OH -

2.脱氮过程中常见问题

（1）.先脱碳、后脱氮：硝化菌的碳源是脱碳菌的代谢产物；有机碳源丰富时，脱碳菌世代周期短生长迅速，硝化菌氧利用不足，生长缓慢。

（2）.硝化脱氮时有时需要补碱（NaHCO3)?

硝化作用消耗碱（NH3），水pH下降（硝化菌的最适pH为7.5-8.0 ）；补充碳源、升高pH

（3）硝化菌世代周期长，容易从活性污泥系统中被洗掉，如何解决？

挂生物膜或投加悬浮填料；定期投菌。

3.除磷的原理和化学机制

原理：依靠聚磷菌（兼性厌氧菌）聚磷，再从水中除去这些细菌。

好氧时：大量繁殖（消耗好氧状态能源——聚β-羟基丁酸盐（PHB）），逆浓度梯度过量吸磷（贮备厌氧状态能源——多聚磷酸盐颗粒(即异染颗粒) ）；

厌氧时：正相反——不繁殖，释放磷酸盐于体外（产生能量供其储备好氧状态消耗能源——PHB）。

4.消毒消毒的方法及原理

消毒：通过消毒剂或其它消毒手段，杀灭水中致病微生物（包括病毒、细菌、真菌、原生动物、肠道寄生虫及其卵等）的处理过程，称为消毒。

消毒方法有：

物理方法：紫外线、超声波、加热

化学方法：加氯、臭氧、重金属离子等化学试剂

（1）加氯消毒：常用氯系消毒剂有氯、次氯酸钠、漂白粉、漂白精等。它们的杀菌机制基本相同，主要靠水解产物次氯酸起作用。原理：可破坏细菌细胞质膜；进入菌体内的HOCl与菌体蛋白或酶蛋白中氨基和巯基反应而达到杀菌作用；还能与细菌、病毒的核酸结合达到杀灭效果。

（2）臭氧消毒法：臭氧是仅仅次于氟的强氧化剂，它有很强的消毒能力。原理能分解细菌内部氧化葡萄糖所必需的葡萄糖氧化酶；并直接与细菌和病毒发生作用，破坏细胞和核糖核酸，分解DNA、RNA、蛋白质、脂肪类和多糖等大分子聚合物，使细菌的物质代谢、生长和繁殖过程遭到破坏；

能渗透细胞膜组织，侵入细胞膜内使细胞发生畸变，导致细胞溶解死亡。

（3）过氧化氢（H2O2）消毒：活泼的氧化剂；仅对专性厌氧微生物起作用；

用于净化程度高的饮用水消毒

（4）紫外辐射消毒：物理方法；适用于优质水及纯水的消毒；

机制：1）破坏蛋白质结构而变性；

2）破坏核酸分子的结构。

（5）加热消毒：不能去除微生物的孢子；

原理：直接快速破坏病原菌的蛋白质，使其凝固发生不可逆变性。

（6）重金属消毒法：铜离子特别适于杀灭藻类，作用迅速，效果良好，但其杀菌作用很弱。硫酸铜常用于湖泊、水库或循环水的灭藻。