环保微生物技术基础简述

环保微生物技术基础简述

写在前面：

环保是涉及多行业、多学科的综合性非常强的一个产业。环保生物技术作为一个交叉性、专业性的学科，发展迅速、前景广阔。我们希望就自己的了解和理解，结合KONODO公司的研究工作和业务推广，做些概述性的提炼和小结，与同行进行交流和探讨。

环保微生物涉及的内容广泛，目前的研究也比较多。相对而言，与历史更悠久的传统研究方向，如医学微生物学、农业微生物学和工业微生物学等相比，系统性、深入性等诸多方面，都还有巨大的进步空间。现从微生物种间、种内关系，微生物与厌氧、兼氧、微氧和好氧，微生态系统等方面进行简述一二，抛砖引玉。

因新兴学科尚处于发展中，难免涉及一些学理和学术观念方面的不同，暂不争论。

1981年，欧州生物技术联盟首次设立了环境生物技术专门机构，并将控制污染的生物技术称为环境生物技术(Environmental Biotechnology)。环境生物技术也称为环境生物工程(Environmental Bioengineering)，是近几十年来发展起来的，由现代生物技术与环境工程相结合的新兴交叉应用学科，涉及生物技术、工程学、环境学和生态学等学科领域的融合。

一、微生物种内、种间关系：

微生物所生存的特定场所中，对微生物的生长、发育、死亡等生命过程具有直接或间接作用的环境要素被称为生态因子。与微生物相关的所有生态因子就构成了微生物的生态环境。具体的微生物个体和群体的生态环境称为生境。

微生态系统中的生态因子有以下几个重要特性：不可替代性；等同重要性；具有限制性和主导性；作用具有综台性。

在环境微生物系统，生物降解过程中微生物种群之间存在复杂的相互作用关系，如共生、互生、协同、拮抗、竞争、捕食、寄生关系等。其中，互生、共生、竞争是环境微生物之间的主要关系。

共生关系在物理水平的协作上。如各种细菌在微生物絮体内的不同区域上共同生活。如，好氧颗粒、生物膜等，同时存在硝化与反硝化作用。在其表层，由硝化菌群利用氧的存在而进行氨的氧化反应，从外向里溶解氧浓度逐渐下降，内层因缺氧而由反硝化菌群进行反硝化反应。

互生关系主要表现在生化水平的协作上。表现为微生物之间相互提供生长因子、代谢刺激物或降解对方的代谢抑制物，维持适当的氧化还原电位或消除中间产物的积累，平衡pH值。

寄生关系由寄生和寄主物两类微生物种群构成，是一种有机体依赖另一种有机体而发育的关系。微生物之间寄生很少，仅有某些霉菌和噬菌体。

拮抗关系和协同关系，相互作用的微生物群体，一种微生物抑制另一种微生物的生长或功能，称为拮抗关系。相互促进生长、增强作用则是协同关系。

种间竞争是两种或多个物种因竞争同一营养因子而对自己种群的数量变动、存活、生长起不利的影响作用。通过竞争作用可以导致种群的分离、种群的消失或种群的共存。竞争可以发生在任何生长限制因子上，如碳源、氮源、磷酸盐、氧、生长因子等。

二、微生物与厌氧、兼氧、微氧及好氧

生物降解过程中微生物生态关系主要包括各种好氧微生物之间，厌氧微生物之间，好氧、兼氧及厌氧微生物相互之间的生态关系。

溶氧量DO

实际生产中，生化工艺或者生化处理系统，常常利用微生物对于氧气的需求而建立，利于实现、便于控制。

硝化反应溶解氧浓度一般不低于2mg/L。

反硝化反应过程中溶解氧浓度宜控制在0.5mg/L以下。

介于好氧与厌氧条件之间，人们构建了多种生化处理工艺，以在同一体系中实现硝化、反硝化等生物脱氮功能。

如：好氧生物颗粒、同步硝化反硝化等。

缺氧条件下，可以实现水解与反硝化的同步；

厌氧条件下，实现氨氧化与反硝化的同步；

氧化沟工艺，好氧条件和缺氧条件的分段存在，实现硝化反硝化

在同一体系中完成；

微氧曝气技术，硝化反硝化等过程在同一体系中实现等。

三、微生态系统

好氧颗粒、厌氧颗粒、微生物膜等都属于功能性微生态系统。

微生态系统内部小生境类型越多，微生物种类越丰富，微生态系统调节功能越强，微生态系统也越复杂和稳定。多样性的微生物生态系统，一方面使得其具备完整的降解酶系或基因组分：另一方面多样性微生物为基因信息的交换和重组提供了适宜的条件和可能，产生新的降解途径。在难降解化合物的生物降解微生态系统中，由于多样性的微生物之间可能发生基因交换与基因重组，从而获得该化合物的降解能力。

微生态系统的代谢是通过不同微生物种群协作完成的。多样性的微生物能够对有机物进行独立降解、共代谢、协同代谢等，其中协同代谢能力是单个微生物所不具有的。协同代谢在降解有机质方面可以表现为分解不完全的降解物，分解共代谢产物以及有毒产物。微生态系统中，多样性的微生物之间的协同作用主要表现为，在微生物之间提供生长因子、转移中间代谢产物、改善生长参数、协同代谢、提供电子受体、共代谢等方面，通过上述关系使微生态系统的生物降解更具广谱性和高效性。

微生态系统平衡是依靠微生态系统的结构与功能之间的关系，来实现微生态系统的相对平衡。生态系统中普遍存在的交流系统、反馈

系统及适应系统。微生态系统的生态平衡与失调，涉及到各种微生物群体内部、微生物群体之间以及微生物群体与环境之间的关系，是微生态系统研究的核心问题。

当外界干预因素影响超过了微生态系统的自身调节能力或其代谢功能的生态阈限值时，则会引起微生态系统的结构与功能失调，即微生态平衡破坏或失调。比如，污水处理中的高负荷压力与冲击、异质性污染物冲击等。

从外部压力或冲击对微生态系统的作用来说，破坏作用表现为两个方面：一是损坏微生态系统的结构，导致系统的功能降低；另一方面是引起系统功能的衰退，导致系统结构的解体。微生态系统平衡失调时，微生态系统的物质循环和能量流动受阻，对环境的调节功能下降，最终导致微生态系统被破坏。

联系到专业的概念，就是前面提到的生态因子。生物降解微生态系统中，特定环境条件下起重要作用的生态因子，直接影响微生态系统的演替和生物降解的过程。生态因子发生变化将导致微生物的物质循环、微生物的能量循环、微生物机体的适应性、微生物链的变动，从而使微生态系统发生动态变化。所以，在生物降解过程中，微生物系统的菌群结构也是不断演替的，实现的是一种结构和功能的动态平衡，微生态系统的平衡主要在于生态系统的反馈功能。

即使对某些特定类型的污染物质具有降解功能的微生物，其活性也随着该特定类型的污染物的浓度而变化，其机制很可能是由于活性酶的基因诱导作用。