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1、1,污染水环境生态及生物修复,2,一、生态系统的概念和组成,生态系统=生物群落+环境条件（一定时间和空间内）生物圈,环境条件,生产者,消费者,分解者,生物生产,能量流动,物质循环,信息传递,生态系统是动态的、平衡的、具有自我调节能力。,3,土壤是微生物最良好的天然培养基。土壤是物理、化学性质极其复杂、多变的体系。,4,生态条件营养：能够提供微生物所需要的所有营养物质pH值：3.58.5，多数5.58.5渗透压：0.30.6MPa，低渗或等渗环境氧气和水：多孔结构，利于空气和水分传递温度：保温性较强保护层：避免太阳直射,5,第二节 土壤微生物生态,植物根系土壤中微生物的荧光照片,一 水体自净 河
2、流接纳了一定量的有机污染物后，在物理的、化学的和水生物（微生物、动物和植物）等因素的综合作用后得到净化，水质恢复到污染前的水平和状态，叫作水体自净。任何水体都有其自净容量。自净容量是指水体正常生物循环中能够净化有机污染物的最大数量。,7,水体自净过程,8,9,衡量水体自净的指标,P/H指数：光合自养微生物与异养微生物的比值,10,污化系统,当有机污染物排入河流后，在排污点的下游进行着正常的自净过程。沿着河流方向形成一系列连续的污化带，根据指示生物的种群、数量及水质划分为多污带、-中污带、-中污带和寡污带，污化指示生物包括细菌、真菌、藻类、原生动物、轮虫、浮游甲壳动物、底栖动物、软体动物和水生昆
3、虫。,11,生物种类多、细菌数量少、浮游植物多,12,水体富营养化,总磷20mg/m3，无机氮300mg/m3,富营养化是由于过量的无机营养元素、有机物和悬浮泥沙进入湖泊水库内，导致生物繁殖大幅度增加。通常表现为藻类滋生，根生或浮游生物大量生长，以致达到公害的程度。,蓝细菌：微囊藻、腔球藻、鱼腥藻,13,水体富营养化的危害,导致饮用水嗅味和颜色，危及鱼类生存，影响工农业使用，影响娱乐功能等；大量浮游植物或者浅水根生植物的生长繁殖，可能导致湖泊沼泽化，容积大幅度减少；植物分解消耗大量溶解氧，释放溶解性有机物，导致水质急剧恶化；藻类释放藻毒素，危及水环境整个生态系统。,14,评价水体富营养化的方法
4、,观察蓝藻等指示生物；测定生物现存量；测定原初生产力；测定透明度；测定氮磷等导致富营养化的物质。,AGP：藻类生产的潜在能力,15,污染水体生物修复：生态修复工程,控制面源污染：人工湿地,16,废水土地处理,18,人工湿地,22,人工湿地,23,台北縣二重疏洪道人造濕地,24,位於日本大阪港內之南港野鳥園創造型濕地,25,水体修复：人工内湖和人工浮岛,26,27,28,第二章 物质循环,第一节 碳循环第二节 氮循环第三节 硫循环,水生环境中的碳循环,30,1.纤维素多糖化合物,乳酸,纤维二糖,葡萄糖,能降解纤维素的微生物：主要是霉菌和一些特殊的细菌：纤维粘菌、纤维杆菌、莲霉菌、曲霉、青霉、木霉
5、,纤维素、半纤维素、木质素转化,酶,31,2.半纤维素,分子结构：由聚戊糖、聚己糖、聚糖醛酸构成降解过程：半纤维素单糖+糖醛酸 能降解纤维素的微生物：芽孢杆菌、假单胞菌、放线菌。,第一节 碳循环,32,3.木质素（lignin）,降解机理（较为复杂）：芳醚链断裂苯丙烷大分子解聚、能降解木质素的微生物：担子菌纲，如白腐菌,第一节 碳循环,33,二、淀粉,分子结构：多糖 降解过程：淀粉糊精麦芽糖葡萄糖 降解微生物：主要有霉菌（曲霉、根霉）,三、脂肪,第一节 碳循环,34,四、芳香化合物,第一节 碳循环,35,苯甲酸、粘康酸,第一节 碳循环,36,五、烃类（脂肪烃）,降解微生物：主要是一些细菌、酵母
6、菌,第一节 碳循环,37,六、合成洗涤剂,降解微生物：主要是芽孢杆菌、假单胞菌（恶臭假单胞菌）,第一节 碳循环,38,分子结构与生物降解性的关系（一般规律，但例外较多）,1）增加A类取代基一般降解性变差，B类有时可以增加降解性。,能使降解性降低的基团称异源基团。（xenophore）,2）异源基团数目增加，降解性越差。,第一节 碳循环,39,3）异源基团的位置对生物降解性产生显著影响。,第一节 碳循环,40,第一节 碳循环,41,一、氮循环过程及微生物的作用,42,氮循环过程,43,二、氨化、硝化与反硝化,氨化细菌（Ammonifier）：种类繁多（荧光假单胞菌、变形杆菌等）,第二节 氮循环,
7、44,2、硝化作用：氨氧化成亚硝酸、硝酸的过程,分两步进行（好氧条件）,限速阶段、控制阶段,几个术语：氨氧化、亚硝（酸）化、亚硝酸氧化、硝酸化,第二节 氮循环,45,常见的硝化细菌,第二节 氮循环,46,化能自养好氧适于中性和弱碱性环境生长速度慢，世代时间824小时对有害化学物质敏感（用于毒性测定）,硝化菌的主要特性,第二节 氮循环,47,(1)溶解氧（DO）：DO低于0.5mg/L时，硝酸菌活性受到抑制，而亚硝酸菌（即氨氧化菌）对低溶解氧的耐受程度高于硝酸菌，DO低于0.5mg/L时仍能正常代谢。(2)温度：温度低于12oC，硝化活性明显下降，30 oC时活性最大，超过30 oC时，活性反而
8、降低。(3)pH值：亚硝酸菌的最适pH范围为7.0-7.8，而硝酸菌的最适pH范围为7.7-8.1。pH值过高或过低都会抑制硝化活性。硝化过程常大量产酸，可使pH值降低，限制硝化作用进行，运行中应随时调节pH值。,影响硝化作用的主要因素,第二节 氮循环,48,(4)营养物质：硝化菌为自养微生物，生长不需有机质。在污水处理中，硝化反应一般在有机物浓度较低的条件下较易发生。(5)氨氮：氨氮浓度大于100-200mg/L时，对硝化反应呈现抑制作用。(6)毒物：硝化菌对毒物的敏感度大于一般细菌，大多数重金属和有机物对硝化菌具有抑制作用。一般来说，亚硝酸菌比硝酸菌对毒物更敏感。,第二节 氮循环,49,3
9、、反硝化作用（Denitrification）,定义：硝酸、亚硝酸盐在无氧条件下被微生物还原成亚硝酸和氮气的过程。,反硝化菌（Denitrifying bacteria）及其特征：参与反硝化作用的细菌叫反硝化菌大多数是异养菌（反硝化杆菌、荧光假单胞菌），也有一些自养菌（硝化硫杆菌）大部分是兼性细菌，有氧气时利用氧气呼吸，厌氧时 利 用硝酸和亚硝酸根呼吸,第二节 氮循环,50,(1)营养物质：反硝化作用需要足够的有机碳源。甲醇、乙醇、乙酸、苯甲酸、葡萄糖等均可作为碳源。其中利用最多的是甲醇，因为它价廉，而且氧化分解产物为水和二氧化碳，不留任何难降解中间产物。在饮用水的脱氮处理中宜采用乙醇，以避免
10、残留甲醇对人体的危害。(2)溶解氧：在O2和NO3-同时存在时，反硝化菌首先利用O2作为最终电子受体，只有溶解氧浓度接近零（氧化还原电位 0-100mV)时才开始进行反硝化作用。(3)温度：最佳温度为3040 oC。温度0oC，反硝化菌的活动终止，温度超过50 oC时，反硝化活性急剧降低。(4)pH值：最适合pH值范围为7.0-7.5。pH值对反应成物也产生影响。pH在中性范围内有利于N2的产生。,影响反硝化作用的主要因素,51,一、硫循环过程及微生物的作用,52,2.硫化作用：H2S被氧化生成S和H2SO4的过程。,1.有机硫的转化（矿化）,1）硫磺细菌的一般特性能利用还原态硫化物（H2S、
11、S等）为能源的细菌；自养型；在细胞内能积累单质硫。,H2S充足时，,细胞内积累硫而形成硫磺颗粒。,第三节 硫循环,53,特点：利用硫化物作能源，但不能在细胞内积累硫单体。,2)硫化细菌的一般特性,第三节 硫循环,54,3.反硫化作用：硫酸盐被还原成硫化氢的过程。,反硫化作用微生物：硫酸盐还原菌（e.g.去硫弧菌）,厌氧且在有机物存在的条件下：,硫酸盐还原菌（反硫化细菌）,严格的厌氧菌，能进行反硫化作用的细菌有：脱硫脱硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans）巨大脱硫弧菌（Desulfovibrio gigas）至黑脱硫肠状菌（Desulfotomaculum nigrificans）,第三节 硫循环,
