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污染水体与微生物


河北大学 2011 级研究生课程论文

污染水体与微生物概述 摘 要

在人体生存的生物圈中,被污染的环境主要指大气的污染、土壤的污染和水 的污染,而水的污染与人类的生产、生活关系最密切,也最重要。虽然世界上水 域环境占的比例最大,水总量约为 14 亿立方公里,但大部分是海水,淡水只占 2.7%, 而人类真正所利用的水资源仅有 1%! 现在

污染严重的水环境也就在这 1% 之中,为此,污染水体微生物生态研究对治理污染有重要指导意义。本文主要从 正常水体与微生物、水体富营养化与微生物、水的自净与微生物、水质评价与微 生物四个方面来介绍污染水体与微生物,从而对治理污染有实际意义。 关键词:污染水体;微生物;生态研究;治理

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1 前言
在人类生存的生物圈中,被污染的环境主要指大气的污染、土壤的污染和水 的污染,而水的污染与人类的生产、生活关系最密切,也最重要。虽然世界上水 域环境占的比例最大,但人类真正所利用的水资源仅有 1%,污染最重的水环境 也就在这 1%中,因此污染水体微生物生态研究对治理污染有重要的指导意义。 目前生物法治理污水已经成为世界各国处理城市污水的主要手段。 生物法治 理污水就是利用微生物降解废水中得污染物质,以作为微生物自身的营养和能 源,同时使废水得到净化的方法。由于整个过程基本上是在微生物所产生的酶的 参与下发生的生物化学反应, 因此习惯上常把废水的生物学处理法叫做生化处理 法。深入了解各种生物法治理污染的类型、方法,微生物在各种工艺条件中得群 落结构,以及它们在人为生态系统中的作用规律,就必须了解微生物在污染生态 系统中得重要作用。 污染水体与微生物的研究,为污水的处理提供了理论基础。水质的好坏依据 水质评价来判定。水质的评价在实际应用中一般有几种种方法来评价:水质综合 污染指数、有机污染综合评价。上面的两种评价方法都是用检测污染物质的指标 进行评价。 在水体中能否找到一些指示水体污染程度的水生生物, 通过它们的种类和数 量统计来对水质进行评价?这是因为水体生态系统中生物与环境有密切的关系, 环境的变化都对生态群落有不同的作用。国外对此进行了大量的研究,已提出几 种关于污染水体指示生物的分类系统。

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2 本论
2. 1 正常水体与微生物 2.1.1 正常水体的组成
正常水体指未污染的河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、海洋等。 正常水体的组成主要有三部分 (1)溶解物质,包括水中各种无机盐类,如钙、镁、锰、铁、硅、铝、磷 等物质。 (2)胶体物质,包括硅酸、腐殖质胶体。 (3)悬浮物,包括粘土、砂、细菌、水生动植物。

2.1.2 正常水体的理化指标
(1)外观:清亮、透明、无色无味 (2)PH:一般为中性,多数在 6.0-7.5 (3)色度:纯水无色,海水浅蓝色 (4)悬浮固体(SS Suspended solid) 主要包括两部分:一部分为挥发性悬浮固体(VSS) ;另一部分灼烧 后留下的悬浮固体的固体残渣。 悬浮固体的量与水的透明度、浊度有关。并且 SS 和 VSS 是重要的水 质指标,VSS 还可作活污泥量的指标。 (5)透明度:决定于水中的色度浊度,测定透明度用塞氏法。

图 2-1 塞氏法测定板 如图制一圆铁板,用漆涂成黑白相间十字,背而坠重物使能下沉。中心固定 绳子,测定板放入水中,一直往下沉,直到看清赛事板的黑白十字形,此时水的
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深度就自作透明度。用米表示。透明度越高,表示水质越好。 成小英等发现,利用群落间的相互作用及人工干预,若干种水生高等植物不 仅能够引种存活,而且能够快速提高水体透明度、改善水质。[1] 张运林, 秦伯强等本文根据—2001 年太湖站常规监测资料及 2001-2002 年周 年实验资料,分析研究了太湖水体透明度的分布特征、季节变化,重点分析了透 明度与光学衰减系数、悬浮物及叶绿素 a 的相互关系,阐述了影响透明度的主要 因子。研究表明:太湖透明度的区域分布为湖心区最低,其次是河口区.东太湖 最高;季节变化表现为全湖平均透明度夏秋季大、冬春季小,不同湖区变化不尽 相同。[2] 王德玉、冯学智研究了水体透明度的遥感监测方法,并在钱塘江入海口水体 的时空变化监测中应用.利用 EXP(TM1/TM3)模型来提取水体透明度(DDD)信 息.通过 6 个感兴趣区域的 SDD 均值对比分析发现,在 1984-1997-2000 年间, 该水域的水体透明度都呈下降趋势.用对 2000 年 SDD 图像划剖面的方法,来研 究水体的空间变化特点, 结果表明, 从西到东, 水体透明度大体上呈下降趋势. (6)溶解氧 DO 在一定温度及压力下,溶解于水中氧的含量为溶解氧,一般用 ppm 表示。 正常水体中得溶解氧来自三个途径:本身含有一定浓度的溶解氧;大气向氧 不足的水体扩散氧,直到饱和;水体中得绿色植物及光合微生物进行光合作用, 放于水中的氧。 水体的溶解氧是水质的重要指标。 (7)生物化学需氧量 BOD 水中生物,在生化过程中用于氧化一升水中的有机杂质所需要氧的毫克数。 也可以用来间接表示废水中有机物质的含量, 也代表水中有机污染物在好气微生 物作用下进行氧化分解时所消耗的溶解氧量。 BOD 是一个水质评价的重要指标, 也可以反映水体是否污染、 污染程度和水处理净化效率, 在水质监测中广泛应用。 微生物在 BOD 测定瓶中耗氧情况,大致分为七个阶段: (如下图)
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图 2-2 1. 2.

BOD 曲线

微生物增殖的迟缓期,耗氧量增加缓慢。这是由于菌体所处营养及环 境条件发生变化,细菌处于适应阶段,在图上表现为 1. 细菌对数期,异养细菌吸收水中的营养物质(新增的污染物质)而迅 速增殖,呈几何级数的增长。因此耗氧量迅速增加,在图上表现为 1 至 2 曲线。

3. 4.

耗氧曲线平缓,这是水中养分为异养细菌所消耗,使生长减慢,进入 生长速度与死亡速度大致相同的生长稳定期。 耗氧速度再次上升,主要是原生动物活动所引起的。异养菌到生长阶 段后期,死亡菌逐渐增多,成为原生动物的食物,有利于原生动物繁 殖,表现为曲线上升。原生动物耗氧量占 20%左右,在图上表现为 3 到 4.

5. 6. 7.

耗氧曲线再次平缓,随着原生动物的食料逐渐耗尽,从而大量死亡所 致。 氧吸收速度再次上升,这是由于自养菌—亚硝化菌、硝化菌对氨、亚 硝酸盐进行氧化,消耗氧的结果。图示 5-6。 所有的微生物都在减少,一些无机物也逐渐被氧化,最终稳定为二氧 化碳和水,因此曲线平缓。

以上是典型情况,实际测定中,因基质不同,微生物的种类和数量不同,也 有不同的变化。 (8)化学需要量 COD 用强氧化剂使被测有机物进行化学氧化,1 升水中所消耗氧的毫克数。 常用的氧化剂有高锰酸钾和重铬酸钾。高锰酸钾氧化物质的能力较弱,一般 能够氧化物质的 60%。 重铬酸钾氧化物质能力强, 一般能氧化物质的 80%-100%。 实际使用中常把 COD 的测定值近似地代表水中全部的有机物含量。 (9)含氮化合物 水中的含氮化合物主要包括蛋白质、氨基酸、尿酸、尿素、氨、硝酸盐、亚 硝酸盐等形式。在正常水体中,含氮化合物很少,若受到污染,水质就会受到不 良影响,因此,含氮化合物也是一项水质测定指标。一般主要测定水中的氨氮、 亚硝酸盐氮、硝酸盐氮。 有机氮化物(微生物)—氨态氮(亚硝化细菌)—亚硝酸盐类(硝化菌类) —硝酸盐类 有机物——无机类(微生物) 被微生物、植物营养吸收。 清洁的水体,氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐类都很少,严格控制,否则对人体 健康产生不良影响。硝酸盐在肠胃中,被厌氧微生物转化成亚硝酸盐或亚硝酸, 吸收到血液中,使血红蛋白中的二价铁转化成三价铁,成为高铁血红蛋白,因而

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失去输送氧的能力,组织细胞就会因缺氧坏死,成为高铁血红蛋白病。

2.1.3 正常水体的微生物群落
海水微生物区系:盐生盐杆菌(12%或者饱和的盐水)水活微球菌或寄啊单 胞菌属的一些菌能在 400-500 个大气压下生长繁殖。常见的有:假单胞菌属、枝 动菌属、弧菌属、螺菌属、梭菌属、变形菌属、硫细菌、硝化菌等、 淡水微生物区系:有机质含量低,微生物数量少。以化能自养和光能自养微 生物为主,如硫细菌、铁细菌、衣细菌、蓝细菌、腐生菌、水霉属酵母属等。 微生物对周围水生环境中的物质浓度,分为三类:一、贫营养细菌;二、兼 性贫营养细菌;三、富营养细菌。

2.2 水体富营养化与微生物 2.2.1 水体的富营养化
富裕的水,指富含磷盐和某些氮素营养的水。营养物含量高,异养细菌数量 高,微生物代谢活动快,水中氧耗尽,水体变质。藻类大量生长,水体变浊,大 量藻类生长,成为“水华”现象。在正常的水体,光合作用形成的有机物和分解有 机物的呼吸作用之间存在着基本的平衡,即 P=R[4] 面对云南滇池水体富营养化问题, 综合评价和分析了滇池水体富营养化变化 特征及成因[5]。全为民等概述了农业面源污染在水体富营养化中所起的重要作 用,以及防治措施 。
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2.2.2 富营养化水体的微生物
水体富营养化程度增加,水中贫营养菌减少,富营养型细菌数量增加,成为 水中的优势菌,主要有变形杆菌、产气肠杆菌、大肠杆菌、产碱杆菌、弧菌、螺 菌和芽孢杆菌。

2.2.3 富营养水体物质降解的研究
藻类特别是蓝藻,成了富营养化水体的特征。许多研究表明,藻类生长的限 制因子是磷和氮。用生物法修复营养化湖泊的理论已经研究清楚,尤其是去除水 体和底泥碳、氮、磷[7]。 (1)降解磷的微生物类群。磷细菌、硝化菌类、硫化菌类、气单胞菌属、假 单胞菌属、肠气菌属等。 (2)磷降解的环境因素:通气量(溶解氧)的影响;PH 的影响;有机物的 影响。经研究表明,溶解氧升高,PH 升高,有机物的含量增多可以提高磷的降 解速度。[8] (3)氮的转化:氨化作用、硝化作用、还原作用、固氮作用。通过假单胞菌

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属、变形杆菌属、亚硝化单胞菌属、硝化杆菌、芽孢杆菌属、蓝细菌等使氮转化。 目前已经利用甲基对硫磷降解菌消除农产品表面农药污染[9],从而减少污染 物质流入水体,从根源上减少营养成分。

2.3 水体自净与微生物
水体自净是指水体受到污染后,由于物理、化学、生物等因素的作用,使污 染物的浓度和毒性逐渐降低, 经过一段时间, 恢复到受污染以前状态的自然过程。 水体自净分为四个阶段:

图 2-3 河流自净过程中水体所起的变化 (1) 污染段。有机物浓度骤增,异氧菌大量增殖呈直线上升,致使溶解氧 急剧下降,微生物群落多样性减少,少数降解污染菌增多。氨及磷酸 元素也开始逐渐上升。 (2) 分解阶段。有机物的浓度由于异养菌的作用而显著下降;接着捕食细 菌的原生动物大量出现,异养菌的数量明显衰减;因而水中蛋白质的 降解使游离氨氮增加。 (3) 恢复阶段。有机物浓度下降到最低点;异养菌细菌由于被原生动物吞 噬或死亡而数量减少,原生动物失去食料数量也在减少。溶解氧恢复 到原来水平,由于氨经硝化细菌的作用而形成硝酸盐与亚硝酸盐。水 中有机物的矿化中还有磷酸盐和硫酸盐的生成,因此藻类大量生长。 (4) 清水阶段。水体的自净过程完成,各项指标基本恢复到未污染前的水 平。 水的自净是大自然维持自身平衡的一种能力。 然而水的自净能力是有一定限 度的,它受到水中溶解氧和温度的制约。当水中有机物浓度很高,使水中的溶解 氧为好氧微生物的呼吸过程中所大量消耗时,会造成水体的缺氧,从而使好氧微 生物的活动受到抑制,厌氧微生物的活动却活跃起来。由于厌氧微生物对有机物

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的发酵,使有机物不彻底氧化,产生许多恶臭的发酵中间产物,如腐胺、尸胺以 及二氧化硫、甲烷、氨气等。二氧化硫遇铁又能产生黑色的硫化铁沉淀。水质就 变黑、发臭。 滇池是我国最大的高原湖泊,因污染负荷的大量输入,近年来已经急剧富营 养化,水华现象日益严重。大清河是流入滇池的主要支流之一,也是入湖污染负 荷的重要通道。谭燮通过研究大清河河口水环境变化特征和自净能力,对控制入 湖污染负荷具有重要意义。[10]

2.4 水质评价与微生物 2.4.1 水质评价
(1)水质综合污染指数 WQI 具体评价水系中存在的主要污染物,选用酚、氰、砷、汞、镉、铅、铬、氟 八种有毒物质作为污染物种类。 (2)有机污染综合评价(A) 涉及到 BOD、COD、DO 值

2.4.2 指示生物
指示生物及污化系统 污染系统指示生物包括细菌、真菌、原生动物、藻类、底栖动物、鱼类等、 污化系统各带的划分及其特点。 (1)α—多污带。在靠近污水污染源下游,水色暗深、浑浊,含有大量有 机物,溶解氧量为零,BOD 值高,生物种类单一,以细菌为主。 (2)α—中污带。灰色灰暗、水面有泡沫或浮泥,溶解量很少。有机质以 氨和氨基酸存在,半厌氧状态,BOD 值已下降。有细菌,腐生菌类、自养菌很 多。 (3)β—中污带。水色黄绿灰,溶氧量升高,有机物含量减少,BOD 少, 悬浮物少,氨和氨基酸进一步氧化为铵盐、亚硝酸盐和硝酸盐。细菌减少,有藻 类和原生动物如大型水蚤、草履虫等。 (4)寡污带。河流自净作用已经完成,溶解氧正常,无机化作用彻底,有 机物已完全分解,蛋白质已转化硝酸盐类、BOD 小,悬浮物少。细菌更少,藻 类有硅藻等,原生动物有水蚤等,并有大量的浮游植物、显花植物、鱼类、虾类 等。 目前,李玉娟等人简述了线虫作为土壤健康指示生物的优势,归纳了常用指 数和分析方法, 对成熟指数及基于营养类群的一些指数和分析方法进行了详细介 绍[11]。正如线虫可以作为土壤健康指示生物,在水体中也存在一些可以指示水体 健康评价的指示生物。为了利用指示生物来检测和评价污水厂处理效果,王春丽
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等人在不同的水质情况下对指示生物的种属、数量、活性及其组成和数量进行了 检测和分析,结果表明,通过检测污水厂曝气池中纤毛虫组合率可以预报出水质 情况; 观察与监测指示生物的生物相和生长变化情况能及时反映水厂运行的异常 情况,据此能够及时指导污水处理厂的生产运行,保证污水厂的处理效果。[12] 黄耀芬发现可以用寡毛类来做水质有机污染的指示生物。

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3 结论
到目前为止,正常水体中的微生物、水体富营养化中的微生物、水体自净与 微生物的作用、以及水体评价与指示微生物基本上已经研究清楚,对用生物法处 理污水奠定了理论基础。用生物法处理污水,具有很多特点:如具有很强的吸附 力,又有良好的沉降性,处理效果好。据研究,生活污水在 10-30 分钟内,可因 活性污泥的吸附作用而除去 85%-90%的 BOD,废水中的铁、铜、镍、钾等金属 离子,约有 30%-90%能被活性污泥通过吸附除去;具有很强的分解、氧化有机 物的能力,处理效率高。在废水生物处理的人造生态系统中,物质迁移转化效率 之高,是任何天然生态系统所不能比拟的,一个普通的活性污水泥水处理厂,每 天每立方米曝气池能转换 1-2 公斤干有机物, 它比一片高产的森林中所发生的矿 化作用效率要高几百倍;适用范围广。由于微生物具有代谢类型多样和生长繁殖 快,易变异等特性,可适用与多种废水的处理,并且进一步开发利用的潜力还相 当大;可处理水量大,方法较成熟。目前,国外百万吨以上的废水处理几乎都是 用生物法;成本低,无二次污染。生物法处理污水是遵循自然水体自净的规律, 人为加强各环节的作用条件,加快了这一过程的速度。所以投加的人力物力比其 它方法要少得多,而且处理彻底,无二次污染。

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参考文献
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