主题：【分享】微生物与环境监测

（二）、有机污染指示菌

自然水体中的腐生细菌数与有机物浓度成正比。因此，测得腐生细菌数或腐生细菌数与细菌总数的比值，即可推断水体的有机污染状况。研究证明，这种推断与实测结果十分吻合。根据水体中腐生细菌的数量，可以将水体划分为多污带、中污带和寡污带（表 11-1 ）。按照腐生细菌数与细菌总数的比值，则可以把水体分为 α- 腐生带、 β - 腐生带和多 - 腐生带（表 11-2 ）。

 

表 11-1 污水带的划分及其特征

 

   

                                                                                                                                                                                                                                                                       

污水带、特征	多污带	甲型中污带	乙型中污带	寡污带
腐生细菌数(个 /ml )	10 5 至 10 6	10 5	10 4	10 至 10 4
有机物	含大量有机物，主要是蛋白质和碳水化合物	主要是氨和氨基酸有机物含量少	有机物含量极微
溶解氧	极低或几乎没有，厌氧性	少量，半厌氧性	较多，需氧性	很多，需氧性
BOD 5	非常高	较高	较低	很低

 

 

表 11-2 细菌数与腐生带的划分

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

样点号	细菌总数（ 10 6 个 /ml ）		腐生细菌数（ 10 3 个 /ml ）		腐生菌数 / 总菌数（ % ）	腐生带
	波动范围	平均	波动范围	平均
1	1.7~3.3	2.5	0.2~1.9	1.1	0.04	β - 腐生带
2	1.6~3.4	2.4	0.9~3.0	2.0	0.08	β - 腐生带
3	1.9~3.0	2.5	0.2~6.0	2.9	0.11	β - 腐生带
4	4.3~5.0	4.6	9.7~16.5	13.3	0.30	α - 腐生带
5	1.8~3.6	2.6	1.4~6.2	3.0	0.11	β - 腐生带
6	3.5~6.8	4.8	59.2~175.2	116.0	2.42	多 - 腐生带
7	3.1~4.4	3.7	19.2~20.5	20.0	0.54	α - 腐生带
8	2.0~2.7	2.3	10.3~36.2	20.2	0.84	α - 腐生带
9	2.3~6.9	4.0	10.8~147.6	64.9	1.62	多 - 腐生带

二、污染物毒性的微生物检测 

（一）、致突变物与致癌物的微生物检测

关于人类癌症的起因众说纷纭。一般认为化学物质是主要诱导因素。目前，世界上已有 7万多种化学物质，而且还在不断迅速增加。对数量如此之大的化学物质逐一进行致癌性检测，采用传统的动物实验法极难做到。为此，一些快速准确的微生物检测法应运而生。沙门氏菌 / 阿姆斯（ Ames ）试验法就是其中应用最广的一种。

沙门氏菌 / 阿姆斯（ Ames ）试验法是由美国阿姆斯（ Ames ）等创立的一种致突变测定法。在该测定方法的设计中，利用了组氨酸营养缺陷型鼠伤寒沙门氏菌（ Salmonella typhimurium ）可发生回复突变的性能。常用的有 5 个菌株。在没有受到致突变物作用时，它们不能在无组氨酸的培养基上生长。受到致突变物作用后，由于细菌 DNA被损伤，它们可通过基因突变而回复为野生型菌株，从而可在不含组氨酸的培养基上正常生长。野生型与组氨酸营养缺陷型沙门氏菌间的关系如下：

                             

野生型 his +

营养缺陷型 his -

 

阿姆斯（ Ames ）试验法的准确性很高。有人曾将烷化剂、亚硝胺类、多环芳烃、芳香胺、硝基呋喃类、联苯胺、黄曲霉毒素、氯乙烯、 4-氨基联苯、抗癌药物等 175 种已知致癌物，进行阿姆斯（ Ames ）试验，结果发现其中 157 种呈阳性反应，吻合率达 90 ％。将 108种已知非致癌物进行测定，结果其中 94 种呈阴性反应，吻合率为 87 ％。

（二）、发光细菌检测测

发光细菌的发光强度是菌体健康状况的一种反映。在正常情况下，这类细菌在对数生长期的发光能力很强。然而，在环境不良或存在有毒物质时，其发光能力减弱，衰减程度与毒物的毒性和浓度成一定的比例关系。通过灵敏的光电测定装置，检查发光细菌受毒物作用时的发光强度变化，可以评价待测物的毒性大小。这种采用发光细菌检测污染物毒性的方法，称为发光细菌检测法。目前研究和应用最多的发光细菌是明亮发光杆菌（ Photobacterium phosphoreum ）。

  美国贝克曼 (Beckman) 公司制造的微量毒性分析仪就是一种发光细菌检测仪，操作极为方便，测定一个样品不到半小时，所得结果与鱼类毒性试验一致。

环境污染是由于进入环境的某种物质的数量超过了环境所能接受的容量或进入的速度在某一时间内超过了环境中物理、化学和生物因素对进入物所能进行的沉淀、吸附、结合、分解、利用的速度而使其积累的现象。如果污染物进入环境的速度和数量都在环境可接受的容量范围内和污染物只是瞬时性地进入环境，环境可通过自己的自净能力逐步消除污染物，不需人为的进行污染环境治理。如果污染物进入环境的速度和数量都大大超出了环境可接受的容量范围和污染物源源不断进入环境，环境则难以通过自己的自净能力逐步消除污染物，必需人为的进行污染环境的治理。

一、污染环境的自净

环境自净是指环境受到污染后，在物理、化学和生物特别是微生物的作用下，污染物被逐步降解、消除并达到自然净化的过程。在环境自净中，微生物具有十分突出的作用。微生物的一大特点是其代谢类型多种多样。自然界中的各种物质，特别是有机化合物，几乎都可被微生物降解或转化。就是许多污染环境的人工合成物，也有微生物“正学着”如何分解。

（一）、水体微生物的净化作用

水体微生物的净化作用，也即水体自净作用，是指水体中的微生物氧化分解（包括需氧分解和厌氧分解）有机污染物而使水质得到净化的过程。需氧微生物可将有机污染物氧化分解成简单、稳定的无机物如二氧化碳、水、硝酸盐和磷酸盐等，同时消耗一定量的溶解氧。耗去的溶解氧可通过水体表面的空气扩散和水生植物的产氧型光合作用得以复氧。耗氧和复氧是同时进行的。溶解氧的动态变化反映了水体中有机污染物净化的进程，因而可作为水体自净的标志。溶解氧的动态变化常用氧垂曲线表示。 如图 11-1 所示， A 为有机物分解的耗氧曲线， B 为水体复氧曲线， C 为氧垂曲线，最低点 Cp 为最大缺氧点。若 Cp 点的溶解氧含量大于有关规定的指标值，说明从溶解氧的角度看，污水的排放没有超过水体的自净能力。若排入有机物过多，超过水体的自净能力，则 Cp 点的溶解氧含量就会低于有关规定的下限值，甚至在排放点下游出现无氧区，使氧垂曲线中断，水体失去自净能力。在无氧条件下，有机污染物可被厌氧微生物分解，产生硫化氢、甲烷等，使水质恶化变黑发臭。

 

   

                         

 

图 11-1 水域的氧垂曲线

 

水体中的生物群也可反映水体自净过程。水体被污染时，由于增加了大量营养物质，可导致耐污性微生物，特别是异养型细菌的大量增殖；对污染敏感的蜉蝣稚虫、鲭鱼、硅藻等则会消失。经过一段时间净化后，以吞食细菌为主的原生动物可在水体中发展。以无机营养物为食的藻类，如某些蓝、绿藻，则只有在污染物被彻底降解，并释放出足量氮、磷后，才能大量增殖，并占优势、通过上述作用，水质恢复洁净，水中的生物群落结构也随之恢复正常。

根据不同水体的自净规律，充分利用水体的自净能力，在保证水体不受污染的前提下，合理安排生产布局，减轻有机污染物人工处理的负担，以最经济的方法控制污染。

（二）、土壤微生物的净化作用

天然土壤具有纯自然属性。人类最初开垦土地，主要是从中索取更多的生物量。在所开垦的土地逐渐变得贫瘠时，人们就向农田补充一些物质——肥料。在获得新肥力的同时，农田也受到了污染。譬如，施用人畜粪尿作肥料，可保持农田良好的生产性能，但病人的病原菌也可引起土壤的微生物污染。随着现代工农业生产的飞跃发展，施入农田的农药和化肥不断增加，土壤的污染程度日趋严重。目前，有杀虫效果的化合物已超过 6 万种，大量使用的农药也有 50余种。农药对土壤的污染已引起土壤生产力和农产品质量的明显下降。

残留于土壤内的农药，经过生物主要是微生物的作用，经历种种复杂的转化、分解，最后将农药分解为二氧化碳和水。如果将土壤进行高压灭菌或采用抑菌剂处理，农药在土壤中的降解速度就会降低，甚至完全停止。研究表明，在未经消毒的土壤中，除草剂“敌草隆”的降解速度明显高于用氯化苦熏蒸消毒的土壤。前者， 6周内敌草隆降解近半；而后者仅降解 1/10 。

微生物降解许多结构复杂的农药是借助共代谢作用进行的。所谓共代谢是指微生物在其他因子的协同作用下降解某些污染物的现象。其具体表现为：① 依靠环境提供营养物质。例如，只有在蛋白脂类物质存在时，直肠梭菌（ Clostridium rectum ）才能降解丙体 666 。 ② 依靠其他微生物协同作用。例如，链霉菌 ( Streptomyces ) 和节杆菌（ Arthrobacter ）可协作降解农药二嗪农的嘧啶环，两菌单独存在则均不能作用。③ 需有诱导物存在。例如，只有经正庚烷诱导后，铜绿假单胞菌（ Pseudomonas aeruginosa ）才能产生羟基化酶，使链烷羟基化为相应的醇。

                   

微生物对有机氯农药 2,4-D 和有机磷农药对硫磷的降解，已有较多的研究报道。 2,4-D是农业上广泛应用的具有高度选择性的内吸性除草剂。在高浓度下， 2,4-D 具有良好的除草效果，常用于杀除阔叶的双子叶植物；但低浓度(1mg/L) 时则对植物有刺激生长作用，常用于促进早熟和生根，防治落花落果和倒伏等。 2,4-D 的微生物降解过程如图 11-2所示。由于初期的微生物数量不多，降解十分缓慢，经过延缓期后，降解速度加快。至一个月左右， 2,4-D完全消失。对硫磷是一类有机磷杀虫剂。微生物对这类杀虫剂降解明显快于有机氯农药。常见的反应机制是酯酶水解。对硫磷的降解途径为：

 

    图 11-2 2,4- D 的微生物降解过程

二、污染环境的微生物修复  

污染环境的生物修复（ bioremediation ）早在上一世纪 80 年代就开始了。生物修复也曾称生物恢复 (biorestoration)、生物清除 (bioelimination) 、生物再生 (bioeclamation) 和生物净化 (biopurification)等。即是人为地利用和加强生物的代谢活动和其代谢产物降解和富集有毒有害污染物，从而恢复被污染环境的生产价值或景观价值的一个受控和自发进行的生物学过程。可利用于污染环境生物修复的生物可以有植物、动物和微生物。如利用芦苇发达的根系分解芳香族化合物，利用某些能富集重金属的植物来处理重金属污染土壤。利用蚯蚓分解农药污染土壤等。但微生物是污染环境自净和修复的主要贡献者。

污染环境生物修复可用原位 ( in situ ) 和异位（ ex situ ）或离位 ( off situ )两种不同方式进行。原位方式即是在污染环境原地进行技术性生物治理，不需将污染的土壤或水体转移。而异位方式是将污染土壤或水体转移至指定地点进行集中处理。生物修复的基本方法：一是进行生物扩增，即种植或接种具有降解和富集功能的植物或微生物；二是进行生物性刺激，即施加生物活性物质，刺激和促进土著微生物的生长和增殖，发挥其分解作用。

  第一种方法是针对污染环境的主要污染物，选择具有降解这种污染物的微生物，通过发酵工程获得大量活性微生物，直接投加入污染土壤和水体，使污染环境中能降解这种污染物的微生物种群在数量上有极大的人为增强，促使污染物在较短时间内能得到有效降解乃至完全消除。第二种方法是运用给污染环境添加有针对性的营养物、电子受体和表面活性剂等物质，给污染环境中的有关微生物种群创造提高生物活性的条件，有利于微生物对污染物的降解和转化。在某些污染环境中由于污染物的不同，可能缺乏氮源物质，如原油污染环境；或者缺乏碳源物质和能源物质，如高氮施用环境。也有可能污染环境中缺乏微生物所需要的电子供体，如在厌氧环境中缺乏氧气，或 NO 3 - ， SO 4 2- ，CO 2 ， Fe 3 ＋ 等。许多污染物是非水溶性物质如石油、 PCBs 、 PABs等，微生物难以接触污染物因而难以快速降解这些污染物。在生物修复过程中，如能有针对性的加入营养物或电子供体或表面活性剂，必将极大的有利于微生物的生长与降解污染物能力的提高。原位修复和异位修复都可通过这两种方法加速污染环境污染物的降解和消除。在大面积污染情况下，利用原位修复方法进行生物修复，如可用投加活菌，投加各种有效物质刺激微生物大量增殖，改善污染土壤和水体的通气条件，促进相关微生物的大量增殖与快速降解。在污染环境是一种少量可转移的情况时，可利用异位修复方式进行生物修复，如利用生物反应器法 (bioreactor) 、预制床法 (prepared bed) 、堆制法(composting) 、生物堆层法 (biopiles) 等不同的方法。

不错的文献。