第一章水化學(xué)基礎(chǔ)5

2023/2/11第五節(jié)氧化還原反應(yīng)楊軍耀主講太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/12本節(jié)主要內(nèi)容氧化還原平衡基本原理Eh—pH圖的繪制水中的氧化還原反應(yīng)2023/2/13一、氧化還原平衡基本原理1、半反應(yīng)式2、標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位3、Nernst方程2023/2/141、半反應(yīng)式

在化學(xué)反應(yīng)中，某些物質(zhì)失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，則此物質(zhì)稱為還原劑，某些物質(zhì)獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，則此物質(zhì)稱為氧化劑。在反應(yīng)中氧化和還原反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，氧化劑和還原劑同時(shí)存在，因此稱為氧化還原反應(yīng)。但是，在通常的化學(xué)反應(yīng)式中并沒(méi)有表示出電子轉(zhuǎn)移和得失的過(guò)程。例如，在游離氧的作用下，F(xiàn)e2+變?yōu)镕e3+的反應(yīng)：實(shí)質(zhì)上，上述反應(yīng)是一個(gè)氧化反應(yīng)和一個(gè)還原反應(yīng)相互爭(zhēng)奪電子的過(guò)程，其反應(yīng)分別如下：上述(1．91)和(1．92)式稱半反應(yīng)式，“e”表示帶負(fù)電荷的電子。按國(guó)際慣例，半反應(yīng)式以還原形式表示。2023/2/152023/2/162、標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，金屬與含有該金屬離子且活度為lmol的溶液相接觸的電位稱為該金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位(以氫的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為零測(cè)定)。由于標(biāo)準(zhǔn)電極電位表示物質(zhì)氧化性及還原性的強(qiáng)弱，所以又稱為標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位，以符號(hào)．E0表示，其單位為V。每個(gè)半反應(yīng)式都有它的E0值，例如:半反應(yīng)中物質(zhì)的氧化態(tài)和還原態(tài)稱為相應(yīng)的氧化還原電對(duì)，如上式中的Pb2+／Pb和F-/F，其標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位通常記作E0Pb2+／Pb。E0值的大小表征其氧化或還原的能力。E0值越大，表示該電對(duì)中的氧化態(tài)吸引電子能力強(qiáng)，為較強(qiáng)的氧化劑。如上式，氧化態(tài)(F)吸引電子能力強(qiáng)，所以它在水中以F-出現(xiàn)；而還原態(tài)(Pb)失去電子的傾向大，所以它在水中多以Pb2+出現(xiàn)。2023/2/173、Nernst方程

氧化還原電位(Eh)在實(shí)際的系統(tǒng)中，參加氧化還原反應(yīng)的組分其活度一般都不是lmol，則該反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)的電位稱為氧化還原電位，以Eh表示，單位為V。2023/2/182023/2/19

氧化還原反應(yīng)是一種可逆反應(yīng)，因此它也服從化學(xué)平衡規(guī)律，可用質(zhì)量作用定律來(lái)描述，并有相應(yīng)的平衡常數(shù)。對(duì)于一般的半反應(yīng)來(lái)說(shuō)：

aA+bB+ne=cC+dD按質(zhì)量作用定律可寫為：例如，由于[H2O]=1，故：2023/2/110如果上式兩邊取對(duì)數(shù)，則：或如果把K=1083.0代入，則：2023/2/1112023/2/112二、Eh—pH圖的繪制

Eh—pH圖是以Eh為縱坐標(biāo)，pH為橫坐標(biāo)，表示在一定的Eh值和pH值范圍內(nèi)，各種溶解組分及固體組分穩(wěn)定場(chǎng)的圖解，因此也稱為穩(wěn)定場(chǎng)圖。

應(yīng)該注意的是，Eh—pH圖只是表示在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氧化還原反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，水溶液中各種溶解組分及固體的穩(wěn)定場(chǎng)，而天然水系統(tǒng)通常都偏離平衡狀態(tài)。

Eh—pH圖能預(yù)測(cè)在一定Eh—pH范圍內(nèi)，可能出現(xiàn)的溶解組分及固體種類，但不能預(yù)計(jì)其反應(yīng)速率。2023/2/113

為了更好地了解Eh—pH圖，以及應(yīng)用它來(lái)解釋一些水化學(xué)問(wèn)題，有必要了解繪制Eh—pH圖的方法和程序。為此，下面介紹一種比較簡(jiǎn)單的Fe—H2O—O2系統(tǒng)的Eh—pH圖的繪制。由于我們所關(guān)心的是水環(huán)境中溶解物質(zhì)與礦物反應(yīng)的平衡，所以，在研究任何一個(gè)Eh—pH圖時(shí)，都必須首先研究水本身的穩(wěn)定場(chǎng)。（1）水穩(wěn)定場(chǎng)上限由水和氧之間的反應(yīng)來(lái)確定其反應(yīng)如下：

O2+4H+4e=2H2O在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，據(jù)(1.95)式，即：則2023/2/114因?yàn)镠2O活度為l，上式變?yōu)椋涸诮乇淼乃h(huán)境中，氧的分壓不會(huì)大于1，所以選定PO2=1為其上限，且因?yàn)閜H=-lg[H+]，上式變?yōu)椋?/p>

Eh=E0-0.059pH(1.111)依據(jù)：得E0=1.23V則有Eh=1.23-0.059pH(1.112)(1·112)式是H2O穩(wěn)定場(chǎng)上限的Eh—pH方程，表示于圖1.4(a)中的A線。2023/2/115水的穩(wěn)定場(chǎng)下限由下列半反應(yīng)式確定

2H++2e=H2(1．113)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，據(jù)(1.95)式，則:因?yàn)樵诮乇憝h(huán)境中，pH2不會(huì)大于1，所以取pH2=l為其下限，則(1.114)式變?yōu)?2023/2/116由于(1.113)式中H+及H2的△Gf都為零，故△Gr=0，(1.115)式變?yōu)?Eh=-0.059pH(1．116)(1·116)式是H2O穩(wěn)定場(chǎng)下限方程，表示于圖1.4中(a)的B線。在A和B線間，H2O是穩(wěn)定的，以外是不穩(wěn)定的。A線上方為氧化水，B線下方為還原水。2023/2/117

在繪制Fe—H2O—O2系統(tǒng)的Eh—pH圖，必須首先規(guī)定存在該系統(tǒng)中鐵的種類。假定，溶解組分只考慮簡(jiǎn)單的游離離子Fe2+和Fe3+，不考慮其離子對(duì)；固體組分只考慮Fe(OH)2和Fe(OH)3。那么，F(xiàn)e2+和Fe3+

的半反應(yīng)式如下

Fe2++2e=Fe(1.117)Fe3++e=Fe2+(1.118)計(jì)算求得，(1.117)及(1.118)式的△Gr分別為78.87和-74.27(kJ／mol)，按(1.97)式分別算得

E0=-0.41V(1.119)E0=0.77V(1.120)對(duì)于(1.117)式來(lái)說(shuō)，其能斯特方程為:（2）游離離子Fe2+和Fe3+2023/2/118

按慣例，必須規(guī)定Fe2+的活度，才能算出其相應(yīng)的Eh值。假定[Fe2+]=10-5mol，則有：

Eh=-0.56V(1.122)即，F(xiàn)e2+穩(wěn)定場(chǎng)的下限，表示于圖1.4(b)的C線。對(duì)于(1.118)式來(lái)說(shuō)，其能斯特方程為:按慣例，規(guī)定[Fe3+]=[Fe2+]，則(1.123)式變?yōu)?Eh=0.77V(1.124)即，F(xiàn)e2+穩(wěn)定場(chǎng)的上限，F(xiàn)e3+

穩(wěn)定場(chǎng)的下限，表示于圖1.4(b)中的D線。2023/2/119該圖看出，(1.117)和(1.118)式的反應(yīng)與pH無(wú)關(guān)，在Eh—pH圖上為兩條平行的水平線。2023/2/120（3）鐵的氫氧化物鐵的氫氧化物反應(yīng)如下：

Fe(OH)2=Fe2++2OH-(1.125)Fe(OH)3=Fe3++3OH-(1.126)據(jù)(1.125)式，則因[Fe(OH)2]=1，故

K=[Fe2+][OH-]2或lgK=lg[Fe2+]+2lg[OH-](1.127)根據(jù)Kw=[H+][OH-]，則

lg[OH-]=lgKw+pH(1.128)由（1.127）和（1.128）式可得：2023/2/121將（1.125）的平衡常數(shù)K=10-16.29、假定[Fe2+]=10-5mol，以及25℃時(shí)，Kw=10-14代入(1.129)式，則pH=8.36(1.130)用同樣方法處理(1.126)式，則

pH=2.76(1.131)將(1.130)和(1.131)式表示于圖1.4(b)中的E線和F線。2023/2/122E線為Fe2+穩(wěn)定場(chǎng)的上限（右限）；F線為Fe3+穩(wěn)定場(chǎng)的上限（右限）。由于F線為Fe3+穩(wěn)定場(chǎng)的右限，也就是說(shuō)，當(dāng)pH>2.76時(shí)，反應(yīng)：Fe(OH)3=Fe3++3OH-不會(huì)發(fā)生，而產(chǎn)生下列反應(yīng)(1.132)式的能斯特方程如下：2023/2/123把E0(0.972V)和[Fe2+](10-5mo1)值代入(1.133)，則

Eh=1.267-0.177pH(1.134)即表示于圖1.4(b)中的G線，它是Fe2+和Fe(OH)3穩(wěn)定場(chǎng)的分界線。2023/2/124

當(dāng)pH>8.36時(shí)，涉及Fe2+的反應(yīng)由下列與Fe(OH)2有關(guān)的反應(yīng)所替代，即

Fe(OH)2+2H++2e=Fe+2H2O(1.135)Fe(OH)3+H++e=Fe(OH)2+H2O(1.136)(1.135)和(1.136)的能斯特方程分別為：將E0值代入上述兩式，則

Eh=-0.06-0.059pH(1.139)Eh=0.28-0.059pH(1.140)(1.139)和(1.140)式分別為圖1.4(b)中的I線和H線。2023/2/125I線為Fe(OH)2穩(wěn)定場(chǎng)的下限，但它已處于H2O穩(wěn)定場(chǎng)之外，因此就無(wú)意義。H線是Fe(OH)3穩(wěn)定場(chǎng)的下限，F(xiàn)e(OH)2穩(wěn)定場(chǎng)的上限。2023/2/126從圖可清楚地看出Fe2+、Fe3+、Fe(OH)2(s)及Fe(OH)3(s)穩(wěn)定場(chǎng)的范圍。例如，在本例假設(shè)條件下，當(dāng)Eh>0.77V，pH<2.76時(shí)，F(xiàn)e3+是穩(wěn)定的，超出此范圍，可能形成Fe(OH)3(s)，或轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+；而當(dāng)pH>8.36，Eh<-2.10V時(shí)，可能形成Fe(OH)2(s)沉淀。

以上所述，僅僅涉及鐵的溶解組分和鐵的氫氧化物固體的Eh—pH圖。實(shí)際上，含鐵的難溶固體還有許多，在水系統(tǒng)中常見(jiàn)的還有FeCO3、FeS2、Fe3O4、Fe2O3等。實(shí)際水系統(tǒng)十分復(fù)雜。

以上所述，僅僅涉及鐵的溶解組分和鐵的氫氧化物固體的Eh—pH圖。實(shí)際上，含鐵的難溶固體還有許多，在水系統(tǒng)中常見(jiàn)的還有FeCO3、FeS2、Fe3O4、Fe2O3等。實(shí)際水系統(tǒng)十分復(fù)雜。2023/2/127

以上所述，僅僅涉及鐵的溶解組分和鐵的氫氧化物固體的Eh—pH圖。實(shí)際上，含鐵的難溶固體還有許多，在水系統(tǒng)中常見(jiàn)的還有FeCO3、FeS2、Fe3O4、Fe2O3等。實(shí)際水系統(tǒng)十分復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，都是根據(jù)研究目的，編制相應(yīng)的Eh-pH圖，或者利用前人研究成果，解釋一些水化學(xué)問(wèn)題。需要特別注意，無(wú)論何種系統(tǒng)的Eh-pH值圖，都是表示在某種條件下溶解組分及固體的穩(wěn)定場(chǎng)范圍，因此，在利用文獻(xiàn)中的Eh-pH圖時(shí)，一定要注意它所規(guī)定的條件，且不可生搬硬套。2023/2/128例如，右圖是Fe—S—C—H2O系統(tǒng)Eh-pH圖，其規(guī)定的條件是，SO42-=9.6mg/L，HCO3-=61mg/L，101325Pa和25℃。如果規(guī)定的條件變化，有關(guān)組分的穩(wěn)定場(chǎng)范圍也產(chǎn)生變化。因此，在解釋某些水化學(xué)問(wèn)題時(shí)，Eh—pH圖只能起指導(dǎo)作用，說(shuō)明在一定的Eh和pH范圍內(nèi)，出現(xiàn)哪些穩(wěn)定的溶解組分和固體，當(dāng)Eh和pH改變時(shí)，可能產(chǎn)生哪種氧化還原反應(yīng)。2023/2/129

應(yīng)該說(shuō)明的是，把Eh—pH圖應(yīng)用于實(shí)際時(shí)，有其局限性，因?yàn)椋?/p>

(1)所有的Eh—pH圖都是代表標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的穩(wěn)定場(chǎng)范圍，而實(shí)際情況常常偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)；

(2)野外實(shí)測(cè)的Eh值并不與某種金屬離子嚴(yán)格相關(guān)；

(3)Eh—pH圖的繪制并未考慮離子強(qiáng)度及離子絡(luò)合的影響。因此，Eh—pH圖是一種簡(jiǎn)化的理想模型。2023/2/130三、水中的氧化還原反應(yīng)

1、水中主要的氧化還原元素水中的許多反應(yīng)涉及氣相、液相及固相間的電子轉(zhuǎn)換，其結(jié)果是使反應(yīng)物和生成物氧化態(tài)發(fā)生變化，“氧化態(tài)”有時(shí)也稱為氧化數(shù)。水中有許多具有一種以上氧化態(tài)的元素，這些元素對(duì)氧化還原反應(yīng)很敏感，因此有些學(xué)者把它們稱為氧化還原敏感元素（Redoxsensitiveelements），這些元素隨水中氧化還原環(huán)境的變化，其反應(yīng)也發(fā)生變化。

2023/2/1312023/2/1322023/2/1332、控制水系統(tǒng)氧化還原狀態(tài)的因素

水系統(tǒng)氧化還原狀態(tài)主要取決于通過(guò)循環(huán)進(jìn)入該系統(tǒng)的氧量，以及通過(guò)細(xì)菌分解有機(jī)物所消耗的氧量，或氧化低價(jià)金屬硫化物、含鐵的硅酸鹽和碳酸鹽所消耗的氧量。如進(jìn)入該系統(tǒng)的氧量大于或等于所消耗的氧量，則系統(tǒng)內(nèi)處于氧化狀態(tài)，或稱為好氧狀態(tài)；反之，則處于還原狀態(tài)，或稱為厭氣狀態(tài)。

一般來(lái)說(shuō)，水中實(shí)測(cè)的Eh值，是定量判別水氧化還原狀態(tài)的參數(shù)。當(dāng)pH=7的天然水與大氣接觸時(shí)，所測(cè)得的Eh值，在0.35～0.5V間，這種水顯然是處于強(qiáng)氧化狀態(tài)；當(dāng)水的Eh值為負(fù)值時(shí)，一般稱這種水處于還原狀態(tài)，水中的Eh值負(fù)值越大，其還原性越強(qiáng)，稱為強(qiáng)還原環(huán)境。但是，至目前為止，還沒(méi)有一位學(xué)者明確提出氧化狀態(tài)和還原狀態(tài)的臨界值(Eh值)。只有德國(guó)的一位學(xué)者梅恩斯(G．Martthcss)提出，水溫為8℃時(shí)，氧化狀態(tài)和還原狀態(tài)間的水中溶解氧(DO)的臨界濃度為0.01～0.7mg／L。2023/2/134

各種元素氧化還原反應(yīng)的Eh也不盡相同，例如，當(dāng)水中Eh>0.25V時(shí)，開始產(chǎn)生硝化作用，NH4+轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3-，即N(-Ⅲ)氧化為N(V)；當(dāng)水中Eh<0.25V時(shí)，開始產(chǎn)生反硝化作用，NO3-轉(zhuǎn)化為N2或N2O，即N(V)還原為N2O(0)或N(I)。

水中的Eh測(cè)量十分困難，其原因是多方面的。

第一，測(cè)量Eh多用鉑金電極，而鉑金電極僅對(duì)很少數(shù)的氧化還原電對(duì)有滿意的反應(yīng)，而對(duì)O2／H2O、NO3-／N2、SO42-／H2S，CO2／CH4、N2／NH4+沒(méi)反應(yīng)。對(duì)于含有多種氧化還原電對(duì)的水系統(tǒng)而言，只有用含有少量鐵氰化物／亞鐵氰化物氧化還原電對(duì)的平衡盒與水平衡一定時(shí)間后，再用鉑金電極測(cè)量，才能獲得比較滿意的Eh值。但這種裝置很難應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量；2023/2/135

第二，地下水的Eh一般都低于與大氣接觸的地表水的Eh值，因此在測(cè)量水的Eh值時(shí)，要十分仔細(xì)避免與大氣接觸，特別是在測(cè)量處于比較強(qiáng)還原狀態(tài)的水的Eh值時(shí)，更應(yīng)如此。但實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量很難做到。所以，實(shí)測(cè)的Eh值往有偏差；第三，從理論上講，大多數(shù)天然水系統(tǒng)都沒(méi)有達(dá)到氧化還原反應(yīng)平衡狀態(tài)，要測(cè)量這種水的Eh值，很難得到滿意的結(jié)果。鑒于上述原因，絕大多數(shù)的水分析結(jié)果都缺少Eh值。

在水化學(xué)研究中，往往要判別水的氧化還原狀態(tài)，除Eh值和溶解氧含量之外，也常借助于某些影響因素的分析。其影響因素如下：

對(duì)于地表水來(lái)說(shuō)，主要影響因素有：（1）水的流態(tài)（2）水深（3）河床坡降與特征（4）富營(yíng)養(yǎng)化程度

2023/2/136（5）以及河床周邊底層巖性特征（6）污染物的種類與總量，特別是有機(jī)質(zhì)及其它還原劑

（7）水交替速度與匯流量等對(duì)于地下水來(lái)說(shuō)，主要影響因素有：（1）包氣帶的性質(zhì)及其透氣性（2）含水層中有機(jī)質(zhì)及其它還原劑的含量（3）地下水類型與含水層巖性特征（4）地下水的水動(dòng)力特征，如流速、水交替強(qiáng)度、逕流長(zhǎng)度等（5）地下水的補(bǔ)給來(lái)源（6）污染物的種類與總量（7）地下水的開采狀況等2023/2/1373、消耗氧的氧化還原反應(yīng)氧是強(qiáng)氧化劑，它可以使許多物質(zhì)氧化。無(wú)論是大氣降水或地表水，都含有來(lái)自大氣中的氧，在水中以溶解氧的形式存在，25℃時(shí)，其濃度為9mg／L。在水系統(tǒng)中，消耗氧的氧化還原反應(yīng)，其結(jié)果是，使某些成分增加，如SO42-、NO3-、H+等；產(chǎn)生某些沉淀，如Fe(OH)3、MnO2等，使有關(guān)成分的濃度降低。表1.16所列舉的氧化還原反應(yīng)，就是消耗氧的氧化還原反應(yīng)·在這些反應(yīng)中，氧被還原，其他元素被氧化。反應(yīng)的結(jié)果，多半產(chǎn)生H+。如若存在水與其他礦物的反應(yīng)消耗H+，則水的pH值不會(huì)明顯升高，如以這種方式反應(yīng)的礦物不存在，則產(chǎn)生酸性水。例如，煤礦或金屬硫化礦床的礦坑排水呈酸性，如這種水排出后遇到灰?guī)r，CaCO3的溶解可使pH升高。2023/2/138以FeS2與水反應(yīng)為例：2023/2/139

有一供水井，井深91.5m，含水層為含黃鐵礦的絹云母片巖。連續(xù)抽水13個(gè)月，水位下降36.5m，在這期間，水中SO42-濃度在l5mg／L左右，變化不大。停抽4個(gè)月，再次抽水時(shí)，第一天的水樣中，SO42-=1330mg／L，F(xiàn)e2+=365mg／L，pH=2.5，此后，水中的SO42-和Fe不斷降低，pH升高。試解釋這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。FeSO4=Fe2++SO42-H2SO4=2H++SO42-2023/2/1404、消耗有機(jī)物的氧化還原反應(yīng)

含氧水在產(chǎn)流、匯流和入滲以及在含水層流動(dòng)過(guò)程中，水中的溶解氧不斷被有機(jī)物的氧化分解所消耗，其反應(yīng)如下：

O2+CH2O=CO2+H2O(1.144)

前面談到，25℃時(shí)，水中溶解氧為9mg／L。據(jù)(1．144)式計(jì)算，僅用8mg／L的有機(jī)物(CH2O)就會(huì)把9mg／L的溶解氧消耗盡。所以，只要地表水或包氣帶及含水層里有少量的有機(jī)物，水中的溶解氧就會(huì)很快被耗盡，水變成嫌氧狀態(tài)。然而，在這樣的情況下，氧化還原反應(yīng)在一定的條件下仍然繼續(xù)進(jìn)行。其反應(yīng)條件是：

(1)水中有含氧陰離子，如NO3-、SO42-，或者包氣帶及含水層中有高價(jià)的鐵錳化合物，如Fe(OH)3、MnO2，它們代替氧作為氧化劑；

2023/2/141

(2)水中或包氣帶和含水層中有足夠的有機(jī)物；

(3)有足夠的營(yíng)養(yǎng)物作為細(xì)菌的能源，這類細(xì)菌對(duì)氧化還原反應(yīng)起催化作用；

(4)溫度變化不致于破壞生物化學(xué)過(guò)程。

根據(jù)熱力學(xué)方面自由能變化的數(shù)據(jù)，反應(yīng)順序按表1.17的序號(hào)從l至5，如果上述四個(gè)條件完全滿足，則有機(jī)物會(huì)完全分解。

這類反應(yīng)主要發(fā)生在處于還原狀態(tài)水系統(tǒng)中，如地下水飽水帶、湖泊的深部等，反應(yīng)的結(jié)果，使水中Fe2+、Mn2+、HS-及HCO3-增加。2023/2/1422023/2/1432023/2/1442023/2/1452023/2/1462023/2/1472023/2/1485、微生物催化作用

幾乎水系統(tǒng)中的氧化還原過(guò)程都需要微生物催化，它雖然不影響反應(yīng)的方向，但明顯地影響反應(yīng)速率。例如，金屬硫化物、自然硫、含硫蛋白質(zhì)等氧化過(guò)程，可以在沒(méi)有任何微生物存在的情況下發(fā)生，但其氧化速率很慢，是屬于純化學(xué)氧化過(guò)程，如果有起催化作用的微生物參加，其氧化速率會(huì)明顯加快，是屬于生物氧化過(guò)程。這種情況已被許多試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果所證明。因此，要清楚地了解水系統(tǒng)中的氧化還原反應(yīng)，就不能忽視微生物的影響，而且應(yīng)了解系統(tǒng)中微生物的生存條件及能源的供應(yīng)等情況。其中起催化作用的微生物主要是細(xì)菌。2023/2/149（1）細(xì)菌的分類按其需氧情況，細(xì)菌可分為：好氧菌、厭氧菌和兼性菌三類。好氧菌，也稱好氣菌，它在有溶解氧的情況下才繁殖，其需氧下限為0.05mg／L；

厭氧菌，也稱厭氣菌，它的生存環(huán)境不需溶解氧；

兼性菌，它在厭氧和好氧情況下都能生存。按細(xì)菌繁殖所需的能源(營(yíng)養(yǎng)物)，分為：自養(yǎng)型菌和異養(yǎng)型菌。

自養(yǎng)型菌，以無(wú)機(jī)碳(CO32-、HCO3-)作為其繁殖所必需的碳源，如硝化桿菌；

異養(yǎng)型菌，以有機(jī)質(zhì)中的有機(jī)碳作為其碳源。

按微生物最初獲得能源的方式不同，它們可分為光能菌和化能菌

光能菌利用光能，

化能菌利用氧化無(wú)機(jī)物或有機(jī)物產(chǎn)生的化學(xué)能。

2023/2/150（2）微生物的營(yíng)養(yǎng)要求通常稱微生物的營(yíng)養(yǎng)物有六大要素，即碳源、氮源、能源、生長(zhǎng)因子、無(wú)機(jī)鹽和水。碳源碳源構(gòu)成了細(xì)胞的骨架。維生物降解的異養(yǎng)菌可利用多種有機(jī)物。在各類碳源中，單糖、雙糖、淀粉、醇類、有機(jī)酸和脂肪類容易利用。在各種異養(yǎng)菌中，不同種類的微生物利用有機(jī)碳的能力不同，例如洋蔥假單胞菌(Pseudomonascepac缸)可利用90種不同的有機(jī)物，而產(chǎn)甲烷菌僅能利用CO2和少數(shù)幾種Cl和C2化合物。能源能源為微生物生命活動(dòng)提供能量來(lái)源。對(duì)于各種異養(yǎng)菌來(lái)說(shuō)，不少碳源同時(shí)也是能源，所以這些有機(jī)物具有雙重的營(yíng)養(yǎng)功能。2023/2/151氮源氮是合成蛋白質(zhì)和核酸必需的物質(zhì)。蛋白質(zhì)是微生物細(xì)胞中重要的結(jié)構(gòu)物質(zhì)；酶由蛋白質(zhì)組成，具有催化功能；核酸（DNA和RNA)是細(xì)胞中重要的遺傳信息物質(zhì)。此外，有些微生物在無(wú)氧呼吸時(shí)利用硝酸鹽態(tài)氮作為末端電子受體。環(huán)境中的氮以多種形式存在，如以銨鹽、硝酸鹽和有機(jī)含氮化合物尿素等形式存在。在生物圈中氮存在的主要形式是氮?dú)?，占空氣?8％。但只有很少的固氮細(xì)菌和藍(lán)細(xì)菌可以利用空氣中的氮?dú)?，使空氣中的氮還原為氨。環(huán)境中的微生物氮源主要來(lái)自銨鹽、硝酸鹽以及蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的氨。含氨有機(jī)化合物如炸藥、農(nóng)藥、染料也可以提供氮源。因此這類有機(jī)物可有三種營(yíng)養(yǎng)功能，即碳源、能源和氮源。在有機(jī)污染環(huán)境中，氮源經(jīng)常是微生物種群的生長(zhǎng)限制因子。人們經(jīng)常用碳氮比來(lái)判斷氮源供應(yīng)是否充足。為了污染物完全迅速降解，一般要求碳氮比范圍為200:1～10:1。2023/2/152生長(zhǎng)因子主要為氨基酸、嘌呤和嘧啶堿以及維生素。氨基酸為蛋白質(zhì)的組分，嘌呤和嘧啶為核酸的組分，維生素則是輔酶或輔基的成分。雖然所需要的量很少，但缺少它們微生物則不能生長(zhǎng)和繁殖。有些微生物可以自己合成這類物質(zhì)，有些則需要外源供給，沒(méi)有外源供應(yīng)就不能很好地生長(zhǎng)。前者稱為生長(zhǎng)因子自養(yǎng)型，后者則稱為生長(zhǎng)因子異養(yǎng)型。在自然環(huán)境中生活的大部分微生物可以自己合成生長(zhǎng)因子，但也有一些微生物需要利用其他微生物合成的生長(zhǎng)因子生長(zhǎng)和繁殖，如乳酸菌就需要多種外源維生素供應(yīng)。2023/2/153無(wú)機(jī)鹽微生物還需要氮素以外的其他礦質(zhì)元素，如磷、硫、鉀、鎂、鈣、鈉和鐵，其濃度為10-4～10-3mg／L，可稱為常量元素。它們有些構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)生物分子成分，如磷作為核酸、ATP和細(xì)胞膜的重要成分，硫作為某些氨基酸和維生素的成分，鈉、鉀、鎂在細(xì)胞生理活動(dòng)中起重要代謝調(diào)節(jié)作用，鐵是細(xì)胞中血紅素和氧化還原酶系的重要組成成分。銅、鋅、錳、鉬和鈷等被稱為微量元素，微生物生長(zhǎng)時(shí)所需的濃度范圍10-8～10-6mol/L,它們?cè)诿复x中起重要作用。在自然環(huán)境中通常礦物質(zhì)含量較高，故通常不需要考慮這些礦物鹽會(huì)對(duì)微生物生長(zhǎng)的限制，但也會(huì)有例外，如磷酸鹽在環(huán)境中溶解度較低，磷經(jīng)常成為水土環(huán)境中的限制因子，一般要求碳磷比在1000:1～100:1范圍內(nèi)。細(xì)菌可以利用許多有機(jī)磷殺蟲劑、烷基磷酸鹽和磷酸酯以及除草劑草柑膦等作磷源。2023/2/154（3）細(xì)菌分布特征地表水系統(tǒng)中的細(xì)菌較為復(fù)雜，多為好氧菌和兼氧菌，在底泥中，以厭氧菌為主。在地下水系統(tǒng)中，大多數(shù)細(xì)菌屬異養(yǎng)型菌，如反硝化菌、硫還原菌等。因此，氧化還原反應(yīng)速率與該系統(tǒng)中可被細(xì)菌利用的活性有機(jī)物密切相關(guān)。（4）細(xì)菌繁殖速率與影響因素水中細(xì)菌數(shù)取決于營(yíng)養(yǎng)物的供給，以及有害代謝產(chǎn)物的清除速度。因此，在其他條件相同的情況下，營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)較充足流速較快的水中，由于有害代謝產(chǎn)物清除較快，新的微生物群落密度較大，相反，流速慢的或幾乎靜滯的水，生物群落密度小。另外，與它競(jìng)爭(zhēng)性細(xì)菌群落數(shù)量、種類有關(guān)。2023/2/155（5）影響微生物生長(zhǎng)的物理環(huán)境條件影響微生物生長(zhǎng)的條件很多，營(yíng)養(yǎng)物是影響微生物生長(zhǎng)的化學(xué)條