環(huán)境生物化學(xué)課件

18環(huán)境生物化學(xué)環(huán)境生物化學(xué)18環(huán)境生物化學(xué)Beautifulnaturalworld18環(huán)境生物化學(xué)生物環(huán)境、生態(tài)圈與生態(tài)系統(tǒng)生物的組成與微生物的生理特征污染物質(zhì)在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)污染物質(zhì)的毒性返回18環(huán)境生物化學(xué)生物環(huán)境、生物圈與生態(tài)系統(tǒng)18環(huán)境生物化學(xué)生物環(huán)境

自然界中的生物，包括植物、動(dòng)物、微生物等有生命的機(jī)體，構(gòu)成了人類生存的生物環(huán)境。生物環(huán)境是自然環(huán)境要素中的重要組成部分，它為人類提供了食物來(lái)源，通過(guò)綠色植物的光合作用將CO2和H2O固定為糖類等有機(jī)物；又通過(guò)動(dòng)、植物的呼吸作用將這些有機(jī)物的化學(xué)鍵斷裂，將植物體內(nèi)的儲(chǔ)藏能量轉(zhuǎn)變?yōu)槿梭w或生物體內(nèi)的儲(chǔ)存能量；此外，通過(guò)微生物的作用可以將生物殘?bào)w和排泄物分解成無(wú)機(jī)物返回自然界完成了碳循環(huán)、氮循環(huán)、硫循環(huán)、磷循環(huán)等。因此，生物環(huán)境是維持人類生態(tài)系統(tǒng)和整個(gè)地球自然生態(tài)平衡不可缺少的環(huán)境要素。18環(huán)境生物化學(xué)生物圈地球上自有生物出現(xiàn)以來(lái)，它的發(fā)展便進(jìn)入了新的更高級(jí)階段，這是因?yàn)樯镌诘厍蛭镔|(zhì)循環(huán)和能量交換過(guò)程中起特殊重要的作用。生物圈的概念是奧地利地質(zhì)學(xué)家休斯（EduardSuess）在1875年提出來(lái)的，但直到1926年前蘇聯(lián)地球化學(xué)家維爾納茨基所做的“生物圈”的報(bào)告之后，才引起人們的注意?，F(xiàn)代對(duì)生物圈的理解仍是當(dāng)時(shí)維爾納茨基的概念。

生物圈是指地球上有生命活動(dòng)的范圍及其生存環(huán)境的整體。其范圍的上限可達(dá)15km~20km高空，其下限可達(dá)海平面以下10km~11km海洋深處。陸地上的油井鉆孔深達(dá)7.5km處仍發(fā)現(xiàn)有細(xì)菌生存。但絕大部分生物通常生存于地球陸地上和海面之下各約100m厚的范圍內(nèi)。18環(huán)境生物化學(xué)生物圈的形成是生物界和水圈、大氣圈及巖石（土壤圈）長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果。作為地球外套的生物圈，它之所以能夠存在，是因?yàn)榫邆淞讼铝袔讉€(gè)條件：

①這里可以獲得來(lái)自太陽(yáng)的充足的光能。一切生命活動(dòng)都需要能量，而這些能量的根本來(lái)源正是太陽(yáng)能；②這里有可被生物利用的大量液態(tài)水，幾乎所有的生物體都含有大量的水分，沒(méi)有水就沒(méi)有生命；③生物圈內(nèi)有適宜生命活動(dòng)的溫度條件，在此溫度變化范圍內(nèi)的物質(zhì)存在著氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)三種物態(tài)變化，這也是生命活動(dòng)的必要前提；④生物圈內(nèi)提供了生命活動(dòng)所需的氧氣、CO2以及氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素。18環(huán)境生物化學(xué)

綜上所述，在地球上有生命存在的地方均屬生物圈。構(gòu)成生物圈的生物，即包括人類在內(nèi)的所有動(dòng)物、植物和微生物,他們不斷地與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)與能量交換。在當(dāng)今環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重的情況下，人類與生物圈的相互關(guān)系問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的關(guān)注。18環(huán)境生物化學(xué)生態(tài)系統(tǒng)

生態(tài)系統(tǒng)的概念生態(tài)系統(tǒng)的概念是英國(guó)植物群落學(xué)家坦斯萊（Tansley）在20世紀(jì)30年代首先提出，到20世紀(jì)50年代得到廣泛傳播，20世紀(jì)60年代后逐漸成為生態(tài)學(xué)研究的中心。18環(huán)境生物化學(xué)

種群（Population）種群是組成同一種生物的不同個(gè)體在特定環(huán)境空間內(nèi)的集群。因此，在一定地段上群落中的一個(gè)種的所有個(gè)體就是一個(gè)種群。在自然界中，種群是物種存在的基本單位，是生物群落或生態(tài)系統(tǒng)的基本組成部分

群落（Community）在一定的自然區(qū)域內(nèi)，許多不同種群生物的總和叫群落，或簡(jiǎn)單的說(shuō)：不同種群的生物生活在一個(gè)環(huán)境中構(gòu)成群落。如一片森林、草原、或農(nóng)田中的所有不同種群生物的總和，都叫生物群落。18環(huán)境生物化學(xué)生態(tài)系統(tǒng)（Ecosystem）任何一個(gè)生物群落與周圍非生物環(huán)境（水、大氣、土壤等）的綜合體就是生態(tài)系統(tǒng)。但一個(gè)種群與其周圍環(huán)境也可構(gòu)成簡(jiǎn)單的生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)可大可小，小到一滴含有微生物的天然水，大到整個(gè)生物圈，整個(gè)生物圈是最大的生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)系統(tǒng)是自然界一定空間的生物與環(huán)境之間相互作用，相互制約，不斷演變，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，相對(duì)穩(wěn)定的統(tǒng)一整體，是具有一定結(jié)構(gòu)與功能的單位。18環(huán)境生物化學(xué)

生態(tài)系統(tǒng)是自然界的劃分單位，大系統(tǒng)又可分為若干亞系統(tǒng)或子系統(tǒng)，具有明顯的層次性。

例如，生態(tài)系統(tǒng)可分為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和城市生態(tài)系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)又可分為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)等。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)又可分為植物生態(tài)系統(tǒng)和土壤生態(tài)系統(tǒng)。土壤生態(tài)系統(tǒng)又可分為土壤動(dòng)物生態(tài)系統(tǒng)、土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)、土壤植物根區(qū)微環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)等。18環(huán)境生物化學(xué)

生態(tài)系統(tǒng)的組成生態(tài)系統(tǒng)是由生物群落和非生物環(huán)境-陽(yáng)光、空氣、水、土壤、礦物養(yǎng)分等所組成的。生態(tài)系統(tǒng)中的生物部分，根據(jù)其在系統(tǒng)中物質(zhì)與能量遷移轉(zhuǎn)化中的作用不同，又可分為三個(gè)機(jī)能群：

（1）第一性生產(chǎn)者：主要指綠色植物。即含有葉綠素能利用太陽(yáng)輻射和光能合成有機(jī)體的植物，包括某些海藻類在內(nèi)。沒(méi)有第一性生產(chǎn)者有機(jī)體，任何生態(tài)系統(tǒng)都不會(huì)有能流和物流組成食物鏈。因此，第一性生產(chǎn)者是生態(tài)系統(tǒng)的基石。18環(huán)境生物化學(xué)

（2）消費(fèi)者：即以生物有機(jī)體為食的各類異養(yǎng)性生物，主要包括各類動(dòng)物（草食動(dòng)物和肉食動(dòng)物），人類也是消費(fèi)者。按照消費(fèi)者在食物鏈中所處的位置，又可分為：一級(jí)消費(fèi)者（草食動(dòng)物）、二級(jí)消費(fèi)者（以草食動(dòng)物為食的肉食動(dòng)物）和三級(jí)消費(fèi)者（以二級(jí)消費(fèi)者為食的肉食動(dòng)物）。人類為最高級(jí)的消費(fèi)者。

（3）分解者：主要指依靠分解有機(jī)質(zhì)維持生命的微生物群。他們是使自然生態(tài)系統(tǒng)中各種物質(zhì)與元素得以周而復(fù)始的循環(huán)利用的重要途徑。18環(huán)境生物化學(xué)18環(huán)境生物化學(xué)

在正常情況下，生態(tài)系統(tǒng)中各組成之間保持著一種相對(duì)的平衡狀態(tài)，即生態(tài)平衡，系統(tǒng)中的能量與物質(zhì)流較長(zhǎng)時(shí)期的保持穩(wěn)定。當(dāng)然，這種平衡是相對(duì)的、暫時(shí)的、不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡。為了保持生態(tài)平衡，必須遵守系統(tǒng)的能流與物流的輸入與輸出的等量原則（輸入與輸出平衡）。生態(tài)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，生態(tài)平衡越穩(wěn)定，抵抗外源物的干擾（如污染物的輸入）能力越強(qiáng)。18環(huán)境生物化學(xué)食物鏈（網(wǎng)）與營(yíng)養(yǎng)級(jí)

（1）食物鏈生態(tài)系統(tǒng)中，由食物關(guān)系把多種生物連接起來(lái)，一種生物以另一種生物為食；另一種生物再以第三者生物為食……彼此形成了一個(gè)事物關(guān)系聯(lián)接起來(lái)的鏈鎖關(guān)系稱為食物鏈。例如：一個(gè)小池塘中水生生物之間構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈，以及其中能量和物質(zhì)的流動(dòng)情況見(jiàn)圖1。18環(huán)境生物化學(xué)

圖1水生生物的生態(tài)系統(tǒng)及其食物鏈關(guān)系示意圖18環(huán)境生物化學(xué)18環(huán)境生物化學(xué)

在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，浮游植物（藻類）-生產(chǎn)者借含葉綠素的細(xì)胞利用太陽(yáng)能將水和空氣中的CO2轉(zhuǎn)變成有機(jī)物，進(jìn)而為浮游動(dòng)物食用，小魚再食用浮游動(dòng)物，大魚再食小魚，構(gòu)成食物鏈。

按照生物間的相互關(guān)系，一般可把食物鏈分成四類：

捕食性食物鏈（Predatoryfoodchain）：這種食物鏈有成為放牧式食物鏈，它是以植物為基礎(chǔ)，其構(gòu)成形式是：植物-草食動(dòng)物-肉食動(dòng)物，后者可以捕食前者。如在草原上，青草—植食昆蟲—青蛙—蛇。“螳螂捕蟬，黃雀在后”18環(huán)境生物化學(xué)

碎食性食物鏈（Detritusfoodchain）：這種食物鏈?zhǔn)且运槭呈澄餅榛A(chǔ)，即由高等植物葉子的碎片經(jīng)細(xì)菌和真菌的作用，再加入微小的藻類構(gòu)成。其構(gòu)成形式是：碎食物→碎食物消費(fèi)者→小肉食性動(dòng)物→大肉食性動(dòng)物。如在某些湖泊或沿海，樹葉碎片及小的藻類→蝦（蟹）→魚→食魚的鳥類。

寄生性食物鏈（Parasitefoodchain）：這種食物鏈?zhǔn)且源髣?dòng)物為基礎(chǔ)，由小動(dòng)物寄生到大動(dòng)物身上構(gòu)成。如哺乳動(dòng)物或鳥類→跳蚤→原生動(dòng)物→細(xì)菌→過(guò)濾性病毒。18環(huán)境生物化學(xué)

腐生性食物鏈（Sparophagusfoodchain）：這種食物鏈?zhǔn)且愿癄€的動(dòng)植物尸體被土壤或水中的微生物分解利用，構(gòu)成了這種食物鏈。

（2）食物網(wǎng)在一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中，食物關(guān)系往往很復(fù)雜，各種食物鏈相互交錯(cuò)形成食物網(wǎng)。能量流和食物流就是通過(guò)食物鏈或食物網(wǎng)進(jìn)行的。由圖2所示。18環(huán)境生物化學(xué)圖2食物網(wǎng)與營(yíng)養(yǎng)級(jí)示意圖18環(huán)境生物化學(xué)

（3）營(yíng)養(yǎng)級(jí)

食物鏈的各環(huán)節(jié)，相同地位，其同樣作用的一群生物成為一個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)。生產(chǎn)者有機(jī)體為第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)，一級(jí)消費(fèi)者為第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)，二級(jí)消費(fèi)者為第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)，依次為第四、第五……營(yíng)養(yǎng)級(jí)，通常為4~5級(jí)，一般不超過(guò)7級(jí)。人類處于最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)。

18環(huán)境生物化學(xué)

低位營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物是高位營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的營(yíng)養(yǎng)及能量的供應(yīng)者，而地球上的一切能量來(lái)源是太陽(yáng)能。

但是，低位營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能量?jī)H有10％~20％能被高一級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物利用。如以10％的利用率計(jì)，那么熱值為1000卡的青草，被牛食用吸收利用后，最多能產(chǎn)生熱值100卡的牛肉。林德曼能量流動(dòng)的“十分之一定律”。因此，在數(shù)量上第一營(yíng)養(yǎng)者就必須大大超過(guò)第二營(yíng)養(yǎng)者，逐級(jí)遞減，就形成了生物數(shù)目金字塔，或生物量金字塔，生產(chǎn)率金字塔等。而在生態(tài)學(xué)中有一種表示食物鏈各層次能量遞減的方法，稱為能量塔圖（見(jiàn)圖6-3，圖6-4）。18環(huán)境生物化學(xué)圖3生物量金字塔18環(huán)境生物化學(xué)圖4能量金字塔18環(huán)境生物化學(xué)生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的特點(diǎn)：第一、能量流動(dòng)不是循環(huán)的而是單向的：從生產(chǎn)者→初級(jí)消費(fèi)者→次級(jí)消費(fèi)者→三級(jí)消費(fèi)者→……第二、能量流動(dòng)是逐級(jí)遞減的：傳遞率為10％～20％18環(huán)境生物化學(xué)18環(huán)境生物化學(xué)了解上述關(guān)系和規(guī)律的實(shí)際意義是：

①農(nóng)業(yè)是基礎(chǔ)，而種植業(yè)又是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，是發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)的基礎(chǔ)。須知草原的載畜量是有一定限度的，過(guò)度放牧必將引起草原生態(tài)的破壞，如草原退化、土地沙漠化。因此，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)應(yīng)符合生態(tài)學(xué)原理。

②人類處于食物鏈的最高營(yíng)養(yǎng)級(jí)，處于生物量金字塔的頂點(diǎn)。因此，世界人口的總數(shù)量受食物供應(yīng)的限制。人口過(guò)剩、食物短缺、人類生態(tài)系統(tǒng)的平衡被破壞。18環(huán)境生物化學(xué)

③利用食物鏈的限度關(guān)系，充分利用能量。例如，青草內(nèi)的碳水化合物在土壤中的作用不是十分重要的，應(yīng)先做飼料，再用畜、禽類的糞便制作沼氣，沼渣、水做肥料，則可以有效的利用能量。如把青草直接作肥料是生物質(zhì)能的一大浪費(fèi)。

④人類的食物結(jié)構(gòu)應(yīng)以植物為主食比以動(dòng)物為主食經(jīng)濟(jì)有利；以草食動(dòng)物為食比以肉食動(dòng)物為食經(jīng)濟(jì)有利。即人類的食物鏈越短，則能量的利用率越高。從生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的研究可知，人們雖然不能改變能量流動(dòng)的客觀規(guī)律，但可設(shè)法調(diào)整能量流動(dòng)方向，使能量流向?qū)θ祟愖钣幸娴牟糠?。例如，在森林中，最好使能量多?chǔ)存在木材中；在草原牧場(chǎng)上，則最好使能量多流向到牛、羊等牲畜體內(nèi)，獲得更多的毛、肉、皮、奶等畜產(chǎn)品。18環(huán)境生物化學(xué)

生物污染

大氣、水環(huán)境以及土壤環(huán)境中的各種各樣污染物質(zhì)，包括施入土壤中的農(nóng)藥等，可以通過(guò)表面附著、根部的吸附、葉片氣孔的吸收，以及表面的滲透等進(jìn)入生產(chǎn)者有機(jī)體內(nèi)，并通過(guò)食物鏈最終影響到人體健康。我們把污染環(huán)境的某些物質(zhì)在生物體內(nèi)累積，其數(shù)量超過(guò)正常含量，足以影響人體健康或動(dòng)植物的正常發(fā)育的現(xiàn)象稱之為生物污染。關(guān)于生物污染的量的指標(biāo)問(wèn)題現(xiàn)通常以食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)的依據(jù)。18環(huán)境生物化學(xué)生物濃縮作用與生物放大作用

①生物濃縮作用生物濃縮作用，也稱生物富集作用。生物通過(guò)非吞食方式（如植物根部的吸收、氣孔的呼吸作用而吸收）在從外界攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)，使某些污染物或元素在生物體內(nèi)的濃度大大超過(guò)周圍環(huán)境濃度的現(xiàn)象，稱為生物濃縮或生物富集。常用濃縮系數(shù)BCF（Bioconcentrationfactors）來(lái)表示生物濃縮率：

生物濃縮系數(shù)=CB/CE

式中，CB—某物質(zhì)或元素在生物體內(nèi)的濃度；

CE—某物質(zhì)或元素在周圍環(huán)境中的濃度。18環(huán)境生物化學(xué)

②生物放大作用在生態(tài)系統(tǒng)中，生物往往通過(guò)食物鏈和呼吸兩個(gè)途徑在體內(nèi)濃縮污染物質(zhì)。一種污染物的濃度在同一食物鏈上往往隨著營(yíng)養(yǎng)級(jí)的提高而逐步增大，甚至可提高數(shù)百倍至數(shù)萬(wàn)倍，從而對(duì)人體構(gòu)成危害，此種作用又稱為生物放大作用。生物放大的程度也可用生物濃縮系數(shù)表示。生物富集和生物放大的結(jié)果，都可造成生物積累。例如：18環(huán)境生物化學(xué)表1某些污染物的生物濃縮作用18環(huán)境生物化學(xué)

當(dāng)然，生物放大并不是在所有條件下都能發(fā)生。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，有些物質(zhì)只能沿食物鏈傳遞，不能沿食物鏈放大。這是因?yàn)橛绊懮锓糯蟮囊蛩厥嵌喾矫娴摹Ｈ缡澄镦?、食物網(wǎng)本身的復(fù)雜性，同一種生物可能隸屬于不同食物鏈不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，因而有不同的食物來(lái)源，這就擾亂了生物放大。不同生物或同一生物在不同的條件下，對(duì)污染物的吸收、降解、排泄、積累等均有可能不同，也會(huì)影響生物放大狀況。18環(huán)境生物化學(xué)

③生物積累所謂生物積累，就是生物從周圍環(huán)境（水、土壤、大氣）和食物鏈蓄積某種物質(zhì)或元素，使其在機(jī)體中的濃度超過(guò)周圍環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。生物放大或生物富集都屬于生物積累。生物積累的程度也用生物濃縮系數(shù)表示。18環(huán)境生物化學(xué)

生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化是指污染物進(jìn)入生物體后，在有關(guān)體內(nèi)酶或分泌到體外的酶的催化作用下的代謝變化過(guò)程。其中包括生物降解和生物活化兩種轉(zhuǎn)化過(guò)程。

①生物降解在生物體內(nèi)酶或分泌酶的作用下將有機(jī)物分解為簡(jiǎn)單有機(jī)物或無(wú)機(jī)物，轉(zhuǎn)變?yōu)榈投净驘o(wú)毒物的過(guò)程。多數(shù)污染物經(jīng)生物轉(zhuǎn)化后，水溶性提高，毒性也相對(duì)減弱或消失，有的分解中間產(chǎn)物與生物體內(nèi)的物質(zhì)相結(jié)合，生成易排泄物而迅速排出體外。污染物質(zhì)在環(huán)境中的三大轉(zhuǎn)化類型生物轉(zhuǎn)化化學(xué)轉(zhuǎn)化光化學(xué)轉(zhuǎn)化18環(huán)境生物化學(xué)

②生物活化有的污染物在生物體內(nèi)的代謝轉(zhuǎn)化過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)楸饶阁w毒性更大的生物活性物質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為生物活化。例如，汞的甲基化就是典型的實(shí)例,生成的二甲基汞的毒性比Hg2+

大的多。

Hg2+CH3-Hg-CH3

（二甲基汞）18環(huán)境生物化學(xué)生物的組成與微生物的生理特征18環(huán)境生物化學(xué)主要內(nèi)容

細(xì)胞是生物的基本結(jié)構(gòu)單元生物的物質(zhì)組成與元素組成微生物的生理特征18環(huán)境生物化學(xué)細(xì)胞是生物的基本結(jié)構(gòu)單元

細(xì)胞是一切生物體構(gòu)造和功能的共同基礎(chǔ)。細(xì)胞是生命的最小單位。最簡(jiǎn)單的生物是單細(xì)胞生物，如細(xì)菌、真菌及某些單細(xì)胞藻類和原生動(dòng)物。

細(xì)菌（包括球菌、桿菌、螺旋菌）的基本構(gòu)造包括細(xì)胞壁、細(xì)胞質(zhì)膜、細(xì)胞質(zhì)和原始核，核膜與核仁未分化。細(xì)胞質(zhì)膜是半透性生物膜，具有選擇性吸收作用，控制著體內(nèi)外物質(zhì)的交換。細(xì)胞質(zhì)即原生質(zhì)，主要由蛋白質(zhì)和核酸組成。細(xì)胞質(zhì)中有酶系統(tǒng)（即生物催化劑），依靠酶的作用，細(xì)菌不斷的進(jìn)行著新陳代謝活動(dòng)。18環(huán)境生物化學(xué)

真菌是類似植物，但缺乏葉綠素的生物，有單細(xì)胞和多細(xì)胞兩種，前者細(xì)胞呈圓形或橢圓形，后者細(xì)胞為絲狀，分支交織成團(tuán)，統(tǒng)稱霉菌。真菌的細(xì)胞大，具有明顯的細(xì)胞核，而細(xì)菌的細(xì)胞小，無(wú)明顯的細(xì)胞核。在廢水處理中常見(jiàn)的真菌有酵母菌和霉菌，其數(shù)量沒(méi)有細(xì)菌和原生動(dòng)物多。但在生物濾池中真菌起著重要的作用。藻類是一大類低等植物的統(tǒng)稱，構(gòu)造簡(jiǎn)單沒(méi)有根、莖、葉的分化，分單細(xì)胞、多細(xì)胞兩種。藻類體內(nèi)有葉綠素或其它輔助色素，能進(jìn)行光合作用。在廢水處理中常見(jiàn)的藻類有藍(lán)藻、綠藻、硅藻三大類。18環(huán)境生物化學(xué)

原生動(dòng)物是動(dòng)物中最原始的、最低等的單細(xì)胞動(dòng)物，個(gè)體小，但卻是一個(gè)完整的生命體，它具有動(dòng)物所必須有的營(yíng)養(yǎng)、呼吸、排泄及生殖等機(jī)能。原生動(dòng)物是活性污泥和生物濾池中生物膜的重要組成部分。在廢水生化處理中，原生動(dòng)物雖不如細(xì)菌那樣重要，但具有吞噬有機(jī)顆粒和游離細(xì)菌的能力，如最常見(jiàn)的纖毛類原生動(dòng)物鐘蟲以廢水中細(xì)菌及有機(jī)顆粒為食，是污水生物處理系統(tǒng)中的指示性微生物。在生化法處理廢水中，除了有單細(xì)胞的原生動(dòng)物在起作用外，還有多細(xì)胞的后生動(dòng)物，主要有輪蟲和線蟲。18環(huán)境生物化學(xué)生物的物質(zhì)組成和元素組成

生物的物質(zhì)組成生物是由細(xì)胞構(gòu)成的，而細(xì)胞是由許許多多無(wú)生命的化學(xué)物質(zhì)（如糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、核酸、酶、維生素、激素、水、無(wú)機(jī)鹽等）組成的相互影響的復(fù)雜系統(tǒng)。這是無(wú)生命與有生命的分界線。因此，生物的物質(zhì)組成可分為無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩大類。不同的生物其物質(zhì)組成的種類大致相同，但是，不同生物的各種組成之間的含量比例，以及不同細(xì)胞間各組成之間的含量是千差萬(wàn)別的。18環(huán)境生物化學(xué)

生物的元素組成

各種各樣的生物體內(nèi)的元素組成雖然有差別，但是有許多元素組成是相同的。生物體內(nèi)的元素組成主要有：C、H、O、N、S、P、Cl、Na、K、Mg、Fe以及Cu、Zn、Co、I、F、Se、Si、B、Mn、Cr、Sn、V、釹、Ni、Mo等。但是，據(jù)分析，生物體內(nèi)所含元素種類多達(dá)60~70種以上，其含量與地殼中這些元素的平均含量相近，說(shuō)明人類及其它動(dòng)物是從生長(zhǎng)在土壤環(huán)境中的植物中攝取這些化學(xué)元素的。當(dāng)然，這并不是說(shuō)以上這些元素都是生物體生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素?，F(xiàn)在已知的植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素只有17種（C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、B、Mn、Cu、Zn、Mo、Co、Cl等）。18環(huán)境生物化學(xué)

此外，生物體內(nèi)各元素離子之間的量一般保持在正常的比例范圍內(nèi)。如人體體液中Na+為100，則K+為3.68、Ca2+為3.10、Mg2+為0.70、Cl-為129.00。這一比例關(guān)系與海水成分相似。這也是生命起源于海洋的例證。18環(huán)境生物化學(xué)微生物的生理特征

自然界中的生物種類繁多，其生理特征也有差異。這僅就微生物的生理特征作一簡(jiǎn)單介紹。微生物的營(yíng)養(yǎng)特征

微生物的正常生長(zhǎng)、繁殖必須保證所需要的營(yíng)養(yǎng)。這些所需的營(yíng)養(yǎng)物主要有水、碳源、氮源和無(wú)機(jī)鹽類等。18環(huán)境生物化學(xué)

（1）水

水是組成微生物細(xì)胞的主要成分。細(xì)菌體內(nèi)平均含水80％~85％，它的一切生化反應(yīng)都是在水中進(jìn)行的，在干燥條件下微生物無(wú)法生長(zhǎng)。

（2）碳源

碳是構(gòu)成微生物體的重要元素。含碳有機(jī)物是微生物生長(zhǎng)所必需的重要能源。根據(jù)碳素營(yíng)養(yǎng)的來(lái)源和能源的不同，可把微生物分為有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型（異養(yǎng)型）、無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型（自養(yǎng)型）兩類。18環(huán)境生物化學(xué)

①有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型（異養(yǎng)型）微生物：在環(huán)境中異養(yǎng)型微生物比較重要。他只能利用有機(jī)化合物的碳素營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)利用有機(jī)物分解是所產(chǎn)生的能量以獲得能源，絕大多數(shù)的細(xì)菌和一切真菌都屬于這一類，淀粉、纖維素、單糖、二糖、多糖、有機(jī)酸、醇類、烴類、蛋白質(zhì)、氨基酸等有機(jī)物都能作為碳素營(yíng)養(yǎng)。較復(fù)雜的有機(jī)物則須先分解為簡(jiǎn)單有機(jī)物才能被利用。

②無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)型（自養(yǎng)型）微生物：此類型微生物能在外來(lái)能量幫助下，以無(wú)機(jī)碳源－二氧化碳為碳源，由CO2、H2O、NH3、H2S等合成有機(jī)物，而不能直接利用有機(jī)化合物中的碳素營(yíng)養(yǎng)。根據(jù)來(lái)源不同，又分為光能營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)能營(yíng)養(yǎng)兩類。18環(huán)境生物化學(xué)光能營(yíng)養(yǎng)型微生物，如綠色細(xì)菌和藻類，他們含有光合色素，能進(jìn)行光合作用。例如，綠色硫細(xì)菌能進(jìn)行光合作用，同化CO2而獲得碳素營(yíng)養(yǎng)（但同時(shí)要有H2S存在）：

CO2+2H2S{CH2O}+H2O+2S而藻類可以和高等綠色植物一樣進(jìn)行光合作用（包括同時(shí)有水的存在）。18環(huán)境生物化學(xué)化能營(yíng)養(yǎng)型微生物，如亞硝酸細(xì)菌、鐵細(xì)菌，某些不含光合色素的硫細(xì)菌等，他們能氧化一定的無(wú)機(jī)化合物，并利用氧化過(guò)程產(chǎn)生的化學(xué)能，還原二氧化碳，合成含碳有機(jī)物。如亞硝酸細(xì)菌可促進(jìn)下列變化：

2NH3+2O22HNO2+4H+能量

CO2+4H+能量{CH2O}+H2O

自然界中化能營(yíng)養(yǎng)微生物分布比光能營(yíng)養(yǎng)微生物分布更廣泛，這對(duì)自然界中氮、硫、鐵等物質(zhì)的轉(zhuǎn)化起重要的作用。18環(huán)境生物化學(xué)

（3）氮源

氮是構(gòu)成微生物細(xì)胞的基本物質(zhì)－蛋白質(zhì)的主要元素。微生物按需要氮源情況的不同，可分為氨基酸自養(yǎng)型和氨基酸異養(yǎng)型兩類。大多數(shù)微生物都是氨基酸自養(yǎng)型，它們只需無(wú)機(jī)氮化合物，如銨鹽、硝酸鹽等就可以生活，但也能利用簡(jiǎn)單有機(jī)含氮化合物如氨基酸、尿素等，至于蛋白質(zhì)等復(fù)雜有機(jī)氮化合物也可作為氮源營(yíng)養(yǎng)利用。18環(huán)境生物化學(xué)

氨基酸異養(yǎng)型微生物，一般雖能利用無(wú)機(jī)氮化合物和簡(jiǎn)單有機(jī)氮化合物，但除此之外，還必需某些特殊的氨基酸才能生活，而這些氨基酸在他們合成蛋白質(zhì)過(guò)程中不能自己合成，因此，這類微生物比較少。水中碳源過(guò)剩而氮源不足容易造成球衣細(xì)菌的大量繁殖，引起污泥膨脹。因此，在污水處理中必須有適宜的碳氮比，一般碳/氮比10：1。18環(huán)境生物化學(xué)

（4）無(wú)機(jī)鹽類

微生物的正常生長(zhǎng)、繁殖，必須有磷、硫以及極少量的鉀、錳、鎂、鈣、鐵、鈷等元素和極微量的銅、鋅、鉬等微量元素。其中一些元素是原生質(zhì)和酶的組成部分；有些元素是酶的輔基組成部分；有些元素是酶的激活劑，對(duì)微生物的生命活動(dòng)有刺激作用。有些微生物還需要少量的維生素。18環(huán)境生物化學(xué)微生物的生長(zhǎng)規(guī)律

微生物的生長(zhǎng)規(guī)律可以用生長(zhǎng)曲線表示出來(lái)。細(xì)菌的繁殖一般都以裂殖法進(jìn)行，每個(gè)菌體成熟后，分裂成兩個(gè)幼體細(xì)胞。環(huán)境適宜時(shí)，生長(zhǎng)繁殖非常迅速，每隔20min~30min就分裂一次。為了觀察微生物生長(zhǎng)規(guī)律，可將少量菌種接種到適宜的培養(yǎng)基上在適宜的條件下進(jìn)行培養(yǎng)，每隔一定時(shí)間取樣進(jìn)行測(cè)定，以菌體數(shù)目的對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo)作圖，可以得到微生物生長(zhǎng)曲線，如圖6-5所示。18環(huán)境生物化學(xué)

圖6-5微生物生長(zhǎng)曲線1－停滯期2－對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期3－靜止期4－內(nèi)源呼吸期18環(huán)境生物化學(xué)從微生物生長(zhǎng)曲線可以看出，隨著時(shí)間的不同，微生物的繁殖速度也不同。細(xì)菌的生長(zhǎng)經(jīng)歷以下四個(gè)時(shí)期：（1）停滯期：是細(xì)菌適應(yīng)新環(huán)境的時(shí)期，菌體逐漸增大，不分裂或很少分裂，也有的不適應(yīng)新的環(huán)境而死亡的，故微生物沒(méi)有大增加或略有減少。（2）對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期：這個(gè)時(shí)期的菌體已適應(yīng)了新的環(huán)境，且所需營(yíng)養(yǎng)非常豐富，微生物的活力強(qiáng)，新陳代謝十分旺盛，分裂繁殖速度很快，總菌數(shù)以幾何級(jí)數(shù)增加。18環(huán)境生物化學(xué)

（3）靜止期：在這個(gè)時(shí)期里菌體總數(shù)達(dá)最大值。但由于培養(yǎng)集中食物逐漸消耗，代謝產(chǎn)物逐漸積累并對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生抑制和毒害作用，以致使細(xì)菌開始死亡。雖然仍有新分裂的細(xì)菌產(chǎn)生，但總菌數(shù)基本保持不變，呈現(xiàn)為一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。（4）內(nèi)源呼吸期：在這個(gè)時(shí)期，培養(yǎng)基中的食物已經(jīng)基本耗盡，代謝產(chǎn)物大量積累，對(duì)細(xì)菌的毒害也越來(lái)越大，造成細(xì)菌大量死亡。細(xì)菌生活所需食物只能依靠菌體內(nèi)原生質(zhì)的氧化（內(nèi)源呼吸），以獲得生命活動(dòng)所需的能量，此時(shí)菌體總數(shù)不斷減少。18環(huán)境生物化學(xué)

根據(jù)微生物生長(zhǎng)繁殖規(guī)律可以通過(guò)不斷補(bǔ)充食物，人為地控制微生物的生長(zhǎng)處于某個(gè)時(shí)期，如控制在對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，微生物對(duì)環(huán)境中的污染物的降解速度快，凈化能力強(qiáng)。若控制在靜止期，則微生物的生長(zhǎng)繁殖對(duì)營(yíng)養(yǎng)及氧的需求低，微生物對(duì)環(huán)境中污染物降解徹底，去除效率高。18環(huán)境生