微生物水质净化剂

微生物水质净化剂第1页/共115页1、水体富营养化（水质恶化）水体富营养化是指在人类活动的影响下，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。现象：浮游藻类（束毛藻、夜光藻、裸甲藻等）大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。第2页/共115页水华（waterbloom):淡水富营养化现象。水中氮磷比达15---20：1时，引起蓝细菌和浮游藻类突然快速繁殖。第3页/共115页

引起水体富营养化的原因氮、磷过量；生活污水、工业废水、食品加工废水；集约化畜禽养殖场；农用化肥.氮、磷是初级生产者的营养源，氮、磷含量越高，藻类生长旺盛，容易产生水体富营养化，导致水质缺氧，影响生物的生长。蓝藻喜好生长于有机质丰富和高磷的富营养化环境中的微藻。通过微生物制剂控制降低氮、磷含量，可控制浮游微藻的过度繁殖，从而防止富营养化。第4页/共115页第5页/共115页水体富营养化的指标目前富营养化一般采用的指标是：水体中氮含量超过0.2-0.3ppm，生化需氧量（COD）大于10ppm，磷含量大于0.01-0.02ppm，

pH值7-9的淡水中细菌总数每毫升超过10万个，表征藻类数量的叶绿素-a含量大于10μg/L。第6页/共115页水体富营养化物质_氮源外来的大量氨氮和硝酸盐氮进入水体后，改变了其中原有的氮平衡，促进某些适应新条件的藻类种属迅速增殖，覆盖了大面积水面。例如我国南方水网地区一些湖叉河道中从农田流入的大量的氮促进了水花生、水葫芦、水浮莲、鸭草等浮水植物的大量繁殖，致使有些河段影响航运。在这些水生植物死亡后，细菌将其分解，从而使其所在水体中增加了有机物，导致其进一步耗氧，使大批鱼类死亡。氮第7页/共115页最近，美国的有关研究部门发现，含有尿素、氨氮为主要氮形态的生活污水和人畜粪便，排入水体后会使正常的氮循环变成“短路循环”，即尿素和氨氮的大量排入，破坏了正常的氮、磷比例，并且导致在这一水域生存的浮游植物群落完全改变，原来正常的浮游植物群落是由硅藻、鞭毛虫和腰鞭虫组成的，而这些种群几乎完全被蓝藻、红藻和小的鞭毛虫类(Nannochloris属，Stichococcus属)所取代。第8页/共115页水体富营养化物质_磷源水体中的过量磷主要来源于肥料、农业废弃物和城市污水。据有关资料说明，在过去的15年内地表水的磷酸盐含量增加了25倍，在美国进入水体的磷酸盐有60％是来自城市污水。在城市污水中磷酸盐的主要来源是洗涤剂，它除了引起水体富营养化以外，还使许多水体产生大量泡沫。水体中过量的磷一方面来自外来的工业废水和生活污水。磷第9页/共115页

水体富营养化的危害富营养化会影响水体的水质，会造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧减少，对水生动物有害，造成鱼类大量死亡。因为水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻，形成一层“绿色浮渣”，致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。因富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，也会中毒致病。第10页/共115页第11页/共115页2、石油等污染石油污染是广东沿海水域最严重的污染问题之一。对沿海水产养殖的主要影响有：引起养殖动物的急性中毒死亡，生长发育滞缓；生物体石油污染物积累；水产品污染异味。第12页/共115页2002.11.19巴哈马籍油轮“威望号”在西班牙发生断裂沉没导致燃料油泄漏。这艘船共装有7.7万吨燃料油。第13页/共115页第14页/共115页动物保护者在为鸟清洗身上的油污第15页/共115页

严重污染的水会通过食物链的生物放大作用危害人类健康。第16页/共115页3、养殖水体污染的来源养殖生态环境的外来污染养殖生态环境的养殖自身污染:多余的饵料：在高密度、集约化养殖过程中，由于养殖密度大，过多的未被养殖动物利用的饵料在养殖池塘生态环境中大量的积累以后，就成为养殖池塘生态环境中最为严重的污染物之一。动物的大量排泄物；生物死亡的有机残体.第17页/共115页集约化水产养殖的自身污染自然界良好生态平衡的水体具有自净能力。集约化水产养殖饲料残渣、动物排泄物、动物残体等有机物。1.1投喂饲料带来的污染：大量饲料未被水产动物转化利用，一部分残存饲料和排泄物转化为浮游微藻类、浮游动物、原生动物和细菌等生物体；另一部分以溶解和固态物质存留在养殖水体和底质中，造成水体富营养化。第18页/共115页1.2其他投入品的污染：治疗剂、消毒剂、水质改良剂（化学类）和底质改良剂等污染。一方面，消毒杀菌药物改善了养殖生态环境的作用，但也破坏类养殖动物、微生物与环境三者构成的平衡。第19页/共115页养殖水体的自身平衡以对虾为例，养殖前期水体的生态平衡：幼虾除了摄食饲料外，还有菌团、浮游微藻、浮游动物，养殖过程产生的代谢产物包括虾的排泄物、残存饲料和浮游微藻的尸体，经过微生物的降解、转化成为无机元素，促进浮游微藻的繁殖生长，进而促进浮游动物的繁殖，同时微生物在降解有机物过程中得以繁殖形成“菌团”。因此，浮游微藻、浮游动物和细菌菌团构成了对虾食物的来源一部分，养殖系统处于良性循环阶段，自身污染轻。第20页/共115页养殖前期，投喂饲料少，浮游动物、藻类数量也少，所产生的代谢产物不多，生物的总耗氧量低。这段时期内，养虾池溶氧比较充足，有机质经好氧微生物分解产生二氧化碳、水及硝酸盐和硫酸盐、磷酸盐等无机盐类，为浮游单细胞藻类进行光合作用提供营养，而浮游单细胞藻类的光合作用有为对虾的呼吸和有机质的氧化分解提供氧气。整个生态环境处于相对稳定的良性循环状态。养殖前期虾池水体微生态的良性循环第21页/共115页对虾养殖中、后期微生态的演变投喂饲料增加，代谢产物增多，有机耗氧量越来越大。在养殖水体的表层，浮游微藻的光合作用比较旺盛，可以使水体中有足够的溶解氧，供给好氧性微生物的活动，促使微生态的良性循环。而在养殖水体的下层和底层，浮游微藻的光合作用微弱，水体中溶解氧含量低，很快就被代谢产物的氧化分解所消耗，好氧微生物的活动受到抑制，使得厌氧性或兼性厌氧微生物大幅度生长成为优势菌群。厌氧消化降解有机物产生大量的氨、有机酸、胺类、硫化氢、甲烷等养殖动物有毒的产物，引起虾等中毒、致病。第22页/共115页养殖中、后期下层和底层水体微生态的不良循环第23页/共115页养殖水体的污染元素1、高浓度的有机污染物被微生物将含氮有机物进行氨化、硝化作用而产生对养殖动物有害的氨态氮、亚硝态氮等有害物质，并且水产养殖动物一般是排氨类生物，这样增加水体中氨态氮的含量。过高的氨态氮、亚硝酸盐对养殖动物具有很强的毒性；氨氮的耗氧特性会使水体的溶解氧降低，从而导致鱼类死亡和水体黑臭。第24页/共115页2、含氮有机物分解的同时，蛋白质中的含硫氨基酸也被分解产生H2S；3、COD和磷第25页/共115页无机界

植物

人和动物

太阳能、热、光（能量因子）二氧化碳、水、矿物质（物质因子）由微生物作用分解释放能量到宇宙空间产品被食用转移微生物净化剂就是要加强微生物的分解作用，减少富营养物质在水中的累积第26页/共115页微生物在生态系统中的地位1、微生物是有机物的主要分解者；微生物最大的价值也在于其分解功能。它们分解生物圈内存在的动物和植物残体等复杂有机物质，并最后将其转化成最简单的无机物，再供初级生产者使用。2、微生物是物质循环中的重要成员；微生物参与所有的物质循环，大部分元素及其化合物都受到微生物的作用。在一些物质的循环中，微生物是主要的成员，起主要作用；而一些过程只有微生物才能进行，起独特作用；而有的是循环中的关键过程，起关键作用。3、微生物是生态系统中的初级生产者；光能营养和化能营养微生物是生态系统的初级生产者，它们具有初级生产者所具有的二个明显特征，即可直接利用太阳能、无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又可以在食物链、食物网中流动。4、微生物是物质和能量的贮存者；微生物和动物、植物一样也是由物质组成和由能量维持的生命有机体。在土壤、水体中有大量的微生物生物量，贮存着大量的物质和能量。第27页/共115页微生物方法污水处理及养殖水体净化第28页/共115页水产养殖动物的疾病与水域生态环境关系非常密切，如不改善水质，水产动物的健康就得不到保证，水域生态环境就会破坏，病害会越来越多。因此，水产养殖环境的净化已成为水产健康可持续发展的关键。第29页/共115页

第二节微生物水质净化剂水产微生态制剂：应用有效的微生物技术，控制养殖水环境中氨、硫化氢等有害物含量，调控养殖池微生物生态结构，促进水产动物的消化吸收，增强其免疫功能，预防病害发生。又称微生物水质净化剂。机理：利用不同微生物对水体中累积的氨氮、硝氮、亚硝氮、磷、H2S进行转化或吸收，从而有效降低水中含量。或利用有效微生物阻断或减少以上物质在水中的积累。组成：有效微生物活体、稳定剂、赋形剂。第30页/共115页水质净化（调节）剂水产养殖的应用养殖生态系统生态结构简单，是为实现经济目的而建立起来的人工开放型生态系统，其面积小，池水较浅，营养结构简单，食物链较短。生态系统脆弱。随着现代集约化和规模化水产养殖业的发展，高密度养殖的水体生态系统脆弱，应激原增多，水产动物免疫抗病力下降，其对疾病的易感性大大增强。采用抗生素、化学合成的负面效应明显地暴露出来了。最初用于水产养殖的微生态制剂来自陆生动物设计的商品制剂，主要是芽孢杆菌和乳酸菌。20世纪90年代，从国外引进和国内研制的具有多功能的微生态制剂开始用于水产养殖业，最近几年已相当普及。第31页/共115页微生物水质净化剂常用菌种光合细菌芽孢杆菌类乳酸菌（脱氮、硫氧化等）硝化细菌与反硝化细菌。它们在水产养殖中的作用主要体现在营养特性、免疫特性和改善生态环境等方面。第32页/共115页光合细菌（photosymtheticbacteria,简称PSB）是一大类能进行光合作用的原核生物的总称，分为产氧光合细菌和不产氧光合细菌两大类。产氧光合细菌主要是蓝细菌，或称之为蓝藻和原绿藻，在分类上属于藻类。这里所说的光合细菌之能在厌氧光照条件下进行不产氧的光合作用的原核生物。分为4个科：红螺菌科、着色菌科、绿菌科和绿曲菌科。主要特征：A含有光合色素——菌绿素；B在厌氧、光照条件下进行光合生长，且不产氧。一、光合细菌第33页/共115页光合细菌具有固氮、脱氢、固碳、硫化氢氧化等功能，在自然界的碳、氮、硫循环中起着重要作用。在水产养殖应用光合细菌，具有净化、抗病、促生长的综合作用。1、净化养殖水域环境：光合细菌在H2S浓度很低时，也能利用其作为供氢体，主要利用小分子有机物为供氢体，且以这些小分子有机物为碳源。能利用铵盐、氨基酸作氮源进行生长。因此，能够迅速消除水体中的氨氮、硫化氢、有机酸等有害物质，改善水体质量。1、光合细菌在水产养殖业的功效第34页/共115页2、提高养殖对象防病抗病能力：光合细菌自身无毒无害，一旦进入养殖水体即大量繁殖，有效地抑制其他有害菌群的生长，能有效防治细菌性疾病。且光合细菌还有辅酶Q和抗病毒物质，能活化机体的免疫系统，增强抗病力。3、促进养殖对象健康生长：光合细菌菌体含CP60%以上，且含有多种叶绿素、类胡萝卜素、极丰富的B族微生物、多种促生长因子，是一种优良的单细胞蛋白原和优良的饲料添加剂，因而促进养殖对象生长的效能。第35页/共115页1.1光合细菌的生态特征1.水体厌氧层中的初级生产者：光合细菌能在厌氧和光照条件下，以多种硫化物或有机物为基质作为供氢体来固定二氧化碳。因此，PSB是水域厌气层中最重要的初级生产者，同时降低水体中的有机质和增加水体中的溶解氧。2.光合细菌与自然界硫元素转化循环：光合细菌能将硫化氢、硫代硫酸盐等转化为元素硫或硫酸，因而在自然界的硫循环中占有重要位置，也对水质净化中出去H2S非常重要！据报道，红色和绿色硫细菌与硫磺的生成关系密切，由于它们的活动，能够在20平方公里的湖中每年产生100吨硫磺。第36页/共115页3.光合细菌在氮元素循环中的作用：不仅能可以直接消耗水中的铵盐。近年来的研究发现光合细菌的某些种类具有脱氮活性，如RhodobactersphaeroidesS株当有硝酸盐存在时，能在缺氧的条件下将其还原成N2。4.光合细菌对高浓度磷酸盐的耐受性：据研究，红螺菌科的某些种对磷酸盐的耐受性很强。Rhodobactersphaeroides在磷酸盐浓度高达50mM的培养基中仍能良好生长；实验研究还表明，该菌能在一定条件下大量积累多聚磷酸盐。这表明在利用PSB处理有机废水时，有可能去除BOD的同时，实现脱氮除磷的效果。第37页/共115页1.2光合细菌的类群红螺菌科（即原名紫色非硫细菌）荚膜红假单胞菌(R..capsulata)。沼泽红假单胞菌(R.palustris)深红螺菌(Rsp.rubrum)：菌体呈螺旋状，运动较快。胶质红假单胞(R.capsulata)现名Rhodobactercapsulata绿色硫细菌（Greensulfurbacteria,即绿硫菌科）紫色硫细菌（Purplesulfurbacteria）第38页/共115页1.3光合细菌的营养类型营养类型:自养型（着色菌科、绿色菌科）、异养型（红螺菌科）与兼性营养型。光合自养细菌属于厌氧细菌，能在缺氧的条件下进行不放氧的光合作用，能进行类似植物的光合作用来制造有机物。如绿硫细菌中的一些种是以H2S作为光合作用供氢体，以CO2为主要碳源，厌氧下生长。此类细菌所进行的光合作用主要是以H2S为供氢体，CO2碳源。第39页/共115页第40页/共115页非硫细菌（NonsulfurBacterium）光合异养细菌也叫兼性厌氧菌，可以生活在有氧和无氧的环境中。进行光合作用时，虽属绝对厌氧反应，但是在氧和有机物同时存在的情况下也可以消耗氧来生长，所以光合异养细菌常被称为兼性厌氧菌。光合异养菌在进行光合作用是在无氧的条件下以有机物作为供氢体，以CO2为碳源，经光合反应产生有机物的。紫色非硫光合细菌因其能在好氧、厌氧及微好氧，光照与黑暗下异养生长，而成为国内外致力开发的微生物资源。第41页/共115页光合细菌除了可在厌氧和光照条件下进行不放氧的光合作用外，绝大部分还具有固氮作用，能直接利用水环境中的溶氧合成有机物，并在厌氧的环境中以硝酸盐或亚硝酸盐作为主要的代谢上的氧化剂，因此可以直接消耗水中的硝酸盐和亚硝酸盐。光合细菌还可迅速利用低分子有机物，其中的一些种还具有反硝化活性和积磷的特性，有较好的脱氮和除磷效果。常用于废水处理的是红螺菌科的一些种，因其细胞结构及独特的物质、能量代谢使之能在有机废水处理中显示出其他菌种无法比拟的优越性。第42页/共115页1.4光合细菌PSB在水产中的应用净化水质：由于光合细菌的上述代谢特性，光合细菌以小分子有机物、二氧化碳等作碳源，氨、铵盐、硝酸盐或亚硝酸盐作氮源，使得光合细菌可以在水质净化中发挥重要作用，有效地除去水体中H2S，降低水体中氮及COD，以光合细菌作为水质净化剂对于改善养殖水体的水质有明显的效果。第43页/共115页提高养殖池塘的能量转化效率：以投饵为重要增产技术的精养池塘，随着时间的延长，常因有机质投入过多，超过了池塘生态系统的消耗与转化能力，造成循环不畅，池内有机质的大量沉淀，产生严重的能量陷阱效应，致使池塘的能量转化效率偏低。由于PSB挥发其处理低分子有机物、转化H2S等有害物质的作用，促使池塘内N、P陷入能量陷阱的效应降低，加之这种转化在黑暗、弱光和厌氧条件下进行，从而起到增氧和降低H2S的效能，因而提高了单产和池塘的能力转换效率。第44页/共115页光合细菌在水产养殖中的其他功效作为饵料添加剂：PSB富含蛋白质,还含有各种B族维生素、矿物元素及其他未知的生理活性物质等，因此可为水体中的浮游动物和水产养殖动物提供丰富的饵料。光合细菌菌体蛋白质含量高，并含有大量促进鱼虾生长的活性因子，如生物素、维生素、β-类胡萝卜素等，可明显促进养殖生物的生长发育，缩短养殖周期。第45页/共115页增强水产养殖动物的抗病性：在同一生态位中微生物通过营养竞争、空间竞争或分泌抗生素、细菌素等毒素抑制其他微生物的生长。光合细菌是水体中的快速繁殖使得其成优势菌，可以抑制病原微生物的生长，防止鱼虾病害的发生。作为免疫增强剂：如荚膜红假单胞菌细胞壁中含有的多糖类物质是非特异性免疫增强剂，使鱼类的免疫球蛋白提高10倍以上。此外，类胡萝卜素对提高免疫力效果明显。第46页/共115页紫色非硫光合细菌的富集与分离：将150ml河水和100g鱼塘底泥放入500ml带塞磨口瓶中，加满紫色非硫光合细菌的富集培养基，液面注入灭菌液体石蜡，隔绝空气，置于30℃、2000lx光照强度下培养15~30d，待液体培养物呈现红色或红棕色，转移至新配制的富集培养基中，重复2～3次。取富集培养物，经摇床振荡稀释处理后，以平板涂布法分离，在厌氧培养箱中光照培养7d，挑取粉红色至红色单菌落反复划线培养3次，挑取单一菌株，穿刺接种，管口塞紧后封蜡，培养、保藏备用。第47页/共115页第48页/共115页1.6光合细菌制剂的剂型市场上见到的光合细菌剂型大致有液体制剂、浓缩液、固体制剂、冻干粉等。相对而言，液体制剂较容易大量培养和批量生产，且培养物的活性较强，光合细菌的代谢物含量丰富。应用效果也较好，目前在各剂型中是使用量最大的一种。第49页/共115页1.7光合细菌的施用方法光合细菌的形态微小，比重小，若采用直接泼的方法则不易下沉，无法直到改善环境的作用。因此，在泼洒其液体制剂时，最好是与沸石粉合剂应酬用，这样既能将活菌迅速沉降到水底，同时沸石粉也可直到吸附氨的作用。水体肥且呈弱碱性时施用；光合细菌在贮存过程中易受温度、氧环境、光照、湿度等因素影响，使活菌浓度逐渐下降，难以保证预期的使用效果。因此，需要光能，不易贮存，使用效果不稳定是光合细菌单一制剂的主要缺陷。第50页/共115页光合细菌存在的问题与任务曾经兴起的光合细菌的热潮，遇到诸多的问题，甚至在水产养殖业的应用几乎停顿。产品质量低劣，标识量极高，实际仅活菌数仅一亿，养殖效果差。未来重点：如何筛选活性强、适应面广，容易培养的菌株。第51页/共115页2、芽孢杆菌芽胞杆菌对水产养殖的功效：第一，有些芽胞杆菌属在鱼虾肠道内、体表上繁殖，形成优势菌群，促进该部位有益细菌生长繁殖，竞争性抑制肠道、体表致病菌繁殖，提高鱼虾免疫力，有效预防疾病。第二，芽胞杆菌在繁殖过程中大量产生蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶，能迅速降解鱼虾残留饵料和排泄物中蛋白质、淀粉、脂肪等有机物，在池内其他微生物的共同作用下，大部分进一步降解为二氧化碳和水，降低养殖水体富营养化和减少底泥生成。第52页/共115页1）芽孢杆菌对氮、磷沉积的影响：减少底质环境中氮、磷的沉积。因为，养虾生产需培养优良的浮游单细胞藻类，营造合适的水色。在生产上施肥增加水体的营养盐含量，以培养单细胞藻类。但是，施肥带进的营养盐物质在池底沉积，引起底生藻类的繁殖。芽孢杆菌具降解有机物和解氮磷功能，不仅源源不断给单细胞藻类提供营养盐，而且可以避免池底沉积物的富营养化，维持生态平衡。第53页/共115页2）由于芽孢杆菌自身耗氧量低，降解、转化有机物速度快，可以有效改善改善池底缺氧状态，减少硫化物的累积。3）芽孢杆菌消化酶活性高，具有降解残存饲料、排泄物和生物残体等有机物，矿化营养物质供浮游单细胞藻类生长繁殖。保证了有机物氧化——氨化——硝化——反硝化的正常循环，降低氨氮、亚硝酸盐等有害物质。第54页/共115页缺点芽抱杆菌生长速度快，能迅速降解养殖池中鱼虾排泄物、残饵、尸体等的有机物。但是，芽抱杆菌大多具有硝酸盐还原能力，能将硝酸盐还原为亚硝酸盐。因此，在水质急剧恶化的养殖水体中使用芽抱杆菌制剂，起初氨氮水平快速降低，亚硝酸随之也微生态制剂降解养殖水体氨氮及亚硝酸盐的研究降低，但随后水体中亚硝酸盐含量出现反弹。因此，水体中亚硝酸盐含量的反弹，是芽抱杆菌制剂的主要缺点。第55页/共115页3、硝化细菌硝化细菌是一类能降解氨和亚硝酸盐的自养型细菌,包括亚硝化菌属(Nitrosomonas)

和硝化杆菌属(Nitrobacter)

两个生理亚群，它们归属于一个独立的科—硝化杆菌科。硝化杆菌科包括九个属,它们分别是：硝化杆菌属(Nitrobacter)、硝化刺菌属(Nitrospina)、硝化球菌属(Nitrococcus)、硝化螺菌属(Nitrospira)、亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、亚硝化球菌属(Nitrosococcus)、亚硝化叶菌属(Nitrosolobus)、亚硝化弧菌属(Nitrosovibrio)。第56页/共115页2.1硝化细菌的特性(1)硝化细菌的自养性：硝化细菌是一种专性化能自养菌，能通过硝化作用利用亚硝态氮获得能量，并且以CO2作为唯一的碳源,是典型的化能无机营养菌。(2)生长速度慢：因硝化细菌由自身合成糖类,这一过程需要相当长的时间，平均代时在10h以上。(3)好氧生长，O2是最终的电子受体。(4)形态多样：同一生理亚群中的种类，尽管生理学上具有共同性，但细胞形态多种多样，如球形、杆状、螺旋形等。(5)革兰氏阴性，无芽孢。第57页/共115页2.2硝化细菌的作用机理硝化作用指的是硝化细菌在好氧条件下将NH3氧化为NO2-

，并进一步氧化为NO3-

，从中获得生长所需能源的过程。因此，常讲的硝化作用实际上包括了由亚硝化细菌完成的亚硝化作用和由硝化细菌完成的硝化作用两个阶段。前一阶段NH3

氧化为NO2-，称为亚硝化作用或氨氧化作用，由亚硝化细菌完成；后一阶段是NO2-氧化为NO3-

的过程，称为硝化作用，由硝化细菌完成。第58页/共115页硝化细菌的分离培养硝化细菌生长速度较为缓慢,平均世代一般在以上20h以上。要求首先分离筛选出高效硝化细菌,并采用有效的方法进行富集培养。来源：湖底表层淤泥。第59页/共115页第60页/共115页2.3硝化细菌对水产养殖为何重要？任何水产养殖池都会自产有机废物，它们绝大部份属于养殖生物的排泄物，水中自生之异营性细菌将很快地加以摄取利用，并排泄出氨于水中。水中的氨有两个不同的形式：一是氨(NH3)，另一是铵(NH4+)。氨有毒，而铵无毒。两者在水中相对百分率由水中之pH值来决定，若水中pH值越高，则水中所含有毒氨的百分率也越高，但在酸性的水中，有毒的氨几乎不存在。第61页/共115页养殖池中如果没有硝化细菌存在，必然会面临氨含量激增的危险，不论您采取何种方法都不能彻底解决这个问题。因为氨是剧毒物，只要水质偏向碱性，一部份的铵就会自然地转化成氨，当水中的氨浓度达到养殖生物的致死浓度时，造成重大意外损失也就不足为奇。如果水中含有足够数量的硝化细菌为您不断地清除水中的铵，则整个池水的生态平衡系统的稳定性将可获得确保，并使养殖生物安全地成长于饲养环境中。光合细菌也具有降解氨氮的作用，因此，现代水产养殖已能成功地将氨氮控制在较低水平上。而对于亚硝酸盐，由于自然界中的硝化细菌生长极慢，且还没有发现其它可替代的任何微生物替代硝化菌的功能，所以，养殖过程中产生的亚硝酸盐就成为阻碍养殖业发展的关键因素。第62页/共115页D.利用反硝化细菌处理底层有机物，减少底泥中硝酸盐含量的关键是选择好菌种，使用通过实验室筛选反硝化主要产物为氮气的反硝化菌种，扬长避短。做到既可减少底泥有机物和硝酸盐含量，又能长期维持池内水质稳定。问题是一般的养殖池中常缺乏足够的硝化细菌，尤其是在初期养殖水中硝化系统尚未完全建立时更是如此。因为一般养殖池中的生态环境，常缺乏硝化细菌繁殖之基本生活条件，限制了它们数量及处理铵污染之能力及效率。结论：因此，为使水产养殖成功，就有赖硝化细菌介入水族生态平衡系统中扮演清道夫的重要角色。第63页/共115页提供足量的硝化细菌是水产养殖关键？1、硝化细菌是属自养型微生物，以环境中的二氧化碳、亚硝酸盐等无机物质为营养，在体内合成生长所需的有机物。因此，硝化细菌的繁殖速度要比异养型微生物慢得多，一般异养型微生物可在几十分钟内增殖一倍数量，而硝化细菌则要1一2天才能增殖一倍的数量。亚硝化单孢菌Nitrosomonasspp.第64页/共115页2、另一个重要的原因是硝化细菌是一种自养型的细菌，水体中过多的有机物反而会抑制它们的生长与繁殖，减缓亚硝酸盐的降解速度。因此必须避开这些有机废物，这无形中会限制硝化细菌的居住环境，若水中适合硝化细菌居住环境不是很多时，它们的数量将很难增加。3、就除铵的效率而言，要消除几个ppm的铵，至少要有上百万个硝化细菌才能达到目的，所以硝化细菌除铵的效率并不高。再加上硝化细菌的繁殖速率很慢，以及池水中可居住的环境又少，无法自生足量的硝化细菌，以致硝化细菌就自然成了水产养殖的关键细菌了。第65页/共115页4、从池水的生态观点来说，我们是无法防止氨的产生的，但是却可以设法提高硝化细菌的数量来消耗池水中大量的氨。因为硝化细菌消耗氨，只要这类细菌的数量足够，它们就会很自然地消耗掉每天自产的氨，使氨不会在水中被大量的累积下来，成为水产养殖的隐形杀手。

但是，硝化细菌生长适宜有机物浓度低的环境。因此，对水体环境要求高，生长速度慢，难以快速处理水质急剧恶化问题，是硝化细菌制剂的主要缺陷。第66页/共115页如何提高足量的硝化细菌？添加硝化细菌制剂是可行的方法，尤其是在水中氨浓度偏高时，采用这种方法最有效率。但这种方法只是治标方法，不是治本方法，因为这些制剂在水中被活化成为活菌之后，它们仍然多属「无壳蜗牛」，在池水中无法增殖，甚至因环境不适而逐渐死亡。如游离细胞在流水条件下易被水流冲走，在静水条件下易被其他生物所吞食、持续时间短、利用率低下等缺点。活菌除铵效果迅速，适用于氨浓度过高的紧急情况。但活菌对氧气的要求十分严格，要将活菌保存并制成产品，常有保存的困难，要特别注意有效使用期限。第67页/共115页

从理论的角度而论，为硝化细菌塑造一个理想的繁殖场所是最根本的解决办法。硝化细菌在繁衍过程中，有附着于固定物外表的倾向，若能在池水中安置若干多表面积的固定物供其附着，它就能迅速地附着在这些固定物的表面上，并开始增殖。（此类附着物，称之“生物填料”，carrymedia)第68页/共115页然而，要在池水中安置固定物通常是不可行的，理由是这种方式可能会阻碍鱼类的活动及不利于捞补。比较可行的处理方式是在过滤系统中安置「生化培养球」，这种产品是专门为硝化细菌提供一个繁衍场所而设计的，它通常是由黑色的塑料骨架所制成，大小约为3~5公分直径的空心球体，并有很大的表面积可供硝化细菌附着。它的原理是让硝化细菌成为「有壳蜗牛」，增加硝化细菌的生活空间，因此可让硝化细菌依附在这种人造的球体上进行硝化活动，使滤水中的氨及亚硝酸被硝化细菌所消耗。利用生化培养球培养硝化细菌第69页/共115页生化培养球又称为生化过滤球，它是一种藉由生物化学的方法来除掉氨的一种特殊滤材，不过它并不是依靠滤材本身的作用将氨除去，而是藉由生活于滤材表面的硝化细菌来将氨给氧化掉，使之转化为无毒性的硝酸，以减少有毒物质的堆积，为养殖生物创造一个优良的生长环境。生化培养球具有广大的表面积，且交错网孔构造可在表面达到完全通气效果，更由于生化培养球若彼此互相接获连接在一起，可在过滤系统中形成一个巨大的活动空间让硝化细菌居住及生活，并有利于硝化细菌大量的繁衍。第70页/共115页

不宜单独使用，最好与机械式过滤系统结合成一体，可在机械式过滤系统的滤程后面，加设一个「生化培养球箱」，内置生化培养球，仅让滤水由上自动滴流而下，然后再经由滴流过程中的硝化作用，来达到最完美的生物自净作用。如果将生化培养球单独使用，可能无法达到预期的效果，因为若直接把池水引入「生化培养球箱」，水中难免会夹带不少有机废物，由于它们不受硝化细菌所欢迎，若让这些有机废物附着于生化培养球上，则硝化细菌就很难在其表面着床生长。因此应将池水中的有机杂质先行滤除。第71页/共115页生物填料的安装（污水处理厂）第72页/共115页第二节生物脱氮及微生物菌群1、生态系统中的氮素循环(1)大气中分子态氮被固定成氨(固氮作用)；(2)氨被植物吸收利用，合成有机物质；(3)有机氮被分解释出氨(氨化作用)；(4)氨被氧化为硝酸(硝化作用)；(5)硝酸被还原为分子态氮返回大气(反硝化作用)第73页/共115页第74页/共115页硝化作用(Nitrification)

微生物将氨氧化成硝酸盐的过程称为硝化作用。硝化作用分两个阶段进行：第一个阶段是氨被氧化为亚硝酸盐，靠亚硝化细菌完成，主要有亚硝化单胞菌属、亚硝化菌属等的一些种类。第二阶段是亚硝酸盐被氧化为硝酸盐，靠硝化细菌完成，主要有硝化杆菌属、硝化球菌属的一些种类。硝化作用在自然界氮素循环中是不可缺少的一环。第75页/共115页硝化作用的微生物种类硝化作用的微生物:

亚硝酸细菌：亚硝酸单胞菌、亚硝酸球菌、亚硝酸螺旋菌、亚硝酸叶状菌、亚硝酸弧菌。

硝酸细菌：硝酸杆菌、硝酸针状菌、硝酸球菌。

第76页/共115页硝化细菌的分离培养亚硝酸细菌、硝酸细菌为严格化能自养菌，有机质存在时对其生长有抑制作用，故分离用的琼脂必须高度纯化,或用硅胶。亚硝酸细菌：以铵盐为唯一能源，接种少量不含有机质淤泥，加富培养。

硝酸细菌：以亚硝酸为唯一能源，接种少量不含有机质淤泥，加富培养。第77页/共115页影响硝化作用的因素①pH：最适生长pH是7.9－9.0，低于6.0则受到抑制，在pH3.4－8.6范围内硝化作用与土壤pH呈正相关②温度：硝化作用温度界限在4－40℃之间。③通气：硝化作用严格好氧。④当土壤中含有丰富的蛋白质有机物进入时，硝化作用会加剧进行。第78页/共115页1.4硝酸盐同化还原作用亚硝化和硝化细菌合成的硝酸盐可以被几乎一切绿色植物和多种微生物利用作为氮素营养，将硝酸盐还原成NH3后再被利用于合成各种含氮有机物，这就是硝酸盐同化还原作用。铵盐和硝酸盐是植物和微生物良好的无机氮类营养物质，它们可被植物和微生物吸收利用，合成氨基酸、蛋白质、核酸和其他含氮有机物。第79页/共115页1.5反硝化作用(denitrification)反硝化作用也称脱氮作用，由微生物在厌氧或微厌氧条件下将硝酸盐还原成氧化亚氮或氮气。反硝化作用对于控制水体富营养化，处理污水和净化水域有着极大的利用价值。反硝化作用是造成土壤氮素损失的重要原因之一。但从整个氮素循环来说，反硝化作用还是有利的，否则自然界氮素循环将会中断，硝酸盐将会在水体中大量积累，对人类的健康和水生生物的生存造成很大的威胁。对去除水体中的氨氮、硝态氮是必不可少的。海洋中约一半的氮是通过这个途径返回大气中。第80页/共115页反硝化细菌通过诱导产生硝酸还原酶和亚硝酸还原酶对硝酸盐和亚硝酸盐进行还原。不同反硝化细菌的反硝化作用能力不同，生长条件也存在很大差异，一般在厌氧和微厌氧的条件下进行的。第81页/共115页反硝化作用的微生物化能异养型：假单胞菌、产碱杆菌、芽孢杆菌化能自养：硫杆菌属、脱氮硫杆菌光能营养：红假单胞菌

并非上述微生物属中的种都能进行反硝化作用。有些种近产生N2O，大肠杆菌只能反硝化形成NO2-.第82页/共115页反硝化作用的条件①有电子供体如葡萄糖、H2S、H2等。②有反硝化作用微生物。③厌氧条件。反硝化作用在厌氧条件下进行，兼性厌氧细菌在有氧时以氧为电子受体进行有氧呼吸，在无氧条件下以NO3－为电子受体进行硝酸盐呼吸。④必须有含氮化合物HNO3、N2O、HNO2、NO作电子受体。第83页/共115页1.6同时硝化与反硝化作用（SND）第84页/共115页已知的SND菌种好氧反硝化菌有硝化菌泛养副球菌（Paracoccuspantotropha）、假单胞菌属的某一种（Pseudomonasspp.）和粪产碱菌Alcaligenesfaecalis)

均可在好氧条件下将亚硝酸根离子(NO2-)或硝酸根离子(NO3-)还原为氮气(N2)。第85页/共115页好氧反硝化细菌的发现，为污水生物脱氮技术注入了新的活力，对解决上述问题提供了新的方法。好氧反硝化细菌克服了传统的反硝化细菌只能在缺氧条件下进行反硝化作用的缺点，有氧生长，生长周期短，对高浓度的氮耐受力很强，利于缩短废水脱氮时间，并为同步硝化反硝化作用的工程化提供了可能。第86页/共115页近年来人们发现，硝化反应和反硝化反应可以在同一操作条件下于同一反应器内进行，即同步硝化和反硝化。并且是厌氧或微好氧的条件下进行氨氧化的过程（厌氧氨氧化过程）.

第87页/共115页第88页/共115页短程硝化一反硝化生物脱氮(Shortcutnitrification－denitrification)技术，该方法是利用了硝化菌和反硝化菌的生理特性，将硝化过程控制在NO2-阶段而终止，随后进行反硝化。实现短程硝化反硝化的关键在于将NH4＋的氧化控制在NO2-阶段，阻止NO2-的进一步氧化，因此，必须稳定的维持NO2-的积累，影响NO2-积累的主要控制因素有温度、DO、pH、泥龄(SRT)、游离氨(FA)等。第89页/共115页厌氧氨氧化过程发现的意义细菌厌氧氨氧化过程是以氨作为电子供体硝酸盐作为电子受体的一种新型脱氮反应。厌氧氨氧化菌的发现，改变人们对传统氮的生物地球化学循环的认识：反硝化细菌并不是大气中氮气产生的唯一生物类群。越来越多的证据表明细菌厌氧氨氧化与全球的氮物质循环密切相关，估计海洋细菌的厌氧氨氧化过程占到全球海洋氮气产生的一半左右。硝化反应的产物可直接成为反硝化反应的底物,避免了培养过程NO2-

和NO3-

的积累对硝化反应的抑制,加速了硝化—反硝化反应的进程；还可避免亚硝酸盐氧化成硝酸盐及硝酸盐再还原成亚硝酸盐这2个多余的反应。传统的硝化和反硝化是在2个独立的或分隔的反应器中进行，分2个系统，条件控制复杂，两者难以在时间和空间上统一。因此，SND实现了氨氮的短程转化，可简化操作的难度,大大降低投资费用和运行成本。为开发更节约能源、更符合可持续发展要求的废水脱氮新技术提供了生物学基础。第90页/共115页SND在废水处理应用的优势硝化阶段可减少25%的需氧量，降低了能耗；反硝化阶段可减少质量分数40%左右的有机碳源,降低了运行费用；反应时间短；具备较高的反硝化速率,NO2-的反硝化速率通常比NO3-

高63%左右。第91页/共115页第三节生物除H2S及微生物菌种微生物参与硫素循环硫是构成细胞物质的重要元素，参与蛋白质的合成。还原性硫可以作为某些自养细菌的能源。氧化态硫可以作为某些细菌无氧呼吸的电子受体。同化性硫酸盐还原作用脱硫作用硫化作用异化性硫酸盐还原作用异化性硫还原作用S第92页/共115页

第93页/共115页S3.1、自然界中的硫素循环自然界中的硫和硫化氢经微生物氧化形成SO42-；SO42-被植物和微生物同化还原成有机硫化物，组成其自身；动物食用植物、微生物，将其转变成动物有机硫化物；当动植物和微生物残体的有机硫化物，主要是含硫蛋白质，被微生物分解时，以H2S和S的形式返回自然界。另外，SO42-在缺氧环境中可被微生物还原成H2S。概括地讲。硫素循环可划分为脱硫作用、同化作用、硫化作用和反硫化作用。第94页/共115页3.2、脱硫作用动植物和微生物残体中的含硫有机物被微生物降解成H2S的过程称为脱硫作用。有机物的矿化。厌氧腐败含硫有机物氨基酸、蛋白质、维生素→→H2S+NH3S第95页/共115页3.3、硫化作用即硫的氧化作用，是指硫化氢、元素硫或硫化亚铁等在微生物的作用下被氧化生成硫酸的过程。自然界能氧化无机硫化物的微生物主要是硫细菌。作用微生物：硫化细菌、丝状硫细菌和光能自养硫细菌。①硫化细菌：化能自养型，氧化还原态S获得能量。

代表属：硫杆菌属ThiobacillusG－，无芽孢、耐酸、氧化能力强。如铁氧化梳杆菌T.ferrooxidans可氧化Fe2+为Fe3+产生H2SO4，造成管道腐蚀。

②丝状硫细菌：代表属：贝氏硫细菌属Beggiotoa细胞直径大，联结成丝状体无分枝，无隔、滑行。氧化H2S为贮存为S：

H2S+O2

→2H2O+2S

如果无S，可将S转化成SO42-.第96页/共115页③光能自养硫细菌：光合作用在无O2水域进行，不产O2。

紫硫细菌：菌悬液紫色，G＋，在细胞内积累硫，并可进一步将S氧化成SO42－，固定CO2：2CO2+2H2S+2H2O→2[CH2O]+H2SO4Thiopediaroseopersicinia

玫瑰色板硫菌第97页/共115页绿硫细菌：悬液绿色，元素硫沉积在细胞外，严格厌气光能自养。第98页/共115页3.4、同化作用由植物和微生物引起。可把硫酸盐转变成还原态的硫化物，然后再固定到蛋白质等成分中。第99页/共115页3.5、反硫化作用硫酸盐在厌氧条件下被微生物还原成H2S的过程称为反硫化作用。在农业生产上，由微生物硫化作用所形成的硫酸，不仅可作为植物的硫素营养源，而且还有助于土壤中矿质元素的溶解，对农业生产有促进作用。但在通气不良的土壤中所进行的反硫化作用，会使土壤中H2S含量提高，对植物根部有毒害作用。对水生动物的毒害作用。第100页/共115页反硫化作用：缺O2条件下，水体/土壤微生物将硫酸盐或氧化态的硫化物经还原作用形成H2S的过程。例：

脱硫弧菌Desulfovibriodesulforicans

严格厌氧，以硫酸盐为电子受体，氧化有机质。

C6H12O6+3H2SO4→6CO2+6H2O+3H2S+269千卡第101页/共115页反硫化作用条件：①有机质过多；②无O2

危害：导致H2S积累、毒害根系，造成秧苗烂根。毒害水生动物。H2S与细胞色素系统中的重金属离子反应，生成黑色沉淀。

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