微生物的特点

现代环境生物技术原理与应用考题

一、请详细论述微生物的特点与污染控制工程的关系。

微生物主要有：病毒，原核微生物（以细菌为例），真核微生物（以酵母菌为例）等几种

病毒

形态---大多数小直径100nm左右，形态多样：砖状，子弹状，球状，蝌蚪状，杆状，卵圆

状，丝状等。

结构：病毒中心是核酸(RNA)，外面包被着1层有规律地排列的蛋白亚单位，称为衣壳。构

成衣壳的形态亚单位称为壳粒，由核酸和衣壳蛋白所构成的粒子称为核衣壳。核衣壳外面有

一层由脂类货脂蛋白组成的包膜，包膜上还可有刺突。

特性：1体积微小2非细胞结构3病毒的化学组成比较简单4严格活细胞内寄生

5以复制方式繁殖6特殊的抵抗力

病毒在污染控制方面的意义：

日常生活中，通过水传播的人类病毒超过100多种，检测水中纷繁的病毒极为困难。需要寻

找一种指示微生物显得十分必要。噬菌体与肠道病毒的结构、组成、大小和复制方式等具

有相似性，因此，噬菌体是较理想的水环境肠道病毒指示生物，目前已经得到了广泛的应用

如：大肠杆菌噬菌体（SC噬菌体）、F-RNA噬菌体、脆弱拟杆菌噬菌体等病毒均有十分良好

的指示效果。

原核微生物

形态：以球状，杆状，螺旋状，丝状为主。

例如细菌个体形态有三类：球状，杆状，螺旋状

放线菌个体具有发育良好的分支状菌丝体,少数为杆状或原始丝状的简单形态。

蓝细菌形态多样，一般有球状，杆状，单生或者形成团聚体。也有丝状和螺旋状的蓝细菌。

结构：1有核糖体和裸露的环状DNA

2有细胞质,细胞膜；没有真正细胞核,但有拟核；

3.有核糖体,没有其他被磨包围的细胞器：线粒体，溶酶体，内质网，过氧化氢酶等

4.大多数都有细胞壁4

特性：单细胞动物,原核生物,最主要的特点是没有细胞核、染色体，即DNA外无蛋白质包

裹。其次，原核生物体内无高级的细胞器（线粒体、叶绿体、高尔基体等），他只含有核糖

体。另外，原核生物有细胞壁，但其成分和植物的不同，植物的是纤维素，原核生物是肽聚

糖。原核生物外还有鞭毛等.

原核微生物在污染控制方面的意义:

细菌对污染物的净化处理

1过细菌的分解作用降解环境中的有机污染物,细菌对环境中有机污染物有很强的降解作

用。

通过细菌的转化作用降低重金属等污染

目前环境中的金属污染主要是通过细菌的转化作用去除的，它主要是通过化学反应，转化一

些金属原子、金属离子的形态使其沉淀，然后加以去除。或者转化金属离子的价态，使其从

毒性大的价态转化为毒性小的价态，并溶于土壤液体，从而易于从土壤中滤除。

2细菌在水处理中的作用

污水生物处理的工作主体是曝气池活性污泥中的细菌通过活性污泥法、生物膜法、稳定塘法

等人工生物处理技术对有机物进行降解。在处理废水的过程中吸附能力很强的菌胶团将废

水中的杂质和游离细菌等吸附在其上，形成了活性污泥的絮凝体。作为絮凝体主体骨架的菌

胶团细菌在废水处理过程中有很强的生物絮凝、吸附能力和氧化分解有机物的能力，同时菌

胶团对有机物的吸附和分解。还具有指示作用：通过菌胶团的颜色、透明度、数量、颗粒大

小及结构的松紧程度可衡量好氧活性污泥的性能。

放线菌对污染物的净化处理

放线菌为腐生菌促进土壤形成团粒结构，改良土壤，在有机固体废物的填埋和堆肥发酵及废

水生物处理中起积极作用。高温性菌种降解大量有机物，使之框化。还有的菌种能使石油脱

蜡、烃类发酵，脱硫、脱磷。有的对氰化物、腈类化合物的分解能力很强，适合用于丙烯腈

废水生物处理。

真核微生物

形态：有呈圆形，卵圆形，圆柱形，柠檬形的酵母菌，有呈绒毛状，絮状，货网状的霉菌，

形态各异的藻类，单细胞的原生动物等。

结构：

完整的细胞核内具有核膜，细胞质中存在高度分化的细胞器，如线粒体，高尔基体，内质网，

染色体，中心体等。

特性：1好氧，2化能异养3细胞质中含有线粒体，无叶绿体，不进行光合作用

4有细胞核，进行有丝分裂5以无性孢子和有型孢子两种方式进行繁殖

6一般不运动

真核微生物在污染控制方面的意义

酵母菌既具有细菌单细胞、生长快、能形成很好的絮体、适应于各种不同的反应器等特点,

又具有真菌细胞大、代谢旺盛，耐酸、耐高渗透压、耐高浓度的有机底物等特性,其体内含

有特殊的氧化分解酶能利用多种有机物(简单糖，有机酸、醇等)，快速分解，到达净化水质

的作用，因此酵母菌在废水处理中的应用广泛，高浓度有机废水，含有重金属离子的废水，

有毒、含难降解污染物废水，以及生活废水都可使用酵母菌进行生物处理。

霉菌对有机物的降解能力很强，有些难降解的物质如纤维素和碳氢化合物可被其作为碳源和

能源加以降解利用。所以在废水和废物处理中，起到重要作用。废水处理中，生物膜法使用

适当的霉菌可以对降解有机物产生积极的作用。

部分原生动物代谢方式与细菌类似，可以通过体表吸收溶解性有机物，使之氧化分解，另一

些可吞噬水中细小的有机颗粒物或游离细菌，起到净化水质的作用。生动物中的纤毛虫占大

多数，在污泥发生变化或污泥增氧初期可看到大量鞭毛虫和变形虫。系统正常运行期固着行

纤毛虫占优势。在环境工程中一般可根据污泥中动物的种类和营养特性，净化程度来判断系

统运行状况。在水质突变或者污泥中毒时，可根据生物相的变化及时发现问题，采取必要措

施。

二、以A2/O工艺（提供工艺流程图）、SBR工艺（提供工艺流程图）、

甲烷发酵工艺（提供工艺流程图）为例，完成下列各题：

1.详细阐述三种工艺所涉及的微生物种类，并详细说明各类微生物所属营养类

型。

2.绘图并详细论述细菌细胞膜在污染物选择性吸收中的作用；

3.详细论述细胞膜在污染物降解与代谢中的作用；

4.绘图并详细论述细菌荚膜与活性污泥形成的关系；

1.A2/O工艺流程图：

硝化细菌，亚硝化细菌，属于化能自养微生物

反硝化细菌是异养兼性缺氧型微生物,化能异养微生物

聚磷菌分为两种，兼性厌氧的反硝化聚磷菌和好氧聚磷菌，属于化能异养型微生物。。

SBR工艺流程图

SBR工艺中，池内厌氧、好氧处于交替状态，硝化细菌，亚硝化细菌，反硝化细菌交替进

行。此时硝化细菌，亚硝化细菌是化能自养微生物，反硝化细菌是化能异养微生物。

聚磷菌好氧状态下对磷进行吸收，属于化能异养型微生物。

甲烷发酵工艺流程图

水解和发酵细菌，将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物，如葡萄

糖、氨基酸等，于化能自养微生物

产乙酸菌把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢，

属于化能自养微生物。

产甲烷细菌将之前阶段所产生的氢气、二氧化碳以及甲酸、乙酸甲醇和甲胺类等转化为甲烷，

属于化能自养微生物。

2绘图并详细论述细菌细胞膜在污染物选择性吸收中的作用；

①糖蛋白②磷脂分子③蛋白质④磷脂双分子层

细胞膜的主要成分是蛋白质和脂质，含有少量糖类。磷脂双分子层是构成细胞膜的的基本支

架。其中部分脂质和糖类结合形成糖脂，部分蛋白质和糖类结合形成糖蛋白。细胞膜上存在

两类主要的转运蛋白，即：载体蛋白和通道蛋白。载体蛋白又称做载体、通透酶和转运器，

能够与特定溶质结合，通过自身构象的变化，将与它结合的溶质转移到膜的另一侧，载体蛋

白有的需要能量驱动，如：各类ATP驱动的离子泵；有的则不需要能量，以协助扩散的方

式运输物质，如：缬氨酶素。通道蛋白与与所转运物质的结合较弱，它能形成亲水的通道，

当通道打开时能允许特定的溶质通过，所有通道蛋白均以协助扩散的方式运输溶质。物质跨

膜运输细胞膜是细胞与细胞环境间的半透膜屏障。对于污染物进出细胞有选择性调节作用。

细胞膜除了通过选择性渗透来调节和控制细胞内外的物质交换外，还能以"胞吞"和"胞吐"的

方式，帮助细胞从外界环境中摄取液体小滴和捕获食物颗粒，供应细胞在生命活动中对营养

物质的需求。大分子与颗粒物质的运输：对于大分子污染物以及颗粒污染物等、是由质膜运

动产生外吐和出芽而出胞。

3详细论述细胞膜在污染物降解与代谢中的作用；

在细胞的新陈代谢过程中，不断有各种物质进出细胞，这些物质包括一些离子、小分子物质、

大分子物质及一些颗粒物质。这些物质跨细胞膜转运的途径是：脂溶性或极性较小的小分子

物质可通过物理扩散透过细胞膜，水溶性小分子物质需要借助细胞膜中的膜蛋白的介导来完

成跨膜转运，大分子物质及颗粒性物质不能穿过细胞膜，如蛋白质主要是通过细胞膜的内吞

作用和外排作用跨越质膜。细胞膜上有转运电子和磷酸化作用，即呼吸作用的场所；排出水

溶性的胞外酶，将大分子化合物水解成简单化合物，而后摄入细胞内的功能。微生物在细胞

膜外通过水解使其从多糖转化为二糖后，透过细胞膜进入细胞内作进一步的降解。污染物有

机物就通过以上过程得到降解。

4详细论述细菌荚膜与活性污泥形成的关系；

荚膜是某些细菌在细胞壁外包围的一层粘液性物质，一般由糖和多肽组成。细菌的荚膜物质，

相互融合，连为一体，组成共同的荚膜，将多个菌体包埋其中，形成的一团胶状物。它是活

性污泥絮体和滴滤池粘膜的主要组成部分。菌胶团中的菌体，由于包埋于胶质中，故不易被

原生动物吞噬，有利于沉降。在处理废水的过程中，具有很强吸附能力的菌胶团把废水中的

杂质和游离细菌等吸附在其上，形成了活性污泥的凝絮体。因此，菌胶团构成了活性污泥絮

体的骨架。菌胶团是活性污泥和生物膜的重要组成部分，有较强的吸附和氧化有机物的能

力，在水生物处理中具有重要作用。活性污泥性能的好坏，取决于所含菌胶团多少、大小及

结构的紧密程度。

三、详细论述古生菌、放线菌、霉菌、酵母菌及原生动物与污染控制

工程的关系。

古生菌以产甲烷菌为例。产甲烷菌在厌氧生物处理起着重要作用。

废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(包括兼氧微生物）的作用，将

废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质。厌氧生物处理是一个复杂的

微生物化学过程，产甲烷菌在产甲烷阶段把中间产物转化为乙酸和氢，并有二氧化碳生成，

再把乙酸、氢气和二氧化碳等转化为甲烷。

放线菌对污染物的净化处理作用。放线菌为腐生菌促进土壤形成团粒结构，改良土壤，在有

机固体废物的填埋和堆肥发酵及废水生物处理中起积极作用。高温性菌种降解大量有机物，

使之框化。还有的菌种能使石油脱蜡、烃类发酵，脱硫、脱磷。有的对氰化物、腈类化合物

的分解能力很强，适合用于丙烯腈废水生物处理。

霉菌对有机物的降解能力很强，有些难降解的物质如纤维素和碳氢化合物可被其作为碳源和

能源加以降解利用。所以在废水和废物处理中，起到重要作用。废水处理中，生物膜法使用

适当的霉菌可以对降解有机物产生积极的作用。

酵母菌既具有细菌单细胞、生长快、能形成很好的絮体、适应于各种不同的反应器等特点,

又具有真菌细胞大、代谢旺盛，耐酸、耐高渗透压、耐高浓度的有机底物等特性,其体内含

有特殊的氧化分解酶能利用多种有机物(简单糖，有机酸、醇等)，快速分解，到达净化水质

的作用，因此酵母菌在废水处理中的应用广泛，高浓度有机废水，含有重金属离子的废水，

有毒、含难降解污染物废水，以及生活废水都可使用酵母菌进行生物处理。

原生动物中的纤毛虫占大多数，在污泥发生变化或污泥增氧初期可看到大量鞭毛虫和变形

虫。系统正常运行期固着行纤毛虫占优势。在环境工程中一般可根据污泥中动物的种类和营

养特性，净化程度来判断系统运行状况。在水质突变或者污泥中毒时，可根据生物相的变化

及时发现问题，采取必要措施。

四、结合工艺流程图，分别详细论述A2/O工艺、SBR工艺、甲烷发酵

工艺、推流式活性污泥法四种工艺中各阶段微生物的呼吸类型、代谢

途径、产能方式、产能大小及剩余物情况。

A2/O工艺流程图：

在首段厌氧池聚磷菌释放磷，同时溶解性有机物被细胞吸收而使污水中BOD浓度下降，另外

NH3-N因细胞合成而被去除一部分。在缺氧池中，反硝化细菌利用污水中的有机物做碳源，

将回流混合液中的带入的大量NO3-N和NO2-N通过反消化作用还原为N2释放至空气中.在

这一阶段中，反硝化细菌，进行无氧呼吸。

在好氧池中有机物被生化降解，其浓度下降；有机氮被氨化继而被硝，转化为NO3-N，通过

出水回流至缺氧池，进行反硝化脱氮；此时硝化细菌进行好氧呼吸。

同时释放的磷的聚磷菌在此过量地摄取磷形成高磷污泥，通过排泥使P从污水中得以去除。

聚磷菌也进行好氧呼吸。

剩余产物情况：丝状菌较少．污泥沉降性能比较好。

SBR工艺流程图

SBR工艺中，池内厌氧、好氧处于交替状态，硝化细菌，亚硝化细菌进行好氧呼吸。反硝

化细菌进行进行无氧呼吸。聚磷菌好氧状态下对磷进行吸收，进行好氧呼吸。

甲烷发酵工艺流程图

甲烷发酵工艺原理是厌氧生物处理的一个复杂微生物化学过程，依靠三大主要的细菌，即水

解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。因而氧化生物处理过程可大致

的分为三个连续的阶段，即水解产酸细菌阶段、产氢产乙酸细菌阶段和产甲烷细菌阶段。

第一阶段：水解产酸阶段：复杂的大分子、不溶性有机物先在胞外酶的作用下水解为小分子、

溶解性有机物，然后渗入细胞内，分解产生有机酸、醇和醛等。但以高级脂肪酸为主。

第二阶段：产氢产乙酸阶段：在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸转化

为乙酸和氢，在降解奇数碳有机酸时形成二氧化碳。

CH3CH2CH2CH2COOH+2H2O=CH3CH2COOH+CH3COOH+2H2

CH3CH2COOH+2H2O=CH3COOH+3H2+CO2

第三阶段：产甲烷阶段

4H2+CO2=CH4+2H2O（占1/3）

CH3COOH=2CH4+2CO2（占2/3）

水解和发酵细菌，将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物，如葡萄

糖、氨基酸等，属于厌氧呼吸

产乙酸菌把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢，

属于属于厌氧呼吸。

产甲烷细菌将之前阶段所产生的氢气、二氧化碳以及甲酸、乙酸甲醇和甲胺类等转化为甲烷，

属于属于厌氧呼吸。

剩余产物情况：水和部分底物。

推流式活性污泥法流程图

推流式活性污泥法工艺是在生物处理污水过程中曝气池中水流是纵向混合的推流式。在曝气

池前端，活性污泥同刚进入的废水相接触，有机物浓度相对较高，即供给活性污泥微生物

的养料较多，所以微生物生长一般处于生长曲线的对数生长期后期或稳定期。由于传统活性

污泥法曝气时间比较长，当活性污泥继续向前推进到曝气池末端时，废水中有机物已几乎

被耗尽，污泥微生物进入内源代谢期，它的活动能力也相应减弱，因此在沉淀池中容易沉

淀，出水中残剩的有机物数量少。处于饥饿状态的污泥回流入曝气池后又能够强烈吸附和氧

化有机物。

剩余产物情况：少量的BOD和悬浮物。

五、结合工艺流程图，分别详细论述A2/O工艺、SBR工艺、甲烷发酵

工艺、推流式活性污泥法工艺中微生物之间的关系（互生关系、偏利

关系）

A2/O工艺流程图：

1、

A2/O工艺中,互生关系主要表现为在化学水平的协作,即微生物间相互提供生长因子、代谢刺

激物或降解对方的代谢抑制物,平衡pH值,维持适当的氧化还原电位或消除中间产物的累积。

氨化细菌,亚硝酸菌,硝酸菌及反硝化菌之间就表现为互生关系。在氮素转化过程中,氨化细菌

分解有机氮化合物产生氨,为亚硝酸菌创造了必需的生活条件,但对氨化细菌则无害也无利。

亚硝酸菌氧化氨,生成亚硝酸,又为硝酸菌创造了必要的生活条件。反硝化菌则在厌氧条件下

将NO-3、NO-2还原为N2气体,从污水的液相中排出,为亚硝化菌和硝化菌解除抑制因子,同

时反硝化过程还提高了反应器内的碱度,部分地补充了硝化过程所消耗的碱度,有利于反应器

内pH值稳定在硝化菌活性较大的范围内。属于互生关系。厌氧区内除磷菌与兼性细菌也存

在着互生关系,目前对生物除磷机理的研究表明，除磷菌只能同化以乙酸为代表的低分子挥

发性脂肪酸才能有效释放磷,而原污水中这类物质因易降解而在初沉池内甚至在管网内已被

降解,故其含量较为有限,除磷菌所需的挥发性脂肪酸主要靠兼性菌在厌氧条件下发酵有机物

提供。除磷菌同化挥发性脂肪酸,亦为兼性菌生长代谢解除抑制因子。

生物除磷反应器中,除磷菌和硝化菌则存在着拮抗关系。没有足够的有机物时,反硝化很明显

与磷的释放发生竞争。当有硝态氮存在时,反硝化菌将直接利用有机基质,使有机基质不能转

化成挥发性脂肪酸,从而夺取了除磷菌的生长因子,故硝态氮是除磷菌生长的抑制因子。当硝

态氮在厌氧段存在时,除磷菌的竞争优势就无从发挥。

SBR工艺流程图

SBR工艺中，池内厌氧、好氧处于交替状态，硝化细菌，亚硝化细菌进行好氧呼吸。反硝

化细菌进行进行无氧呼吸。聚磷菌好氧状态下对磷进行吸收，进行好氧呼吸。

反硝化细菌是厌氧型微生物，聚磷菌是厌氧型微生物，两者是互生关系，硝化细菌进行代谢

活动，消耗氧气，造成厌氧环境，为聚磷菌提供生存环境，进行吸磷。

兼性厌氧微生物具有脱氢酶和氧化酶,既能在缺氧条件又可在有氧条件下进行有机物的降解;

亚硝化细菌实现了NH+42N向NO-22N的转化过程;反硝化细菌则最终实现了废水中生物

脱氮过程。此种关系是共生关系。

甲烷发酵工艺流程图

在甲烷发酵过程中，不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间，相互依赖，互为对方创造与维持生命

活动所需要的良好环境条件，但它们之间又互相制约，在发酵过程中总处于平衡状态。

①不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长和产甲烷必须的基质。不产甲烷菌把各种复杂有机物如碳

水化合物、脂肪、蛋白质进行降解，生产游离氢、二氧化碳、氨、乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、

甲醇、乙醇等产物。其中丙酸、丁酸、乙醇等又可被产氢产乙酸菌转化为氢、二氧化碳和乙

酸等。这样，不产甲烷菌通过其生命活动为产甲烷菌提供了合成细胞物质和产甲烷所需的碳

前体和电子供体、氢供体和氮源。产甲烷菌则依赖于不产甲烷菌所提供的食物而生存。

②不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境。在甲烷发酵过程中会有含氧的环境不利于

产甲烷菌的生长，在此阶段中还原电位的降低则有赖于不产甲烷菌中的好氧微生物及兼性厌

氧微生物的活动，好氧微生物及兼性厌氧微生物会以氧为最终电子受体，使环境中的氧被消

耗而使氧化还原电位下降。

③不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质。在甲烷发酵过程中，不可避免的会含有酚类、抗

菌素、氰化物、重金属等对甲烷菌有害的物质。不产甲烷菌中，一些能裂解苯环，有些能以

氰化物为碳源，一些则能生成硫化氢与重金属形成沉淀。通过不产甲烷菌的这些活动，不仅

解除了对产甲烷菌的毒害，而且给产甲烷菌提供了养分。

④产甲烷菌为不产甲烷菌的生化反应解除反馈抑制在厌氧条件下，由于外源电子受体的缺

乏，不产甲烷菌只能将各种有机物发酵而生存氢、二氧化碳及有机酸、醇类等各种代谢产物，

这些代谢产物的积累所引起的反馈作用对不产甲烷菌的代谢会产生抑制作用。而作为厌氧消

化食物链末端的产甲烷菌，则象清洁工一样将不产甲烷菌的代谢产物加以清除。

⑤产甲烷菌在厌氧消化过程中的调节作用产甲烷菌在解除反馈抑制的同时，对厌氧生境中

有机物的降解起着质子调节、电子调节和营养调节的作用。通过质子调节作用，产甲烷菌去

除有毒的质子使厌氧环境不致酸化，并维持合适的pH范围；通过氢代谢电子调节作用，从

热力学角度为产氢产乙酸菌代谢多碳化合物创造最适宜的条件，并提高水解菌利用基质的效

率；部分产甲烷菌合成和分泌一些生长因子，可刺激其它微生物生长，具有营养调节作用。

推流式活性污泥法流程图

活性污泥的结构和功能重心是能起絮凝作用的细菌形成的菌胶团。在其上生长着其他微生

物，如酵母菌、霉菌、放线菌、藻类、原生动物和腐生生物、捕食者及有害生物。

活性污泥中细菌间的相互关系是竞争、互生。活性污泥中的菌胶团细菌和丝状菌形成一个共

生的微生物体系。菌胶团中的菌体，由于包埋于胶质中，故不易被原生动物吞噬，有利于沉

降。在处理废水的过程中，具有很强吸附能力的菌胶团把废水中的杂质和游离细菌等吸附在

其上，形成了活性污泥的凝絮体。因此，菌胶团构成了活性污泥絮体的骨架。菌胶团是活

性污泥和生物膜的重要组成部分，有较强的吸附和氧化有机物的能力。

当活性污泥中的菌胶团细菌和丝状菌处于平衡状态时，丝状菌作为污泥絮体的骨架，菌胶团

细菌附着在其表面，形成结构紧密、沉降性能良好的污泥絮体。随着絮体尺寸增大到某一临

界值后，絮体内部条件不利于菌胶团细菌和丝状菌的繁殖，丝状菌伸展出来，沉降性能开始

变差。由此可见，菌胶团细菌和丝状菌的共生体系是一种接近于自然界的混合培养体系，存

在着这两类微生物之间在时间和空间上的动态生态学的相互作用。