(1)污染物的浓度由高变低。 (2)生物相的变化。首先,异养细菌迅速氧化分解有机污染 物而大量增殖,出现数量髙峰;然后,是以细菌为食料的原生动物 出现数量高峰;最后,由于有机物的矿化利于藻类的生长,而出现 藻类的高峰。 (3)溶解氧浓度随着有机物被微生物氧化分解而大量消耗, 很快降到最低点;随后,由于有机污染物的无机化和藻类的光合作 用和其他好氧微生物数量的下降溶解氧又渐渐恢复到原来的水 平 这时,在离开污染源相当的距离之后,水中的各种微生物的数 量和有机物、无机物的含量也都下降到最低点,水体恢复到了原来 的状态。这就是自然界中存在着的水体自净现象。 根据水体的自净过程,我们可以把从河流的污染源人口处开 始,顺流而下,直到最后达到自净为止的整个河道,大体上划分成 三段(见下图)。这三段河道中,发生着生物和物理化学环境的 系列变化。 染源 河流方向 第Ⅰ段:有机物浓度骤增;异养细茵大量繁殖并使溶解氧浓度 急剧下降。 第Ⅱ段:有机物浓度由于异养细菌的作用而显著下降;由于捕 食细菌的原生动物的大量出现,异养细菌的数量明显衰减;水中 由于蛋白质的降解使游离氨氮增加。 第Ⅲ段:有机物浓度下降到最低点;异养细菌由于被原生动物 吞噬或沉入水底而数量大大减少;原生动物由于失去食料,其数量 也明显减少;溶解氧恢复到原来水平;氨经硝化细菌的作用而形成
硝酸盐与亚硝酸盐。此外,在有机物的矿化过程中,还有磷酸盐和 碗酸盐生成。这些盐类为藻类生长提供了合适的营养。如果这些 盐类的含量低,水就逐渐达到净化;如含量高,就可能造成水体的 富营养化 在这个自净过程中,有物理的作用(如河流自身的稀释作用和 有机颗粒的下沉),也有化学作用(如氧化还原反应、吸附沉淀、酸 碱中和反应等),但更重要的是生物作用,即生物有机体对无机物 和有机化合物的同化和异化作用。其中,最活跃的生物是细菌 大量的有机物质正是通过微生物、特别是细菌的新陈代谢而被除 去,其降解有机物的速度比其他生物要快成千上万倍。 然而,水体的自净能力是有一定限度的,它受到水中溶解氧和 温度的制约。当水中有机物浓度很高而使水中的溶解氧为好氧微 生物的呼吸过程所大量消耗时,便会造成水体的缺氧,从而使好氧 微生物的活动受到抑制,厌氧微生物的活动却活跃起来。由于厌 氧微生物对有机物的厌气发酵,使有机物不彻底氧化,而产生许多 具恶臭的发酵中间物如腐胺、尸胺和H2S,CH4,CO2,NH13等。H2S 遇铁又能产生黑色的硫化铁沉淀,于是水质变黑、发臭 温度对自净过程的制约,不仅在于它会影响微生物的代谢强 度,而且它直接影响到水中溶解氧的含量(见表3-1)。 表31在一大气压下,水中饱和溶解氧量与温度的关系 温度(℃) 5 1015「202530|35{40 饱和溶解氧含量(mg/)1.62|2.801.310.59.718.387.637.106.60 从表3-1可知,当压力不变时,水中饱和溶解氧量随气温升高 而降低,所以到夏季,受有机物污染的水体更容易发生黑臭现象。 32
3-3有机污染物的生物降解性 3-3-1生物降解的巨大潜力 迄今为止,已知的环境污染物达数十万种之多,其中大量的是 有机物。所有的有机污染物,可根据微生物对它们的降解性,分成 可生物降解、难生物降解和不可生物降解三大类。 作为一个整体,徵生物分解有机物的能力是惊人的。可以说, 凡自然界存在的有机物,几乎都能被微生物所分解。有些种类,如 葱头假单胞菌( Pseudomonas cepacia)甚至能降解90种以上的有机 物,它能利用其中任何一种作为唯一的碳源和能源进行代谢。再 如,对生物毒性很大的甲基汞,能被抗汞微生物如 Pseudomonas K62 菌株分解而转化为元素汞。有毒的氰(腈)化物、酚类化合物等,也 能被不少微生物作为营养物质利用、分解。 半个多世纪以来,人工合成的有机物大量问世,如杀虫剂、除 草剂、洗涤剂、增塑剂等,它们都是地球化学物质家族中的新成员 尤其是不少合成有机物的研制开发时的目的之一,就是要求它们 具有化学稳定性。因此,微生物一接触这些陌生的物质,开始时难 以降解也是不足为怪的。但由于微生物具有极其多样的代谢类型 和很强的变异性,近年来的研究,已发现许多微生物能降解人工合 成的有机物,甚至原以为不可生物降解的合成有机物,也找到了能 降解匕们的微生物。因此,通过研究,有可能使不可降解的或难降 解的污染物转变为能降解的,甚至能使它们迅速高效地去除。 3-3-2化学结构与生物降解的相关性 化学结构与生物降解的相关性归纳起来主要有以下几点 1.烃类化合物 般是链烃比环烃易分解,直链烃比支链烃易分解,不饱和烃 33
比饱和烃易分解。 2、主要分子链 主要分子链上的C被其他元素取代时,对生物氧化的阻抗就 会增强,也就是说,主链上的其他原子常比碳原子的生物利用度 低,其中氧的影响最显著(如醚类化合物较难生物降解),其次是S 和N。 3.碳氢键 每个C原子上至少保持一个氢碳键的有机化合物,对生物氧 化的阻抗较小;而当C原子上的H都被烷基或芳基所取代时,就 会形成生物氧化的阻抗物质。 4.官能团的性质及数 官能团的性质及数量,对有机物的可生化性影响很大。例如, 苯环上的氢被羟基或氨基取代,形成苯酚或苯胺时,它们的生物降 解性将比原来的苯提高。卤代作用则使生物降解性降低,尤其是 间位取代的苯环,其抗生物降解更明显。一级醇(CH2OH)、二级 R 醇(CHO)易被生物降解,三级醇(R—C-OH)却能抵抗生物 R 降解。 5.分子量大小对生物降解性的影响很大 高分子化合物,由于微生物及其酶难以扩散到化合物内部,袭 击其中最敏感的反应键,因此使生物可降解性降低。 3-3-3共代谢作用与生物降解性 共代谢( co-metabolism)又称协同代谢。一些难降解的有机物, 34
通过微生物的作用能被改变化学结构,但并不能被用作碳源和能 源,它们必须从其他底物获取大部或全部的碳源和能源,这样的代 谢过程谓之共代谢。也就是说,有些不能作为唯一碳源与能源被 微生物降解的有机物,当提供其他有机物作为碳源或能源时,这 有机物就有可能因共代谢作用而被降解。微生物的共代谢作用可 能存在以下几种情况:①靠降解其他有机物提供能源或碳源;② 与其他微生物协同作用;③由其他物质的诱导产生相应的酶系。 共代谢作用的存在,大大增加了一些难降解物质在环境中被 生物降解的可能性。例如,有些不易降解的农药,它们并不能支持 微生物的生长,但它们有可能通过几种微生物的共代谢作用而得 到部分的或全部的降解。 3-4有机污染物生物降解性的测试方法 34-1测定生物氧化率 用活性污泥作为测定用微生物,单一的被测有机物作为底物, 在瓦氏呼吸仪上检测其耗氧量,与该底物完全氧化的理论需氧量 去比,即可求得被测化合物的生物氧化率。 例如,经测试得到一些有机物的生物氧化率(%)分别如下: 甲苯 醋酸乙烯酯 34 苯 乙二胺 24 二甘醇 二癸基苯二甲酸 乙基已基丙烯盐 0 如果,除底物不同外,其余测定条件完全相同,则测得的生物 氧化率的大小,在一定程度上可反映这些化合物的生物降解性的 5