化学因素对细菌生长的影响在水处理微生物学中的应用

影响细菌生长的化学因子，除了前面讲过的营养物质以外，还有氢离子浓度、氧化还原电位、重金属及若干有机物。

2.4.2.1　氢离子浓度

环境或者培养基中的氢离子浓度用pH值表示。pH值对细菌生长的影响很大，主要是通过引起细胞膜的电荷变化及营养物离子化浓度来影响细菌对营养物质的吸收，pH值还会影响生物活性物质如酶的活性。

不同的细菌对环境pH值适应范围不同。细菌有其最低、最高和最适宜的pH值。细菌的pH值适应范围比较窄，一般在4～10pH单位之间。大多数细菌的最适宜pH值是6.5～7.5，适合在中性偏碱性环境中生长。

根据细菌最适宜生长的pH值范围的不同，将细菌分为：嗜酸性、嗜中性和嗜碱性。

1.嗜酸性

某些细菌，例如氧化硫硫杆菌和硫化叶菌需要在酸性环境中生活，其最适宜的pH值是3，像这种能够在pH值5.4以下生长的细菌叫嗜酸菌。中性pH对嗜酸菌有毒害作用，其作用机制是：pH值升高到中性时，膜稳定所需要的高浓度的氢离子减少，导致原生质膜发生裂解，细胞破碎。

2.嗜中性

嗜中性细菌的适宜生长范围是pH值5.4～8.4。

3.嗜碱性

嗜碱性细菌的适宜生长范围是pH值7.0～11。古细菌和海洋细菌属于此类。

嗜酸性、嗜中性和嗜碱性细菌其细胞都有维持细胞内环境接近中性的能力，因为细胞内的DNA、ATP和叶绿素等对酸敏感；RNA和磷脂等对碱性敏感。因此，极端pH值对细菌有致死作用。

同一种细菌在不同的生长阶段和不同的生理生化过程中，对pH值的要求也不同。例如：丙酮丁醇梭菌在pH=5.5～7.0时以菌体生长繁殖为主；在pH=4.3～5.3时以丙酮和丁醇发酵为主。

细菌对pH值变化适应性强的，对pH值要求不严格。各种工业废水的pH值不同，通常在6～9之间。对个别偏高或偏低的废水，处理时可以加酸或者是加碱来调节，使曝气池pH值维持在中性。在水处理过程中，细菌适应pH值的能力比较强，曝气池pH值维持在6.5～8.5均可，因为在6.5以下不利于细菌的生长，对菌胶团尤其不利，相反，它对霉菌有利，如果活性污泥中有大量的霉菌繁殖，会降低活性污泥的吸附能力，甚至导致活性污泥丝状膨胀。而大多数的细菌在pH=6.5～8.5下均能生长繁殖，尤其是形成菌胶团的细菌能互相凝聚形成良好的絮状物，净化效果好。

在废水和污泥厌氧消化过程中，pH值对控制好产酸阶段和产甲烷阶段的产量很关键。通常控制pH在6.6～7.6之间。在城市污水、污泥中如果含有氨、蛋白质等，处理时可以不加缓冲物质；反之要投加。如果是连续运行，在运行前和运行中都要投加缓冲物质。一般投加的缓冲物质是碳酸氢钠、碳酸钠、氢氧化钠和氨等。

2.4.2.2　氧化还原电位

氧化环境具有正电位，还原环境具有负电位，氧化还原电位（Eh）的单位为V或者mV。自然界中，当环境中存在高浓度氧，而且没有利用氧的系统存在时，氧化还原电位可以达到最上限+820mV；当环境中存在高浓度氢时，氧化还原电位可以达到最下限-400mV。所以，环境中的氧化还原电位与氧分压和pH值有关。

氧化还原电位对细菌有明显的影响。细菌代谢需要消耗氧气，产生维生素C、硫化氢等还原性物质，使Eh下降；所以往培养基里添加还原剂如维生素C等可以使Eh减小；加入氧化剂如高铁化合物等可以使Eh增加。分子O2很难溶于水，所以主要影响其生长的是溶于水的溶解氧。

根据细菌适合生长的环境对氧化还原电位的要求不同，将其分成好氧和厌氧两类。好氧细菌在Eh＞+100mV以上可以生长；最适宜的Eh是+300～+400mV。厌氧细菌只能在Eh＜+100mV的环境中生长。兼性厌氧细菌在Eh＞+100mV以上时进行好氧呼吸，在Eh＜+100mV时进行无氧呼吸。

好氧细菌分为专性好氧细菌、兼性好氧细菌和微好氧细菌。专性好氧细菌必须在有氧的条件下生长，有完整的呼吸链，以氧气为最终电子受体，细胞内含超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶。多数的细菌属于专性好氧细菌。兼性好氧细菌在有氧和无氧的条件下都能生长，但在有氧的条件下生长得更好，它在有氧时表现为好氧呼吸，在无氧的情况下进行酵解或无氧呼吸，细胞内也含有SOD和过氧化氢酶。肠杆菌科细菌属于蒹性好氧细菌。微好氧细菌只能在较低的氧分压下生活。

厌氧细菌分为耐氧性和专性厌氧细菌。

耐氧性细菌不能利用氧气，但是氧气的存在对它无害，它没有呼吸链，只能通过酵解获取能量。细胞内存在SOD和过氧化物酶，但是缺乏过氧化氢酶，所以，虽然具有SOD，能耐O2，但仍会被过氧化氢杀死。多数乳酸菌是耐氧性细菌。

好氧和厌氧细菌利用氧的机理：

超氧阴离子自由基是由酶促或非酶促反应形成的：(www.xing528.com)

超氧阴离子自由基有奇数电子，带负电，它既有分子性质，又有离子性质，性质不稳定，反应性极强，在细胞内破坏大分子和膜，对细菌十分有害。

好氧性细菌因为含有SOD，毒性大的就被歧化成毒性稍低的H2O2，在过氧化氢酶的作用下，H2O2变成无毒的H2O。厌氧细菌没有SOD，就没有办法使歧化，这样，在有氧的条件下，它们体内形成的就会使自身受到伤害。大多数的耐氧细菌能合成SOD，且有过氧化物酶，因此，剧毒的也能先歧化成H2O2，再还原成H2O。反应式如下：

在污废水生物处理中，在正常的供氧条件下，好氧菌和兼性厌氧菌共同起积极作用：供氧不足时，好氧细菌不起作用，兼性厌氧菌起积极作用，只是分解有机物不如有氧条件下彻底。兼性厌氧细菌在污水、污泥厌氧消化过程中起水解、发酵作用，能将大分子的有机物分解成小分子的有机酸和醇等。

在污水处理过程中会产生硝酸盐和亚硝酸盐。如果将这种水排放到缺氧的水体中，被反硝化为并积累，遇氨转化为致癌物亚硝酸胺，从而危害水生生物和饮用水源。因此，污、废水不但要去除有机物，还要脱氮，利用反硝化作用将硝酸盐和亚硝酸盐转化为N2释放到大气中。现行的除氮工艺有A/O（缺氧—好氧）系统、A2/O（缺氧—缺氧—好氧）或（缺氧—好氧—缺氧）系统、A2/O2（缺氧—好氧—缺氧—好氧）系统、SBR（序批式间歇曝气器）等。以上工艺既可以去除有机物和氮，还能除磷。

2.4.2.3　重金属

重金属汞、银、铜、铅及其化合物可以有效地杀菌和防腐，它们是细菌蛋白质的沉淀剂。其杀菌机理是与酶的—SH基结合，使酶失去活性；或与菌体蛋白结合，使蛋白质变性或沉淀。

当二氯化汞的质量浓度为20～50mg/L时，对大多数细菌有致死作用。自然界中有些细菌能耐汞，甚至能转化汞。如腐臭假单胞菌能耐质量浓度小于2mg/L的汞；带MER质粒的腐臭假单胞菌能在50～70mg/L的HgCl2环境中生长。可以利用耐汞菌处理含汞废水：耐汞菌将无机汞转化为有机汞并成为菌体的一部分，然后再从菌体中回收汞。反应如下：

2[酶—SH]+Hg—→2+酶—S-Hg-S—酶+2H+

铅对细菌有毒害，将细菌浸在质量浓度为1～5g/L的铅盐溶液中几分钟就会死亡。

2.4.2.4　若干有机物

醇、醛、酚等有机化合物能使蛋白质变性，是常用的杀菌剂。

1.醇

醇是脱水剂和脂溶剂，可使蛋白质脱水、变性，溶解细胞质膜的脂类物质，进而杀死细菌的机体。一般化学杀菌剂的杀菌能力和其浓度成正比，乙醇例外，70%的乙醇杀菌力最强。浓度过低无杀菌能力；纯乙醇不含水很难渗透细胞，故不起杀菌作用。甲醇杀菌力差且对人体有毒，不宜作杀菌剂。丙醇、丁醇及其他高级醇的杀菌能力均比乙醇强，但是由于不溶于水，不能做杀菌剂。

2.甲醛

甲醛是很有效的杀菌剂，对细菌很有效。质量浓度是370～400g/L的甲醛水溶液称为福尔马林，有杀菌和抑菌作用。甲醛与蛋白质的氨基（—NH）结合而干扰细菌的代谢机能。

3.表面活性剂

（1）酚。酚与其衍生物能引起蛋白质的变性，并破坏细胞质膜。苯酚又名石炭酸，质量浓度是1g/L时能抑制细菌的生长。10g/L的石炭酸溶液在20min内可以杀死细菌；30～50g/L的石炭酸溶液在几分钟内即可以杀死细菌，细菌芽孢在50g/L的石炭酸溶液中能存活几小时。

甲酚的杀菌能力比其他的酚都强，但是它难溶于水，易与碱液形成乳浊液，叫来苏尔。10～20g/L的来苏尔用于皮肤消毒。

在废水处理中，酚是细菌的营养源。细菌可以处理酚质量浓度达到1000mg/L的废水。

（2）季胺盐。季胺盐对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有着极强的致死作用。1g/L的季胺盐水溶液可用于冷却循环水的杀菌除垢。

（3）合成洗涤剂。合成洗涤剂去污能力强，在硬水中不形成沉淀，除了洗涤污物以外还有杀菌作用。阳离子型洗涤剂比阴离子型洗涤剂杀菌力强。阳离子型洗涤剂不可生物降解，已禁止生产。主要使用的是阴离子型洗涤剂，它可被生物降解。生活污水中有较多的合成洗涤剂，处理时导致曝气池充满泡沫，影响充氧能力。可用长期驯服和筛选的优势菌种处理。

（4）染料。大部分的染料都有抑制细菌的作用。在培养基中加入适合某种细菌生长同时又抑制另一种细菌生长的染料，可以制成选择性培养基。质量浓度在1g/L以下的染料可以作为细菌的营养源。废水生物处理中的活性污泥经长期驯化，具有很强的脱色作用，能分解染料，净化废水。