来宝网Logo

热门词:生物显微镜 水质分析仪 微波消解 荧光定量PCR 电化学工作站 生物安全柜

现在位置首页>技术资料首页>实验技术>微生物检验>水中微生物族群

水中微生物族群

来宝网2007年10月24日 9:28 点击:4359

概观

  地球上之水气不断发生循环,供给所有生物所需之水份。湖泊、水蒸气及海洋等之蒸发,与植物叶部之蒸散,使水气逸入大气中,而后以雪,雹、雨等形式重降大地。水滴状似单纯,其实颇为复杂,常含多种化学物质与微生物。该微生物可改变水中之化学物质,也可供给其它水中生物之营养。

  人类所用之水源自自然界之淡水如井、湖泊及河川等。为维护饮水安全,除个别井水供给优质水外,水需经处理以去除可能致病之微生物。水净化厂即为此目的而设计。

  废水或下水道污水乃人类于家庭或工厂已使用过之水,排放前需先经处理。微生物于废水处理过程中职司重要角色,分解所含之大部分有机物质及其它不良化学物质。

一、 天然水

  地球之水气与大气之间之循环过程是谓水循环(hydrologic cycle)。此术语指海洋及其它水体表面之蒸发,与植物之蒸散(叶片表面之蒸散)等所形成之水气进入大气中,而后大气中之水气以雨、雪或雹等方式降回地球(图29~1;发现29~1)。于此循环中,天然水依其位置,可分为3类:

  (1)大气水:含于云中之水,以雨、雪或雹等方式降下。

  (2)表面水:如湖泊、溪流、河川、及海洋等水体。

  (3)地下水:地球表面以下之水,此处之土壤孔隙与岩石间空间,均为水所饱和。

  天然水可供许多微生物之栖息所在,有些为淡水栖息所(freshwater habitat),如湖泊、池塘、温泉、沼泽及河流等;有些为海洋栖息所(marine habitat)或海弯栖息所(estuarine habitat),此乃介于淡水源与海洋之间之区域。海湾系半围绕之海岸水体,与大海自由连接,故海洋环境为最大之水栖息所。

  研究淡水、海洋与海弯环境之微生物是谓水微生物学(aquatic microbiology)。精专此方面研究之微生物学者,必需体察各种水环境之许多理化特征。

  发现29~1:水滴之旅地球水气之重循环特征,由此篇散文"水滴之旅"表露无遗,作者为纽约市第63公市学校六年级学生。

自我测验

  1.何谓水循环?

  2.自然水有那3类?

二、 水环境

  水环境之微生物种类,依该环境中较优势之理化条件而定。此等环境条件彼此差异甚大如温度、光、pH与营养等因素。

1. 温度

  表面水之温自极区之0℃以至赤道区之40℃,90﹪以上之海洋环境,其表面以下之温度低于5℃,此条件适于嗜冷微生物之生长。

  部分嗜温菌曾自海底裂缝之厌气性沈集物分离出,例如原始细菌-隐藏火网菌乃分离自意大利火山岛附近海底,该处水温高达103℃,自海底裂缝涌出。据实验室之研究发现,隐藏火网菌之最适生长温度为。105℃(高于水之沸点5度),低于82℃完全不能生长。本菌为厌气性自营菌,生长时自氢气(H2O)与元素硫(S)形成硫化氢(H2S)。趋有机火杆菌为嗜超热原始细菌之新组代表,分离自全球不同地区之海洋,如图29~2所示。本属菌种之最适生长温度为100℃,乃革兰氏阴性杆菌,绝对厌气,藉鞭毛运动。目前微生物学者仍正发现能生活于极高温之新种微生物。

2. 静水压(Hydrostatic pressure)

  静水压乃垂直水柱底部之压力,随水深每增加32.8英尺(10公尺),压力增力1大气压(14.7 lb/in2)。于极深处如接近海底,静水压颇大,能引起影响生物系统之许多变化,如改变化学反应速率,营养之溶解度,及水之沸点。

  嗜压微生物(barophilic organism)乃不能生长于正常大气压而需高静水压之微生物。嗜压菌曾自1000~10000公尺深处之太平洋壕沟分离出,分离时需特殊采样设备,自采样以至培养期间维持检体之高压。一般而言,嗜压菌生长之最佳压力以稍低于采样处之压力为理想,且均需孵育于嗜冷温度(约2℃)。

3. 光

  大多数之水栖生物,直接或间接仰赖光合作用微生物之代谢产物。水环境中之主要光合作用微生物为藻类与蓝细菌,其生长局限于水之上层,也即光能穿透之处。发生光合作用之水层深度是谓光合区(photic zone),此区域之大小依局部条件而异,如太阳位置、季节,尤其水之混浊度等。一般而言,光合作用受水之清澈度而影响,多局限于水体上层50~125公尺处。

4. 盐度(Salinity)

  天然水之盐度或氯化钠浓度差异甚大,淡水几近于零,盐湖如犹他州之大盐湖则达饱和(32﹪NaCl)。海水之NaCl含量约2.75﹪;盐类(NaCl及其它盐类)之浓度介于3.3~3.7﹪。除NaCl外,水中之主要盐类为钠之硫酸盐与碳酸盐,及钾、钙、镁等之氯化物、硫酸盐与碳酸盐。浅海岸区与近河口处,盐类浓度常较低。海弯之盐浓度则依顶部至底部,高处至低处,及季节迁移等而异,对于栖息此水体之生物构成经常变化之环境。大多数之海洋微生物为嗜卤性;其生长之最佳NaCL浓度为2.5~4.0﹪。然而1﹪以上之NaCL常可抑制湖泊与河川之微生物。三种细菌对不同盐度之生长反应如图29~3所示。

5. 混浊度

  表层水之清晰度差异甚大,如亚得里亚海清澈见底,密西西比河则高度混浊。与水浊度有关之悬浮物质包括:(1)矿物质微粒,源自海岸侵蚀,(2)碎屑(detritus)为颗粒性有机物质,源自动植物物质之分解产物,如纤维素、半纤维素,与几丁质,(3)悬浮之微生物。水之浊度愈大,光之穿透愈小。颗粒性物质也可作为微生物附着之表面,许多菌种为形成菌落即附着于固体表面,如图39~4所示。此黏着现象已说明于第17章。此外,颗粒性物质也可作为微生物代谢之受质。

6. 氢离子浓度(pH)

  一般水栖微生物之最适生长pH值为6.5~8.5。海水之pH值为7.5~8.5,而大多数海洋微生物于培养基上之最佳生长pH值为7.2~7.6。湖泊与河川依地区环境之不同,范围较大。例如原始细菌曾自pH 11.5之非洲盐分离出,原始细菌之其它菌种则曾发现生长于pH 1.0或以下。

7. 营养

  水环境中有机与无机物质之含量与种类,显著影响微生物之生长。硝酸盐与磷酸盐为一般之无机成分,可促进藻类之生长。过量之硝酸盐或磷酸盐可引起水体中藻类之过度繁殖,以致耗尽水中之氧供应,导致所有其它水栖生物之窒息。

水体中之营养含量是谓环境之营养负荷(nutrient load)。近岸水域汇集家庭废水,内含有机与无机化合物,易引起营养物物质;源自工业废物之汞与其它重金属,可抑制部分微生物之生长,惟抗性微生物依然生长。例如许多假单胞菌能生存于含汞之环境中,并将汞转变为甲基汞,此乃挥发性物质,逸入大气中,故移除水环境之汞。

自我测验

1.影响水环境中微生物菌丛之主要环境条件为何?

2.嗜压微生物之显著特征为何?

3.蓝细菌与藻类之共同代谢特征为何?

4.水微生物学中谓营养负荷意义为何?

三、微生物于水环境中之分布

  微生物于水环境中可见于各层深度、浅则水面,深则达海洋壕沟之底部。上层之表膜及深水域之底部沈积物所含微生物数目大于其它深度。

  漂浮或漂流于池塘、湖泊及海洋表面区域之微小生命统称为浮游生物(plankton)。浮游生物群可能以藻类及蓝细菌为主(是为浮游植物;phytoplankton)或以原虫及其微小动物为优势(是谓浮游动物;zooplankton)光营性微生物乃最重要之浮游生物,因藉其光合作用,扮演有机物质之基本制造者。大多数浮游植物性微生物藉运动以维持光合作用区之范围;有些则具特殊之构造,或含油滴与气泡,使其上浮,如图29~5所示。阳光、风、潮汐、气流、营养、被较高等生物捕食等多重因子,均可影响浮游生物集群中之微生物型别。

  栖息于水体底部之微生物是谓海底微生物(benthic organism),也统称为海底动植物(benthos)。以微生物之数目与种类而言,海底区(benthic zone)乃水系统之最繁盛区域。此外,尚有许多水栖微生物栖息于海洋动物如鲸鱼与鱼类等之肠道中。

1. 淡水环境

  淡水环境之微生物学为淡水生物学之一部分,研究生活于湖泊、池塘与河流等之所有微生物。

  (1)湖泊与池塘湖泊与池塘具有区或层之特征,如图29~6,所示,兹将各区简速如下:

  (A)沿岸区(littoral zone):即沿岸之区域,光可穿透至底部,含有大量之有根植物。

  (B)淡水区(limnetic zone):离岸广阔区域之上层部分,其深度依光穿透之有效深度而定(是谓补偿层;compensation level)。

  (C)渊深区(profundal zone):指广阔水域之较深区域,光合作用于此区逐渐减弱。

  (D)湖底区(benthic zone):底部之软泥或泞泥部分。

  渊深区与湖底区大量群集异营性微生物。当湖底区以有机物质为主时,所含之主要微生物乃能分解此物质之厌气菌。反之,淡水区或沿岸区则含有各类型之微生物。如自无机物质合成有机化合物而言,沿岸区与淡水区为最大量之生产区,其生产力受湖泊或池塘之化学特征与河川所流入之物质性质而影响。

  温和气候之湖泊与池塘,其微生物集群富有显著之季节性变化,因成层(stratification)之故,水缺乏混合。夏季里上层水温较暖和,微生物密度低于下层。冬季恰为相反,结冰集中于上层,微生物密度低于水层。该成层现象为营养与氧气交换之屏障,尤其为静止水。然而春秋两季,上层与下层发生混合引起藻类之大量繁殖,是谓大增殖,如图29~7所示。

  有些水栖藻类所产生之毒素能致死鱼类及其它动物,属于细胞外毒素,或于藻类大增殖期,其细胞经细菌之分解而释出。部分海洋藻类(属于裸甲藻属Gymnodinium与漆沟藻属Gonyaulax之涡鞭藻dinoflagellates)能产生神经毒素(neurotoxin),引起水栖动物之死亡。神经毒素乃已知中最强之毒素,有些大增殖期藻类之毒素集中于过滤捕食双瓣软件甲贝壳类(如蚌、蚝、海扇、牡蛎及其它)之消化腺或吸虹。人类若误食可引起麻痹性贝类中毒。家畜饮水含大增殖期藻类,也曾发生致死例。

  富含营养之湖泊与池塘,尤其氮与磷,易供藻类过度增殖。当湖泊或池塘之营养达微生物能大量增殖之程度时,是谓营养良好(eutrophic)。反之,营养浓度底,微生物生长条件不佳时是谓营养缺乏(oligotrophic),图29~8表示湖泊中之微生物群集图形。

  (2)河川

  河川之大部分营养源自周围之陆地系统,推而广之,水栖微生物群集反映陆地条件,包括家庭、农业及工业习惯等。都市化之迅速扩展与土地耕作方式之改变等,使河川环境发生剧变,可能解释微生物集群之特征。

2. 海弯

  与海洋水域相较,海弯环境更富变化,因汇集各种来源之水与物质。温度、盐度、混浊度、营养负荷及其它因素随时间波动甚大,乞沙培克海弯(图29~9)为世界之主要海湾系统,其特征可藉以说明海湾之变化:

  (1)乞沙培克海湾为九大河流之汇合处,纽约州南部、宾州、马利兰州及维吉尼亚州等之水大多排放于此。

  (2)海岸线达4600公里,包括高度工业区、住宅区、码头、农地及无居民之沼泽地。

  (3)盐度浓淡不一,支流处低于1﹪,海湾口达3.5﹪,据估计海湾系统约一半为海水,一半为河水所填注。因此海湾易受潮汐与季节之变化,而二者皆影响不同位置之盐度。

  (4)海湾直接或间接受居住此区域内无数人之活动所影响。农业、商业、工业、运输(汽车排气)及误乐习惯等,均影响海湾环境。

  由以上所述,显然海湾之微生物集群易发生明显波动。

  有些微生物为特异生态区之固有栖息菌,有些则属暂居性,源自家庭、工业、农业或大气等。汇集家庭废水而富含有机物之处,主要之细菌为大肠型菌(革兰氏阴性肠道杆菌,如大肠杆菌);粪链球菌(Streptococcus facecalis);及产气单胞菌属(Aeromonas)、杆菌属(Bacillus)、变形杆菌属(Proteus)、梭状芽胞杆菌属(Clostridium)、球衣菌属(Sphaerotilus)、白硫菌属(Beggiotoa)、硫丝菌属(Thiothix)、硫杆菌属(Thiobacillus)及其它等属之菌种。引起型A肝炎与脊髓灰白质炎之肠道病毒也可能发现。营养较差之海湾区域可见发芽或具付属物之细菌如丝状细菌属(Hyphomicrobium)、茎菌属(Caulobacter)及披毛菌属(Gallionella)等之菌种。土壤细菌如定氮杆菌属(Azotobacter)、亚硝酸胞菌(Nitrosomonas)及硝酸菌属(Nitrobacter)等之菌种也可能存在。多种霉菌如囊子菌纲(Ascomycetes)、藻菌纲(Phycomycetes)及两性霉菌纲(Deuteromycetes)等,也见于海湾之各区域。

3. 海洋

  微生物栖息于海洋之所有深度与纬度,乃浮游生物之一部分,也存于海底沈积物。浩瀚之大海使其环境条件较其它天然水域均匀。由于海洋之大小深度,欲获得检体之研究,包括海底沈积物,难免遭受技术上之困难,惟特殊采样设已发展出。

  (1) 海洋浮游生物

  浮游植物包括多数蓝细菌与藻类如硅藻、涡鞭藻、圆石藻(coccolithophore)及单胞藻(chlamydomonas)。此组微生物之主要功能系将辐射能转变为化学能,并将能量储存于聚集海洋中之化合物。反应之庞大颇为惊人,可支持全球鱼获量之生长(约5千万吨),浮游生物集群即相当于所需之5千万吨。

  浮游植物性细菌与藻类,于某环境条件下可能于沿岸区繁殖成庞大集群,引起水之变色。红海之颜色特征即蓝细菌-红色颤藻(Oscillatoria erythraea)之高度大增殖所致该藻含藻红素(phycoerythrin)。红潮亦然,系因某种浮游生物之爆炸性增殖,能产生毒素,致死人类与鱼类。广大水面之变棕色、珀琥色,或绿黄色则因其它微生物之大增殖,如图29~10所示。

  整个光合区之细菌集群与浮游植物性藻类之分布,关系极为密切。藻类提供细菌所需之有机化合物;也提供固体表面俾细胞附着或聚集。大多数之海洋细菌为适度嗜卤性,海洋环境之温度则适于嗜冷菌之生长。嗜冷菌包括发光菌,于氧存在下能产生光,如图29~11所示。有些发光菌与某种海洋动物进行共生。

  一般而言,大多数海洋细菌为革兰氏阴性,其细胞壁含有外膜。革兰氏阳性菌之细胞壁则否,故构造上较适宜生活于营养较淡之水环境。例如革兰氏阴性菌之重要水解酉每维持于围质间隙,以防外逸而流失于水环境。但革兰氏阳性菌则可。此外,革兰氏阴性菌外膜之脂多糖体(lipopolysaccharides, LPS)可防御某些毒性分子之作用,如脂肪酸与抗生素,自水中结合重要之营养成分。海水中常见之细菌为弧菌属(Vibrio)、无动力杆菌(Acinetobacter)、假单胞菌(Pseudomonas)、黄质菌属(Flavobacterium)与交互单胞菌属(Alteromonas)。海洋环境表面区域之细菌常含色素,可保护微生物免受太阳辐射而致死。

  (2) 海洋霉菌与原虫

  除海洋细菌与藻类外,海洋中也见某些霉菌与原虫。霉菌孢子与菌丝体片段漂浮于整个光合区。两性霉菌纲、藻菌纲及黏液菌等之霉菌均曾分离自海洋环境。海洋原虫包括有孔虫类(Foraminifera)与放射虫类(Radiolaria)以及许多鞭毛虫与纤毛虫,此等原虫大量出现于浮游植物栖息之区域。同时,浮游动物性动物以浮游植物性生物、各种细菌或碎屑等为食物。白画期间浮游动物垂直向下移动生活于光合作用区之下,避免光线。夜间再度上移,于水面捕食浮游植物。细菌群集则多少均匀散布于此层下,摄取下沈之有机物质及其它营养。

  上层与海底上方之间之区域相当贫瘠,可谓浩瀚之微生物海洋沙漠区域。然而海底,即渊深区则群集各种微生物。

  (3) 海底集群

  细菌与原虫栖息于离海岸之沈积物,大量存于泥-水接口,每毫升水之菌数达数百至数百万。每克沈积物之菌数更高达数千万,且可见各种生理型之细菌,如表29~1所列。

  (4) 微生物沈积物

  栖息于表层光合区之许多藻类与原虫,具有含钙或硅之细胞壁。当此等微生物死亡,逐渐沉至海底时,其未溶解骨架因而大量聚集。硅澡、放射虫类及硅鞭毛虫等产生含硅骨架,有孔虫颣及圆石藻则产生含钙骨架。此类物质构成之床面有时厚达数百公尺,见于海之各处。其中部分区域后来突出海面。例如英、法之白垩床主要为有孔虫类之残骸;加州龙波克之沈积物,大部分则为硅藻之遗骸。细菌,尤其蓝细菌也参予碳酸钙之沈淀,终于形成石灰石。

  铁、锰于沈积物中之累积与变化及硫沈积物,与德克萨州与路易斯安那州之海湾沿岸区所见相似,即与微生物之活动息息相关。自聚集、埋藏之有机质所形成之石油,微生物也担负重要角色。

自我测验

  1.何谓浮游生物之微生物菌丛?

  2.说明淡水水体各层之特征?

  3.何谓海湾?比较淡水水体与海湾之微生物菌丛?

  4.红潮为何而引起?那些条件有利于其发生?

  5.某些藻类与原虫其细胞壁所含之大量钙与硅,有何实际意义?

四、水栖微生物所负角色

  水栖生物包括微生物间之相互作用,及微生物与较高等动植物间之相互作用。微生物进行生化反应使水中元素与营养之重循环,其情况与土壤一节所述相似。此类微生物所执行之主要任务乃为洋生维持营养之流通,故于水中之食物 链占关键地位。

  1. 水环境之食物链与食物网

  食物链(food chain)乃生产食物之生物、消耗食物之生物、及分解动植物组织为营养以合成更多食物之生物等,其彼此间相互关系之一种系统。此系统中,不论那一方面,微生物均负主要任务。水中食物链之基本现象可表示如下:

初级生产者.

浮游植物与化学合成菌─────→初级消费者.浮游动物以浮游植物为生

    ↑                     ↓

分解者(异化作用与矿质化作用)动植     于食物链初期浮游动物作为            

物死组织与微生物(主要为细菌)分解←────食物源

成无机化合物,作为基本生产者之营养。

  然而,于大多数环境中,捕食关系事实上为相互连接复合体,犹如交错网,即食物网。微生物于浅海湾处之食物网所负角色稍异于海域之食物网,如图29~12所示。以海湾而言,可观之有机营养系微生物分解植物与碎屑所提供。于此状态下,营养转变为微生物蛋白,并作为原虫之食物。海湾环境之许多高等动物,也直接捕食植物与碎屑,包括甲壳类、蚝、昆虫之幼虫、线虫、多毛类动物(polychaete)、及少数鱼类。浮游植物与海底藻类仅供应海湾少量食物,与充分供给海洋环境截然不同。

  于海洋水域,食物链之基本生产主要藉浮游植物之光合作用,其次则利用化合菌。

  微生物如何供食物予高等水栖动物,有一引人之例,系发现海底热水出口附近。如第2章所述,该出口发现于1977年,沿火山脊,低于海面2600公尺,于深海温泉或热水出口(hydrothermal vent)附近区域,含有高密度之微生物与动物。此出口喷出含硫化氢之超高热水,依某些出口之记录,水温高达350℃,但出口周围之平均温度为10~20℃。此区域栖息许多细菌,非因温度,而因水中含硫化氢。此类细菌为自营性,藉硫化氢之氧化获得能量。其中多数能量为细菌所利用以固定二氧化碳,产生有机化合物。

  热水出口附近区域也含大量之动物,惟该类动物完全依赖硫化物氧化菌所产生之有机物质。多种动物目当奇异,巨管虫长达一公尺,巨蚌长达30公分。

2. 海洋之生产力

  海洋之生产力(fertility of the ocean)一语用以表示海洋产生有机物质之能力,生产力主要依浮游生物族群而定。海洋浮游生物可比拟海之牧场(pasture of the sea),因鱼、鲸鱼及乌贼等直接以浮游生物或捕食浮游生物之动物为食物。陆地环境每日每平方公尺可产生1~10克之有机物质,深海区域则为0.5克。然而,海洋面积大于陆地生产面积,故海洋之总生产力仍超越陆地。

  南冰洋所蕴藏生物多于其它任何重要海洋区域,此区所供给之大量营养乃因大西洋、太平洋与印度洋等水域发生混合之故。其混合作用则因海底冷水水流之运动,自南极洲之大陆礁层向外涌出。上层之充裕营养导致浮游生物量增殖,红色虾状甲壳类动物以浮游植物为食,红色虾状甲壳类动物又作为鱼、企鹅、海鸥、海豹及鲸鱼等之食物。于此环境中,红色虾状甲壳类动物为食物链之主要生物,作为光合浮游生物与较高等生物间之环接。食物链中之一系列生物如图29~13所示。浮游生物族群之分析法正藉新之技术而加强,利用先进之计算机硬件与软件,配合荧光显微镜法,已发展出荧光染色检体之影像分析系统,如图27~14所示。彩色影像-分析荧光显微镜之自动设备,使浮游生物生态学获得更进一步了解。

  海岸与海湾区域之物理环境虽不如海洋稳定,但其生产力却超越大海,因自陆地周围可获充分营养。

  (1) 混合现象

  海洋中之微生物群也因水流引起营养之流动而受影响,当水自海底上升至表面区域时,可发生所谓升流(upwelling)现象,常因近海处水流或风向之改变所致。反应过程中,海底之水将充分营养携至表面区域。加州与秘鲁沿岸附近之升流与此区域之高度生产力有关。

  回旋(gyre)乃海洋水面出现螺旋水流,具有汇集与保留营养、废物与微生物之势。近年来藉卫星影像之观察,始解开谜底。

自我测验

  1.水食物链中之基本生产者与分解者所司为何?

  2.赋予海洋之生产力为何者?

五、饮水

  大多数社区与都会之饮水源自河、川、与湖泊之表面来源。此种天然水源,尤其河川,易发生家庭、农业与工业废水等之污染。许多城市居民并未注意其流自水龙头之水,已事先使用数次。由于部分之水循环,水之重用已成为传统之天然过程,惟吾人逐渐承受水源之压力,不得不被迫以新之方式处理水之重循环。随着人口之增加,工业需大量用水,农业需扩大灌溉,故有赖新水资源之开拓。

  现代工厂已增加水重用之容量,加速重循环之天然处理过程,确保水源之安全。例如加州南部,最近实施水之分配,因此极欲发展可方法,使已用水安全并适于迅速重用。合理之联邦立法也已完成,以强调严格条例,试图减少水污染并改善水质。

  1. 污染

  完全澄清、无臭、无味之水,饮用尚有安全之虞。污染水之污染物可分为化学性、物理性与生物性等3类。本章将集中于生物污染物,即微生物。

  水如含致病性微生物,可危害健康与生命(第25章)。经水传染之最常见致病原,乃引起肠道感染之微生物如伤寒与副伤寒、志贺氏菌病、霍乱、弯曲杆菌病、病毒性肝炎及阿米巴痢疾等之致病原。此等微生物见于被感染之粪便或尿中,当排泄后,可能进入水体,而该水体终作为饮水之来源。

  为预防上述致病原之传染,必须(1)以水净化法供应安全饮水。(2)废水之处理设备、废弃或重用,前先行处理。(3)采用能检验之方法,以测定微生物之品质。

  2. 水净化

  安全可饮之水不含致病性微生物及对健康有害之化学物质,是谓饮水(potable water)。反之,不可饮之水,需先经净化,始能供人类饮用。水之净化法依水之来源及所需水量而异。

  (1)独宅水源

  井水与泉水等地下水,供应乡村地区独宅家庭所需之大部分用水。表面水除非先经处理或煮沸,破坏任何致病性微生物,否则不能供饮用,因易于发生污染。井水或泉水经各层土壤之渗透时具有过滤作用,其过程可移除悬浮微粒,包括微生物。选择凿井位置之首要宜避免煤坑、污水池、化粪池及谷仓附近地,如图29~15所示。家庭水源需定期采样进行实验室检验,确保适于饮用。

  (2)市区水源

  市区水净化厂生产饮用水之基本方法为沈淀(sedimentation)、过滤(filtration)与氯消毒(chlorination),如图29~16所示。沈淀发生于大型蓄水池,池中之水维持一段时期,此时大型颗粒物质借机沈至池底。水中加入明矾(硫酸铝),于表面产生黏着、绒毛状沈淀物,促使沈淀之形成。大多数微生物与悬浮细颗粒随沈淀物沈至沈淀床而移除,此过程可移去99﹪之微生物。次将过滤水通过粗沙滤床,进一步移除颗粒物质。随之以氯消毒,致死任何残留之微生物,以确保可饮性。氯之剂量需充分,使每升水中含游离之残留氯0.2~1.0mg。

  净化过程尚可包括其它步骤,如移除引起水硬度之矿物质,如太酸或太碱可调节pH值,去除不良颜色或气味,及加入氟化物,防止龋齿。

  3. 微生物为水质之指针

  水之常规微生物检验决定其可饮性,并非依据致病性微生物之分离与鉴定,其因如下:

  1. 致病原可能以散发性进入水源,且因不能长期存活,故送检之检体中可能发生遗漏。

  2. 如致病原之含量极稀,可能逃漏实验室之检测。

  3. 致病性微生物之实室常规检验,需24小时或以上始能获结果。待致病原发现时,多数人可能已饮用该水,未采取补救策施前,已接触致病性微生物。

  因上述之故,微生物学者发展出水质之试验法,不需依据致病原之分离与鉴定,而系以发现之某微生物表示致病性微生物存在之可能性,即以该指针菌作为警告系统。

  (1) 指针微生物(indicator microorganism)

  指针微生物乃指水中存在之某种微生物,表示水污染人类或其它温血动物之粪便。此种污染之意义代表人类肠道中之任何致病性微生物也可能出现于水中。指针微生物之重要特征为:

  (A)见于污染水,但未污染(可饮)水则否。

  (B)致病原存时,始见于水中。

  (C)指针微生物之多寡与污染量有关。

  (D)较致病原易于存活,且寿命更长。

  (E)性质均匀而稳定。

  (F)一般对人类与其它动物无害。

  (G)含量高于致病原,极易测验。

  (H)以标准实验室法易于测出。

  大肠杆菌最适合污染之理想指标之需求,且用于美国。其它菌有时也曾作为污染指标,如粪链球菌与产气荚膜杆菌(Clostridium perfrigens),此二菌均为人类与其它动物之正常菌丛。目前正极力发展病毒之常规检测法,试图作为污染之指标。

  肠道病毒也如大肠型细菌(coliform bacteria),可随人类废物携入水中,惟水检体之病毒分析其法较细菌之分离更为烦杂。虽有不少研究正进行中,但水中病毒之检测仍无标准法可资依循。

  (2) 大肠杆菌与其它大肠型细菌

  大肠型细菌为一组革兰氏阴性、不产芽胞、兼厌气性杆菌,于35℃时可发酵乳糖,且于48时内产酸与产气。大肠杆菌为人类与其它温血动物之正常菌丛,故视为大肠型菌之粪便型(fecal type of coliform)。大肠型菌组之其它细菌如产气杆菌(Enterobacter aerogenes)广布于自然界,见于土壤、水、壳粒,也见于人类与其它动物之肠道,视为非粪便大肠型菌(nonfecal coliform)。此等菌种之形态与培养特征,彼此间极为相似。因此需进行下列4种生化试验,以鉴别菌种。

  (A)白色胺酸产生口引口朵:大肠杆菌为阳性,产气杆菌为阴性。

  (B)特殊葡萄糖肉汤培养基之产酸量:以甲基红为指示剂测定pH值,此二菌均使葡萄糖产酸但大肠杆菌之pH值较低,指示剂呈红色。产气杆菌不能产生大量之酸,指示剂未发生颜色之改变。

  (C)葡萄糖-蛋白月东培养基产生乙醯甲基甲醇之能力:此化合物藉伏-普二氏试验(Voges-Proskauer test)测定之,大肠杆菌不能产生乙醯甲基甲醇,产气杆菌则可。

  (D)柠檬酸钠之利用:产气杆菌能利用柠檬酸为唯一碳源,能生长于以柠檬酸钠为唯一碳化合物之化学特定培养基。为方便起见,上述试验总称IMViC为反应:I=口引口朵,M=甲基红,Vi=伏-普二氏反应,C=柠檬酸盐,上述二菌典型菌株之反应如下:

──────────────────────────────

                试验

细菌   ─────────────────────────

       口引口朵  甲基红  伏普二氏反应  柠檬酸盐

──────────────────────────────

大肠杆菌    +    +     -      -

产气杆菌    -    -     +      +

──────────────────────────────

  大肠型细菌与沙门氏菌属(Salmonella)及志贺氏菌属(Shigella)具有许多共同特征,且均属致病性。然而生化反应之主要区别乃大肠型细菌能发酵乳糖,产酸与产气;沙门氏菌与志贺氏菌则不能发酵乳糖。因此实验室测定水之可饮性,以乳糖发酵为主要反应,如图29~17所示。

4. 饮水之细菌学检验

  水之细菌学检验法可依"水与废水"之标准检验法(Standard Methods for the examination of Water and Wastewater,美国公共卫生协会,美国水公司协会及联邦下水道与工业废物协会共同编着出版)一书或美国环境保护署所发表文献。因属于"标准"法,如结果欲符合官方意义,步验必需准确。水检体进行细菌学分析时,必需严守下列细节。

  (A)检体必需收集于无菌瓶中。

  (B)检体必需具有水源之代表性。

  (C)采样时或采样后,须避免发生污染。

  (D)采样后宜立即进行试验。

  (E)如延迟检验,检体需暂存于0~10℃之间。

  (1) 标准平板计数法(Standard plate count)

  本法一般取水检体0.1ml与1.0ml倾注于琼脂培养基,经孵育24小时后,计数菌落数目。使用本法并无官方可接受之特殊菌数,因水中含少数致病性菌较含多数无致病性菌更为危险。虽然如此,优良水质其总菌计数较低,每ml少于100个细菌。平板计数法也用于测定各步骤(沈淀、过滤与氯消毒),移除或破坏微生物之效果。本法也用于特殊处理前后,以测取微生物族群之减少。

  (2) 膜过滤法(Membrane filter technique)以膜过滤法进行水之细菌学检验,其法如下(如图29~18):

  (A)将无菌滤膜置于滤器。

  (B)取定量体积通过滤膜过滤,细菌滞留于滤膜表面。

  (C)取出滤膜,置于预先饱和适当培养基之吸垫。吸垫与滤膜应置于特殊培养皿以便孵育。

  (D)孵育期间,于细菌附着处形成菌落。

  此法具有数个有利特性,如可检验大量之水检体。理论上任何体积之水均可通过滤膜,检体中之所有微生物皆可滞留于滤膜上,所得结果较接种一系列乳糖肉汤试管更为迅速。如利用选择与鉴别培养基,可鉴定某类型,如大肠型细菌。

5. 水系统之可厌菌

  水系统中之某些菌被视为可厌菌(nuisance bacteria)因引起水之气味、颜色、与味道等之改变,有些于水管形成不溶性化合物之沈淀以致降低水之流速。藻类也可能与气味之形成、变色及其它不悦特征等有关,下列乃可厌微生物及其所引起之不良状态。

  黏液形成菌(slime-forming bacteria):产生橡胶状或黏液。

  铁细菌(iron bacteria):将可溶性化合物转变为不溶性化合物。由于不溶性铁化合物之沈积,以致降低水之流速。

  硫细菌(sulfur bacteria):产生硫酸与硫化氢,使水变为极酸,赋予厌恶气味。于下水道水泥管产生硫酸,可改变水管之构造品质,如图29~19所示。

  藻类(algae):产生混浊、变色、厌恶气味与味道。

自我测验

  1.市区水净化之主要步骤为何?

  2.为何以大肠杆菌作为污染之指标,而不用肠道致病原?

  3.测定水之可饮性,簿膜过滤法较标准平板计数法及乳糖肉汤接种法有何优点?

六、游泳池

  游泳场地之水,尤其公共游泳池,可能危害健康。游泳池与周围环境可能发生眼、鼻、喉、及肠道等感染之传染。也可能传播香港脚、脓疱及其它皮肤感染。因此,不得不确实注意水之卫生品质,监控消毒过程,确保维持消毒剂之适当浓度。氯消毒为游泳池最广用之消毒剂。

自我测验

  1.游泳池水有何可能之健康危险性?

  2.减少游泳池水之感染可能性,有何措施可降至最低限度?

七、废水

  废水(wastewater)或下水道(sewage)指社区已用过之水源,包括:

  (1) 家庭水媒废物,包括人类排泄物及洗濯水,家庭与城市之排出物,并流入下水系统。

  (2)工业水媒废物,如酸、油、滑油,及工厂排出之动植物物质。

  (3)进入废水系统之地下水、地面水及大气雨水。

  城市废水以系统汇集,流入处理厂清理之。废水系统有3种,(1)卫生下水道(sanitary sewer):排送家庭与工业污水,(2)暴风雨下水道(storm sewer):为排送地表水与雨水而设计,(3)合并下水道(combined sewer):排送卫生下水道与暴风雨下水道之废水。

  1. 废水之特征

  废水之物理化学及微生物等特征,可谓包罗万象,如欲设计处理厂以处理废水,宜先了解此因子。

  (1) 废水之理化特征

  废水约含99.9﹪之水份,悬浮固体物之含量极微,故ppm以表示,废水中之固体含量介于数ppm至100ppm。此量虽小,但都市大型废水处理厂每日之处理体积惊人,可达数亿加仑,内含固体物数公吨。至化学组成,虽浓度低,但极重要,其种类与含量因社区而异,且时时改变。水源之原来无机化学物质也见于废水。有机化合源自人类排泄物与其它家庭废物。工业废物增加无机与有机化合物,例如屠宰场、糖厂、纸浆厂及奶酪制造厂加入有机物质;化学与金属工业则促成酸、金属之盐类与其它无机化学废物。

  代近技术已改变废水特征,家庭垃圾清理单位之使用,已增加废水之总有机负荷量。合成清洁剂大量取代肥皂,对于有效处理废水所需之微生物族群产生不利影响。

  (2)微生物特征

  霉菌、原虫、藻类、细菌及病毒皆见于废水中。未处理废水每ml可能含数百万个细菌,其中包括大肠型细菌、链球菌、厌气性产芽胞杆菌、变形杆菌组及源自人类肠道之其它细菌。其它微生物则来自地下水、地面水及大气水或工业废水等。

  废水之处理效果依微生物所进行之生化反应而定,表29~2所列。于废水处理过程中之各阶段,优势生理型之细菌也可能发生改变,而反应条件自高度需气性至绝对厌气性不等。

  (3)生化需氧量(Biochemical oxygen demand;BOD)

  生化需氧量乃微生物以需气性分解废水中之有机质时,所需之可溶性氧量。处理废水使其重返河川或湖泊之一基本原因乃减少可溶性氧之水源排放于水体中。BOD之大小表示污水之有机物质含量,可氧化之有机质愈多,BOD愈高。废水之"强度"即以BOD之程度表示之。数值高表示有机物质含量高,反之,数值低,表示仅含少量之可氧化物质。

  水体之生命,高度仰赖维持可溶性氧量之能力,而该氧量乃维持水栖生命所必需。若无可溶性氧,鱼将窒息,且毁灭正常之水栖生物。

  2. 废水处理

  未经处理废水不能因无不良严重后果而加以弃置,经处理废水若处置不当则可产生下列不良情况:

  (A)增加致病性微生物布之可能性。

  (B)增加天然水体供应饮水之危险性。

  (C)污染牡蛎及其它贝类,对人类之食用产生安全之虞。

  (D)因捕食场地之污染大量流失水禽族群。

  (E)增加游泳之危险性,降低其它娱乐活动之价值。

  (F)污水中之不稳定有机物质耗尽水中之氧源,致死水栖生物。

  (G)构成不良环境如可厌气味、残屑之聚集,故降低性质上之价值与娱乐方面之利用。

  废水处理方法繁多,依其应用可分为独宅或单独建筑物,及社区或都市等之处理方式。

  (1)独宅或单独建筑物

  独宅或其它单独建筑物如汽车旅馆与构物中心,其废水之处理与清理可使用厌气性消化槽或需气性消化槽。腐化池(septic tank)乃厌气性消化槽,一般用于限量之废水,如图29~20所示。本池职司两项工作,即固体物质之沈淀与沈淀物之生物分解。聚集于池底之物质是谓污泥(sludge)。当污水进入腐化池后,沈淀发生于下层部分,使水液中之悬浮固体物减少便于排放。沈淀之固体物质不断为厌气菌所分解,终末产物为有机化合物,BOD高具有气味。腐化池之流出物经弃置区散布于土壤表面之下,如图29~20所示。微生物之进一步分解,大部分为流出中有机物质之有氧氧化,发生于流出液渗经排放区之时。此种处理法不能保证所有致病原之去除,因此必需严防处理系统之排放水渗入饮水源。

  需气性废水处理系统,现有商业化设计,适用于小单位,糟之设计分为数室并附设备将流入固体物减至小微粒之大小。另有通气室与流出沈淀室,将氧打入通气室,使不断进行氧化及废水固体物之需气性分解。此单位特适于土壤渗透不良之地区,如含有许多石头与岩石之湿地或土壤。

  (2)都市设备

  都市废水处理厂进行一系列处理过程(图29~21,发现29~2),各层次之处理依净水法规要求,其概要如表29~3所示,兹简述如下:

  (A)第一级处理:以物理方式移除粗固体物质。

  (a)筛选(screening):移去最大固物如盒、轮胎、瓶、及罐等可焚化,压碎或作为填平。

  (b)沙砾室(grit chamber):除去较小固体物,如碎石。

  (c)沈淀(初级沈淀):移去更小颗粒物质如粪便及纸等,此颗粒物质(污泥或生物固体物;biosolid)常于污泥消化器中,藉厌气分解法进行生物处理。

  (B)第二级(生物)处理:有机物质之分解与之降低,可用下列之方法:

  (a)散水滤床法(trickling filter):将废水散布(构成通气)于石床上,每一岩石被覆细菌之黏液质团,是谓黏液菌群(zoogloea),可分解滴漏于岩石上之水成分。如图29~22与29~23。

  (b)活化污泥法(activated sludge process):废水激烈通气,以致形成颗粒,富含需气性分解微生物,此反应于通气糟中进行,随之进一步沈淀,以移除生物固体物。

  (c)氧化池(礁湖,lagoon):乃深2~4英尺之浅池,池中之藻类如绿藻可消耗废水之营养,产生氧,供需气性分解。

  (d)污泥消化(sludge digestion):分解第一级处理与第二级处理期间所聚集之固体物质,厌气菌之污泥消化发生于槽之深处,产生甲烷(可供燃料之用)、二氧化碳、及少量之氮与氢。厌气性废水分解乃一缓慢反应。

  (C)第三级处理,移除第二级处理后所残留之其它污染物。可产生高品质之废水,适于重用。第三级处理包括下列其中之一或以上久步骤:

  (a)化学凝絮作用(chemical flocculation):移除多数之残留颗粒物质。

  (b)最后过滤(final filtration):移除固体物加以干燥与焚化,或无填土或作为肥皂。

  (c)除去或减少磷酸盐与硝酸盐。

  (d)液体流出物以氯消毒,致死微生物,其中部分可能为致病性微生物。最后流出物于排入水体前,需先经去氯处理,因氯对水栖生物有害。

  发现29~2:利用都市回收废水供灌溉

  许多干旱与半干旱地区,都市废水已确立陆地之实际应用,有些地区其农业与与风景区之灌溉用水约70~85﹪为废水之利用。美国用水逐渐增加,以收回之都市废水供灌溉,已成为总水源计划与开发中合理而重要部分。

  来自加州240个城市之废水、每年均有220000亩呎用于农业与风景区之灌溉。此外,每年约有610000亩-呎经处理废水,排入地表水或地下水,偶而重用。将近一半以上之收回都市废水(5﹪)﹪用于灌溉粮草、纤维与种子作物,其利用不需高度处理。约7﹪用于灌溉果园、葡萄树及其它食用作物。高尔夫球场与风景区之灌溉每年所用回收废水约14﹪,且正增加中。

  回收都市废水使用量逐渐增加之原因包括:

  (1)于价格竞争下,缺乏淡水;

  (2)可能利用都市回收废水作为植物营养;

  (3)可能获得高品质之流出物;

  (4)需建立水资源计划,包括蓄水与重用;

  (5)不而高价而附合严格之水污染管制要求,包括都市需一步之废水处理设备。

  以都市废水灌溉虽系废水处理之有效利用,但有些用于农业或风景区之灌溉,则需进一步处理。处理之程度乃废水灌溉系统之计划、设计与管理之重要因子。应用前之处理,需维护公共卫生,防止应用与储存时之不良状态,避免对作物、土壤与地下水之伤害。

  资料取自California Agriculture, March-Apirl 1987, Division of Agriculture and Natural Resources, Oakland, Calif.

  3. 废水处理之经济问题

  美国处理废水之平均成本以分/1000加计算,但如进一步处理,成本即显著增加。以现代与精密废水处理法,可能产生可饮水,惟其处理成本极高。但有些国家则无选择,因生水难求。依成本与利益之评估,必须决定欲重用水之品质层次及有利之其它水资源。随着水量之需求增加以及需洁净环境,确实增加水之成,本惟过去曾一度被视为免费与用之不竭。

自我测验

  1.废水之可能成份为何?

  2.简述现代废水处理厂之步骤,并说明微生物于处理过程中各步骤所司角色?

  3.以废水处理而言,何谓BOD?假设废水处理厂之流出物具有高度之BOD表示何意?

(来源: 来宝网 )


全年征稿 / 资讯合作

联系邮箱:kefu@labbase.net

版权与免责声明

  • 凡本网注明“来源:来宝网”的所有作品,版权均属于来宝网,转载请必须注明来宝网, http://www.labbase.net,违反者本网将追究相关法律责任。
  • 本网转载并注明自其它来源的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品来源,并自负版权等法律责任。
  • 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。