本書首先介紹了微生物的性狀和分類、微生物的生理、微生物的生長、微生物的遺傳和變異以及微生物的生態(tài)系統(tǒng)方面的基礎知識；之后介紹了水處理工程中的微生物污染，好氧生物處理的原理與應用，厭氧生物處理的原理及應用，水體富營養(yǎng)化和脫氮除磷技術(shù)，水生植物+微生物的水質(zhì)凈化作用及其應用，水中病原微生物的檢測及去除，以及生物修復技術(shù)。
前言
《水處理微生物學》（第一版）成書于2014年，出版以來一直受到廣大讀者厚愛，被許多高等院校給排水科學與工程專業(yè)和環(huán)境類專業(yè)選作教材，一些相關(guān)專業(yè)的科技人員也選為參考書。隨著水處理微生物學理論與實踐的飛速發(fā)展，為適應現(xiàn)代水處理微生物學的實際需要，也為了在技術(shù)上與時俱進，有必要對全書進行修訂。除了修正原書的疏漏之外，本次再版還吸收了一些新的科研成果，以充實本書的內(nèi)容。
本書在延續(xù)第一版系統(tǒng)性、理論性和應用性的基礎上，吸收了近年來水處理微生物學領(lǐng)域在理論、工藝、技術(shù)和標準等方面的新發(fā)展和新成果，除增加一章內(nèi)容外，還對個別章節(jié)做了修訂調(diào)整。
具體來講，本書具有以下4個特點。
① 在修訂過程中全面、準確、深入理解黨的二十大推動綠色發(fā)展，促進人與自然和諧共生精神內(nèi)涵，確保精神精髓領(lǐng)悟透徹、思政效果細致入微，遵循新時代教材建設規(guī)律和青年學生成長規(guī)律，將時代要求與學生需求相結(jié)合，真正發(fā)揮好教材育人作用，落實立德樹人根本任務。
② 體現(xiàn)了水處理微生物學的前沿發(fā)展。本書對迄今為止水處理微生物學發(fā)展新技術(shù)、新成果做了全面的匯總，分析了水處理微生物學面臨的問題和未來的發(fā)展方向；根據(jù)水處理微生物學的發(fā)展方向，增加了第一版中有所忽略的重要理論基礎。
③ 將基礎理論研究與實際工程案例有機結(jié)合。本書延續(xù)了分析理論探討研究方法案例分析的基本思路，而且理論概括更為全面。除新增第11章和第4章4.1節(jié)外，對第1、3、5、6、7、13章的內(nèi)容也進行了部分更新，理論聯(lián)系實際，分析深入細致，使讀者能夠系統(tǒng)地掌握水處理微生物學的理論和方法，全面地了解水處理微生物學的內(nèi)容與編制過程，從而有效提升實際應用水平。
④ 切合水處理微生物學的發(fā)展需求。根據(jù)目前國內(nèi)外在環(huán)境水處理和微生物領(lǐng)域的發(fā)展情況，為了讓該課程更好地發(fā)揮學科基礎課作用，我們在內(nèi)容方面構(gòu)建強理論、重實踐的體系，以專業(yè)認證要求為指導，緊扣行業(yè)發(fā)展趨勢。為了增強學生的應用創(chuàng)新能力，這里結(jié)合給排水科學與工程專業(yè)學生的具體情況，培養(yǎng)學生學習和掌握微生物學基礎知識和基本實驗技能，增強學生對微生物在水處理領(lǐng)域應用的理解，培養(yǎng)學生獨立思考和分析解決問題的能力，拓展學生的創(chuàng)新性思維、提升工程實踐能力。
本書是集體智慧的結(jié)晶。本書由趙遠、張崇淼、肖嫻主編，張興明、王琴、石瑋、殷鴻洋、汪超副主編。具體編寫人員及分工為：趙遠和殷鴻洋（第1章、第4章4.1節(jié)、第9章9.3節(jié)），王琴（第2章），張小菊和張興明（第3章），孫向武和石瑋（第4章其他內(nèi)容），張崇淼（第5章、第7章、第13章13.1節(jié)），張翠英和汪超（第6章、第11章11.1節(jié)），肖嫻（第11章其他內(nèi)容），劉婷（第8章），代紅艷（第10章），申榮艷（第9章9.1節(jié)、9.2節(jié)），馬偉芳（第12章）、藍梅和孫昭（第13章其他內(nèi)容）等。全書由趙遠統(tǒng)稿。
本著對讀者負責和精益求精的精神，編寫時我們字斟句酌，力求消除一切瑕疵。盡管我們試圖將前沿的研究成果納入本書中，但由于水處理微生物學涉及領(lǐng)域廣泛，加之水平的限制，書中難免存在一些缺點和疏漏，殷切希望廣大讀者繼續(xù)給予批評指正。同時借此機會，向使用本書第一版的廣大師生，向給予我們關(guān)心、鼓勵和幫助的同行、專家學者致以由衷的感謝。
編者
2023年5月
第一版前言
目前，水污染問題日益嚴重。城市污染水和工業(yè)廢水排放造成大部分水體的污染。污染控制和水環(huán)境修復是水資源可持續(xù)利用長期必須面對的重大問題之一。利用先進的生物技術(shù)處理污染物越來越引起人們的普遍重視，許多水處理技術(shù)與環(huán)境生物技術(shù)已成功地應用于與環(huán)境污染相關(guān)的諸多領(lǐng)域與環(huán)節(jié)，更多的技術(shù)則正在不斷開發(fā)、拓展和完善。而與處理污染物相關(guān)的微生物學發(fā)展非常迅速，新技術(shù)、新方法不斷涌現(xiàn)，特別是分子生物學技術(shù)的發(fā)展更是令人矚目。針對目前本科生畢業(yè)有相當一部分學生又要繼續(xù)攻讀研究生的現(xiàn)狀，從科研和實際工作需求的角度，本書除介紹水處理微生物學基本知識、基本原理、處理的基本工藝外，結(jié)合水處理工程的實際需要，介紹了與水處理工程有關(guān)的內(nèi)容和理論，并適當補充了水環(huán)境飲用水等方面內(nèi)容，使讀者能夠適時了解并掌握水處理微生物學的最新發(fā)展動態(tài)和技術(shù)應用情況。
水處理微生物學與水處理工程有密切的關(guān)系，它是一門實踐性很強的學科。本書緊扣水處理工程和微生物學兩條緊密結(jié)合的主線，在介紹基本原理、技術(shù)的基礎上，注重于環(huán)境生物技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應用，并且給出許多實踐中豐富的案例，旨在深入闡述水處理微生物技術(shù)的基礎上，建立一個有效的水處理微生物技術(shù)選擇的定性和定量模式，以期更好地指導我國水環(huán)境領(lǐng)域污染處理技術(shù)開發(fā)、應用推廣。我們希望本書能對高等院校師生和廣大科技工作人員有所幫助，同時對我國環(huán)境教育的發(fā)展做出貢獻。
全書共12章。第1章緒論，概述水處理微生物學的研究對象和任務以及微生物的基礎知識；第2章微生物的性狀和分類，簡述真核生物、原核生物及病毒的基礎知識；第3章微生物的生理，簡述微生物發(fā)生生化反應的酶相關(guān)知識，微生物的營養(yǎng)、呼吸、物質(zhì)代謝，難降解物質(zhì)等；第4章微生物的生長，簡述微生物培養(yǎng)和分離技術(shù)及微生物生長條件；第5章微生物的遺傳和變異，簡述微生物的遺傳物質(zhì)基礎，基因技術(shù)，菌種培育及保存技術(shù)；第6章微生物的生態(tài)系統(tǒng)，簡述微生物在自然界中的存在狀態(tài)，微生物在自然界中的循環(huán)等；第7章水環(huán)境中的微生物污染，簡述水處理污染的微生物來源及途徑，微生物污染種類，水處理工程中的細菌污染和病毒污染；第8章水處理工程中好氧生物處理的原理與應用，簡述好氧生物處理的基本原理及生物處理方法、工藝；第9章水處理工程中厭氧生物處理的原理及應用，簡述厭氧生物處理的微生物原理及生理特征以及厭氧處理工藝；第10章水體富營養(yǎng)化和脫氮除磷技術(shù)，簡述水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象、原因、危害及控制水體富營養(yǎng)化的措施與方法，生物脫氮除磷基本原理、基本流程、基本工藝；第11章水中病原微生物的檢測及去除，簡述水中的病原微生物及其檢測技術(shù)，飲用水的深度凈化技術(shù)，飲用水消毒，及病原微生物的去除工藝；第12章生物修復技術(shù)，簡述生物修復技術(shù)原理、水處理工程中微生物修復技術(shù)，并介紹了一些案例。
參與本書編寫的有趙遠研究員(第1章、第4章部分、第9章部分、第12章部分)、王琴副教授(第2章)、張小菊老師(第3章)、孫向武副教授(第4章)、張崇淼副教授(第5章、第7章、第12章部分)、張翠英副教授(第6章、第11章部分)、劉婷老師(第8章)、代紅艷老師(第10章)、申蓉艷博士(第9章部分)、馬偉芳副教授(第11章部分)、藍梅副教授(第12章部分)等。最后由趙遠研究員統(tǒng)稿。本書在編寫的過程中，除參考了相關(guān)書籍外，還參考了大量國內(nèi)外學者、科研單位、生產(chǎn)企業(yè)等的研究成果及資料，在此一并表示感謝。
由于本書涉及多學科交叉，內(nèi)容廣泛，加之科學技術(shù)發(fā)展迅速，新成果不斷涌現(xiàn)，以及編者水平和編寫時間的限制，難免有遺漏之處，熱忱希望廣大讀者和同行提出寶貴意見，以利于以后進一步修改提高。
主編
2013年7月
趙遠，研究員，長期從事污染控制技術(shù)、環(huán)境生態(tài)修復技術(shù)等研究，先后主持或參加了國家科技支撐計劃等各種科技部或省科技廳科技攻關(guān)項目12項、國家自然科學基金或省自然科學基金5項、國家風險基金項目2項。參與或主持了各類橫向項目16項。獲得省部級及市廳級獎項10項；授權(quán)8個發(fā)明專利；發(fā)表文章60多篇；主編教材3本。
第1章 緒論 1
1.1 微生物在自然界的主要作用 1
1.2 水處理微生物學的研究對象和任務 1
1.3 微生物學在水處理過程中的作用 1
1.4 微生物概述 2
1.4.1 微生物的定義 2
1.4.2 原核微生物與真核微生物 2
1.4.3 微生物的分類 3
1.4.4 微生物的分類單位、命名和分類依據(jù) 3
1.4.5 微生物的生物學特點 4
參考文獻 4
第2章 微生物的性狀和分類 5
2.1 原核微生物 5
2.1.1 細菌 5
2.1.2 放線菌 13
2.1.3 藍細菌 16
2.1.4 其他原核生物類群 17
2.1.5 水環(huán)境中常見的原核微生物類群 20
2.2 真核微生物 22
2.2.1 真菌 22
2.2.2 藻類 25
2.2.3 原生動物 27
2.2.4 后生動物 27
2.2.5 水環(huán)境中常見的真核微生物類群 29
2.3 非細胞生物的超微生物病毒 34
2.3.1 病毒的一般特征及主要類群 35
2.3.2 病毒的形態(tài)結(jié)構(gòu) 35
2.3.3 病毒的增殖 35
2.3.4 病毒的測定和培養(yǎng) 37
2.3.5 病毒對物理、化學、抗生素的抵抗力 38
參考文獻 39
第3章 微生物的生理 40
3.1 微生物的酶 40
3.1.1 酶的組成和結(jié)構(gòu) 40
3.1.2 酶的命名和分類 41
3.1.3 酶的催化特性 42
3.1.4 影響酶促反應速率的因素 42
3.2 微生物的營養(yǎng) 44
3.2.1 微生物細胞的化學組成和營養(yǎng)要素 44
3.2.2 微生物的營養(yǎng)類型 46
3.2.3 微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收 47
3.2.4 培養(yǎng)基 48
3.3 微生物的代謝 51
3.3.1 新陳代謝的有關(guān)概念 51
3.3.2 微生物的產(chǎn)能代謝 52
3.3.3 微生物的合成代謝 56
3.3.4 微生物代謝的調(diào)節(jié) 58
3.3.5 代謝調(diào)控的應用 59
3.4 微生物對難降解物的降解和轉(zhuǎn)化 60
3.4.1 污染物的生物降解性 61
3.4.2 石油類物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化 62
3.4.3 合成有機物的降解和轉(zhuǎn)化 63
3.4.4 微生物對重金屬污染物的轉(zhuǎn)化 64
參考文獻 65
第4章 微生物的生長 66
4.1 微生物的分離和純培養(yǎng) 66
4.1.1 無菌技術(shù) 66
4.1.2 純培養(yǎng)的分離方法 67
4.2 微生物生長的測定 70
4.2.1 細胞數(shù)的測定 71
4.2.2 細胞生物量的測定 73
4.3 微生物的生長規(guī)律 74
4.3.1 單細胞微生物的典型生長曲線 74
4.3.2 生長的數(shù)學模型 75
4.3.3 微生物的同步培養(yǎng) 77
4.3.4 厭氧培養(yǎng) 80
4.4 環(huán)境因子對微生物的影響 81
4.4.1 微生物生長的環(huán)境條件 81
4.4.2 生物因子 85
參考文獻 86
第5章 微生物的遺傳和變異 87
5.1 微生物遺傳變異的物質(zhì)基礎 87
5.1.1 遺傳和變異的物質(zhì)基礎 87
5.1.2 DNA的結(jié)構(gòu)和復制 89
5.1.3 DNA的存在形式 91
5.2 微生物的基因突變 92
5.2.1 突變的類型 92
5.2.2 基因突變的機制 93
5.3 微生物的基因重組 94
5.3.1 原核微生物的基因重組 94
5.3.2 真核微生物的基因重組 96
5.4 微生物的菌種選育 96
5.4.1 水處理工程菌種篩選程序 96
5.4.2 微生物的誘變育種 97
5.4.3 原生質(zhì)體融合育種 98
5.4.4 基因工程技術(shù)用于高效工程菌種改良 99
5.5 微生物菌種貯存及復壯 100
5.5.1 微生物菌種貯存 100
5.5.2 菌種的退化與復壯 102
5.6 分子生物學技術(shù)及其在水處理工程中的應用 103
5.6.1 聚合酶鏈反應技術(shù) 103
5.6.2 變性梯度凝膠電泳技術(shù) 105
5.6.3 熒光原位雜交技術(shù) 106
5.6.4 16S rDNA高通量測序分析技術(shù) 107
5.6.5 蛋白質(zhì)組分離技術(shù) 108
5.6.6 分子生物學技術(shù)在水處理中的應用 109
5.7 微生物新技術(shù)的研究與應用 113
5.7.1 固定化技術(shù)及應用 113
5.7.2 水處理工程中生物強化技術(shù)與應用 115
5.7.3 微生物制劑的開發(fā)和應用 118
參考文獻 120
第6章 微生物的生態(tài)系統(tǒng) 122
6.1 水處理生態(tài)系統(tǒng)的基本概念及特征 122
6.1.1 生態(tài)系統(tǒng)及其基本結(jié)構(gòu) 122
6.1.2 生態(tài)系統(tǒng)的功能 123
6.1.3 水生態(tài)系統(tǒng)的基本特征與類型 124
6.1.4 微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的作用 126
6.2 微生物在各生態(tài)系統(tǒng)中的分布 127
6.2.1 水體微生物生態(tài) 127
6.2.2 土壤微生物生態(tài) 129
6.2.3 空氣微生物生態(tài) 131
6.3 微生物的生物群落 132
6.3.1 生物群落及其基本特征 132
6.3.2 微生物群落的演替 133
6.3.3 微生物群落的基本特征 134
6.4 微生物之間的相互關(guān)系 134
6.4.1 互生 134
6.4.2 共生 135
6.4.3 寄生 136
6.4.4 拮抗 136
6.4.5 捕食 137
6.5 微生物與自然界的物質(zhì)循環(huán) 137
6.5.1 碳素循環(huán) 137
6.5.2 氮素循環(huán) 138
6.5.3 硫素循環(huán) 140
6.5.4 其他元素的微生物轉(zhuǎn)化 141
參考文獻 142
第7章 水環(huán)境中的微生物污染 144
7.1 水體中的微生物來源及相關(guān)的水污染 144
7.1.1 水體中的微生物來源 144
7.1.2 與微生物相關(guān)的水污染 145
7.2 水中病原微生物的種類和特性 146
7.2.1 病原菌 146
7.2.2 病毒 150
7.2.3 病原性原生動物 152
7.2.4 蠕蟲 155
7.2.5 藍綠藻 156
7.3 水中病原微生物的存活、分布和傳播 156
7.3.1 病原微生物在水中存活的影響因素 156
7.3.2 病原微生物在水環(huán)境中的分布 159
7.3.3 水中病原微生物的傳播及控制 160
7.3.4 指示微生物及其水質(zhì)衛(wèi)生學意義 161
參考文獻 163
第8章 水處理工程中好氧生物處理的原理及應用 165
8.1 好氧生物處理的基本原理 165
8.2 活性污泥法 165
8.2.1 好氧活性污泥中的微生物群落 165
8.2.2 活性污泥法的各種演變及應用 174
8.3 生物膜法 176
8.3.1 好氧生物膜中的微生物群落 177
8.3.2 生物膜法的基本流程及特征 178
8.3.3 生物膜反應器 180
8.4 自然處理法 181
8.4.1 穩(wěn)定塘 181
8.4.2 污水的土地處理系統(tǒng) 184
參考文獻 185
第9章 水處理工程中厭氧生物處理的原理及應用 186
9.1 厭氧生物處理的微生物原理及生理特征 186
9.1.1 厭氧生物處理的原理 186
9.1.2 厭氧生物處理的主要特征 189
9.1.3 非產(chǎn)甲烷菌 189
9.1.4 產(chǎn)甲烷菌 190
9.2 厭氧生物處理的微生物生態(tài)學 194
9.2.1 厭氧生物處理過程中微生物優(yōu)勢群的演替 194
9.2.2 非產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌之間的關(guān)系 196
9.2.3 產(chǎn)酸發(fā)酵菌群代謝的NADH/NAD 調(diào)節(jié) 198
9.2.4 產(chǎn)甲烷菌的生態(tài)分布 199
9.3 厭氧生物處理工藝學 199
9.3.1 厭氧生物處理工藝條件及其控制 199
9.3.2 廢水厭氧生物處理工藝 204
參考文獻 208
第10章 水體富營養(yǎng)化和脫氮除磷技術(shù) 209
10.1 水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象 209
10.1.1 水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生的原因 209
10.1.2 水體富營養(yǎng)化的危害 209
10.1.3 富營養(yǎng)化水體中的常見藻類 210
10.1.4 評價水體富營養(yǎng)化的指標 210
10.1.5 控制水體富營養(yǎng)化的措施和方法 211
10.2 生物脫氮 212
10.2.1 水體中氮化物的危害 212
10.2.2 生物脫氮的基本原理 213
10.2.3 生物脫氮的基本流程 215
10.2.4 影響脫氮作用的環(huán)境因素 218
10.2.5 同步硝化反硝化 220
10.3 生物除磷 221
10.3.1 生物除磷的基本原理 222
10.3.2 生物除磷的基本流程 223
10.3.3 影響生物除磷的主要因素 224
10.4 同步脫氮除磷技術(shù) 226
10.4.1 A2/O法同步脫氮除磷工藝 226
10.4.2 巴顛甫脫氮除磷工藝 228
10.4.3 Phoredox工藝 228
10.4.4 UCT工藝 229
10.4.5 VIP工藝 229
10.4.6 氧化溝同步脫氮除磷工藝 229
10.4.7 其他傳統(tǒng)同步脫氮除磷工藝 230
參考文獻 230
第11章 水生植物 微生物的水質(zhì)凈化作用及其應用 231
11.1 大型水生植物的特點 231
11.1.1 大型水生植物的生物學特性 231
11.1.2 大型水生植物生長環(huán)境的特點 231
11.1.3 水生植物的生長能力 233
11.1.4 水生植物營養(yǎng)吸收特點 233
11.1.5 水生植物的錨定能力 234
11.2 常見的大型水生植物 234
11.2.1 挺水植物 234
11.2.2 浮葉植物 235
11.2.3 沉水植物 237
11.2.4 漂浮植物 237
11.2.5 濕生植物 238
11.3 水生植物的水質(zhì)凈化作用 239
11.3.1 水生植物的水質(zhì)凈化作用的原理 239
11.3.2 影響水生植物水質(zhì)凈化作用的因素 240
11.3.3 水生植物的水質(zhì)的去除效果 240
11.3.4 水生植物凈化水體水質(zhì)的應用 242
11.4 水處理與生態(tài)修復工程中的微生物群落 243
11.4.1 水生植物及其微生物群落 243
11.4.2 濕生植物及其微生物群落 243
11.4.3 挺水植物及其微生物群落 244
11.4.4 浮葉植物及其微生物群落 244
11.4.5 沉水植物及其微生物群落 245
11.4.6 微生物在脫氮除磷過程中的作用 245
11.5 水處理與水體修復生態(tài)工程技術(shù) 247
11.5.1 水體生態(tài)修復技術(shù)的相關(guān)概念 247
11.5.2 生態(tài)浮床技術(shù) 247
11.5.3 人工濕地技術(shù) 249
11.5.4 穩(wěn)定塘處理技術(shù) 251
11.5.5 其他生態(tài)修復技術(shù) 254
參考文獻 255
第12章 水中病原微生物的檢測及去除 256
12.1 常用水質(zhì)衛(wèi)生學指標的檢測方法 256
12.1.1 細菌總數(shù)的測定 256
12.1.2 大腸菌群的測定 256
12.1.3 糞大腸菌群的測定 257
12.1.4 噬菌體的測定 257
12.2 水中病原微生物的濃縮和檢測方法 258
12.2.1 病原微生物濃縮方法 258
12.2.2 病原微生物檢測方法 259
12.3 微污染水源水的生物預處理 260
12.3.1 微污染水源水污染源、污染物及預處理的目的 260
12.3.2 微污染水源水生物預處理的特點和可行性 260
12.3.3 生物氧化預處理技術(shù) 261
12.4 飲用水的深度凈化技術(shù) 263
12.4.1 臭氧活性炭吸附 263
12.4.2 活性炭吸附 264
12.4.3 光催化氧化 265
12.4.4 生物活性炭 266
12.4.5 吹脫法 266
12.4.6 膜技術(shù) 267
12.5 飲用水消毒 269
12.5.1 氯和含氯物質(zhì)消毒 269
12.5.2 碘消毒 269
12.5.3 臭氧氧化 270
12.5.4 銀離子消毒 270
12.5.5 紫外線消毒 270
12.5.6 超聲波消毒 271
12.5.7 飲用水的加熱消毒 271
12.6 污水處理工藝對病原微生物的去除 271
12.6.1 污水處理工藝對病原菌的去除 271
12.6.2 污水處理工藝對病毒的去除 274
參考文獻 274
第13章 生物修復技術(shù) 276
13.1 生物修復技術(shù)原理 276
13.1.1 生物修復概述 276
13.1.2 用于生物修復的微生物類型 278
13.1.3 微生物修復的影響因素 279
13.2 水處理工程中微生物修復技術(shù) 282
13.2.1 主要的生物修復技術(shù) 282
13.2.2 生物修復技術(shù)的優(yōu)點和局限性 283
13.2.3 評價生物修復可行性的程序 283
參考文獻 284
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