2025年大學(xué)《生物科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——微生物生態(tài)修復(fù)案例分析考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______試卷內(nèi)容一、請(qǐng)閱讀以下關(guān)于利用高效降解菌修復(fù)石油污染土壤的案例，并回答問(wèn)題：某地區(qū)土壤受到原油泄漏污染，含油量高達(dá)15g/kg。研究表明，土壤中自然存在的微生物難以在短期內(nèi)有效降解如此高濃度的石油烴類(lèi)物質(zhì)。為加速修復(fù)進(jìn)程，研究人員從污染土壤中篩選獲得一株高效石油烴降解菌strainX，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)、誘變等方法進(jìn)一步優(yōu)化其降解能力。隨后，將該菌株以生物強(qiáng)化劑的形式施用于污染現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合通風(fēng)、翻耕等物理措施，經(jīng)過(guò)90天的修復(fù)，土壤含油量降至0.5g/kg以下，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也逐漸恢復(fù)。1.簡(jiǎn)述原油中主要成分的化學(xué)性質(zhì)，并說(shuō)明這些性質(zhì)對(duì)微生物降解可能產(chǎn)生的影響。2.篩選和優(yōu)化高效石油烴降解菌strainX可采用哪些常用的方法？簡(jiǎn)述其原理。3.在該案例中，生物強(qiáng)化技術(shù)的具體體現(xiàn)是什么？與自然修復(fù)相比，生物強(qiáng)化技術(shù)可能具有哪些優(yōu)勢(shì)？4.除了生物強(qiáng)化，還有哪些常見(jiàn)的微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)可用于處理類(lèi)似的高濃度石油污染土壤？請(qǐng)列舉并簡(jiǎn)述其中一種技術(shù)的原理。5.分析該案例中，物理措施（如通風(fēng)、翻耕）在微生物修復(fù)過(guò)程中可能起到的作用。6.從微生物生態(tài)學(xué)的角度，預(yù)測(cè)長(zhǎng)期來(lái)看，該污染土壤的微生物群落結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生怎樣的變化？這種變化對(duì)土壤功能恢復(fù)意味著什么？二、請(qǐng)閱讀以下關(guān)于利用植物-微生物聯(lián)合修復(fù)鎘污染水稻土的案例，并回答問(wèn)題：某地區(qū)水稻土受到鎘（Cd）污染，土壤全量Cd為0.8mg/kg，有效態(tài)Cd含量較高，導(dǎo)致水稻籽粒Cd含量超標(biāo)，威脅食品安全和人體健康。研究人員采用植物-微生物聯(lián)合修復(fù)策略進(jìn)行處理。他們選擇了低鎘吸收累積水稻品種，并施加含有解磷菌和植物絡(luò)合蛋白（PC）的生產(chǎn)菌劑。研究發(fā)現(xiàn)，施用菌劑后，土壤pH略有升高，有效態(tài)Cd含量顯著下降，同時(shí)水稻根系分泌物中有機(jī)酸含量增加，并且土壤中與Cd結(jié)合的有機(jī)配體種類(lèi)有所變化。最終，水稻籽粒Cd含量降至安全標(biāo)準(zhǔn)以下。1.簡(jiǎn)述鎘在土壤-植物系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的主要途徑。2.案例中使用的解磷菌可能通過(guò)哪些機(jī)制間接降低土壤中有效態(tài)鎘的濃度？3.植物絡(luò)合蛋白（PC）如何作用于鎘的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程？施用PC的生產(chǎn)菌劑有何優(yōu)勢(shì)？4.分析水稻根系分泌物中有機(jī)酸增加對(duì)土壤中鎘形態(tài)可能產(chǎn)生的影響。5.比較植物修復(fù)和微生物修復(fù)在處理重金屬污染方面的特點(diǎn)，并指出植物-微生物聯(lián)合修復(fù)的優(yōu)勢(shì)所在。6.針對(duì)該案例，提出至少三種可能的改進(jìn)或進(jìn)一步研究的方向。三、請(qǐng)閱讀以下關(guān)于生物膜技術(shù)處理垃圾滲濾液ammonia-N的案例，并回答問(wèn)題：垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生的滲濾液是一種高濃度有機(jī)廢水，其中氨氮（ammonia-N）含量很高，對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。某垃圾填埋場(chǎng)采用生物膜法進(jìn)行滲濾液處理，生物膜附著在填料表面，由各種微生物構(gòu)成。運(yùn)行初期，出水氨氮濃度較高，通過(guò)控制填料表面pH在7-8范圍，并逐步提高生物膜中硝化細(xì)菌的比重，最終實(shí)現(xiàn)了氨氮的高效去除，出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。1.簡(jiǎn)述氨氮在水環(huán)境中存在的主要形態(tài)及其轉(zhuǎn)化過(guò)程。2.生物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與其在水處理中的應(yīng)用功能有何關(guān)系？3.在該案例中，控制填料表面pH在7-8范圍的作用是什么？請(qǐng)解釋硝化反應(yīng)對(duì)pH的依賴(lài)性。4.簡(jiǎn)述硝化細(xì)菌去除氨氮的基本原理。5.提高生物膜中硝化細(xì)菌比重可以采用哪些具體措施？6.生物膜處理垃圾滲濾液相比于傳統(tǒng)活性污泥法，可能具有哪些優(yōu)勢(shì)？四、請(qǐng)閱讀以下關(guān)于微生物修復(fù)礦區(qū)酸性廢水與土壤的案例，并回答問(wèn)題：某礦區(qū)由于長(zhǎng)期開(kāi)采，形成了酸性礦山排水（AMD）和污染土壤。廢水中pH低（<2），含有高濃度的鐵、錳、鋁離子以及硫酸鹽，嚴(yán)重污染下游水體并導(dǎo)致土壤板結(jié)、肥力下降。研究人員采用生物淋濾技術(shù)處理酸性廢水，利用選定的硫氧化菌或鐵細(xì)菌，在特定條件下將廢水pH調(diào)至中性附近，同時(shí)沉淀去除部分重金屬。隨后，對(duì)受污染土壤進(jìn)行生物修復(fù)，施用石灰調(diào)節(jié)pH，并引入能夠固氮、解磷、活化重金屬的微生物菌劑，配合種植耐酸植物，經(jīng)過(guò)數(shù)年治理，廢水中污染物濃度顯著下降，土壤理化性質(zhì)和肥力得到改善，生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)始恢復(fù)。1.簡(jiǎn)述生物淋濾技術(shù)處理酸性礦山排水的原理，并列舉兩種可能參與的微生物及其作用。2.在酸性條件下，土壤中的哪些礦物元素可能被活化，對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響？3.石灰在礦區(qū)土壤修復(fù)中的作用是什么？除了石灰，還有哪些物質(zhì)可以用于調(diào)節(jié)土壤pH？4.引入能夠固氮、解磷、活化重金屬的微生物菌劑，對(duì)礦區(qū)土壤修復(fù)有何意義？請(qǐng)分別解釋固氮、解磷和活化重金屬的作用。5.配合種植耐酸植物在礦區(qū)土壤修復(fù)中扮演了什么角色？6.綜合評(píng)價(jià)該案例中，微生物修復(fù)技術(shù)與其他物理化學(xué)方法相結(jié)合的修復(fù)策略的優(yōu)勢(shì)。試卷答案一、1.原油主要成分為各種飽和烴（烷烴）、芳香烴和不飽和烴。飽和烴相對(duì)穩(wěn)定，不易降解；芳香烴（如萘、蒽等）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，特別是多環(huán)芳烴（PAHs），微生物降解難度大；不飽和烴相對(duì)易降解。高濃度石油烴會(huì)抑制土壤微生物活性，導(dǎo)致環(huán)境條件惡化，阻礙自然降解進(jìn)程。2.篩選方法：從污染土壤中取樣品，富集培養(yǎng)，梯度稀釋涂布或傾注平板，在含特定石油烴的培養(yǎng)基上篩選生長(zhǎng)的菌落。優(yōu)化方法：采用誘變育種（如紫外線(xiàn)、化學(xué)誘變劑處理）或基因工程手段改造菌種，提高其降解效率或廣譜性。原理：通過(guò)選擇壓力從環(huán)境中分離出目標(biāo)功能微生物；通過(guò)改變微生物遺傳特性，增強(qiáng)其適應(yīng)性和功能。3.生物強(qiáng)化技術(shù)的具體體現(xiàn)是向污染環(huán)境中投放篩選獲得的高效降解菌strainX。優(yōu)勢(shì)：針對(duì)性強(qiáng)，能快速處理高濃度污染物；可顯著縮短修復(fù)時(shí)間；可能對(duì)特定難降解污染物效果顯著；可結(jié)合其他措施提高效率。4.常見(jiàn)技術(shù)還包括：生物修復(fù)（利用自然環(huán)境中存在的微生物進(jìn)行修復(fù)）、植物修復(fù)（利用植物吸收、轉(zhuǎn)化或穩(wěn)定污染物）、異位修復(fù)（將污染土壤或水體轉(zhuǎn)移到體外進(jìn)行處理）。其中一種技術(shù)——生物修復(fù)（自然修復(fù)/原位修復(fù)）：利用污染環(huán)境中原有的微生物群落或向其中投加外源微生物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等，通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)降解、轉(zhuǎn)化或去除污染物，使環(huán)境質(zhì)量得到改善。原理是利用微生物自身的生命活動(dòng)來(lái)凈化環(huán)境。5.通風(fēng)可增加氧氣供應(yīng)，有利于好氧降解菌的生長(zhǎng)和活動(dòng)，加速有機(jī)物分解；翻耕可疏松土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加孔隙度，有利于微生物活動(dòng)和物質(zhì)交換，同時(shí)可能加速石油烴的揮發(fā)。6.長(zhǎng)期來(lái)看，微生物群落結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸演替，多樣性可能增加，更接近未污染狀態(tài)。優(yōu)勢(shì)菌群（如高效降解菌）的比重會(huì)相對(duì)穩(wěn)定或增加，功能菌群（如硝化菌、反硝化菌、固氮菌等）會(huì)適應(yīng)環(huán)境并發(fā)揮關(guān)鍵作用。這種變化意味著土壤生態(tài)功能逐漸恢復(fù)，自?xún)裟芰υ鰪?qiáng)，能夠維持健康的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。二、1.鎘在土壤中主要通過(guò)吸附-解吸、氧化還原、離子交換、生物吸收等途徑遷移轉(zhuǎn)化。土壤礦物（如粘土礦物、氧化物）吸附固定鎘，當(dāng)環(huán)境條件變化（如pH、Eh改變）時(shí)，鎘被解吸進(jìn)入土壤溶液，被植物根系吸收；或在特定微生物作用下發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化（如硫化物沉淀或溶解）。2.解磷菌通過(guò)分泌有機(jī)酸和酶（如磷酸酶）溶解土壤中的磷礦粉或有機(jī)磷，釋放出的磷酸根離子能與鎘形成溶解度較低的磷酸鎘沉淀，或與鎘形成可溶性復(fù)合物被植物吸收利用，從而降低土壤中有效態(tài)鎘的含量。3.植物絡(luò)合蛋白（PC）是植物根分泌物中的一類(lèi)小分子有機(jī)酸，能與重金屬離子（包括Cd2?）形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，降低重金屬的溶解度和遷移性，使其在根表積累或被根系吸收，從而減少重金屬向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。施用PC的生產(chǎn)菌劑的優(yōu)勢(shì)在于可以持續(xù)、可控地提供PC，成本可能低于直接添加純PC，且可與土壤微生物協(xié)同作用。4.水稻根系分泌物中的有機(jī)酸（如草酸、檸檬酸）能與土壤中的鎘離子形成可溶性或難溶性絡(luò)合物，影響鎘的溶解、遷移和吸附。增加的有機(jī)酸可能促進(jìn)部分鎘從固相轉(zhuǎn)移到溶液相（增加溶解度），也可能增加鎘在根表或土壤固相上的吸附，具體影響取決于有機(jī)酸種類(lèi)、濃度及土壤環(huán)境。這種變化有助于調(diào)節(jié)土壤中鎘的形態(tài)分布，可能對(duì)植物吸收和土壤環(huán)境產(chǎn)生影響。5.植物修復(fù)特點(diǎn)：利用植物吸收、積累或轉(zhuǎn)化污染物，修復(fù)效率相對(duì)較慢，通常需要較長(zhǎng)時(shí)間；成本可能較高（種植、收獲、處理植物）；適用于污染范圍廣、污染物濃度相對(duì)較低的情況。微生物修復(fù)特點(diǎn)：處理速度快，效率高，尤其對(duì)高濃度污染；適應(yīng)性強(qiáng)，可在惡劣環(huán)境下生存；成本相對(duì)較低，易于大規(guī)模應(yīng)用；可能存在修復(fù)不徹底、二次污染風(fēng)險(xiǎn)。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)優(yōu)勢(shì)：結(jié)合了植物和微生物各自的優(yōu)勢(shì)，提高了修復(fù)效率；增強(qiáng)了修復(fù)過(guò)程的穩(wěn)定性和適應(yīng)性；可能加速植物生長(zhǎng)和修復(fù)進(jìn)程；具有協(xié)同效應(yīng)。6.改進(jìn)或研究方向：篩選對(duì)鎘耐受性更高、吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力更強(qiáng)的超富集植物；研究?jī)?yōu)化植物-微生物共生機(jī)制，提高協(xié)同修復(fù)效果；開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定的含PC生產(chǎn)菌株及其施用技術(shù)；研究鎘在土壤-植物系統(tǒng)中轉(zhuǎn)運(yùn)積累的分子機(jī)制；評(píng)估修復(fù)效果的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響。三、1.氨氮（NH?/NH??）在水中主要通過(guò)硝化作用和反硝化作用轉(zhuǎn)化。硝化細(xì)菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮（NO??-N）和硝酸鹽氮（NO??-N）。反硝化細(xì)菌在厭氧條件下將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓∟?）或氮氧化物（NOx）逸出水體。其他轉(zhuǎn)化途徑還包括氨氮的揮發(fā)（尤其在pH較高時(shí)）和植物吸收。2.生物膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：具有異化層和化合層，異化層微生物代謝活躍，主要進(jìn)行有機(jī)物降解等耗氧過(guò)程；化合層微生物相對(duì)穩(wěn)定，可進(jìn)行硝化、反硝化、硫酸鹽還原等過(guò)程。這種分層結(jié)構(gòu)有利于不同代謝功能的微生物協(xié)同工作，提高了處理效率；同時(shí)，生物膜固定在填料表面，形成了巨大的生物量，提供了豐富的酶系和反應(yīng)場(chǎng)所，增強(qiáng)了處理能力；生物膜結(jié)構(gòu)也阻礙了懸浮雜質(zhì)的通過(guò)，具有一定的過(guò)濾作用。3.控制填料表面pH在7-8范圍的作用是為硝化細(xì)菌提供最佳生長(zhǎng)和代謝環(huán)境。硝化反應(yīng)是強(qiáng)酸性反應(yīng)，每轉(zhuǎn)化1摩爾氨氮約消耗4摩爾氫離子（H?），會(huì)顯著降低環(huán)境pH值。維持較高pH可以提供足夠的H?，保障硝化反應(yīng)順利進(jìn)行，同時(shí)抑制反硝化作用，從而提高氨氮的去除率。4.硝化細(xì)菌去除氨氮的基本原理：在好氧條件下，硝化細(xì)菌（如亞硝化單胞菌屬、硝化桿菌屬）通過(guò)兩個(gè)連續(xù)的酶促氧化反應(yīng)，將氨氮（NH?/NH??）首先氧化為亞硝酸鹽氮（NO??-N），然后進(jìn)一步氧化為硝酸鹽氮（NO??-N）。這兩個(gè)過(guò)程分別由不同的酶（氨氧化酶和亞硝酸鹽氧化酶）催化，并伴隨能量釋放，用于支持細(xì)菌的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)。5.提高生物膜中硝化細(xì)菌比重的具體措施：控制溶解氧（DO）在適宜范圍（通常>2mg/L，硝化細(xì)菌需氧量較大）；維持適宜的pH（7-8）；提供充足的氮源（氨氮）；控制適宜的水力停留時(shí)間（HRT）；通過(guò)物理方法（如生物膜脫落、重新掛膜）去除部分原有生物膜，降低生物量，為硝化細(xì)菌的建立提供空間；投加硝化細(xì)菌的菌劑。6.生物膜處理垃圾滲濾液相比于傳統(tǒng)活性污泥法，優(yōu)勢(shì)在于：處理效率高，尤其對(duì)氨氮和有機(jī)物的去除效果好；污泥產(chǎn)量少，生物膜固定在填料上，不易流失，剩余污泥量小；對(duì)水質(zhì)波動(dòng)有較強(qiáng)的緩沖能力；占地面積相對(duì)較??；易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和管理；生物膜結(jié)構(gòu)有利于形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。四、1.生物淋濾技術(shù)處理酸性礦山排水的原理：利用選定的微生物（如硫氧化菌，如Acidithiobacillusspecies，將硫酸鹽氧化為硫酸，進(jìn)一步溶解硫化物礦物，產(chǎn)生大量氫離子，顯著降低pH；或鐵細(xì)菌，如Leptospirillumspecies，氧化亞鐵為高鐵酸，高鐵酸具有強(qiáng)氧化性，可氧化硫化物，同時(shí)其自身沉淀也消耗氫離子，降低pH）。這些微生物在代謝過(guò)程中消耗電子受體（如硫酸鹽、亞鐵離子），產(chǎn)生酸性物質(zhì)（如硫酸、碳酸），導(dǎo)致廢水pH急劇下降。原理是利用微生物的代謝活動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)廢水pH并去除部分重金屬。2.在酸性條件下，土壤中的鋁、錳可能被活化，形成可溶性鋁離子（Al3?）、錳離子（Mn2?），對(duì)植物根系造成毒害；鐵可能被溶解，同樣對(duì)植物不利；磷可能被固定，變得不易被植物吸收；鈣、鎂等陽(yáng)離子也可能被淋溶流失，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡。3.石灰在礦區(qū)土壤修復(fù)中的作用主要是中和土壤酸性，提高土壤pH。原理是石灰（主要成分為CaCO?或CaO）與土壤中的酸（如H?、Al3?、Fe3?的水解產(chǎn)物）發(fā)生中和反應(yīng)，生成鹽類(lèi)和水，從而提高pH，改善土壤環(huán)境。除了石灰，還可以使用生石灰（CaO）、消石灰（Ca(OH)?）、白云石（CaMg(CO?)?）、磷石膏（含CaSO?·2H?O）等堿性物質(zhì)調(diào)節(jié)土壤pH。4.固氮菌能將空氣中的氮?dú)猓∟?）轉(zhuǎn)化為氨（NH?/NH??），為土壤提供植物可直接吸收利用的氮素，減少對(duì)外源化肥的依賴(lài)，改善土壤肥力。解磷菌能分解土壤中難溶性的有機(jī)磷或無(wú)機(jī)磷，釋放出可被植物吸收利用的磷酸鹽，提高磷的有效性?；罨亟饘偈侵改承┪⑸铮ㄈ缒承┘?xì)菌、真菌）能將土壤中不易被植物吸收的重金屬（如鎘、鉛、砷的某些形態(tài)）轉(zhuǎn)化為易被植物吸收利用的形態(tài)，這可能加速植物修復(fù)，但也可能增加植物吸收的重金屬總量，需謹(jǐn)慎評(píng)估；另一種理解是，通過(guò)微生物活動(dòng)降低重金屬的溶解度，使其穩(wěn)定在土壤固相，減少遷移風(fēng)險(xiǎn)。5.配合種植耐酸植物在礦區(qū)土壤修復(fù)中扮演了重要角色：可以快速覆蓋裸露土壤，防止水土流失；其根系的生命活動(dòng)可以進(jìn)一步刺激土壤微生物活動(dòng)，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成和養(yǎng)分循環(huán)；植物對(duì)低pH和重金屬脅迫具有一定的耐受性，可以作為指示