人教版 (新课标)选修2《生物科学与社会》第2节 生物净化的原理及其应用教学设计

第2节 生物净化的原理及其应用

一、 教学目标

1.简述生物净化的概念，概述生物净化的原理和方法。

2.举例说明生物净化。

3.尝试搜集利用生物净化原理治理环境污染的资料。

二、教学重点和难点

1.教学重点

生物净化的原理。

2.教学难点

污水处理的原理。

三、教学策略

教师可以引导学生尝试做一些小实验，让他们切实感受到生物的净化作用，从而提高他们的学习兴趣。例如，可以做教材中列举的土壤对除草剂的分解作用有关的实验。还可以带领学生将塑料袋、一次性餐盒等埋入实验室的花盆内，让学生观察记录分解的变化过程；可以测定学校绿化区和教室中细菌含量，等等。通过亲自动手，学生可切实体会到生物的净化作用。

新课引入可以利用“从社会中来”的案例，比较治理石油污染时，应用现代生物技术改造的工程菌除污与传统方法除污的不同点。也可以让学生讨论身边的问题，如公路的绿化、污水的处理等等。使学生理解生物的净化能力，学习生物净化的概念。

教材的内容包含了植物的净化作用和微生物的净化作用两部分内容。教师可以根据实际情况，侧重选择其中一个主题开展活动。例如以污水处理为主题，带领同学参观污水处理厂，或调查当地水源的净化情况，也可以对城市的某处治理成功的水域进行分析、总结，也可对某处污染水域进行调查，尝试提出治理方案，并将建议提交环保部门等。教学中应注意让学生接触社会、了解社会，并运用学过的知识解决问题。如果选择植物的净化作用为主题，就可以对学校和小区的绿地面积进行统计，查阅资料，评价目前选择的树种和栽种密度是否适合，提出方案，并向学校或环保部门提交建议等。

四、参考答案

（一）思考与探究

1.有人利用水葫芦吸收水体中的重金属离子，以降低水体中重金属含量，同时又利用这种水葫芦作为猪的饲料。你认为这种做法可行吗？说出你的理由。

提示：吸收了重金属的水葫芦作饲料，会对猪造成危害、严重时甚至引起死亡。由于富集作用，人吃了这样的猪肉，健康也会受到损害。

2.用做吸收有毒有害物质的木本植物，成材以后是用于造纸好，还是做家具好呢？为什么？

提示：吸收有毒物质的木本植物用于造纸还是做家具好？严格说都不好。做成家具可能会释放吸附的有毒有害物质危害人体健康；用于造纸则有可能造成对水资源的污染。

3.假设你是一位园林设计师，在为不同区域的道路设计绿化方案时，对化工厂、闹市区和居民区的行道树应选择不同的树种吗？请写出你对这几种地区进行道路绿化的设计思路。

提示：化工厂附近的绿化应采用能够吸收空气或土壤污染物的树种，如橡树和刺槐等可以吸收NO，柑橘可以吸收低浓度的HF等。闹市区应种植能够降低噪音、阻滞灰尘的树种，如松树林每年每公顷可滤除粉尘36 t。而居民区则主要种植具有杀菌等作用的树种，如教材中提到的悬铃木等。

（二）旁栏思考题

稳定塘是一个人工生态系统吗？

答：是的。

五、参考资料

1.绿色植物究竟是怎样净化环境的？

（1）森林具有减尘、滞尘的作用。森林形体高大、枝叶茂盛，可使大粒灰尘因风速减小而降落到地面；植物叶片表面多绒毛，粗糙不平，有油脂或黏性物质，能吸附、滞留和黏着一部分粉尘。据计算，松树林每年每公顷可滤除粉尘36 t，橡树林56 t，山毛榉林63 t。

（2）植物的分泌物。我们知道许多植物含有毒物质，这些有毒物质并非副产品，而是植物对抗昆虫、草食动物等的一种重要防御手段，在自然生态平衡中起着关键作用。例如，多肽抗生素是生物界广泛存在的一类生物活性物质，具有抗细菌或真菌的作用，有些还具有抗原虫、病毒或癌细胞的功能。又如，大蒜分泌的大蒜辣素也是一种植物抗生素，它对化脓性球菌、大肠杆菌、结核杆菌、炭疽杆菌、霉菌等均有抑杀作用，同时还可增强机体的抵抗力。

（3）吸收作用、固定作用。在长期的进化过程中，一些植物对污染环境产生了适应性，能够吸收一种或几种污染物，特别是有毒金属，并将其转移、贮存到茎叶中，从而达到净化污染的效果。例如，十字花科天蓝遏蓝菜可以从土壤中积累高达4%的锌而没有明显的受伤害症状，芥菜可以积累高浓度的铅。通过植物的吸收和在根部的累积、沉淀，并将其移出农田，可以减少土壤污染物，减少污染物对环境和人类健康的威胁，甚至还可以提炼出某些重金属，如铜、铅等。

在对大气污染物的吸收方面。在浓度较低时，植物可以吸收SO2（阔叶树比针叶树能够吸收更多的硫）；当空气中碳氢化合物浓度大于5 mg/m3，CO浓度大于1 mg/m3，NO浓度为1.5～2.0 mg/m3时，就有可能产生光化学烟雾。光化学烟雾具有较大的毒性。橡树和刺槐等可以吸收光化学烟雾；柑橘可以吸收低浓度的HF；而夹竹桃、芒果、细叶榕等树种可以吸收Cl2等。

（4）挥发作用。植物可以将土壤中的污染物吸收到体内后，再将其转化为气态物质，释放到大气中。在这方面研究得最多的是植物对汞和硒元素的吸收挥发。

（5）降解作用。植物可以用于石油化工污染物、泄漏燃料、农药、炸药废物、氯代溶剂等有机污染物的治理。例如，裸麦可以促进脂肪烃的生物降解，水牛草可以分解萘。植物降解的原理有：吸收降解、释放降解酶和通过根系分泌物促进微生物的生长来加速污染物的分解等。

2.微生物为什么有净化作用？

微生物通过以下方式进行净化。

（1）降解作用。细菌、真菌和藻类都可以降解有机污染物。如好氧革兰氏阴性杆菌和球菌可以降解石油烃、有机磷农药、甲草胺、氯苯等；霉菌可以降解石油烃、敌百虫、扑草净等；藻类可以降解多种酚类化合物。例如，1989年，美国阿拉斯加州最早大规模应用微生物降解油轮搁浅后泄漏的3.8 t原油，在投入特殊的氮、磷营养盐后，促进了当地石油降解菌的生长和繁殖，加速了油污的分解。

（2）共代谢。微生物的共代谢是指微生物能够分解有机物基质，但是却不能利用这种基质作为能源和组成元素的现象。这类微生物有假单胞菌属、不动杆菌属、诺卡式菌属、芽孢杆菌属等。

（3）去毒作用。微生物通过转化、降解、矿化、聚合等反应，改变污染物的分子结构，从而降低或去除其毒性。如有机磷农药马拉硫磷可以在微生物的水解作用下，被分解为含有一酸或二酸的物质。

但是，微生物的作用是复杂的，有些微生物在净化作用的同时，也有毒化作用。这类微生物可以使无毒物质转化为有毒物质，从而产生新的污染。如三氯乙烯能够在微生物作用下转化为氯乙烯，这是强致癌物质。因此，在利用微生物进行净化的同时，要密切监视系统中有机物分解的中间产物和最终产物及其毒性。

3.我国目前对污水进行处理的主要方法简介

污水中的污染物质是多种多样的，所以一般一种污水的处理需要联合使用几种方法，进行污水的分级处理，最终达到排放要求后再排放。

污水的一级处理，用以去除水中的漂浮物和部分悬浮状态的污染物，调节pH等。主要方法有：（1）筛滤法，分离悬浮物质或漂浮物。常用格栅和筛网，一般将其布置在污水处理站的进水口来除去污染物。（2）沉淀法，通过重力沉淀废水中的悬浮物质或漂浮物。常用沉砂池和沉淀池来沉淀污染物。

污水的二级处理，用以除去污水中大量的有机污染物。主要方法有：（1）活性污泥法，一般包括曝气池和二次沉淀池。在曝气池内不断曝气，为水中的微生物提供大量氧气，使好氧微生物良好生长。经过一段时间的培养，废水中就会产生絮状体，里面充满各种微生物和一些无机物以及分解中的有机物，这就是活性污泥。活性污泥有很强的吸附和氧化分解能力，可利用它的这种能力去除废水中的污染物，随后在二次沉淀池中进行固液分离。（2）生物膜法。其原理是：在用塑料等材料做成的波纹板、蜂窝管或环状柱等滤料表面，固定生长着很多微生物，当污水通过时，滤料吸附的有机物质使微生物繁殖生长，并进一步吸附水中的悬浮物、胶体等物质，从而逐渐形成由细菌、真菌、原生动物等组成的生物膜。生物膜有很大的表面积，具有很强的吸附能力，并能够氧化分解或降解被吸附的有机物。（3）氧化塘法，又称生物塘法或稳定塘法，是利用一个天然的或人工修整的池塘，由于污水在塘内停留的时间较长，通过水中的微生物代谢活动可以将有机物降解。池塘分为好氧塘、厌氧塘和兼性塘等不同类型。好氧塘保持良好的溶氧状态，塘内生长的藻类提供氧气，好氧菌降解有机物。厌氧塘用来处理有机物浓度较高的污水，厌氧菌分解部分有机物成沼气，沼气把污泥等带到水面形成浮渣层，从而维持塘内良好的厌氧状态。厌氧塘的出水可用好氧塘进一步处理。兼性塘的水比好氧塘深，一般水深1.5～2.0 m，可以同时进行好氧和厌氧反应。

污水三级处理，又称污水深度处理或高级处理，以进一步去除二级处理未能除去的污染物，包括有机物和磷、氮等可溶性无机物等。除磷方法有化学沉淀法，如投入石灰使磷形成难溶性的磷酸盐沉淀。除氮法有生物硝化—反硝化法和物理—化学法等。有机污染物可以采用臭氧氧化法和活性炭吸附法。病毒可用铝盐和铁盐沉淀，再用石灰或臭氧杀灭。总之，需根据水的不同用途，采用不同的方法。例如，如果是防止水体的富营养化，可以采用除磷和除氮法。

4.我国饮用水的标准

国家卫生部参照世界卫生组织（WHO）《生活饮用水水质准则》，根据我国实际情况，于2001年6月制定了新的《生活饮用水卫生规范》。《生活饮用水卫生规范》列出的检测项目共90多项，其中60项指标值与世界卫生组织《生活饮用水水质准则》等值，10项比世界卫生组织标准严格，同时根据我国水源污染特点增加了耗氧量、微囊藻毒素等指标，规定水中耗氧量不应超过4 mg/L。这个标准达到20世纪90年代国际先进水平。详见下表。

我国《生活饮用水卫生规范》中部分检测项目及标准值

分类

项目

标准

感观性状指标

色度

<15度，不得呈现其他异色

混浊度

<5度

臭和味

不得有异臭和异味

肉眼可见物

不得含有

化学指标

pH

6.5～8.5

总硬度（以CaO计）

<250 mg/L

铁

<0.3 mg/L

锰

<0.1 mg/L

铜

<1.0 mg/L

锌

<1.0 mg/L

挥发酚类

<0.002 mg/L

阴离子合成洗涤剂

<0.3 mg/L

硫酸盐

<250 mg/L

溶解性总固体

<1 000 mg/L

氯化物

<250 mg/L

毒理学指标

氟化物

<1.0 mg/L

氰化物

<0.05 mg/L

砷

<0.04 mg/L

硒

<0.01 mg/L

铅

<0.05 mg/L

银

<0.05 mg/L

汞

<0.001 mg/L

镉

<0.01 mg/L

铬（六价）

<0.05 mg/L

硝酸盐

<20 mg/L

氯仿

<60 mg/L

细菌学指标

细菌总数

1 mL水中少于100个

大肠杆菌

1 L水中少于3个

5.我国目前对垃圾进行处理的主要方法简介，目前世界上还有哪些先进的垃圾处理方法？

答：（1）垃圾分类回收利用。垃圾混合收集，增加了垃圾中塑料、金属、玻璃、纸张等的回收成本，降低了可用于堆肥的有机物质的价值，并且，大量有害物质，如干电池、橡胶等进入垃圾会造成严重的环境污染，因此应该对垃圾进行分类。如分为可燃物、金属、玻璃、塑料、陶瓷、含重金属的干电池、灯管，以及其他不可燃物等。垃圾回收分类后，还存在一个分类利用问题。在这方面，发达国家要比我国做得好。

（2）垃圾堆肥。堆肥处理是利用自然存在的微生物，有控制地促进固体废弃物中可降解有机物转化为稳定腐殖质的生物化学过程。常采用的高温堆肥法，一般温度为55～65 ℃，有时高达80 ℃，分解彻底、周期短、臭味小，有利于达到垃圾无害化。我国目前在垃圾的分类收集和堆肥设备、技术方面和国外存在较大差距。发达国家除在原有基础上增加了对杂物的精细分离外，还通过添加必要的肥料成分和技术（如微生物发酵技术），使之形成统一的标准产品，并最终制作成便于运输和施用的颗粒形状。

（3）垃圾焚烧。将垃圾作为固体燃料送入炉膛，在800～1 000℃的高温下燃烧，使垃圾中的可燃组分与氧气剧烈反应，释放出的热量转化为高温的燃烧气用于发电、供暖等，残渣用于填埋。经过焚烧，病菌被彻底消灭。各种有害气体经处理达标后排放，是实现垃圾无害化、减量化和资源化最有效的方法之一。我国已自行发展出固定床焚烧炉、链条炉和流化床技术，后者的燃烧效率较高、燃烧彻底、投资较低。但是和发达国家相比，我国相关技术及其应用尚存在较大差距。日本是世界上垃圾焚烧厂最多的国家，约占全国70%以上的垃圾都经过焚烧处理。随着计算机技术和自动化控制技术的发展，国外的垃圾焚烧设备已逐步发展为集各种高新技术于一体的现代化工业装置。

（4）垃圾填埋。我国目前绝大多数城市的垃圾都是采用露天堆放、自然填埋和填坑等方式进行处理，但是垃圾填埋产生的渗滤液已经导致了严重的环境污染。由于填埋渗沥的污染治理难度较大，国外已逐步减少直接填埋，而改为分类回收→焚烧→填埋，并且发展到具有防渗、集排水、导气和覆盖系统于一体的卫生填埋。由于垃圾在直接填埋过程中，会产生大量的沼气，美国、欧盟等已经进行了沼气的发电和转换为热能的研究应用。

（5）其他方法，如垃圾热解处理，是将有机物在无氧或缺氧状态下进行加热分解。热解产物为可燃气体、燃烧油类、炭黑等。国际上对热解技术的开发应用可以分为两类：一类以美国为代表，以回收贮存性能源（燃烧气、油类、炭黑）为目的；另一类以日本为代表，以无公害系统开发为目的，即减少焚烧造成的二次污染和填埋废物量。目前，国际上对垃圾的处理方法是由单一处理向综合处理方向发展，如堆肥与焚烧和填埋相结合。