草履虫净化生活污水能力的研究及其实用价值分析安庆一中.doc

草履虫净化生活污水能力研究及其实用价值分析
本项目曾获第二十一届()全国青少年科技创新大赛微生物学类三等奖。

【摘要】本文以草履虫为研究对象，建立了一套采集、培养并自主创新使用水槽电极分离法来高效分离出草履虫措施。运用生物学、微生物知识，设计出草履虫在净化生活污水中试验方案，并检测了几种技术指标，得出经草履虫处理后污水BOD、平均有机氮、悬浮物浓度减少率等值分别为84.59％、53.10％、39.43%。通过研究发现草履虫对生活污水净化效果很好，有潜在应用价值，基本符合社会应用规定。
【关键词】草履虫，培养，分离，污水净化
【Abstract】This essay regards paramecium as research object, sets up a way of gather, culture and separating paramecium effectively by using the Water-bath. Utilize the knowledge of biology, microorganism, design the paramecium’s experiment scheme to purify the living-sewage, and measure several technical indicator, obtaining BOD, TN ,the reduce rate of the suspended matter . It’s 84.59%, 53.10%, 39.43% respectively. After the researching, we find that paramecium’s purification result to the living-sewage is better. There is potential value ,basically accord with the application requirement of the society.
【Key words】paramecium, culture, separate, sewage purification.
目前我国水体污染令人担忧，污染程度已相称于发达国家50～60年代严重时期。据记录，大概有77%废水未经处理直接排放，工业废水处理达标率约在58%左右，而我国都市生活污水处理起步较晚，既有设备污水处理量不到污水总量20%[1]；大量有毒有害物质流入水域，导致都市河段水体污染严重；湖泊富营养化加剧；本来清澈透明水体，变得污黑混浊，臭气熏天。河湖富营养化和河道黑臭是我国都市水环境普遍现象。据调查：75％都市湖泊水域富营养化；50%都市地下水受到严重污染[2]。这一系列环境恶化事件，不仅严重制约了人类发展，并且给人类健康带来了诸多不良影响，水体污染带来一系列问题已经引起了人们广泛关注。加强环境保护，制止环境深入恶化，已经迫在眉睫。
微生物与污水净化有着极为亲密关系，尤其是微生物中原生动物，在水体污染治理中起重要作用。微生物通过“吞食”水中有机物颗粒、细菌、藻类等，通过其自身代谢作用，将其转化为对环境无害、或危害更小物质，从而使环境得到净化[3]。
草履虫是单细胞原生动物经典代表动物，在分类学上从属于纤毛钢。它具有抗污性高，净化污水，吞噬细菌和单细胞藻类习性[4]。据记录，一只草履虫每小时大概可以形成60个食物泡，每个食物泡中大概具有30个细菌，因此，一只草履虫每天大概可以吞食43000个细菌，这在微生物吞食能力中来看是较为罕见，因此从这个角度来看，草履虫在水污染生物净化和防治中起到很重要作用。
本文通过使用自主创新水槽电极分离法分离草履虫并培养草履虫，再通过对比试验研究草履虫在污水净化中作用，进而揭示以草履虫为代表原生动物在水质净化及环境监测上重要价值。
一、试验材料与措施
1.1 草履虫形态和构造
先简朴简介一下草履虫形状：草履虫体长只有80—300微米，且身体前端圆，中间较宽，后端脚尖，外形象一只放着草鞋，因此被叫做草履虫。它全身长了纤毛，当它游泳时候，从身体前端开始，有一道沟斜着伸向身体中部，在沟后端有口，因此被称为口沟。口沟里有一种胞口，下面连着胞咽。全身纤毛都会有节奏地摆动，由于口沟存在和纤毛长度不一样，草履虫是旋转着前进。对于一种细胞而言，其最重要当然是它细胞核，而草履虫为单细胞生物，因此它细胞核就显得尤其重要，草履虫细胞核一般有两个，一种大核与一种小核。（如图1）
大核，重要对营养代谢起重要作用；小核，重要与生殖作用有关。细胞核每天以24小时周期变化着，中午12时体积最小，后来逐渐增大，到午夜24时体积最大。

为了深入研究这种有趣原生生物，我们必须采用某些措施来搜集并培养它，详细措施如下。
1.2 草履虫采集
草履虫多生活于有机质较多池塘或湖泊中，尤喜生活于细菌丰富水中。据经验，在排放生活污水水沟中，污泥变黑，黑泥表面有白色膜，这很也许就是草履虫，在此采回草履虫为佳。详细措施是：取一种500毫升透明广口瓶（或烧杯），在污水沟中白色膜较多地方，用瓶口沿轻轻地刮下白色膜，注意不要刮得过厚，以免采入大量污泥。将具有样品混合液体带回试验室后静置一段时间，即可观测分离，草履虫形态及构造；若是较宽水域，则可沿水边用木棒将水搅动，待底部沉渣、泥沙泛起水面时，再用500毫升透明广口瓶立即舀上半瓶水，即可看到瓶里水中有某些小白点在移动，这很也许就是草履虫。同步要采用某些原地水生植物茎叶、丝状藻类或漂浮物（草木、碎屑等）放进瓶内，以保持草履虫本来生活环境。若草履虫浓度过低，则可用25号筛绢（网孔为0.05mm）做成手提小网，在水中来回拖拉过滤，使网到草履虫数量浓集，然后对着广口瓶翻转网底，把富含草履虫水倒入瓶内，即可明显提高采集效果[6]。
1.3 草履虫培养
1.3.1 培养液制备
草履虫培养液有许多种，从材料搜集难易程度、培养效果、设备仪器等多方面原因考虑，我选择了煮沸稻草液＋腐败馒头[5]。
其制作措施是：将当年或前一年稻草秆剪成3cm长节段，取10g左右，置于1000ml水中煮沸后，再继续煮10～15min。待水凉18～24h后，取20ml倒入培养皿中，再加5克腐败馒头，待培养草履虫使用。
1.3.2 草履虫分离
用上述措施采集到草履虫中往往具有多种原生动物或其他小型生物及杂质，要想从中获得草履虫，就必须将其从混合液中分离出来。常用分离措施有牛肉汁引诱法、酸碱驱赶法、盐性驱赶法等[5]。这些措施都是基于草履虫趋性，但这种趋性特异性不高，分离出草履虫仍混杂有其他小型生物，达不到理想效果，而毛细吸管吸取法比较啰嗦，根据草履虫弱电流时一般趋向负极，强电流趋向正极特性，在这采用自主创新水槽电极分离法。

详细措施如下：长方形水槽注入清水，在水槽两端，分别插入连有两节电池(电压共3~6V)导线，构成直流电路。用吸管吸取水样注人水槽正极一端水面上，几分钟后，因草履虫有趋向负极特性，而从正极游向负极，杂质未动，用吸管便可在负极吸取无杂质虫体，注入准备好纯净营养液中进行纯培养，可得到理想草履虫。这是一种迅速高效将草履虫分离措施。其原理如图2所示。

 1.3.3 培养及保留草履
将接种有草履虫培养液广口瓶，放在恒温培养箱中进行培养，培养液容器口要用纱布包严。大概4天后，就会有大量草履虫出现。假如是长期培养，就要定期更新培养液。这是由于伴随虫体大量繁殖，培养液中营养逐渐减少，而虫体排
出代谢物却又不停增长，这就会引起草履虫数量减少甚至所有死亡。因此在培养过程中可每隔3天左右须更新一次培养液。更新时，用吸管从培养皿底部吸去培养液及沉淀物，每次要吸去二分之一培养液，加入等量新鲜培养液。

 二、成果与分析
2.1 草履虫在污水治理中应用
在水体污染治理中，微生物起着十分重要作用。一般，我们对微生物采用两种相反措施。首先对有害微生物予以消灭或控制；另首先对有益微生物予以运用。运用微生物代谢作用使有机污染物降解成CO2和水或转化为无害物质[3]。废水处理、废气处理和固体废物处理中均有生物处理法。作为草履虫而言，它在污水治理中应用重要如下：
2.1.1 指示作用
原生动物中有种类及数量对水质原因（如溶解氧、pH值等）变化较敏感，故可以作为鉴定污水污染程度指示生物[5]，例如钟虫和轮虫对溶解氧和毒物尤其敏感。就草履虫而言，它可以在水污染治理和毒性检测中作为指示性微生物[4]，即草履虫重要大量出现于受重污染和有机物诸多水中。
2.1.2 净化作用
草履虫是原生动物重要代表，而原生动物又是生态平衡中不可缺乏一种动物。草履虫通过吞食等方式来吸取污（废）水中溶解性有机物，从而起到对废水净化作用。例如：在自然状态下，细菌分解有机物能力强，将有机物转化为细菌细胞和无机物质。无机物质又被藻类转化为藻类细胞，这些细菌和藻类又成为草履虫及其原生动物食物，水中鱼常以草履虫及其原生动物等微小生物为食，鱼类又是人类食物。当人类再一次将废物排入海中时，水中细菌又将其分解，如此循环下去，从而保持了生态平衡。

2.2 草履虫对污水净化探讨
在本研究中，我自主设计了一种试验来对草履虫在污水治理中净化作用加以探讨。试验详细环节及成果如下：
2.2.1 草履虫培养
Ⅰ.如前面简介培养措施所述。
Ⅱ.取样
考虑到一种地方采样有片面性，我选用了3个不一样地方进行污水采样。我分别在重庆科技学院院办食堂污水排放口，重庆市大渡口区马王4村生活污水排放口及重庆市渝中区南国丽景小区生活污水排放口分别采集了污水样本。
采集措施及标号：在污水排放口用大烧杯分多次将污水采集到一种20L桶内，密封保留，标上标号。其标本号及对应地址如下：

表1 样品采集标号及对应地址
标号
采集地址
1
重庆科技学院院办食堂污水排放口
2
重庆市大渡口区马王4村生活污水排放口
3
重庆市渝中区南国丽景小区生活污水排放口
采集完毕后，我将其样品带回学校试验室来进行试验。
Ⅲ.试验措施
把取来每份原水分别装在两个储液瓶（储液瓶容积20L）内（3份样品，共6个储液瓶），分别标为A1，B1（以样品1为例，其他依此类推）。在B1储液瓶内加入前面培养草履虫。A1不做此操作。对A1，B1两个储液瓶分别用陶瓷曝气头进行曝气，每曝气8h后静沉1h，倒出上清液，监测这两个上清液BOD（碘量法），过滤后BOD（对该上清液进行过滤后再监测），有机氮（凯氏定氮法，纳氏试剂分光光度法测氨氮），悬浮物浓度（重量法）。
该试验再反复做两次，得到三个监测值，取其平均。

 Ⅳ.试验成果
对污水未加草履虫和加入草履虫前后BOD，过滤后BOD，有机氮，悬浮物浓度进行比较，数据如下：

由上述试验数据可以看出，在污水中加入草履虫后，可以在一定程度上改善出水水质。这重要是由于在该污水中存在较为丰富有机物，草履虫可以吸取污水中溶解性有机物，通过自身细菌代谢作用，一部分降解、合成为细胞物质，另一部分降解、氧化为水分、二氧化碳、氨等。从而使出水中各项指标值（过滤前BOD，过滤后BOD，平均有机氮，悬浮物浓度）得到下降，即改善了出水水质。
三、讨论
EM是一种新型复合微生物制剂，它代表性微生物重要有光合细菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌。EM对清除污水中BOD5、平均有机氮量、悬浮物影响在日本县志川立图书馆采用＋6处理生活污水中有报道[9]。
生物滤池内含多微孔活性瓷球，表面积大，可作为生物氧化载体并且具有活性炭性能，便于微生物对污水中有机物进行充足氧化分解[11]。
两者与草履虫对污水净化比较如下：
表4 EM、生物滤池和草履虫比较
检测项目

物质
过滤后BOD
平均有机氮
悬浮物浓度减少率
草履虫
84.59％
53.10％
39.43%
EM[9]
90.30%
75％
94.30%
生物滤池[11,12]
99.15%~99.80%
67.87%~93.48%
76.01%~99.99%
注：草履虫中各项检测指标百分率是通过对表二中数据进行处理所得，计算措施为：
检测指标％＝[（A1－B1）/A1+(A2－B2)/A2＋(A3－B3)/A3]/3×100%
本试验在水槽电极分离草履虫基础上，将草履虫应用于污水净化检测中，通过测定其BOD、平均有机氮、悬浮物浓度减少率等指标，从数据上阐明草履虫在污水净化中作用，这是本试验重点。此外，自主创新水槽电极分离法操作简朴以便，后来还可以在此基础上根据草履虫生活特性加以改善。
目前国内EM处理有许多方面有待深入研究[10]。虽然EM、生物滤池处理生活污水效果很好，不过综合考虑经济和社会等各方面原因，我们可以认为，在污水净化效果方面，由以上试验数据可以看出：草履虫对生活污水净化效果也比较客观,并且草履虫培养、分离简朴经济。草履虫对污水净化作用基本符合社会应用规定，有潜在应用前景。在后来研究中，我们可以运用更多生物学知识，将草履虫与其他净化方式相结合，使其发挥更大应用价值。
 四、结束语
在当今二十一世纪，全球面临着严峻水资源短缺，保护水资源已经成为我们刻不容缓任务。正常水体是有一定环境自净能力，也就是说，水体可以自己净化、清洁。然而，在水体受到污染时候，水中污染物质超过了水体自身自净能力时，水中生态平衡遭到破坏，当污染严重时鱼类则死亡，水质变黑、发臭，此时就需要外加一定物质来增进水体净化。
从前面试验中可以看出，以草履虫为代表原生动物在水体净化中饰演着十分重要角色。此外，草履虫还是一种十分重要环境指示生物，我们可以通过对其观测，定性地判断水体污染状况。由此可见，草履虫在污水净化中有着非常高价值。
此外草履虫还是研究细胞遗传学好材料，数年来遗传学者们用它研究了细胞质遗传、细胞质和细胞核在遗传中互相作用，以及细胞类型转变等。它水溶性提取物，可以较精确地诊断消化系统癌症和乳腺癌等疾病[7]。
同步，作为单细胞动物细胞－草履虫还是生物学家研究动物细胞生理、生化和遗传学模型动物，已成为教学和科研必备单细胞试验动物。
草履虫与四膜虫同样，也具有刺泡构造，已经有研究汇报运用这种欲外界刺激发射特性运用于对水环境污染进行生物检测[4]。
伴随科学发展，相信草履虫尚有其他更多作用将会被发现。

参照文献：
[1]苏少林,刘音,张升堂. 微生物絮凝法处理都市生活污水研究进展,杨凌职业技术学院学报.Vol.2 No.4,.
[2] 刘思明，刘军，徐亚同. 都市水环境治理生物修复技术 ,水利渔业 .Vol.25 No.6,.
[3] 张建梅，杨凤华，陆丽华. 微生物在环境污染治理中应用，通化师范学院学报.Vol.25 No.8,Aug..
[4] 郭峰，张军，祝建等. 草履虫培养液筛选研究，上海铁道大学学报. Vol.21 No.11,Aug..
[5] 杜天奎,丁华,牛永强． 培养草履虫几种措施比较,宁夏农学院报．Vol.24 No.2,.
[6] 龚军辉. 草履虫采集、培养和观测措施, 高等函授学报(自然科学版). Vol.16 No.1,Feb..
[7] 昌恩梓，江丕文. 有关草履虫采集、培养与观测措施研究. 沈阳教育学院学报. Vol.2 No.1,Mar..
[8] 王本昌,刘云龙. 污水净化中微生物降解,吉林省通化市教育学院.Vol. 11,1996.
[9] 严平，廖银章，李旭东. EM有效微生物在废水处理中应用与发展，工业用水与废水. Vol.35 No.4,Aug..
[10] 李捍东，王庆生，张国宁等. 优势复合菌群用于都市生活污水净化新技术研究，环境科学研究. Vol.13,No.5,.
[11] 陈艺娟，王廷哲等. 生物处理技术对生活污水净化效果研究，中国公共卫生. Vol.19,No.9,.
[12] 方少波，王廷哲等。 医院污水、生活污水净化处理研究，现代防止医学. Vol.30,NO.6,.

                作者：李力(重庆市第一中学，高级14班)
                     辅导老师：王维刚(重庆市第一中学)