| 【全部正文】 | 概觀
地球上之水氣不斷發生循環，供給所有生物所需之水份。湖泊、水蒸氣及海洋等之蒸發，與植物葉部之蒸散，使水氣逸入大氣中，而后以雪，雹、雨等形式重降大地。水滴狀似單純，其實頗為復雜，常含多種化學物質與微生物。該微生物可改變水中之化學物質，也可供給其它水中生物之營養。
人類所用之水源自自然界之淡水如井、湖泊及河川等。為維護飲水安全，除個別井水供給優質水外，水需經處理以去除可能致病之微生物。水凈化廠即為此目的而設計。
廢水或下水道污水乃人類于家庭或工廠已使用過之水，排放前需先經處理。微生物于廢水處理過程中職司重要角色，分解所含之大部分有機物質及其它不良化學物質。
一、 天然水
地球之水氣與大氣之間之循環過程是謂水循環（hydrologic cycle）。此術語指海洋及其它水體表面之蒸發，與植物之蒸散（葉片表面之蒸散）等所形成之水氣進入大氣中，而后大氣中之水氣以雨、雪或雹等方式降回地球（圖29~1；發現29~1）。于此循環中，天然水依其位置，可分為3類：
（１）大氣水：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、及海洋等水體。
（３）地下水：地球表面以下之水，此處之土壤孔隙與巖石間空間，均為水所飽和。
天然水可供許多微生物之棲息所在，有些為淡水棲息所（freshwater habitat），如湖泊、池塘、溫泉、沼澤及河流等；有些為海洋棲息所（marine habitat）或海彎棲息所（estuarine habitat），此乃介于淡水源與海洋之間之區域。海灣系半圍繞之海岸水體，與大海自由連接，故海洋環境為最大之水棲息所。
研究淡水、海洋與海彎環境之微生物是謂水微生物學（aquatic microbiology）。精專此方面研究之微生物學者，必需體察各種水環境之許多理化特征。
發現29~1：水滴之旅
地球水氣之重循環特征，由此篇散文"水滴之旅"表露無遺，作者為紐約市第63公市學校六年級學生。
自我測驗
１.何謂水循環？
２.自然水有那3類？
二、 水環境
水環境之微生物種類，依該環境中較優勢之理化條件而定。此等環境條件彼此差異甚大如溫度、光、pH與營養等因素。
１. 溫度
表面水之溫自極區之0℃以至赤道區之40℃，90﹪以上之海洋環境，其表面以下之溫度低于5℃，此條件適于嗜冷微生物之生長。
部分嗜溫菌曾自海底裂縫之厭氣性沈集物分離出，例如原始細菌－隱藏火網菌乃分離自意大利火山島附近海底，該處水溫高達103℃，自海底裂縫涌出。據實驗室之研究發現，隱藏火網菌之最適生長溫度為。105℃（高于水之沸點5度），低于82℃完全不能生長。本菌為厭氣性自營菌，生長時自氫氣（H2O）與元素硫（S）形成硫化氫（H2S）。趨有機火桿菌為嗜超熱原始細菌之新組代表，分離自全球不同地區之海洋，如圖29~2所示。本屬菌種之最適生長溫度為100℃，乃革蘭氏陰性桿菌，絕對厭氣，藉鞭毛運動。目前微生物學者仍正發現能生活于極高溫之新種微生物。
２. 靜水壓（Hydrostatic pressure）
靜水壓乃垂直水柱底部之壓力，隨水深每增加32.8英尺（10公尺），壓力增力1大氣壓（14.7 lb/in2）。于極深處如接近海底，靜水壓頗大，能引起影響生物系統之許多變化，如改變化學反應速率，營養之溶解度，及水之沸點。
嗜壓微生物（barophilic organism）乃不能生長于正常大氣壓而需高靜水壓之微生物。嗜壓菌曾自1000~10000公尺深處之太平洋壕溝分離出，分離時需特殊采樣設備，自采樣以至培養期間維持檢體之高壓。一般而言，嗜壓菌生長之最佳壓力以稍低于采樣處之壓力為理想，且均需孵育于嗜冷溫度（約2℃）。
３. 光
大多數之水棲生物，直接或間接仰賴光合作用微生物之代謝產物。水環境中之主要光合作用微生物為藻類與藍細菌，其生長局限于水之上層，也即光能穿透之處。發生光合作用之水層深度是謂光合區（photic zone），此區域之大小依局部條件而異，如太陽位置、季節，尤其水之混濁度等。一般而言，光合作用受水之清澈度而影響，多局限于水體上層50~125公尺處。
４. 鹽度（Salinity）
天然水之鹽度或氯化鈉濃度差異甚大，淡水幾近于零，鹽湖如猶他州之大鹽湖則達飽和（32﹪NaCl）。海水之NaCl含量約2.75﹪；鹽類（NaCl及其它鹽類）之濃度介于3.3~3.7﹪。除NaCl外，水中之主要鹽類為鈉之硫酸鹽與碳酸鹽，及鉀、鈣、鎂等之氯化物、硫酸鹽與碳酸鹽。淺海岸區與近河口處，鹽類濃度常較低。海彎之鹽濃度則依頂部至底部，高處至低處，及季節遷移等而異，對于棲息此水體之生物構成經常變化之環境。大多數之海洋微生物為嗜鹵性；其生長之最佳NaCL濃度為2.5~4.0﹪。然而1﹪以上之NaCL常可抑制湖泊與河川之微生物。三種細菌對不同鹽度之生長反應如圖29~3所示。
５. 混濁度
表層水之清晰度差異甚大，如亞得里亞海清澈見底，密西西比河則高度混濁。與水濁度有關之懸浮物質包括：（1）礦物質微粒，源自海岸侵蝕，（2）碎屑（detritus）為顆粒性有機物質，源自動植物物質之分解產物，如纖維素、半纖維素，與幾丁質，（3）懸浮之微生物。水之濁度愈大，光之穿透愈小。顆粒性物質也可作為微生物附著之表面，許多菌種為形成菌落即附著于固體表面，如圖39~4所示。此黏著現象已說明于第17章。此外，顆粒性物質也可作為微生物代謝之受質。
６. 氫離子濃度（pH）
一般水棲微生物之最適生長pH值為6.5~8.5。海水之pH值為7.5~8.5，而大多數海洋微生物于培養基上之最佳生長pH值為7.2~7.6。湖泊與河川依地區環境之不同，范圍較大。例如原始細菌曾自pH 11.5之非洲鹽分離出，原始細菌之其它菌種則曾發現生長于pH 1.0或以下。
７. 營養
水環境中有機與無機物質之含量與種類，顯著影響微生物之生長。硝酸鹽與磷酸鹽為一般之無機成分，可促進藻類之生長。過量之硝酸鹽或磷酸鹽可引起水體中藻類之過度繁殖，以致耗盡水中之氧供應，導致所有其它水棲生物之窒息。
水體中之營養含量是謂環境之營養負荷（nutrient load）。近岸水域匯集家庭廢水，內含有機與無機化合物，易引起營養物物質；源自工業廢物之汞與其它重金屬，可抑制部分微生物之生長，惟抗性微生物依然生長。例如許多假單胞菌能生存于含汞之環境中，并將汞轉變為甲基汞，此乃揮發性物質，逸入大氣中，故移除水環境之汞。
自我測驗
１.影響水環境中微生物菌叢之主要環境條件為何？
２.嗜壓微生物之顯著特征為何？
３.藍細菌與藻類之共同代謝特征為何？
４.水微生物學中謂營養負荷意義為何？
三、微生物于水環境中之分布
微生物于水環境中可見于各層深度、淺則水面，深則達海洋壕溝之底部。上層之表膜及深水域之底部沈積物所含微生物數目大于其它深度。
漂浮或漂流于池塘、湖泊及海洋表面區域之微小生命統稱為浮游生物（plankton）。浮游生物群可能以藻類及藍細菌為主（是為浮游植物；phytoplankton）或以原蟲及其微小動物為優勢（是謂浮游動物；zooplankton）光營性微生物乃最重要之浮游生物，因藉其光合作用，扮演有機物質之基本制造者。大多數浮游植物性微生物藉運動以維持光合作用區之范圍；有些則具特殊之構造，或含油滴與氣泡，使其上浮，如圖29~5所示。陽光、風、潮汐、氣流、營養、被較高等生物捕食等多重因子，均可影響浮游生物集群中之微生物型別。
棲息于水體底部之微生物是謂海底微生物（benthic organism），也統稱為海底動植物（benthos）。以微生物之數目與種類而言，海底區（benthic zone）乃水系統之最繁盛區域。此外，尚有許多水棲微生物棲息于海洋動物如鯨魚與魚類等之腸道中。
１. 淡水環境
淡水環境之微生物學為淡水生物學之一部分，研究生活于湖泊、池塘與河流等之所有微生物。
（1）湖泊與池塘
湖泊與池塘具有區或層之特征，如圖29~6，所示，茲將各區簡速如下：
（A）沿岸區（littoral zone）：即沿岸之區域，光可穿透至底部，含有大量之有根植物。
（B）淡水區（limnetic zone）：離岸廣闊區域之上層部分，其深度依光穿透之有效深度而定（是謂補償層；compensation level）。
（C）淵深區（profundal zone）：指廣闊水域之較深區域，光合作用于此區逐漸減弱。
（D）湖底區（benthic zone）：底部之軟泥或濘泥部分。
淵深區與湖底區大量群集異營性微生物。當湖底區以有機物質為主時，所含之主要微生物乃能分解此物質之厭氣菌。反之，淡水區或沿岸區則含有各類型之微生物。如自無機物質合成有機化合物而言，沿岸區與淡水區為最大量之生產區，其生產力受湖泊或池塘之化學特征與河川所流入之物質性質而影響。
溫和氣候之湖泊與池塘，其微生物集群富有顯著之季節性變化，因成層（stratification）之故，水缺乏混合。夏季里上層水溫較暖和，微生物密度低于下層。冬季恰為相反，結冰集中于上層，微生物密度低于水層。該成層現象為營養與氧氣交換之屏障，尤其為靜止水。然而春秋兩季，上層與下層發生混合引起藻類之大量繁殖，是謂大增殖，如圖29~7所示。
有些水棲藻類所產生之毒素能致死魚類及其它動物，屬于細胞外毒素，或于藻類大增殖期，其細胞經細菌之分解而釋出。部分海洋藻類（屬于裸甲藻屬Gymnodinium與漆溝藻屬Gonyaulax之渦鞭藻dinoflagellates）能產生神經毒素（neurotoxin），引起水棲動物之死亡。神經毒素乃已知中最強之毒素，有些大增殖期藻類之毒素集中于過濾捕食雙瓣軟件甲貝殼類（如蚌、蠔、海扇、牡蠣及其它）之消化腺或吸虹。人類若誤食可引起麻痹性貝類中毒。家畜飲水含大增殖期藻類，也曾發生致死例。
富含營養之湖泊與池塘，尤其氮與磷，易供藻類過度增殖。當湖泊或池塘之營養達微生物能大量增殖之程度時，是謂營養良好（eutrophic）。反之，營養濃度底，微生物生長條件不佳時是謂營養缺乏（oligotrophic），圖29~8表示湖泊中之微生物群集圖形。
（２）河川
河川之大部分營養源自周圍之陸地系統，推而廣之，水棲微生物群集反映陸地條件，包括家庭、農業及工業習慣等。都市化之迅速擴展與土地耕作方式之改變等，使河川環境發生劇變，可能解釋微生物集群之特征。
２. 海彎
與海洋水域相較，海彎環境更富變化，因匯集各種來源之水與物質。溫度、鹽度、混濁度、營養負荷及其它因素隨時間波動甚大，乞沙培克海彎（圖29~9）為世界之主要海灣系統，其特征可藉以說明海灣之變化：
（１）乞沙培克海灣為九大河流之匯合處，紐約州南部、賓州、馬利蘭州及維吉尼亞州等之水大多排放于此。
（２）海岸線達4600公里，包括高度工業區、住宅區、碼頭、農地及無居民之沼澤地。
（３）鹽度濃淡不一，支流處低于1﹪，海灣口達3.5﹪，據估計海灣系統約一半為海水，一半為河水所填注。因此海灣易受潮汐與季節之變化，而二者皆影響不同位置之鹽度。
（４）海灣直接或間接受居住此區域內無數人之活動所影響。農業、商業、工業、運輸（汽車排氣）及誤樂習慣等，均影響海灣環境。
由以上所述，顯然海灣之微生物集群易發生明顯波動。
有些微生物為特異生態區之固有棲息菌，有些則屬暫居性，源自家庭、工業、農業或大氣等。匯集家庭廢水而富含有機物之處，主要之細菌為大腸型菌（革蘭氏陰性腸道桿菌，如大腸桿菌）；糞鏈球菌（Streptococcus facecalis）；及產氣單胞菌屬（Aeromonas）、桿菌屬（Bacillus）、變形桿菌屬（Proteus）、梭狀芽胞桿菌屬（Clostridium）、球衣菌屬（Sphaerotilus）、白硫菌屬（Beggiotoa）、硫絲菌屬（Thiothix）、硫桿菌屬（Thiobacillus）及其它等屬之菌種。引起型A肝炎與脊髓灰白質炎之腸道病毒也可能發現。營養較差之海灣區域可見發芽或具付屬物之細菌如絲狀細菌屬（Hyphomicrobium）、莖菌屬（Caulobacter）及披毛菌屬（Gallionella）等之菌種。土壤細菌如定氮桿菌屬（Azotobacter）、亞硝酸胞菌（Nitrosomonas）及硝酸菌屬（Nitrobacter）等之菌種也可能存在。多種霉菌如囊子菌綱（Ascomycetes）、藻菌綱（Phycomycetes）及兩性霉菌綱（Deuteromycetes）等，也見于海灣之各區域。
３. 海洋
微生物棲息于海洋之所有深度與緯度，乃浮游生物之一部分，也存于海底沈積物。浩瀚之大海使其環境條件較其它天然水域均勻。由于海洋之大小深度，欲獲得檢體之研究，包括海底沈積物，難免遭受技術上之困難，惟特殊采樣設已發展出。
（１） 海洋浮游生物
浮游植物包括多數藍細菌與藻類如硅藻、渦鞭藻、圓石藻（coccolithophore）及單胞藻（chlamydomonas）。此組微生物之主要功能系將輻射能轉變為化學能，并將能量儲存于聚集海洋中之化合物。反應之龐大頗為驚人，可支持全球魚獲量之生長（約5千萬噸），浮游生物集群即相當于所需之5千萬噸。
浮游植物性細菌與藻類，于某環境條件下可能于沿岸區繁殖成龐大集群，引起水之變色。紅海之顏色特征即藍細菌－紅色顫藻（Oscillatoria erythraea）之高度大增殖所致該藻含藻紅素（phycoerythrin）。紅潮亦然，系因某種浮游生物之爆炸性增殖，能產生毒素，致死人類與魚類。廣大水面之變棕色、珀琥色，或綠黃色則因其它微生物之大增殖，如圖29~10所示。
整個光合區之細菌集群與浮游植物性藻類之分布，關系極為密切。藻類提供細菌所需之有機化合物；也提供固體表面俾細胞附著或聚集。大多數之海洋細菌為適度嗜鹵性，海洋環境之溫度則適于嗜冷菌之生長。嗜冷菌包括發光菌，于氧存在下能產生光，如圖29~11所示。有些發光菌與某種海洋動物進行共生。
一般而言，大多數海洋細菌為革蘭氏陰性，其細胞壁含有外膜。革蘭氏陽性菌之細胞壁則否，故構造上較適宜生活于營養較淡之水環境。例如革蘭氏陰性菌之重要水解酉每維持于圍質間隙，以防外逸而流失于水環境。但革蘭氏陽性菌則可。此外，革蘭氏陰性菌外膜之脂多糖體（lipopolysaccharides, LPS）可防御某些毒性分子之作用，如脂肪酸與抗生素，自水中結合重要之營養成分。海水中常見之細菌為弧菌屬（Vibrio）、無動力桿菌（Acinetobacter）、假單胞菌（Pseudomonas）、黃質菌屬（Flavobacterium）與交互單胞菌屬（Alteromonas）。海洋環境表面區域之細菌常含色素，可保護微生物免受太陽輻射而致死。
（２） 海洋霉菌與原蟲
除海洋細菌與藻類外，海洋中也見某些霉菌與原蟲。霉菌孢子與菌絲體片段漂浮于整個光合區。兩性霉菌綱、藻菌綱及黏液菌等之霉菌均曾分離自海洋環境。海洋原蟲包括有孔蟲類（Foraminifera）與放射蟲類（Radiolaria）以及許多鞭毛蟲與纖毛蟲，此等原蟲大量出現于浮游植物棲息之區域。同時，浮游動物性動物以浮游植物性生物、各種細菌或碎屑等為食物。白畫期間浮游動物垂直向下移動生活于光合作用區之下，避免光線。夜間再度上移，于水面捕食浮游植物。細菌群集則多少均勻散布于此層下，攝取下沈之有機物質及其它營養。
上層與海底上方之間之區域相當貧瘠，可謂浩瀚之微生物海洋沙漠區域。然而海底，即淵深區則群集各種微生物。
（３） 海底集群
細菌與原蟲棲息于離海岸之沈積物，大量存于泥-水接口，每毫升水之菌數達數百至數百萬。每克沈積物之菌數更高達數千萬，且可見各種生理型之細菌，如表29~1所列。
（４） 微生物沈積物
棲息于表層光合區之許多藻類與原蟲，具有含鈣或硅之細胞壁。當此等微生物死亡，逐漸沉至海底時，其未溶解骨架因而大量聚集。硅澡、放射蟲類及硅鞭毛蟲等產生含硅骨架，有孔蟲颣及圓石藻則產生含鈣骨架。此類物質構成之床面有時厚達數百公尺，見于海之各處。其中部分區域后來突出海面。例如英、法之白堊床主要為有孔蟲類之殘骸；加州龍波克之沈積物，大部分則為硅藻之遺骸。細菌，尤其藍細菌也參予碳酸鈣之沈淀，終于形成石灰石。
鐵、錳于沈積物中之累積與變化及硫沈積物，與德克薩州與路易斯安那州之海灣沿岸區所見相似，即與微生物之活動息息相關。自聚集、埋藏之有機質所形成之石油，微生物也擔負重要角色。
自我測驗
１.何謂浮游生物之微生物菌叢？
２.說明淡水水體各層之特征？
３.何謂海灣？比較淡水水體與海灣之微生物菌叢？
４.紅潮為何而引起？那些條件有利于其發生？
５.某些藻類與原蟲其細胞壁所含之大量鈣與硅，有何實際意義？
四、水棲微生物所負角色
水棲生物包括微生物間之相互作用，及微生物與較高等動植物間之相互作用。微生物進行生化反應使水中元素與營養之重循環，其情況與土壤一節所述相似。此類微生物所執行之主要任務乃為洋生維持營養之流通，故于水中之食物 鏈占關鍵地位。
１. 水環境之食物鏈與食物網
食物鏈（food chain）乃生產食物之生物、消耗食物之生物、及分解動植物組織為營養以合成更多食物之生物等，其彼此間相互關系之一種系統。此系統中，不論那一方面，微生物均負主要任務。水中食物鏈之基本現象可表示如下：
初級生產者．
浮游植物與化學合成菌─────→初級消費者．浮游動物以浮游植物為生
↑ ↓
分解者（異化作用與礦質化作用）動植 于食物鏈初期浮游動物作為
物死組織與微生物（主要為細菌）分解←────食物源
成無機化合物，作為基本生產者之營養。
然而，于大多數環境中，捕食關系事實上為相互連接復合體，猶如交錯網，即食物網。微生物于淺海灣處之食物網所負角色稍異于海域之食物網，如圖29~12所示。以海灣而言，可觀之有機營養系微生物分解植物與碎屑所提供。于此狀態下，營養轉變為微生物蛋白，并作為原蟲之食物。海灣環境之許多高等動物，也直接捕食植物與碎屑，包括甲殼類、蠔、昆蟲之幼蟲、線蟲、多毛類動物（polychaete）、及少數魚類。浮游植物與海底藻類僅供應海灣少量食物，與充分供給海洋環境截然不同。
于海洋水域，食物鏈之基本生產主要藉浮游植物之光合作用，其次則利用化合菌。
微生物如何供食物予高等水棲動物，有一引人之例，系發現海底熱水出口附近。如第2章所述，該出口發現于1977年，沿火山脊，低于海面2600公尺，于深海溫泉或熱水出口（hydrothermal vent）附近區域，含有高密度之微生物與動物。此出口噴出含硫化氫之超高熱水，依某些出口之記錄，水溫高達350℃，但出口周圍之平均溫度為10~20℃。此區域棲息許多細菌，非因溫度，而因水中含硫化氫。此類細菌為自營性，藉硫化氫之氧化獲得能量。其中多數能量為細菌所利用以固定二氧化碳，產生有機化合物。
熱水出口附近區域也含大量之動物，惟該類動物完全依賴硫化物氧化菌所產生之有機物質。多種動物目當奇異，巨管蟲長達一公尺，巨蚌長達30公分。
２. 海洋之生產力
海洋之生產力（fertility of the ocean）一語用以表示海洋產生有機物質之能力，生產力主要依浮游生物族群而定。海洋浮游生物可比擬海之牧場（pasture of the sea），因魚、鯨魚及烏賊等直接以浮游生物或捕食浮游生物之動物為食物。陸地環境每日每平方公尺可產生1~10克之有機物質，深海區域則為0.5克。然而，海洋面積大于陸地生產面積，故海洋之總生產力仍超越陸地。
南冰洋所蘊藏生物多于其它任何重要海洋區域，此區所供給之大量營養乃因大西洋、太平洋與印度洋等水域發生混合之故。其混合作用則因海底冷水水流之運動，自南極洲之大陸礁層向外涌出。上層之充裕營養導致浮游生物量增殖，紅色蝦狀甲殼類動物以浮游植物為食，紅色蝦狀甲殼類動物又作為魚、企鵝、海鷗、海豹及鯨魚等之食物。于此環境中，紅色蝦狀甲殼類動物為食物鏈之主要生物，作為光合浮游生物與較高等生物間之環接。食物鏈中之一系列生物如圖29~13所示。浮游生物族群之分析法正藉新之技術而加強，利用先進之計算機硬件與軟件，配合熒光顯微鏡法，已發展出熒光染色檢體之影像分析系統，如圖27~14所示。彩色影像-分析熒光顯微鏡之自動設備，使浮游生物生態學獲得更進一步了解。
海岸與海灣區域之物理環境雖不如海洋穩定，但其生產力卻超越大海，因自陸地周圍可獲充分營養。
（１） 混合現象
海洋中之微生物群也因水流引起營養之流動而受影響，當水自海底上升至表面區域時，可發生所謂升流（upwelling）現象，常因近海處水流或風向之改變所致。反應過程中，海底之水將充分營養攜至表面區域。加州與秘魯沿岸附近之升流與此區域之高度生產力有關。
回旋（gyre）乃海洋水面出現螺旋水流，具有匯集與保留營養、廢物與微生物之勢。近年來藉衛星影像之觀察，始解開謎底。
自我測驗
１.水食物鏈中之基本生產者與分解者所司為何？
２.賦予海洋之生產力為何者？
五、飲水
大多數社區與都會之飲水源自河、川、與湖泊之表面來源。此種天然水源，尤其河川，易發生家庭、農業與工業廢水等之污染。許多城市居民并未注意其流自水龍頭之水，已事先使用數次。由于部分之水循環，水之重用已成為傳統之天然過程，惟吾人逐漸承受水源之壓力，不得不被迫以新之方式處理水之重循環。隨著人口之增加，工業需大量用水，農業需擴大灌溉，故有賴新水資源之開拓。
現代工廠已增加水重用之容量，加速重循環之天然處理過程，確保水源之安全。例如加州南部，最近實施水之分配，因此極欲發展可方法，使已用水安全并適于迅速重用。合理之聯邦立法也已完成，以強調嚴格條例，試圖減少水污染并改善水質。
１. 污染
完全澄清、無臭、無味之水，飲用尚有安全之虞。污染水之污染物可分為化學性、物理性與生物性等3類。本章將集中于生物污染物，即微生物。
水如含致病性微生物，可危害健康與生命（第25章）。經水傳染之最常見致病原，乃引起腸道感染之微生物如傷寒與副傷寒、志賀氏菌病、霍亂、彎曲桿菌病、病毒性肝炎及阿米巴痢疾等之致病原。此等微生物見于被感染之糞便或尿中，當排泄后，可能進入水體，而該水體終作為飲水之來源。
為預防上述致病原之傳染，必須（1）以水凈化法供應安全飲水。（2）廢水之處理設備、廢棄或重用，前先行處理。（3）采用能檢驗之方法，以測定微生物之品質。
２. 水凈化
安全可飲之水不含致病性微生物及對健康有害之化學物質，是謂飲水（potable water）。反之，不可飲之水，需先經凈化，始能供人類飲用。水之凈化法依水之來源及所需水量而異。
（１）獨宅水源
井水與泉水等地下水，供應鄉村地區獨宅家庭所需之大部分用水。表面水除非先經處理或煮沸，破壞任何致病性微生物，否則不能供飲用，因易于發生污染。井水或泉水經各層土壤之滲透時具有過濾作用，其過程可移除懸浮微粒，包括微生物。選擇鑿井位置之首要宜避免煤坑、污水池、化糞池及谷倉附近地，如圖29~15所示。家庭水源需定期采樣進行實驗室檢驗，確保適于飲用。
（２）市區水源
市區水凈化廠生產飲用水之基本方法為沈淀（sedimentation）、過濾（filtration）與氯消毒（chlorination），如圖29~16所示。沈淀發生于大型蓄水池，池中之水維持一段時期，此時大型顆粒物質借機沈至池底。水中加入明礬（硫酸鋁），于表面產生黏著、絨毛狀沈淀物，促使沈淀之形成。大多數微生物與懸浮細顆粒隨沈淀物沈至沈淀床而移除，此過程可移去99﹪之微生物。次將過濾水通過粗沙濾床，進一步移除顆粒物質。隨之以氯消毒，致死任何殘留之微生物，以確保可飲性。氯之劑量需充分，使每升水中含游離之殘留氯0.2~1.0mg。
凈化過程尚可包括其它步驟，如移除引起水硬度之礦物質，如太酸或太堿可調節pH值，去除不良顏色或氣味，及加入氟化物，防止齲齒。
３. 微生物為水質之指針
水之常規微生物檢驗決定其可飲性，并非依據致病性微生物之分離與鑒定，其因如下：
1. 致病原可能以散發性進入水源，且因不能長期存活，故送檢之檢體中可能發生遺漏。
2. 如致病原之含量極稀，可能逃漏實驗室之檢測。
3. 致病性微生物之實室常規檢驗，需24小時或以上始能獲結果。待致病原發現時，多數人可能已飲用該水，未采取補救策施前，已接觸致病性微生物。
因上述之故，微生物學者發展出水質之試驗法，不需依據致病原之分離與鑒定，而系以發現之某微生物表示致病性微生物存在之可能性，即以該指針菌作為警告系統。
（１） 指針微生物（indicator microorganism）
指針微生物乃指水中存在之某種微生物，表示水污染人類或其它溫血動物之糞便。此種污染之意義代表人類腸道中之任何致病性微生物也可能出現于水中。指針微生物之重要特征為：
（A）見于污染水，但未污染（可飲）水則否。
（B）致病原存時，始見于水中。
（C）指針微生物之多寡與污染量有關。
（D）較致病原易于存活，且壽命更長。
（E）性質均勻而穩定。
（F）一般對人類與其它動物無害。
（G）含量高于致病原，極易測驗。
（H）以標準實驗室法易于測出。
大腸桿菌最適合污染之理想指標之需求，且用于美國。其它菌有時也曾作為污染指標，如糞鏈球菌與產氣莢膜桿菌（Clostridium perfrigens），此二菌均為人類與其它動物之正常菌叢。目前正極力發展病毒之常規檢測法，試圖作為污染之指標。
腸道病毒也如大腸型細菌（coliform bacteria），可隨人類廢物攜入水中，惟水檢體之病毒分析其法較細菌之分離更為煩雜。雖有不少研究正進行中，但水中病毒之檢測仍無標準法可資依循。
（２） 大腸桿菌與其它大腸型細菌
大腸型細菌為一組革蘭氏陰性、不產芽胞、兼厭氣性桿菌，于35℃時可發酵乳糖，且于48時內產酸與產氣。大腸桿菌為人類與其它溫血動物之正常菌叢，故視為大腸型菌之糞便型（fecal type of coliform）。大腸型菌組之其它細菌如產氣桿菌（Enterobacter aerogenes）廣布于自然界，見于土壤、水、殼粒，也見于人類與其它動物之腸道，視為非糞便大腸型菌（nonfecal coliform）。此等菌種之形態與培養特征，彼此間極為相似。因此需進行下列4種生化試驗，以鑒別菌種。
（A）白色胺酸產生口引口朵：大腸桿菌為陽性，產氣桿菌為陰性。
（B）特殊葡萄糖肉湯培養基之產酸量：以甲基紅為指示劑測定pH值，此二菌均使葡萄糖產酸但大腸桿菌之pH值較低，指示劑呈紅色。產氣桿菌不能產生大量之酸，指示劑未發生顏色之改變。
（C）葡萄糖-蛋白月東培養基產生乙醯甲基甲醇之能力：此化合物藉伏-普二氏試驗（Voges-Proskauer test）測定之，大腸桿菌不能產生乙醯甲基甲醇，產氣桿菌則可。
（D）檸檬酸鈉之利用：產氣桿菌能利用檸檬酸為唯一碳源，能生長于以檸檬酸鈉為唯一碳化合物之化學特定培養基。為方便起見，上述試驗總稱IMViC為反應：I＝口引口朵，M＝甲基紅，Vi＝伏-普二氏反應，C＝檸檬酸鹽，上述二菌典型菌株之反應如下：
──────────────────────────────
試驗
細菌 ─────────────────────────
口引口朵 甲基紅 伏普二氏反應 檸檬酸鹽
──────────────────────────────
大腸桿菌 ＋ ＋ － －
產氣桿菌 － － ＋ ＋
──────────────────────────────
大腸型細菌與沙門氏菌屬（Salmonella）及志賀氏菌屬（Shigella）具有許多共同特征，且均屬致病性。然而生化反應之主要區別乃大腸型細菌能發酵乳糖，產酸與產氣；沙門氏菌與志賀氏菌則不能發酵乳糖。因此實驗室測定水之可飲性，以乳糖發酵為主要反應，如圖29~17所示。
４. 飲水之細菌學檢驗
水之細菌學檢驗法可依"水與廢水"之標準檢驗法（Standard Methods for the examination of Water and Wastewater，美國公共衛生協會，美國水公司協會及聯邦下水道與工業廢物協會共同編著出版）一書或美國環境保護署所發表文獻。因屬于"標準"法，如結果欲符合官方意義，步驗必需準確。水檢體進行細菌學分析時，必需嚴守下列細節。
（A）檢體必需收集于無菌瓶中。
（B）檢體必需具有水源之代表性。
（C）采樣時或采樣后，須避免發生污染。
（D）采樣后宜立即進行試驗。
（E）如延遲檢驗，檢體需暫存于0~10℃之間。
（１） 標準平板計數法（Standard plate count）
本法一般取水檢體0.1ml與1.0ml傾注于瓊脂培養基，經孵育24小時后，計數菌落數目。使用本法并無官方可接受之特殊菌數，因水中含少數致病性菌較含多數無致病性菌更為危險。雖然如此，優良水質其總菌計數較低，每ml少于100個細菌。平板計數法也用于測定各步驟（沈淀、過濾與氯消毒），移除或破壞微生物之效果。本法也用于特殊處理前后，以測取微生物族群之減少。
（２） 膜過濾法（Membrane filter technique）
以膜過濾法進行水之細菌學檢驗，其法如下（如圖29~18）：
（A）將無菌濾膜置于濾器。
（B）取定量體積通過濾膜過濾，細菌滯留于濾膜表面。
（C）取出濾膜，置于預先飽和適當培養基之吸墊。吸墊與濾膜應置于特殊培養皿以便孵育。
（D）孵育期間，于細菌附著處形成菌落。
此法具有數個有利特性，如可檢驗大量之水檢體。理論上任何體積之水均可通過濾膜，檢體中之所有微生物皆可滯留于濾膜上，所得結果較接種一系列乳糖肉湯試管更為迅速。如利用選擇與鑒別培養基，可鑒定某類型，如大腸型細菌。
５. 水系統之可厭菌
水系統中之某些菌被視為可厭菌（nuisance bacteria）因引起水之氣味、顏色、與味道等之改變，有些于水管形成不溶性化合物之沈淀以致降低水之流速。藻類也可能與氣味之形成、變色及其它不悅特征等有關，下列乃可厭微生物及其所引起之不良狀態。
黏液形成菌（slime-forming bacteria）：產生橡膠狀或黏液。
鐵細菌（iron bacteria）：將可溶性化合物轉變為不溶性化合物。由于不溶性鐵化合物之沈積，以致降低水之流速。
硫細菌（sulfur bacteria）：產生硫酸與硫化氫，使水變為極酸，賦予厭惡氣味。于下水道水泥管產生硫酸，可改變水管之構造品質，如圖29~19所示。
藻類（algae）：產生混濁、變色、厭惡氣味與味道。
自我測驗
１.市區水凈化之主要步驟為何？
２.為何以大腸桿菌作為污染之指標，而不用腸道致病原？
３.測定水之可飲性，簿膜過濾法較標準平板計數法及乳糖肉湯接種法有何優點？
六、游泳池
游泳場地之水，尤其公共游泳池，可能危害健康。游泳池與周圍環境可能發生眼、鼻、喉、及腸道等感染之傳染。也可能傳播香港腳、膿皰及其它皮膚感染。因此，不得不確實注意水之衛生品質，監控消毒過程，確保維持消毒劑之適當濃度。氯消毒為游泳池最廣用之消毒劑。
自我測驗
１.游泳池水有何可能之健康危險性？
２.減少游泳池水之感染可能性，有何措施可降至最低限度？
七、廢水
廢水（wastewater）或下水道（sewage）指社區已用過之水源，包括：
（１） 家庭水媒廢物，包括人類排泄物及洗濯水，家庭與城市之排出物，并流入下水系統。
（２）工業水媒廢物，如酸、油、滑油，及工廠排出之動植物物質。
（３）進入廢水系統之地下水、地面水及大氣雨水。
城市廢水以系統匯集，流入處理廠清理之。廢水系統有3種，（1）衛生下水道（sanitary sewer）：排送家庭與工業污水，（2）暴風雨下水道（storm sewer）：為排送地表水與雨水而設計，（3）合并下水道（combined sewer）：排送衛生下水道與暴風雨下水道之廢水。
１. 廢水之特征
廢水之物理化學及微生物等特征，可謂包羅萬象，如欲設計處理廠以處理廢水，宜先了解此因子。
（１） 廢水之理化特征
廢水約含99.9﹪之水份，懸浮固體物之含量極微，故ppm以表示，廢水中之固體含量介于數ppm至100ppm。此量雖小，但都市大型廢水處理廠每日之處理體積驚人，可達數億加侖，內含固體物數公噸。至化學組成，雖濃度低，但極重要，其種類與含量因社區而異，且時時改變。水源之原來無機化學物質也見于廢水。有機化合源自人類排泄物與其它家庭廢物。工業廢物增加無機與有機化合物，例如屠宰場、糖廠、紙漿廠及奶酪制造廠加入有機物質；化學與金屬工業則促成酸、金屬之鹽類與其它無機化學廢物。
代近技術已改變廢水特征，家庭垃圾清理單位之使用，已增加廢水之總有機負荷量。合成清潔劑大量取代肥皂，對于有效處理廢水所需之微生物族群產生不利影響。
（２）微生物特征
霉菌、原蟲、藻類、細菌及病毒皆見于廢水中。未處理廢水每ml可能含數百萬個細菌，其中包括大腸型細菌、鏈球菌、厭氣性產芽胞桿菌、變形桿菌組及源自人類腸道之其它細菌。其它微生物則來自地下水、地面水及大氣水或工業廢水等。
廢水之處理效果依微生物所進行之生化反應而定，表29~2所列。于廢水處理過程中之各階段，優勢生理型之細菌也可能發生改變，而反應條件自高度需氣性至絕對厭氣性不等。
（３）生化需氧量（Biochemical oxygen demand；BOD）
生化需氧量乃微生物以需氣性分解廢水中之有機質時，所需之可溶性氧量。處理廢水使其重返河川或湖泊之一基本原因乃減少可溶性氧之水源排放于水體中。BOD之大小表示污水之有機物質含量，可氧化之有機質愈多，BOD愈高。廢水之"強度"即以BOD之程度表示之。數值高表示有機物質含量高，反之，數值低，表示僅含少量之可氧化物質。
水體之生命，高度仰賴維持可溶性氧量之能力，而該氧量乃維持水棲生命所必需。若無可溶性氧，魚將窒息，且毀滅正常之水棲生物。
２. 廢水處理
未經處理廢水不能因無不良嚴重后果而加以棄置，經處理廢水若處置不當則可產生下列不良情況：
（A）增加致病性微生物布之可能性。
（B）增加天然水體供應飲水之危險性。
（C）污染牡蠣及其它貝類，對人類之食用產生安全之虞。
（D）因捕食場地之污染大量流失水禽族群。
（E）增加游泳之危險性，降低其它娛樂活動之價值。
（F）污水中之不穩定有機物質耗盡水中之氧源，致死水棲生物。
（G）構成不良環境如可厭氣味、殘屑之聚集，故降低性質上之價值與娛樂方面之利用。
廢水處理方法繁多，依其應用可分為獨宅或單獨建筑物，及社區或都市等之處理方式。
（１）獨宅或單獨建筑物
獨宅或其它單獨建筑物如汽車旅館與構物中心，其廢水之處理與清理可使用厭氣性消化槽或需氣性消化槽。腐化池（septic tank）乃厭氣性消化槽，一般用于限量之廢水，如圖29~20所示。本池職司兩項工作，即固體物質之沈淀與沈淀物之生物分解。聚集于池底之物質是謂污泥（sludge）。當污水進入腐化池后，沈淀發生于下層部分，使水液中之懸浮固體物減少便于排放。沈淀之固體物質不斷為厭氣菌所分解，終末產物為有機化合物，BOD高具有氣味。腐化池之流出物經棄置區散布于土壤表面之下，如圖29~20所示。微生物之進一步分解，大部分為流出中有機物質之有氧氧化，發生于流出液滲經排放區之時。此種處理法不能保證所有致病原之去除，因此必需嚴防處理系統之排放水滲入飲水源。
需氣性廢水處理系統，現有商業化設計，適用于小單位，糟之設計分為數室并附設備將流入固體物減至小微粒之大小。另有通氣室與流出沈淀室，將氧打入通氣室，使不斷進行氧化及廢水固體物之需氣性分解。此單位特適于土壤滲透不良之地區，如含有許多石頭與巖石之濕地或土壤。
（２）都市設備
都市廢水處理廠進行一系列處理過程（圖29~21，發現29~2），各層次之處理依凈水法規要求，其概要如表29~3所示，茲簡述如下：
（A）第一級處理：以物理方式移除粗固體物質。
（a）篩選（screening）：移去最大固物如盒、輪胎、瓶、及罐等可焚化，壓碎或作為填平。
（b）沙礫室（grit chamber）：除去較小固體物，如碎石。
（c）沈淀（初級沈淀）：移去更小顆粒物質如糞便及紙等，此顆粒物質（污泥或生物固體物；biosolid）常于污泥消化器中，藉厭氣分解法進行生物處理。
（B）第二級（生物）處理：有機物質之分解與之降低，可用下列之方法：
（a）散水濾床法（trickling filter）：將廢水散布（構成通氣）于石床上，每一巖石被覆細菌之黏液質團，是謂黏液菌群（zoogloea），可分解滴漏于巖石上之水成分。如圖29~22與29~23。
（b）活化污泥法（activated sludge process）：廢水激烈通氣，以致形成顆粒，富含需氣性分解微生物，此反應于通氣糟中進行，隨之進一步沈淀，以移除生物固體物。
（c）氧化池（礁湖，lagoon）：乃深2~4英尺之淺池，池中之藻類如綠藻可消耗廢水之營養，產生氧，供需氣性分解。
（d）污泥消化（sludge digestion）：分解第一級處理與第二級處理期間所聚集之固體物質，厭氣菌之污泥消化發生于槽之深處，產生甲烷（可供燃料之用）、二氧化碳、及少量之氮與氫。厭氣性廢水分解乃一緩慢反應。
（C）第三級處理，移除第二級處理后所殘留之其它污染物。可產生高品質之廢水，適于重用。第三級處理包括下列其中之一或以上久步驟：
（a）化學凝絮作用（chemical flocculation）：移除多數之殘留顆粒物質。
（b）最后過濾（final filtration）：移除固體物加以干燥與焚化，或無填土或作為肥皂。
（c）除去或減少磷酸鹽與硝酸鹽。
（d）液體流出物以氯消毒，致死微生物，其中部分可能為致病性微生物。最后流出物于排入水體前，需先經去氯處理，因氯對水棲生物有害。
發現29~2：利用都市回收廢水供灌溉
許多干旱與半干旱地區，都市廢水已確立陸地之實際應用，有些地區其農業與與風景區之灌溉用水約70~85﹪為廢水之利用。美國用水逐漸增加，以收回之都市廢水供灌溉，已成為總水源計劃與開發中合理而重要部分。
來自加州240個城市之廢水、每年均有220000畝呎用于農業與風景區之灌溉。此外，每年約有610000畝-呎經處理廢水，排入地表水或地下水，偶而重用。將近一半以上之收回都市廢水（5﹪）﹪用于灌溉糧草、纖維與種子作物，其利用不需高度處理。約7﹪用于灌溉果園、葡萄樹及其它食用作物。高爾夫球場與風景區之灌溉每年所用回收廢水約14﹪，且正增加中。
回收都市廢水使用量逐漸增加之原因包括：（1）于價格競爭下，缺乏淡水；（2）可能利用都市回收廢水作為植物營養；（3）可能獲得高品質之流出物；（4）需建立水資源計劃，包括蓄水與重用；（5）不而高價而附合嚴格之水污染管制要求，包括都市需一步之廢水處理設備。
以都市廢水灌溉雖系廢水處理之有效利用，但有些用于農業或風景區之灌溉，則需進一步處理。處理之程度乃廢水灌溉系統之計劃、設計與管理之重要因子。應用前之處理，需維護公共衛生，防止應用與儲存時之不良狀態，避免對作物、土壤與地下水之傷害。
＊資料取自California Agriculture, March-Apirl 1987, Division of Agriculture and Natural Resources, Oakland, Calif.
３. 廢水處理之經濟問題
美國處理廢水之平均成本以分/1000加計算，但如進一步處理，成本即顯著增加。以現代與精密廢水處理法，可能產生可飲水，惟其處理成本極高。但有些國家則無選擇，因生水難求。依成本與利益之評估，必須決定欲重用水之品質層次及有利之其它水資源。隨著水量之需求增加以及需潔凈環境，確實增加水之成，本惟過去曾一度被視為免費與用之不竭。
自我測驗
１.廢水之可能成份為何？
２.簡述現代廢水處理廠之步驟，并說明微生物于處理過程中各步驟所司角色？
３.以廢水處理而言，何謂BOD？假設廢水處理廠之流出物具有高度之BOD表示何意？
|
