污染环境的生物修复(大学课件）.ppt

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1、1,4 污染环境的生物修复,2,环境微生物修复机理,4.2,环境修复微生物生态学原理,4.3,影响生物修复的污染物特性,4.4,生物修复概述,4.1,3,4.1 生物修复概述,4,4.1.1 生物修复概念,生物修复（Bioremediation） 利用生物降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中的污染物的过程。,5,4.1.1 生物修复概念,广义,狭义,6,4.1.1 生物修复概念,7,4.1.2 生物修复的产生与发展,生物修复起源于有机污染物的治理，最初的生物修复是从微生物利用开始。 微生物治理环境的研究受到各国的重视，发展非常迅速，研究十分活跃。 强化微生物代谢作用是解决污染物降解的

2、关键技术，具有广阔前景。,8,微生物利用,微生物发酵食品有几千年的历史,9,微生物利用（微生物处理污水有100多年的历史）,污水处理与微生物 生物处理根据其处理过程中氧的状况，可分为好氧处理系统与厌氧处理系统。 微生物在有氧条件下，吸附环境中的有机物，并将其氧化分解成无机物，使污水得到净化，同时合成细胞物质。微生物在污水净化过程，以活性污泥（又称曝气法，是利用含有好氧微生物的活性污泥，在通气条件下，使污水净化的生物学方法。此法是现今处理有机废水的最主要的方法。它是利用某些微生物在生长繁殖过程中形成表面积较大的菌胶团来大量絮凝和吸附污水中的有机物，并在氧的作用下，将这些物质同化为菌体的成分，或将

3、其分解为CO2、水等物质，从而达到降低污水中有机污染物的目的。 ）和生物膜（生物膜法是模拟自然界中土壤自净的一种污水处理法，它是利用微生物群体附着在固体填料表面而形成的生物膜来处理污水的一种方法。因此，生物膜法又称为固定膜法。生物膜一般呈蓬松的絮状结构，微孔较多，表面积很大，有很强的吸附作用。废水中的有机物流入时，被膜上的微生物吸附，进行生物降解，从而使废水得到净化）的主要成分等形式存在。 在缺氧条件下，利用厌氧菌(包括兼性厌氧菌)分解污水中有机污染物的方法，又称厌氧消化或厌氧发酵法。因为发酵产物产生甲烷，又称甲烷发酵。此法既能消除环境污染，又能开发生物能源，所以倍受人们重视。,10,生物利用

4、,生物处理现场有机污染物才有30年历史,11,美国,1972年美国清除宾夕法尼亚州的汽油泄漏是有史记载首次应用生物修复技术。 1989年美国阿拉斯加海域受大面积石油污染，生物修复技术首次大规模应用。 阿拉斯加海域污染后生物修复的成功得到环保部门的认可，是生物修复史上的里程碑。 1991年美国开始实施庞大的土壤、地下水、海滩等环境污染物生物治理。,12,欧洲,从20世纪80年代中期欧洲各发达国家就对生物修复进行了初步研究，并完成了一些实际的处理工程。 生物修复技术可与美国并驾齐驱的国家为德国、荷兰等，欧洲从事该研究的机构和商业公司近百个。,13,中国,生物修复处于起步阶段，过去10年中主要跟踪国

5、际的发展，大面积应用的例子很少。 最初的生物修复主要是利用细菌治理石油、农药之类的有机污染。 随着研究的深入，生物修复又应用在地下水、土壤等环境的污染治理上。 生物修复已由细菌修复拓展到真菌、植物、动物修复，由有机污染物的生物修复拓展到无机污染物的生物修复。,14,具体实例,用接种抗寒微生物处理北极冻原油滴污染土壤，一年后，土壤中油浓度降到初处理浓度的二十分之一。 在堆肥过程中，加入经过驯化的降解菌对堆肥中的多环芳烃有明显的降解作用。,15,4.1.3 生物修复的特点,可现场进行，节省费用 环境影响小 最大限度降低污染物的浓度 处理其他技术难以应用的场地 同时处理受污染的土壤和地下水,耗时长

6、条件苛刻 并非所有污染物都能被生物修复 特定生物只能降解特定物质,优点,缺点,16,可现场进行，节省费用,费用是物理、化学修复的30%50% 以日本污染土壤处理为例，比较生物修复法和其它修复方法的处理成本： 利用生物修复处理其费用大约为4000 日元/m3 ； 采用淋洗或加热等处理成本高约510万日元/m3 。,17,环境影响小,最终产物是二氧化碳、水和脂肪酸等，不会造成二次污染,18,最大限度降低污染物的浓度,生物修复技术可以将污染物的残留浓度降到最低 BTX（苯-甲苯-二甲苯）污染的土壤经生物修复处理后，总浓度降为0.050.10 mg/L，甚至低于检测限。,19,处理其他技术难以应用的场

7、地,如受污染土壤位于建筑物或公路下面不能挖掘搬出时，可以采用就地生物修复技术,20,同时处理受污染的土壤和地下水,生物修复与其他处理技术结合使用，可以处理复合污染,21,耗时长,生物修复的机理在于生命体的新陈代谢，动植物的生长繁殖需要一定周期，因此花费时间较长,22,条件苛刻,生物的代谢活动容易受环境条件变化的影响,23,并非所有污染物都能被生物修复,有的污染物生物有效性、利用性和降解性低,24,特定生物只能降解特定物质,化合物不可能被同一种生物酶破坏,25,4.1.4 生物修复的类型,按修复主体分类,按修复场所分类,按修复受体分类,26,按修复主体分类,微生物修复 植物修复 动物修复 生态修

8、复,27,微生物修复,利用微生物催化降解作用清除环境中的污染物。 微生物降解速度很慢，可采取提供氧气、添加养分、驯化培养等方法来强化。,研究得最多,28,29,植物修复,植物能忍耐和积累某种化学元素，利用植物清除环境中的污染物。 修复重金属、有机物污染土壤 净化水体 清除放射性元素 植物修复过程较慢，可筛选出超积累植物、培育出高效去除污染物的植物。,30,动物修复,土壤动物如蚯蚓、线虫、跳虫、蜈蚣、蜘蛛等，能吸收或富集土壤中的残留农药，并通过代谢把农药分解为低毒或无毒产物。,国外有较长的研究史，国内的研究还处于摸索阶段。,31,生态修复,利用培养的生物或微生物的生命活动，对环境中污染物进行降解

9、。,按照自然界自身规律强化自然界的自净能力。,32,按修复受体分类,土壤生物修复 水体生物修复 大气生物修复 固体废物生物修复,33,按修复场所分类,原位生物修复 （in-site bioremediation） 异位生物修复 （ex-site bioremediation） 原位-异位联合生物修复 （combined bioremediation）,34,原位生物修复,概念 基本不破坏土壤和地下水的情况下，不做搬运或运输，在原位直接采用生物修复受污染环境。 分类 原位工程生物修复 原位自然生物修复 特点 成本低廉但修复效果差，适合于大面积、低污染的环境,35,原位工程生物修复,概念 采取工程

10、措施，有目的地操作环境系统中的生物过程，加快环境修复。 途径1生物强化修复：提供营养、改善环境，增加微生物数量、活性和降解能力； 途径2生物接种修复：投加实验室培养的对污染物具有亲和性的微生物。,36,原位自然生物修复,概念 利用环境中原有的微生物，在自然条件下对污染区域进行自然修复。,37,异位生物修复,概念 将受污染的环境对象搬运到其它场所，借助于生物反应器集中修复。 特点 修复效果好但成本高昂，适合于小范围、高污染的环境。,38,原位-异位联合生物修复,概念 将原位生物修复和异位修复相结合。 方法 水洗-生物反应器法 土壤通气-堆肥法 特点 能扬长避短，应用前景好。,化学淋洗修复,异位生

11、物修复,土壤蒸气浸提 生物强化修复,原位工程生物修复,39,4.1.5 生物修复原则及可处理性实验,生物修复必须遵循四项原则： 使用适合的生物、在适合的场所、适合的环境条件和适合的技术费用下进行,40,适合的生物,有正常生理和代谢能力； 以较大的速率降解或转化污染物； 在修复过程中不产生毒性产物。,是生物修复的先决条件,41,适合的场所,污染物和合适的生物接触的地点 例如表层土壤中的降解苯微生物无法接触到位于蓄水层中的苯污染物。只有抽取污染物于地面生物反应器内处理；获将合适的微生物引去到污染的蓄水层中。 场地不含对降解菌种有抑制作用的物质 目标化合物能够被降解,42,适合的环境条件,要控制或改

12、变环境条件，使生物的代谢与生长活动处于最佳状态。 如温度、湿度、O2 、pH值、无机养分等,43,适合的费用条件,费用必须尽可能低，至少低于同样可以消除该污染物的其它技术,44,4.1.5 生物修复原则及可处理性实验,生物修复的可处理性试验 可处理性实验目的 可处理性实验方法,45,可处理性实验目的,污染物一般是混合性物质 原油含数以千计的不同结构的碳氢化合物； 有些场地中污染物是无法确定的油类、农药、以及重金属。 污染物现场各有特点 如氧浓度、营养物浓度、水的移动性等。 某一现场起作用的生物修复在另一现场不一定有效 所以对每个现场都需要进行可处理性研究，以便对关键因素有基本的了解。 生物修复

13、的目标是将有毒有害的污染物降解成为对人类和环境无害的产物，因此在进行可处理性试验时要检测污染物的降解过程和最终产物的毒性。,46,可处理性实验方法,土壤灭菌试验 土壤柱试验 摇瓶试验 反应器试验,47,土壤灭菌试验,把土壤混匀后分装于两组容器中，一组灭菌，另一组不灭菌； 分别加入同量的目标污染物，至于空气中培养； 定期检测两组土壤中污染物的消失情况，判定是否为可生物降解性物质及其降解速率。,48,土壤柱试验 soil column test,以拟修复的污染土壤类型及耕作层深度，并按相应的疏松程度装成土柱。土柱内径至少5cm以上。,49,摇瓶试验,通常是在三角瓶中装入培养液进行批式培养（batc

14、h culture），检测污染物的降解情况。 其大致步骤是： 在三角瓶中配置以该污染物为主要碳源的培养液； 另补加适当的N、P、S、生长素等其他营养物质； 调节pH值。 设不接种微生物的处理组作为对照。 在不同的处理条件与温度条件下进行培养，并在摇床上振荡培养，以确定生物降解的适宜条件。,生物强化修复,50,反应器试验,污染物通过恒流泵输入容器内，控制温度和pH值。 定期通过注射器从容器内取出样品进行分析。 污染物消失和CO2产物的形成则表明污染物的降解。,由一个2L的容器构成,51,4.1.6 生物修复工程设计,为了确定生物修复技术是否适用于某一受污染环境和某种污染物，需要进行生物修复的工程

15、设计 场地信息收集调查 技术查询 技术路线选择 可处理性试验 修复效果评价 实际工程设计,52,场地信息收集调查,污染物种类和性质； 微生物种类和代谢活性； 土壤特征，如温度、渗透性； 污染现场的地理、水文和气候。,53,技术查询,掌握场地信息后，向有关单位咨询是否在相似情况下进行过生物处理，以便借鉴参考。,54,技术路线选择,根据场地信息，对各种修复技术进行客观评价，确定最佳技术。,55,可处理性试验,设计中、小试验，获取污染物毒性、温度和溶解氧等限制性因素资料，为工程的具体实施提供基本参数。,56,修复效果评价,57,实际工程设计,生物修复的具体设计，包括处理设备、井位和井深、营养物等。,

16、58,4.2 环境微生物修复机理,59,60,微生物修复生物学基础,61,4.2.1 用于生物修复的微生物,土著微生物 外来微生物 基因工程菌 用于生物修复的其他微生物 微生物产品和酶,62,土著微生物,自然界有大量微生物，环境受污染后会出现自然选择，使适合的微生物不断增长。 生物降解通常是分步进行的，一种微生物的分解产物可成为另一种微生物的底物。 污染物和其相应的降解菌请见下表,63,64,65,66,外来微生物,污染环境中，当土著微生物生长过慢，代谢活性不高，或者污染物造成其数量下降时；可人为投加一些适宜该污染物降解、与土著微生物能相容的高效菌。 投珊瑚色诺卡菌来处理含腈废水 用热带假丝酵

17、母来处理油脂废水 用光合细菌加强硫、氮素的转化 用玉垒菌降解河底淤泥的有机物,67,基因工程菌,采用基因工程技术，将降解性质粒转移到能在污水和污染土壤中生存的菌体内，构建高效降解污染物的工程菌。 20世纪70年代以来，科研人员发现了许多具有特殊降解能力的细菌，如 石油降解质粒 金属降解质粒 农药降解质粒,68,案例,为了消除海上溢油污染，将不同菌株的四种降解性质粒结合并转移至一个菌株中，构成一株能同时降解芳香烃、多环芳烃和脂肪烃等的“超级细菌”。 该菌能将天然菌要花一年以上才能消除的浮油用几小时消除，从而取得了美国的专利权。,69,案例,生存与污染环境中的某些细菌细胞内存在着抗重金属的基因，目

18、前已发现抗汞、抗镉、抗铅等多种菌株。 但这类菌株生长慢，把这种抗金属基因转移到生长快的菌种，组成生长快、能富集重金属的新菌株。,70,用于生物修复的其他微生物,藻类 通过放氧，使污染后缺氧的水体恢复到有氧状态，使好氧细菌对污染物的降解顺利进行。 微型动物 通过吞噬过多的藻类和一些病原微生物，间接对水体起净化作用。,71,微生物产品和酶,美国某公司推出20余种复合微生物，用于不同有机物的降解。 日本某公司研制的生物剂，能用于污染河道的生物治理。,霉菌的酚氧化酶能够通过氧化耦合反应，将酚类污染物解毒。,72,4.2.2 微生物修复的影响因素,生物修复主要涉及微生物、污染物和土壤，因此影响因素为微生

19、物活性、污染物特性和土壤性质，在选择生物修复时应加以考虑。这里讨论另外几个因素。 微生物营养盐 电子受体 共代谢基质 有毒有害有机污染物的物理化学性质 污染现场和土壤的特性,与其类型有关,73,微生物营养盐,土壤和地下水中，尤其是地下水中，N、P都是限制微生物活性的重要因素，为了使污染物达到完全降解，适当添加营养物比接种特殊的微生物更为重要。 加入氮和磷酸盐能促进污染土壤中石油的生物降解； 石油在海水中的降解情况基本上与土壤中是一样的，同时加入硝酸盐和磷酸盐时，70%的原油被生物降解，42%被矿化。 在海水中，只有3%的原油被生物降解，1%被矿化；分别加入硝酸盐或磷酸盐时，对生物降解效率的提高

20、很小。,74,电子受体,污染物分解的电子受体的种类和浓度影响着生物进一步降解的速度和程度。 微生物氧化还原反应的最终电子受体主要分为三类： 溶解氧（好氧有利于大多数污染物的生物降解） 有机物分解的中间产物 无机酸根（厌氧环境中） 如硝酸根和硫酸根,75,共代谢基质,概念 共代谢（co-metabolism）：一些人工合成的化学物质，如杀虫剂，杀菌剂和除草剂等，需添加其它有机物作为初级能源才能降解，这一现象称为共代谢。 例子 洋葱假单胞菌以甲苯作为生长基质可对三氯乙烯共代谢降解。,76,有毒有害有机污染物的物理化学性质,了解污染物的性质是为了判断能否采用生物修复以及采取怎样的生物修复。 对于因水

21、溶性低而导致石蜡等化合物生物有效性差，可以使用表面活性剂增加其生物有效性。,要满足以下几个条件： 能提高生物有效性 对生物无毒害作用 以生物降解 不会造成土壤板结,77,污染现场和土壤的特性,地形 气候 水文 土壤性质 腐殖质是一种相对稳定的有机成分，会降低污染物的生物有效性。,78,4.2.3 微生物修复与物质循环,C、N、S等元素可在生物间，生物与环境间不断循环，这就是生物地球化学循环。微生物在这个循环中起着重要作用 碳循环 氮循环 硫循环,79,碳循环,碳是生态系统中最重要的元素，是所有生命物质的骨架，是物质循环的核心。 微生物在碳循环中的重要而关键的作用。,80,空气中的CO2,水中的

22、CO32-、HCO3-和H2CO3,土壤中的有机碳,生物体中的碳水化合物、脂肪和蛋白质,相互转化,81,食物链上，每级生物间碳的转换率约为10%，主要是在传递过程消耗或者成为尸体被微生物分解。,82,氮循环,氮循环需要植物、动物和微生物的协同作用，使氮从一个形态转化为另一个形态。 在这个循环中，微生物起及其重要的作用。,83,Nitrogen cycle,大量氮存在于大气中,大多数生物不能直接利用，唯有固氮根瘤菌可将氮气以氨的形式固定下来，进入土壤，形成无机氮化合物,无机氮化合物被植物吸收而形成有机氮化合物,食物链每级生物都有大量有机氮化合物进入环境，再经微生物分解形成无机氮化物。,无机氮化物

23、在经过硝化细菌和反硝化细菌的作用，最终又形成氮气释放进入大气中。,从固氮根瘤菌固氮到反硝化细菌释放氮气，构成氮循环,84,硫循环,地球上，硫是一种较丰富的元素。 硫都不是微生物生长的限制因子。,85,sulfur cycle 在自然界，硫以三种形态存在：硫、硫无机化合物及硫有机化合物。三种形态之间相互转化，构成硫循环,、开采使硫进入循环,中硫虽少，却是循环中最活跃的部分,自然界硫主要存在于,废水,酸雨,工业,形成硫酸盐被植物植物和藻类吸收,氧化,86,4.2.4 微生物代谢,微生物的营养 微生物生理代谢的基础酶 微生物的能量代谢 微生物的合成代谢,87,微生物的营养,微生物在代谢过程中对营养物

24、质的需求与构成微生物细胞的成分直接相关。 碳、氢和氧是构成微生物的骨架，氮、磷和硫构成蛋白质和核酸等。,88,微生物生理代谢的基础酶,微生物在代谢时，需要酶的参加，酶作为生理生化反应的催化剂，在反应过程中传递电子、原子或化学基团。 酶在代谢中并不参与反应，不会被消耗掉。 酶的专一性很强，一种酶只作用于一种物质 酶在高温、高压或强酸强碱的条件下就会失去活性。,89,微生物的能量代谢,能量代谢就是通常的呼吸过程，营养物质在呼吸过程中被氧化还原。,微生物呼吸分为 好氧呼吸 无氧呼吸 发酵（糖酵解）,90,微生物的合成代谢,光合作用 化能自养型微生物合成代谢 产甲烷菌合成代谢,91,光合作用,光合作用

25、是最重要的合成代谢，光合细菌、藻类等微生物通过光能同化CO2，形成碳水化合物。,92,化能自养型微生物合成代谢,化能自养微生物可以通过氧化环境中的某些物质而获得化学能，从而利用这些能量同化CO2。,93,产甲烷菌合成代谢,产甲烷菌在利用有机物产生CO2和CH4时，会产生能量ATP； 产甲烷菌又利用这些ATP和中间产物合成蛋白质、脂肪等。,94,4.2.5 微生物修复污染物的可生物降解性,多样的代谢类型，自然界有机物几乎都能被微生物分解； 很强的变异性，使微生物获得了降解人工合成大分子有机物的能力； 共代谢机制，拓展了微生物对难降解污染物的作用范围； 通过改变有机物的化学结构，提高生物降解性。,

26、95,（1）主动运输 主动运输需要消耗能量，可以逆物质浓度梯度进行。 （2）被动扩散 由浓度的胞外向低浓度的胞内扩散，不消耗能量，不能进行逆浓度梯度的运输。 （3）促进扩散 在运输过程不需要消耗能量，不能进行逆浓度梯度的运输。与被动扩散类似，不同的是促进扩散需要借助于位于细胞膜上的一种载体蛋白参与物质运输。 （4）基团转位 另一类类型的主动运输，在物质运输过程中，除了物质分子发生化学变化外，其他特点都与主动运输相同。 （5）胞饮作用 突出物把烷烃吸附烷烃聚集在微生物细胞质表面胞饮作用把烷烃转移到细胞内的烷烃氧化部位,4.2.6 微生物对有机污染物的修复,4.2.6.1 有机污染物进入微生物细胞

27、的过程,96,（1）氧化作用 包括Fe、S等单质的氧化，NH3、NO2等化合物的氧化，也包括一些有机基团的氧化，如甲基、羟基、醛等。氧化作用普遍存在于各种好氧环境中，是最常见的也最重要的生物代谢活动。 （2）还原作用 包括高价铁和硫酸盐的还原、 NO3-的还原、羟基或醇的还原等，还原作用与氧化作用存在的环境不同，还原作用需要缺氧或者厌氧（无氧）的环境。 （3）基团转移作用 脱羧作用、脱氨基作用、脱卤作用、脱烃反应、脱氢卤、脱水反应 （4）水解作用 水解作用使有机大分子转化为很小的分子。,4.2.6.2 微生物降解有机污染物的基本反应类型,97,PAHs广泛分布于自然环境中,任何有机物加工、燃烧

28、、废弃或使用的地方都有可能产生PAHs。土壤中的PAHs除极少量来源于植物和土壤中的细菌合成外,绝大部分来源于人类生产和生活活动。 PAHs的危害主要是PAHs辛-醇水分配系数高,是脂溶性物质,对生物有致癌、致畸、致突变的作用,能在环境中稳定存在。PAHs本身并没有毒,但当其通过食物链进入动物体内后会损伤动物血细胞DNA,引起血细胞DNA链断裂,改变遗传物质的编码信息。除此外, PAHs还会上调线粒体编码基因表达转录水平,提高相应的抗氧化酶活性表达,使得细胞活性氧分子量增加及细胞氧化损伤。,实例：土壤PAHs污染的微生物修复（唐婷婷和金卫根，2010）,98,微生物降解PAHs的基本过程是:污

29、染物质PAHs通过两种途径进入微生物(包括真菌和细菌)细胞,第一种是通过真菌氧化,真菌在细胞色素酶CytP-450或单加氧酶作用下将一个氧原子加到PAHs的C-C键上形成C-O键,从而生成芳烃氧化物,芳烃氧化物在非酶促结构重组中失去一个氧原子变成酚类,并在环氧化物水解酶作用下还原形成反-二醇;另一种是氧分子在细菌双加氧酶或单加氧酶作用下将PAHs氧化成芳烃过氧化物,在芳烃过氧化物上加H得到顺-二醇,两种过程产生的二羟基化合物顺反二醇都代谢生成重要的中间产物邻苯二酚,接着经过脱水等作用而使C-C键断裂、苯环断开,进一步代谢为柠檬酸循环的中间产物醛或酸,如琥珀酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。多环芳烃的有氧

30、氧化是其降解的主要形式,这些中间产物最终会被氧化分解为水和CO2,变成无毒物质。,微生物修复土壤PAHs污染原理,99,相对于物理化学修复来说,微生物修复成本低,可以大面积推广使用,不会对土壤造成二次污染,一般3环以上PAHs主要以生物降解方式去除, 2环以下PAHs主要通过挥发作用去除。环境中有大量的微生物可以降解PAHs,除了已经报道的微生物外,近年来也分离出了一些新的微生物,如拟革盖菌属(Coriolopsis)、戈登氏菌属(Gordonia)、链核盘菌属(Monilinia)、平革菌属(Phanerochaete)、多孔菌属(Polyporus)、希瓦氏菌属(Shewanella)等,

31、已经报道的可以降解4环及4环以上PAHs的微生物主要有田头菇属(Agrocybe)、芽孢杆菌属(Bacillus)、布克氏菌属(Burkholderia)、黄杆菌属(Flavobacterium )、假单胞菌(Pseudomonas)、副球菌属(Paracoccus)、分支杆菌属(Mycobacterium)、寡养食单胞菌(Stenotrophomonas)。,土壤中能高效降解PAHs的微生物,100,很多种微生物可以通过不同途径降解同一种PAHs,比如 菲,气单胞菌属、产碱杆菌属、微球杆菌属、芽孢杆菌属均可将菲经由邻苯二甲酸脂降解为原儿茶酸,接着苯环断开生成醛类;分支杆菌属PYR-1可以从K

32、区、1-4碳位降解菲,从K区和3、4碳位的降解分别生成邻苯二甲酸和萘酚,菲1、2碳位的代谢没有实质性的降解, 4环和4环以上PAHs微生物通常以共代谢方式进行降解,微生物降解PAHs的方式有氧化还原作用、基团转运作用、水解作用、酯化、缩合、氨化、乙酰化、双键断裂及卤原子移动。,101,原位修复不需要挖出和搬运污染土壤,其主要方法有:利用污染物的挥发性, 2环以下PAHs主要以挥发作用去除。在污染土壤部位种植植物,提高根际微生物对PAHs的降解作用。利用污染土壤中的土著微生物对PAHs自然降解去除。向土壤污染部位添加营养物质、亲脂肥料、表面活性剂、电子受体、共代谢底物等,提高PAHs的溶出率,减

33、小微生物与PAHs的作用阻力。接种微生物。将已知能高效降解PAHs的微生物接种到土壤中去,以达到降解污染物质的目的。原位修复一般都是在好氧条件下进行,当土壤是浸渍的稻田或其他板结的土壤时,需通过人工方式增加土壤中空气流量和微生物数量,采用的方法主要有泵处理、生物通风法、生物强化法等。,土壤PAHs污染的微生物修复方法,（1）土壤PAHs污染的原位修复,102,异位修复需要将受PAHs污染的土壤挖出或搬离原地进行处理,常用的方法有:堆肥处理。堆肥过程需提供有效的空气流量和添加营养物质,同时要控制堆肥过程中的温度变化。Ladislao等（2008）采用容器式堆肥法,堆肥过程中容器内的温度对真菌与细

34、菌比例、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有很大影响。土地耕作。采用耕耙的方式将污染物从受污染土壤中暴露出来,利用光降解去除,也可施加石灰和营养肥料,促进微生物降解PAHs。生物反应器。生物反应器主要有叶片搅动半固态生物反应器、旋转半固态生物反应器、泥浆生物反应器,其中泥浆生物反应器在各种生物反应器中应用最广泛,主要操作步骤是先捣碎土壤,加水混合为泥浆,然后放入反应器中。Mohan等（2008）在泥浆生物反应器中采用厌氧好氧厌氧厌氧周期性不连续的批处理模式处理受芘污染土壤,试验研究得出污染土壤中芘的降解依赖于芘加载速率与芘降解速率,在低的芘加入速率下和在芘为0. 04 g/(kgd)的降解速率下,芘的

35、降解率达到了90%。,土壤PAHs污染的异位修复,103,PAHs吸附在土壤中后,低环的PAHs可以溶解出来,但是高环的解析并不是吸附的简单逆过程,它们在土壤中会被“锁定”。某些环境中用于微生物增长的无机盐营养比例并不是处于最佳值,适当地增加N、P含量有利于微生物的生长和有机物质的生物降解。土壤中的pH值对微生物降解PAHs有着重要的影响,偏碱性时(pH值=7. 5)微生物生长繁殖较快,但PAHs降解率不高,酸性(pH值=6. 5)条件下微生物繁殖速率适中,菲和芘更容易富集到细菌的体内。此外温度和土壤湿度对PAHs的降解也起着重要的作用。,促进土壤中PAHs降解的方法,1.PAHs污染土壤的性

36、质改良,104,大于4环的PAHs,其生物可利用性要小于3环以下的PAHs,这主要是因为4环以上PAHs属低解析率,导致微生物不能吸收。PAHs由多个苯环以直链状、角状组成,分支较少,如果将苯环上的H+用OH-或NH4+取代则可以增加PAHs的降解率。表面活性剂可以提高PAHs的增溶作用,明显增加PAHs在土壤中的降解速率,使用过后残留的表面活性剂也可被芽孢杆菌利用,为了不抑制微生物的生长,使用时最好不要超过临界使用浓度。固定化微生物可以减小微生物与污染物质的作用半径,提高微生物与污染物的接触能力,使用较多的固定化微生物是真菌,真菌可以分泌多种酶,如虫漆酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶等,尤

37、其对高致癌性苯并a芘具有很好的降解作用。,提高PAHs的溶解能力,105,（1）甲基化作用 汞、镉、铅、砷等金属离子都能在微生物的作用下发生甲基化反应，有些金属离子甲基化后毒性反而增强。 （2）还原作用 有些微生物能够将高价金属离子还原成低价态，将有机态金属还原成单质，有些金属在这个过程中毒性消失。 （3）氧化作用 Mn2+、Sn3+的生物毒性分别比Mn4+和Sn4+大，有些微生物能够氧化Mn2+和Sn3+，使之成为毒性小的Mn4+和Sn4+。,4.2.7 微生物对重金属污染物的作用,4.2.7.1 微生物对重金属离子的转化,106,（1）微生物吸附和微生物积累 微生物吸附主要是生物体细胞壁表

38、面的一些具有金属络合、配位能力的基团起作用，如羟基、羧基等基团。这些基团通过与吸附的重金属离子形成离子键或共价键来达到吸附重金属离子的目的。 微生物积累主要是利用生物新陈代谢作用产生能量，通过单价或二价离子的转移系统把重金属离子输送到细胞内部。 （2）微生物吸附重金属机理 微生物细胞壁的结构特性 细胞壁在微生物吸附重金属离子的过程起着重要作用。 微生物吸附重金属机理 微生物吸附的机理主要有静电吸附、共价吸附、络合螯合、离子交换和无机微沉淀等。,4.2.7.2 微生物对重金属离子的吸收与吸附,107,土壤 Cr（VI）污染的微生物修复是利用土壤中的土著微生物或经驯化的特定微生物，通过将 Cr（V

39、I）还原为 Cr（III），达到降低 Cr 的移动性和毒性等目的（周加祥和刘铮，2000）。 目前已分离出多种对 Cr （VI） 有还原作用的菌种，如硫酸盐还原菌（Li et al., 1994; Smith and Gadd, 2000; 汪 频 等 ，1993）、 大 肠 杆 菌（Escherichia coli）（Shen and Wang, 1994）、阴沟杆菌（Enterobacter cloacae）（Komori et al., 1990）、假单胞菌属（Pseudomnonas）（Park et al., 2000）等。,实例：土壤铬（VI）污染及微生物修复（王凤花等，2010）

40、,1.土壤 Cr（VI）污染的微生物修复,108,微生物修复技术可分为原位修复技术和异位修复技术，其中原位修复技术工艺路线和处理过程相对简单，不需要复杂的设备，处理费用相对较低，且被处理的土壤不需搬运，对周围环境影响和生态风险较小。 例如，Sttephen（1992）将取自巴尔的摩港淤泥的厌氧硫酸盐还原菌，在培养基中培养、驯化，使之耐碱和耐高浓度 Cr（VI），在含铬渣的土壤填埋场中钻一批灌注井和抽提井，先将稀盐酸水溶液从灌注井注入填埋场，从抽提井抽出送至盛有细菌及培养液的生物反应器，Cr（VI）还原后，将含细菌的反应完成液经灌注井注入填埋场，细 菌即逐渐将填埋场内 Cr（VI）原位还原。 对

41、于不含铬渣仅含水溶性 Cr（VI）的土壤，由于其 pH 近于中性，用细菌治理的速度将快得多。,109,吴淑杭等（2007）从土壤中分离筛选出 6 株具有 Cr（VI）还原能力的硫酸盐还原菌 ，部分微生物在 Cr（VI）为 50mgL-1的培养基中培养 1d 后即可完全使 Cr（VI）转化为 Cr（III）。该研究还表明这些菌株同样可以有效地将污染土壤中 Cr（VI）转化为 Cr（III），降低了土壤中 Cr 的植物有效性和毒性，尤其以混合菌液转化率效率更高，2d 后 Cr （VI） 的转化率为 43%，10d 后 Cr（VI）的转化率达 75.3%。,110,毛晖等人（2006）采用培养方法研

42、究了厌氧土壤环境下土壤微生物对铬矿渣中 Cr（VI）的还原，发现在土壤微生物作用下，其中的 Cr（VI）和 Fe（III）同样可以作为电子受体而被还原，该方法可以使铬矿渣中的 Cr（VI）污染在较短时间内完全除去。,111,土壤微生物是土壤中的活性胶体，具有比表面积大、带电荷和代谢活动旺盛等特性，对土壤重金属元素的化学形态影响很大。 受 Cr 污染的土壤中，往往存在多种耐 Cr 的真菌和细菌，它们可通过多种作用方式影响土壤中 Cr 的毒性。,微生物修复Cr污染的机理,112,微生物对 Cr 的生物固定作用主要表现在胞外络合、胞外沉淀以及胞内积累 3 种作用方式上。 由于微生物对重金属具有很强的

43、吸附性能，Cr 离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上，或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上，降低 Cr 的移动性和生物可利用性。 一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸盐还原菌以及某些藻类，能够产生具有大量阴离子基团的胞外聚合物如多糖、糖蛋白等，与重金属离子形成络合物。,微生物对 Cr 离子的生物固定,113,研究表明，酵母菌在运输 Cr 时，需先把体内作为能量贮备源的糖类和蛋白质等生物大分子分解为小分子，此过程与体外 H+的运输和体内阳离子的释放相耦合，产生能量并向体外运输小分子蛋白或其他小分子生物物质，作为 Cr（VI）的还原物和结合物，降低 Cr 的毒性，使铬-生物物质附着于细胞

44、表面，并进一步把 Cr 运输进体内 （何宝燕等，2007）。,114,微生物的细胞壁在生物吸附重金属离子的过程中起着重要作用。 细胞壁的特殊结构，在很大程度上决定着微生物对重金属离子的吸附能力，如细胞壁的多孔结构使活性化学配位体在细胞表面合理排列，使细胞易于与金属离子结合。 同时，微生物细胞的细胞壁上存在着许多种官能团，这些官能团中氮、氧、磷、硫原子可作为配位原子重金属离子配位络合。 细胞外多糖在某些微生物吸附重金属离子的过程中也有一定的作用。,115,部分土壤微生物能够改变金属存在的氧化还原形态，将高价金属离子还原成低价态，使金属的毒性消失或降低。 土壤中分布着多种可以使铬酸盐 和 重 铬

45、酸 钾 还 原 的 微 生 物 ， 如 产 碱 菌 属（Alcaligenes spp.）、芽孢杆菌属（Bacillus Cohn）、棒杆菌属（Corynebacterium Lehmann and Neumann）、肠杆菌属（Enterobacter）等，这些菌能将高毒性的Cr（VI）还原为低毒性的 Cr（III），从而达到修复土壤 Cr 污染的目的。 肖伟等（2008）、Puzon 等（2002）研究表明细菌体内的生理还原剂或还原酶可将体内的 Cr （VI） 还原，降低 Cr 的毒性。 而何宝燕等（2007） 的研究则表明，细胞能分泌酰胺和蛋白等大分子物质将高毒性状态的 Cr （VI） 还

46、原为 Cr（III），增强其生物可利用性，且蛋白可作为离子主动运输的载体，协助细胞内外的离子交换，促进 Cr的生物富集。,微生物对 Cr（VI）的还原,116,为了提高微生物修复 Cr 的效果，应加强微生物解毒 Cr（VI）机理的研究，通过遗传工程从现有的性能较好的菌种中开发出高效的新菌种；此外，还应开发耐高碱、高盐及高铬的高效 Cr 还原菌，因为制革废物处置不当引起的高 pH 值土壤中 Cr（VI） 污染越来越严重 （Kamaludeen et al., 2003）。瞿建国等人（2005）从土壤中分离筛选出几株抗 Cr（VI）的硫酸盐还原菌（SBR），能在 Cr（VI）浓度为800mgL-1

47、的培养基中生长，其中 2-S-8 菌株在 Cr（VI） 浓度为 72mgL-1的培养基中生长 36h 后，培养基中的 Cr（VI） 全部消失，结果表明高毒的 Cr（VI）可被 2-S-8 还原成低毒的 Cr（III）。 韩怀芬等人（2003）筛选出 5 株能还原 Cr（VI）的菌种，并且微生物之间的协同培养可以提高 Cr（VI）还原的效率，协同培养还原 Cr 的最佳 pH 为 68，在此 pH下，Cr（VI）还原的效率可达到 100%。 Michael 等人（2008） 从华盛顿 Soap Lake 中筛选出一株为盐单胞菌属的抗 Cr（VI）的菌。 该菌株能在 pH=9 的碱性厌氧条件下，以醋

48、酸盐为电子受体还原 Cr（VI）。,提高微生物修复 Cr 污染土壤效果的措施,1.筛选高效还原微生物，提高菌株的 Cr 还原能力,117,创造良好的土壤环境，可以充分利用土著微生物和外来微生物的协同关系，使微生物的修复效果达到最佳。 微生物修复的实质就是在微生物生长繁殖的过程中还原土壤中的 Cr（VI），要使微生物修复效果达到最佳，就必须为其创造良好的生长环境。 土壤的营养物质、温度、湿度、pH 值和通气状况等因素都会对微生物的生长繁殖产生重要的影响，因此应根据微生物生长的影响因素寻求最佳的修复条件。,2.创造良好的土壤环境，充分利用土著微生物与外来微生物的协同关系,118,常文越等人（200

49、7）在 25、投加2%的还原菌和 5% 的有机质，保持土壤初始 pH 值的条件下，进行较佳还原条件下的实验，结果表明，在上述条件下施用该菌剂 1 个月后，对于浸出液 Cr（VI）浓度范围从 1055mgL-1的污染土壤，Cr（VI）的还原效果都可达到 90% 以上，土壤浸出液中 Cr（VI）浓度已经降低至 0.75mgL-1以下，即在条件适宜时，该菌剂对低浓度的污染土壤中的Cr （VI） 具有很好的还原解毒作用 。,119,徐卫华等人（2007） 的实验结果表明，施入稻草可以促进 Cr（VI）的还原，加快土壤中 Cr（VI）和有效态 Cr 含量的降低；同时实验还探讨了稻草对 Cr（VI）污染土壤微生物活性的影响，结果表明施入稻草的土壤呼吸强度和微生物数量均比未施稻草的土壤高，即增施稻草对缓解 Cr（VI）对土壤微生物的抑制作用有一定的效果。,120,已有研究表明微生物可以影响植物对 Cr 的吸收，一定条件下接种微生物可以在一定程度上提高植物对重金属的吸收，而且已经在实验室和