生物修復本章重點難點1掌握生物修復的方法及原理2影響

1、第九章生物修復本章重點難點：1. 掌握生物修復的方法及原理；2. 影響原位修復及異位修復的機理及影響因素；3. 生物修復的特點及局限性。9.1 概述概念1 生物修復：利用生物特別是微生物催化降解有機污染物，從而去除或消除環(huán)境污染的一個受控或自發(fā)進行的過程。2微生物對有機污染物的降解和轉(zhuǎn)化過程分為：好氧和厭氧。3污染土壤生物修復技術的基本原理：利用微生物將土壤中有機污染物降解為無害的無機物質(zhì)（H2O和CO2）的過程。4污染土壤生物修復技術分類：原位生物修復或就地生物修復，一般適用污染現(xiàn)場；異位生物修復技術，主要包括預制床法、堆肥法、厭氧處理法和生物泥漿反應器法。9.2 生物修復的主要方法及微生物

2、的種類1在土壤的生物修復中,根據(jù)人工干預的情況，可進行如下分類：'自然生物修復'人工生物修復原位生物修復異位生物修復Vf非反應器型反應器型2 根據(jù)生物修復利用微生物的情況，可以分為使用污染處土著微生物、使用外源微生物和進行微生物強化作用。3 原位生物修復的主要技術手段： 添加營養(yǎng)物質(zhì)，滿足微生物生存的必需； 增加溶解氧，以提高微生物的活性； 添加微生物或（和）酶，以強化污染物分解速率； 添加表面活性劑，以促進污染物質(zhì)與微生物的充分接觸； 補充碳源及能源，以保證微生物共代謝的進行，分解共代謝化合物。根據(jù)被處理對象（如土壤、地下水、污泥等）的性質(zhì)、污染物種類、環(huán)境條件等的區(qū)別，營養(yǎng)

3、物質(zhì)的添加方式也不同。4在污染環(huán)境的生物修復中，可以利用的微生物有3大類：土著微生物、外來微生物和基因工程菌。9.3 生物修復的影響因素1非生物因素：溫度、pH值、濕度水平（對土壤而言）、鹽度、有毒物質(zhì)、靜水壓力（對土壤深層或深海沉積物）；2營養(yǎng)物質(zhì)：有機物提供的碳源及能源之外，還需要一系列營養(yǎng)物質(zhì)及電子受體，最常見的無機營養(yǎng)物質(zhì)是氮及磷；3電子受體：對好氧微生物而言，電子受體是02；厭氧微生物也可以利用硝酸鹽、C02、硫酸鹽、三價鐵等作為電子受體分解有機物；4 復合基質(zhì)5微生物的協(xié)同作用6捕食作用7種植植物在高等植物的根系周圍，可以形成發(fā)達的根際微生物區(qū)系，這將對污染土壤的修復過程起到積極的

4、促進作用。9.4 原位生物修復9.4.1 概念原位修復技術是在不破壞土壤基本結(jié)構(gòu)的情況下，污染土壤不經(jīng)攪動或移動，在原位和易殘留部位進行的修復。土壤生物修復技術(也稱生物恢復、生物整治等)就是一種利用生物技術和方法來治理土壤污染使其恢復其正常功能的途徑。廣義的土壤生物修復包括利用土壤中的各種生物-植物、土壤動物和微生物吸收、降解和轉(zhuǎn)化土壤中的污染物，使污染物的濃度降低到可接受的水平，或?qū)⒂卸居泻Φ奈廴疚镛D(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)。在這一概念下又可將土壤生物修復分為植物修復、動物修復和微生物修復三種類型。狹義的土壤生物修復，就是利用微生物的作用將土壤中有害的有機污染物降解為無害的無機物(CO2和h2o)或

5、其他無害物質(zhì)的過程。9.4.2 原位修復原理在人為優(yōu)化的條件下，利用自然環(huán)境中的微生物或人為投加特效微生物，來分解土壤中的污染物，以修復受污染的環(huán)境。微生物對物質(zhì)進行各種轉(zhuǎn)化作用的生理學基礎是其新陳代謝活動，即分解代謝和合成代謝。(1) 微生物代謝微生物對污染物降解的基本代謝是有氧呼吸，其他代謝包括厭氧呼吸、共代謝、發(fā)酵。影響微生物系統(tǒng)的環(huán)境因素主要包括溫度、濕度、pH值以及產(chǎn)物的積累等，介質(zhì)常常是多相系統(tǒng)，一般是液-氣-固相等的組合，空間分布不均勻，所有這些都會影響微生物的活性。各種不同類型的代謝反應是在細胞內(nèi)的水介質(zhì)中進行的，因此水是細胞內(nèi)最重要的物質(zhì)之一。(2) 微生物共降解共降解是指微

6、生物利用一種容易降解的物質(zhì)作為支持生長的營養(yǎng)基質(zhì)，而同時降解另一種物質(zhì)，但是后一種物質(zhì)的降解并不支持微生物的生長。前者通常稱為第一基質(zhì)，而后者稱為第二基質(zhì)或者共降解基質(zhì)，且往往是難降解的污染物質(zhì)。共降解過程主要特點可以概括為：(1) 微生物利用第一基質(zhì)作為碳和能量的來源，用于本身的生長和維護，難降解的有機污染物作為第二基質(zhì)被微生物降解。(2) 作為第二基質(zhì)的污染物與第一營養(yǎng)基質(zhì)之間存在競爭性抑制現(xiàn)象。(3) 污染物共降解的產(chǎn)物不能作為營養(yǎng)被同化為細胞質(zhì)，有些共降解中間產(chǎn)物對細胞具有毒性抑制作用，但是共降解產(chǎn)物可能被其他微生物所利用。(4) 共降解是需能反應，能量來自第一營養(yǎng)基質(zhì)的產(chǎn)能代謝。在某

7、些條件下，能量可能成為共降解過程的控制性因素。9.4.3 影響原位修復因素（1）污染物可降解性：分為兩類，即初級降解和最終降解；物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中影響可降解性的主要因素包括以下幾個方面：分子含有的碳原子的數(shù)目，環(huán)的數(shù)目，雙鍵數(shù)目的影響，偶氮基團，單取代基的影響，取代基位置的影響，取代基數(shù)目的影響，結(jié)構(gòu)復雜性的影響；從污染物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)也能夠判斷其生物可降解性。（2）營養(yǎng)物質(zhì)（3）電子受體（4）土壤特征（5）強化措施：人工復氧；投加微生物菌種和微生物促生劑工程；植物修復與微生物修復相結(jié)合；利用專家系統(tǒng)。9.4.4原位修復的工程技術方法比較典型的是：原位氣相抽取技術、原位生物修復技術以及最近幾

8、年發(fā)展起來的原位土壤沖洗技術、原位電磁波頻率加熱技術、原位玻璃化技術等。土壤有機物污染的治理主要有化學法、生物法及化學與生物相結(jié)合的修復方法。9.5 異位生物修復技術9.5.1 概念異位生物修復：是指利用微生物及其他生物，將存在于土壤、地下水和海洋中的有毒有害的環(huán)境污染物降解成二氧化碳和水或轉(zhuǎn)化成為無害物質(zhì)的工程技術系統(tǒng)。特點：環(huán)境影響小，生物修復只是一個自然過程的強化，其最終產(chǎn)物是二氧化碳、水等，不會形成二次污染或?qū)е挛廴镜霓D(zhuǎn)移，可以永久性地消除污染物的長期隱患；最大限度地降低污染物的濃度，異位生物修復技術可以將污染物的殘留濃度降到最低。9.5.2異位生物修復機理（1）有機污染物進入微生物細

9、胞的過程微生物降解有機物有兩種作用方式：第一，通過微生物分泌的胞外酶降解；第二，污染物被微生物吸收到微生物細胞內(nèi)后，由胞內(nèi)酶降解。微生物從胞外環(huán)境中吸收攝取物質(zhì)的方式主要有主動運輸、被動擴散、基團轉(zhuǎn)位、胞飲作用等。（2）微生物降解有機污染物的基本反應類型氧化作用：醇的氧化，醛的氧化，甲基的氧化，氨的氧化，亞硝酸的氧化，硫的氧化，鐵的氧化，0氧化，氧化支烷基化，硫醚氧化，過氧化，苯環(huán)羥基化，芳環(huán)裂解，雜環(huán)裂解，環(huán)氧化。還原作用：乙烯基的還原，醇的還原，醌類的還原，芳環(huán)羥基化，雙鍵還原作用，三鍵還原作用。基團轉(zhuǎn)移作用：脫羧作用，脫氨基作用，脫鹵作用，脫烴作用，脫氫鹵，脫水反應。水解作用：酯類的水解

10、，多種微生物可發(fā)生此反應；胺類（如苯胺類除草劑），也可被許多微生物水解；磷酸酯水解；腈水解；鹵代烴水解去鹵，氯代苯甲酸鹽、苯氧基乙酸鹽、芳草枯等可通過水解進行生物降解。酯化作用縮合反應氨化作用乙?；饔秒p鍵斷裂反應鹵原子移動9.5.3影響異位生物修復的環(huán)境條件（1）非生物因子溫度：微生物生長的溫度范圍為-12100°C，大多數(shù)微生物生活在3040°C。任何一種微生物都有一個最適生長溫度。酸堿度氧氣供應營養(yǎng)物質(zhì)：碳源、氮和磷、生長因子。多種基質(zhì)：多種基質(zhì)、鹽分。（2）生物因子微生物的協(xié)同作用：協(xié)同作用機制包括提供生長因子分解不完全降解物分解共代謝產(chǎn)物分解有毒產(chǎn)物。9.5.4

11、異位修復技術方法異位生物修復主要包括：現(xiàn)場處理法預制床法：優(yōu)點是可以在土壤受污染之初限制污染物的擴散和遷移，減少污染范圍。但用在挖土方和運輸方面的費用顯著高于原位修復方法，另外在運輸過程中可能會造成進一步的污染物暴露，還會由于挖掘而破壞原地的土壤生態(tài)結(jié)構(gòu)堆制處理法：通常分為條形堆制、靜態(tài)堆制和反應器堆制等三種方式。條形堆制操作簡單，投資最少，但占地較多，不可能控制揮發(fā)性氣體。反應器堆制可以最佳控制氣體，占最小的空間，但欠靈活。生物反應器：主要缺點是工程復雜，要求嚴格的前、后處理工序，處理費用高。同時還要注意防止污染物由土壤轉(zhuǎn)移到地下水體中。常見的生物反應器及其工藝有泥漿生物反應器生物過濾反應器

12、固定化膜與固定化細胞反應器厭氧-好氧反應器轉(zhuǎn)鼓式反應器厭氧生物處理法9.6 工程實例9.6.1原位生物修復在土壤污染治理中的應用（1）美國猶他州某空軍基地針對航空發(fā)動機油污染的土壤，采用原位生物降解進行修復；（2）利用土著微生物，通過補充養(yǎng)分提高生物降解速率而清除石油污染的成功實例也受到其他國家的認可與采納；（3）除可清除石油污染外，生物修復技術還成功地應用于其他化合物污染的修復。如原美軍基地中軍用化學物2，4，6-三硝基甲苯（TNT）嚴重污染了當?shù)氐耐寥?。?）燃料污染土壤的生物修復。9.6.2 原位生物修復在水污染治理中的應用（1）深圳市羅芳污水處理廠二期工程厭氧池距離羅芳村僅50m,為了消除其產(chǎn)生的惡臭對周邊居民的影響,厭氧池增設了生物除臭系統(tǒng)；（2）利用生態(tài)修復技術,消除青浦區(qū)政府旁斷頭浜躍進河嚴重的水體黑臭；（3）利用復合酶技術治理污染河道；（4）利用微生物技術在治理漓江山水花園內(nèi)部水系時,模擬自然生態(tài)環(huán)境,培養(yǎng)好氧、兼氧及厭氧微生物菌群,可以連續(xù)分解有機物質(zhì),不斷形成凈化水體的能力,取得了良好的效果；（5）黃民生等采用采用曝氣復氧、投加高效微生物菌劑及生物促生液、放養(yǎng)水生植物、懸掛生物填料等構(gòu)建的組合生物修復技術對蘇州河嚴重污染支流-綏寧河進行原位污染治理和生物修復工程試驗；（6）肖羽堂等采用彈性填料微孔曝氣生物接觸氧化法對受污染水源進行