污染環(huán)境的生物修復(fù)大學(xué)課件

4污染環(huán)境的生物修復(fù)1環(huán)境微生物修復(fù)機(jī)理4.2環(huán)境修復(fù)微生物生態(tài)學(xué)原理4.3影響生物修復(fù)的污染物特性4.4生物修復(fù)概述4.124.1生物修復(fù)概述生物修復(fù)概念4.1.1生物修復(fù)的產(chǎn)生與發(fā)展4.1.2生物修復(fù)的特性4.1.3生物修復(fù)的類(lèi)型4.1.4生物修復(fù)原則及可處理性實(shí)驗(yàn)4.1.5生物修復(fù)工程設(shè)計(jì)4.1.634.1.1生物修復(fù)概念生物修復(fù)（Bioremediation）利用生物降解有機(jī)污染物，從而修復(fù)被污染環(huán)境或消除環(huán)境中的污染物的過(guò)程。44.1.1生物修復(fù)概念生物微生物植物動(dòng)物廣義狹義54.1.1生物修復(fù)概念64.1.2生物修復(fù)的產(chǎn)生與發(fā)展7微生物利用微生物發(fā)酵食品有幾千年的歷史8微生物利用（微生物處理污水有100多年的歷史）污水處理與微生物

生物處理根據(jù)其處理過(guò)程中氧的狀況，可分為好氧處理系統(tǒng)與厭氧處理系統(tǒng)。微生物在有氧條件下，吸附環(huán)境中的有機(jī)物，并將其氧化分解成無(wú)機(jī)物，使污水得到凈化，同時(shí)合成細(xì)胞物質(zhì)。微生物在污水凈化過(guò)程，以活性污泥（又稱曝氣法，是利用含有好氧微生物的活性污泥，在通氣條件下，使污水凈化的生物學(xué)方法。此法是現(xiàn)今處理有機(jī)廢水的最主要的方法。它是利用某些微生物在生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中形成表面積較大的菌膠團(tuán)來(lái)大量絮凝和吸附污水中的有機(jī)物，并在氧的作用下，將這些物質(zhì)同化為菌體的成分，或?qū)⑵浞纸鉃镃O2、水等物質(zhì)，從而達(dá)到降低污水中有機(jī)污染物的目的。）和生物膜（生物膜法是模擬自然界中土壤自凈的一種污水處理法，它是利用微生物群體附著在固體填料表面而形成的生物膜來(lái)處理污水的一種方法。因此，生物膜法又稱為固定膜法。生物膜一般呈蓬松的絮狀結(jié)構(gòu)，微孔較多，表面積很大，有很強(qiáng)的吸附作用。廢水中的有機(jī)物流入時(shí)，被膜上的微生物吸附，進(jìn)行生物降解，從而使廢水得到凈化）的主要成分等形式存在。在缺氧條件下，利用厭氧菌(包括兼性厭氧菌)分解污水中有機(jī)污染物的方法，又稱厭氧消化或厭氧發(fā)酵法。因?yàn)榘l(fā)酵產(chǎn)物產(chǎn)生甲烷，又稱甲烷發(fā)酵。此法既能消除環(huán)境污染，又能開(kāi)發(fā)生物能源，所以倍受人們重視。

9生物利用生物處理現(xiàn)場(chǎng)有機(jī)污染物才有30年歷史10美國(guó)11歐洲12中國(guó)生物修復(fù)處于起步階段，過(guò)去10年中主要跟蹤國(guó)際的發(fā)展，大面積應(yīng)用的例子很少。最初的生物修復(fù)主要是利用細(xì)菌治理石油、農(nóng)藥之類(lèi)的有機(jī)污染。隨著研究的深入，生物修復(fù)又應(yīng)用在地下水、土壤等環(huán)境的污染治理上。生物修復(fù)已由細(xì)菌修復(fù)拓展到真菌、植物、動(dòng)物修復(fù)，由有機(jī)污染物的生物修復(fù)拓展到無(wú)機(jī)污染物的生物修復(fù)。13具體實(shí)例用接種抗寒微生物處理北極凍原油滴污染土壤，一年后，土壤中油濃度降到初處理濃度的二十分之一。在堆肥過(guò)程中，加入經(jīng)過(guò)馴化的降解菌對(duì)堆肥中的多環(huán)芳烴有明顯的降解作用。144.1.3生物修復(fù)的特點(diǎn)耗時(shí)長(zhǎng)條件苛刻并非所有污染物都能被生物修復(fù)特定生物只能降解特定物質(zhì)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)15可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，節(jié)省費(fèi)用費(fèi)用是物理、化學(xué)修復(fù)的30%~50%以日本污染土壤處理為例，比較生物修復(fù)法和其它修復(fù)方法的處理成本：利用生物修復(fù)處理其費(fèi)用大約為4000日元/m3；采用淋洗或加熱等處理成本高約5~10萬(wàn)日元/m3。16環(huán)境影響小最終產(chǎn)物是二氧化碳、水和脂肪酸等，不會(huì)造成二次污染17最大限度降低污染物的濃度1819同時(shí)處理受污染的土壤和地下水20耗時(shí)長(zhǎng)生物修復(fù)的機(jī)理在于生命體的新陳代謝，動(dòng)植物的生長(zhǎng)繁殖需要一定周期，因此花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)21條件苛刻生物的代謝活動(dòng)容易受環(huán)境條件變化的影響22并非所有污染物都能被生物修復(fù)有的污染物生物有效性、利用性和降解性低23特定生物只能降解特定物質(zhì)化合物不可能被同一種生物酶破壞244.1.4生物修復(fù)的類(lèi)型按修復(fù)主體分類(lèi)按修復(fù)場(chǎng)所分類(lèi)按修復(fù)受體分類(lèi)25按修復(fù)主體分類(lèi)微生物修復(fù)植物修復(fù)動(dòng)物修復(fù)生態(tài)修復(fù)26微生物修復(fù)利用微生物催化降解作用清除環(huán)境中的污染物。微生物降解速度很慢，可采取提供氧氣、添加養(yǎng)分、馴化培養(yǎng)等方法來(lái)強(qiáng)化。研究得最多2728植物修復(fù)植物能忍耐和積累某種化學(xué)元素，利用植物清除環(huán)境中的污染物。修復(fù)重金屬、有機(jī)物污染土壤凈化水體清除放射性元素植物修復(fù)過(guò)程較慢，可篩選出超積累植物、培育出高效去除污染物的植物。29動(dòng)物修復(fù)土壤動(dòng)物如蚯蚓、線蟲(chóng)、跳蟲(chóng)、蜈蚣、蜘蛛等，能吸收或富集土壤中的殘留農(nóng)藥，并通過(guò)代謝把農(nóng)藥分解為低毒或無(wú)毒產(chǎn)物。國(guó)外有較長(zhǎng)的研究史，國(guó)內(nèi)的研究還處于摸索階段。30生態(tài)修復(fù)利用培養(yǎng)的生物或微生物的生命活動(dòng)，對(duì)環(huán)境中污染物進(jìn)行降解。按照自然界自身規(guī)律強(qiáng)化自然界的自凈能力。31按修復(fù)受體分類(lèi)土壤生物修復(fù)水體生物修復(fù)大氣生物修復(fù)固體廢物生物修復(fù)32按修復(fù)場(chǎng)所分類(lèi)原位生物修復(fù)（in-sitebioremediation）異位生物修復(fù)（ex-sitebioremediation）原位-異位聯(lián)合生物修復(fù)（combinedbioremediation）33原位生物修復(fù)概念基本不破壞土壤和地下水的情況下，不做搬運(yùn)或運(yùn)輸，在原位直接采用生物修復(fù)受污染環(huán)境。分類(lèi)原位工程生物修復(fù)原位自然生物修復(fù)特點(diǎn)成本低廉但修復(fù)效果差，適合于大面積、低污染的環(huán)境34原位工程生物修復(fù)概念采取工程措施，有目的地操作環(huán)境系統(tǒng)中的生物過(guò)程，加快環(huán)境修復(fù)。途徑1生物強(qiáng)化修復(fù)：提供營(yíng)養(yǎng)、改善環(huán)境，增加微生物數(shù)量、活性和降解能力；途徑2生物接種修復(fù)：投加實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的對(duì)污染物具有親和性的微生物。35原位自然生物修復(fù)概念利用環(huán)境中原有的微生物，在自然條件下對(duì)污染區(qū)域進(jìn)行自然修復(fù)。36異位生物修復(fù)概念將受污染的環(huán)境對(duì)象搬運(yùn)到其它場(chǎng)所，借助于生物反應(yīng)器集中修復(fù)。特點(diǎn)修復(fù)效果好但成本高昂，適合于小范圍、高污染的環(huán)境。37原位-異位聯(lián)合生物修復(fù)概念將原位生物修復(fù)和異位修復(fù)相結(jié)合。方法水洗-生物反應(yīng)器法土壤通氣-堆肥法特點(diǎn)能揚(yáng)長(zhǎng)避短，應(yīng)用前景好?；瘜W(xué)淋洗修復(fù)異位生物修復(fù)土壤蒸氣浸提生物強(qiáng)化修復(fù)原位工程生物修復(fù)384.1.5生物修復(fù)原則及可處理性實(shí)驗(yàn)39適合的生物有正常生理和代謝能力；以較大的速率降解或轉(zhuǎn)化污染物；在修復(fù)過(guò)程中不產(chǎn)生毒性產(chǎn)物。是生物修復(fù)的先決條件40適合的場(chǎng)所污染物和合適的生物接觸的地點(diǎn)例如表層土壤中的降解苯微生物無(wú)法接觸到位于蓄水層中的苯污染物。只有抽取污染物于地面生物反應(yīng)器內(nèi)處理；獲將合適的微生物引去到污染的蓄水層中。場(chǎng)地不含對(duì)降解菌種有抑制作用的物質(zhì)目標(biāo)化合物能夠被降解41適合的環(huán)境條件要控制或改變環(huán)境條件，使生物的代謝與生長(zhǎng)活動(dòng)處于最佳狀態(tài)。如溫度、濕度、O2、pH值、無(wú)機(jī)養(yǎng)分等42適合的費(fèi)用條件434.1.5生物修復(fù)原則及可處理性實(shí)驗(yàn)生物修復(fù)的可處理性試驗(yàn)可處理性實(shí)驗(yàn)?zāi)康目商幚硇詫?shí)驗(yàn)方法44可處理性實(shí)驗(yàn)?zāi)康奈廴疚镆话闶腔旌闲晕镔|(zhì)原油含數(shù)以千計(jì)的不同結(jié)構(gòu)的碳?xì)浠衔铮挥行﹫?chǎng)地中污染物是無(wú)法確定的油類(lèi)、農(nóng)藥、以及重金屬。污染物現(xiàn)場(chǎng)各有特點(diǎn)如氧濃度、營(yíng)養(yǎng)物濃度、水的移動(dòng)性等。某一現(xiàn)場(chǎng)起作用的生物修復(fù)在另一現(xiàn)場(chǎng)不一定有效所以對(duì)每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)都需要進(jìn)行可處理性研究，以便對(duì)關(guān)鍵因素有基本的了解。生物修復(fù)的目標(biāo)是將有毒有害的污染物降解成為對(duì)人類(lèi)和環(huán)境無(wú)害的產(chǎn)物，因此在進(jìn)行可處理性試驗(yàn)時(shí)要檢測(cè)污染物的降解過(guò)程和最終產(chǎn)物的毒性。45可處理性實(shí)驗(yàn)方法土壤滅菌試驗(yàn)土壤柱試驗(yàn)搖瓶試驗(yàn)反應(yīng)器試驗(yàn)46土壤滅菌試驗(yàn)把土壤混勻后分裝于兩組容器中，一組滅菌，另一組不滅菌；分別加入同量的目標(biāo)污染物，至于空氣中培養(yǎng)；定期檢測(cè)兩組土壤中污染物的消失情況，判定是否為可生物降解性物質(zhì)及其降解速率。47土壤柱試驗(yàn)soilcolumntest

以擬修復(fù)的污染土壤類(lèi)型及耕作層深度，并按相應(yīng)的疏松程度裝成土柱。土柱內(nèi)徑至少5cm以上。48搖瓶試驗(yàn)通常是在三角瓶中裝入培養(yǎng)液進(jìn)行批式培養(yǎng)（batchculture），檢測(cè)污染物的降解情況。其大致步驟是：在三角瓶中配置以該污染物為主要碳源的培養(yǎng)液；另補(bǔ)加適當(dāng)?shù)腘、P、S、生長(zhǎng)素等其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；調(diào)節(jié)pH值。設(shè)不接種微生物的處理組作為對(duì)照。在不同的處理?xiàng)l件與溫度條件下進(jìn)行培養(yǎng)，并在搖床上振蕩培養(yǎng)，以確定生物降解的適宜條件。生物強(qiáng)化修復(fù)49反應(yīng)器試驗(yàn)污染物通過(guò)恒流泵輸入容器內(nèi)，控制溫度和pH值。定期通過(guò)注射器從容器內(nèi)取出樣品進(jìn)行分析。污染物消失和CO2產(chǎn)物的形成則表明污染物的降解。由一個(gè)2L的容器構(gòu)成504.1.6生物修復(fù)工程設(shè)計(jì)51場(chǎng)地信息收集調(diào)查污染物種類(lèi)和性質(zhì)；微生物種類(lèi)和代謝活性；土壤特征，如溫度、滲透性；污染現(xiàn)場(chǎng)的地理、水文和氣候。52掌握?qǐng)龅匦畔⒑螅蛴嘘P(guān)單位咨詢是否在相似情況下進(jìn)行過(guò)生物處理，以便借鑒參考。5354可處理性試驗(yàn)設(shè)計(jì)中、小試驗(yàn)，獲取污染物毒性、溫度和溶解氧等限制性因素資料，為工程的具體實(shí)施提供基本參數(shù)。55修復(fù)效果評(píng)價(jià)56實(shí)際工程設(shè)計(jì)生物修復(fù)的具體設(shè)計(jì)，包括處理設(shè)備、井位和井深、營(yíng)養(yǎng)物等。574.2環(huán)境微生物修復(fù)機(jī)理用于生物修復(fù)的微生物4.2.1微生物修復(fù)的影響因素4.2.2微生物修復(fù)與物質(zhì)循環(huán)4.2.3微生物代謝4.2.4污染物的微生物降解性4.2.55859微生物修復(fù)生物學(xué)基礎(chǔ)604.2.1用于生物修復(fù)的微生物土著微生物外來(lái)微生物基因工程菌用于生物修復(fù)的其他微生物微生物產(chǎn)品和酶61土著微生物自然界有大量微生物，環(huán)境受污染后會(huì)出現(xiàn)自然選擇，使適合的微生物不斷增長(zhǎng)。生物降解通常是分步進(jìn)行的，一種微生物的分解產(chǎn)物可成為另一種微生物的底物。污染物和其相應(yīng)的降解菌請(qǐng)見(jiàn)下表62636465外來(lái)微生物污染環(huán)境中，當(dāng)土著微生物生長(zhǎng)過(guò)慢，代謝活性不高，或者污染物造成其數(shù)量下降時(shí)；可人為投加一些適宜該污染物降解、與土著微生物能相容的高效菌。投珊瑚色諾卡菌來(lái)處理含腈廢水用熱帶假絲酵母來(lái)處理油脂廢水用光合細(xì)菌加強(qiáng)硫、氮素的轉(zhuǎn)化用玉壘菌降解河底淤泥的有機(jī)物66基因工程菌67案例為了消除海上溢油污染，將不同菌株的四種降解性質(zhì)粒結(jié)合并轉(zhuǎn)移至一個(gè)菌株中，構(gòu)成一株能同時(shí)降解芳香烴、多環(huán)芳烴和脂肪烴等的“超級(jí)細(xì)菌”。該菌能將天然菌要花一年以上才能消除的浮油用幾小時(shí)消除，從而取得了美國(guó)的專(zhuān)利權(quán)。68案例生存與污染環(huán)境中的某些細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)存在著抗重金屬的基因，目前已發(fā)現(xiàn)抗汞、抗鎘、抗鉛等多種菌株。但這類(lèi)菌株生長(zhǎng)慢，把這種抗金屬基因轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)快的菌種，組成生長(zhǎng)快、能富集重金屬的新菌株。69用于生物修復(fù)的其他微生物藻類(lèi)通過(guò)放氧，使污染后缺氧的水體恢復(fù)到有氧狀態(tài)，使好氧細(xì)菌對(duì)污染物的降解順利進(jìn)行。微型動(dòng)物通過(guò)吞噬過(guò)多的藻類(lèi)和一些病原微生物，間接對(duì)水體起凈化作用。70微生物產(chǎn)品和酶美國(guó)某公司推出20余種復(fù)合微生物，用于不同有機(jī)物的降解。日本某公司研制的生物劑，能用于污染河道的生物治理。霉菌的酚氧化酶能夠通過(guò)氧化耦合反應(yīng)，將酚類(lèi)污染物解毒。714.2.2微生物修復(fù)的影響因素生物修復(fù)主要涉及微生物、污染物和土壤，因此影響因素為微生物活性、污染物特性和土壤性質(zhì)，在選擇生物修復(fù)時(shí)應(yīng)加以考慮。這里討論另外幾個(gè)因素。微生物營(yíng)養(yǎng)鹽電子受體共代謝基質(zhì)有毒有害有機(jī)污染物的物理化學(xué)性質(zhì)污染現(xiàn)場(chǎng)和土壤的特性與其類(lèi)型有關(guān)72微生物營(yíng)養(yǎng)鹽土壤和地下水中，尤其是地下水中，N、P都是限制微生物活性的重要因素，為了使污染物達(dá)到完全降解，適當(dāng)添加營(yíng)養(yǎng)物比接種特殊的微生物更為重要。加入氮和磷酸鹽能促進(jìn)污染土壤中石油的生物降解；石油在海水中的降解情況基本上與土壤中是一樣的，同時(shí)加入硝酸鹽和磷酸鹽時(shí)，70%的原油被生物降解，42%被礦化。在海水中，只有3%的原油被生物降解，1%被礦化；分別加入硝酸鹽或磷酸鹽時(shí)，對(duì)生物降解效率的提高很小。73電子受體污染物分解的電子受體的種類(lèi)和濃度影響著生物進(jìn)一步降解的速度和程度。微生物氧化還原反應(yīng)的最終電子受體主要分為三類(lèi)：溶解氧（好氧有利于大多數(shù)污染物的生物降解）有機(jī)物分解的中間產(chǎn)物無(wú)機(jī)酸根（厭氧環(huán)境中）如硝酸根和硫酸根74共代謝基質(zhì)概念共代謝（co-metabolism）：一些人工合成的化學(xué)物質(zhì)，如殺蟲(chóng)劑，殺菌劑和除草劑等，需添加其它有機(jī)物作為初級(jí)能源才能降解，這一現(xiàn)象稱為共代謝。例子洋蔥假單胞菌以甲苯作為生長(zhǎng)基質(zhì)可對(duì)三氯乙烯共代謝降解。75有毒有害有機(jī)污染物的物理化學(xué)性質(zhì)了解污染物的性質(zhì)是為了判斷能否采用生物修復(fù)以及采取怎樣的生物修復(fù)。對(duì)于因水溶性低而導(dǎo)致石蠟等化合物生物有效性差，可以使用表面活性劑增加其生物有效性。要滿足以下幾個(gè)條件：能提高生物有效性對(duì)生物無(wú)毒害作用以生物降解不會(huì)造成土壤板結(jié)76污染現(xiàn)場(chǎng)和土壤的特性地形氣候水文土壤性質(zhì)腐殖質(zhì)是一種相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)成分，會(huì)降低污染物的生物有效性。774.2.3微生物修復(fù)與物質(zhì)循環(huán)C、N、S等元素可在生物間，生物與環(huán)境間不斷循環(huán)，這就是生物地球化學(xué)循環(huán)。微生物在這個(gè)循環(huán)中起著重要作用碳循環(huán)氮循環(huán)硫循環(huán)78碳循環(huán)碳是生態(tài)系統(tǒng)中最重要的元素，是所有生命物質(zhì)的骨架，是物質(zhì)循環(huán)的核心。微生物在碳循環(huán)中的重要而關(guān)鍵的作用。79空氣中的CO2水中的CO32-、HCO3-和H2CO3土壤中的有機(jī)碳生物體中的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)相互轉(zhuǎn)化80食物鏈上，每級(jí)生物間碳的轉(zhuǎn)換率約為10%，主要是在傳遞過(guò)程消耗或者成為尸體被微生物分解。81氮循環(huán)氮循環(huán)需要植物、動(dòng)物和微生物的協(xié)同作用，使氮從一個(gè)形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一個(gè)形態(tài)。在這個(gè)循環(huán)中，微生物起及其重要的作用。82Nitrogencycle大量氮存在于大氣中大多數(shù)生物不能直接利用，唯有固氮根瘤菌可將氮?dú)庖园钡男问焦潭ㄏ聛?lái)，進(jìn)入土壤，形成無(wú)機(jī)氮化合物無(wú)機(jī)氮化合物被植物吸收而形成有機(jī)氮化合物①②③④⑤食物鏈每級(jí)生物都有大量有機(jī)氮化合物進(jìn)入環(huán)境，再經(jīng)微生物分解形成無(wú)機(jī)氮化物。無(wú)機(jī)氮化物在經(jīng)過(guò)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的作用，最終又形成氮?dú)忉尫胚M(jìn)入大氣中。從固氮根瘤菌固氮到反硝化細(xì)菌釋放氮?dú)猓瑯?gòu)成氮循環(huán)83硫循環(huán)地球上，硫是一種較豐富的元素。硫都不是微生物生長(zhǎng)的限制因子。84sulfurcycle在自然界，硫以三種形態(tài)存在：硫、硫無(wú)機(jī)化合物及硫有機(jī)化合物。三種形態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化，構(gòu)成硫循環(huán)、開(kāi)采使硫進(jìn)入循環(huán)中硫雖少，卻是循環(huán)中最活躍的部分自然界硫主要存在于廢水酸雨①②③④⑤工業(yè)⑦形成硫酸鹽被植物植物和藻類(lèi)吸收⑥氧化854.2.4微生物代謝微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物生理代謝的基礎(chǔ)——酶微生物的能量代謝微生物的合成代謝86微生物的營(yíng)養(yǎng)微生物在代謝過(guò)程中對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求與構(gòu)成微生物細(xì)胞的成分直接相關(guān)。碳、氫和氧是構(gòu)成微生物的骨架，氮、磷和硫構(gòu)成蛋白質(zhì)和核酸等。87微生物生理代謝的基礎(chǔ)——酶微生物在代謝時(shí)，需要酶的參加，酶作為生理生化反應(yīng)的催化劑，在反應(yīng)過(guò)程中傳遞電子、原子或化學(xué)基團(tuán)。酶在代謝中并不參與反應(yīng)，不會(huì)被消耗掉。酶的專(zhuān)一性很強(qiáng)，一種酶只作用于一種物質(zhì)酶在高溫、高壓或強(qiáng)酸強(qiáng)堿的條件下就會(huì)失去活性。88微生物的能量代謝能量代謝就是通常的呼吸過(guò)程，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在呼吸過(guò)程中被氧化還原。微生物呼吸分為好氧呼吸無(wú)氧呼吸發(fā)酵（糖酵解）89微生物的合成代謝光合作用化能自養(yǎng)型微生物合成代謝產(chǎn)甲烷菌合成代謝90光合作用光合作用是最重要的合成代謝，光合細(xì)菌、藻類(lèi)等微生物通過(guò)光能同化CO2，形成碳水化合物。91化能自養(yǎng)型微生物合成代謝化能自養(yǎng)微生物可以通過(guò)氧化環(huán)境中的某些物質(zhì)而獲得化學(xué)能，從而利用這些能量同化CO2。92產(chǎn)甲烷菌合成代謝產(chǎn)甲烷菌在利用有機(jī)物產(chǎn)生CO2和CH4時(shí)，會(huì)產(chǎn)生能量ATP；產(chǎn)甲烷菌又利用這些ATP和中間產(chǎn)物合成蛋白質(zhì)、脂肪等。934.2.5微生物修復(fù)污染物的可生物降解性多樣的代謝類(lèi)型，自然界有機(jī)物幾乎都能被微生物分解；很強(qiáng)的變異性，使微生物獲得了降解人工合成大分子有機(jī)物的能力；共代謝機(jī)制，拓展了微生物對(duì)難降解污染物的作用范圍；通過(guò)改變有機(jī)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，提高生物降解性。94（1）主動(dòng)運(yùn)輸

主動(dòng)運(yùn)輸需要消耗能量，可以逆物質(zhì)濃度梯度進(jìn)行。

（2）被動(dòng)擴(kuò)散

由濃度的胞外向低濃度的胞內(nèi)擴(kuò)散，不消耗能量，不能進(jìn)行逆濃度梯度的運(yùn)輸。

（3）促進(jìn)擴(kuò)散

在運(yùn)輸過(guò)程不需要消耗能量，不能進(jìn)行逆濃度梯度的運(yùn)輸。與被動(dòng)擴(kuò)散類(lèi)似，不同的是促進(jìn)擴(kuò)散需要借助于位于細(xì)胞膜上的一種載體蛋白參與物質(zhì)運(yùn)輸。

（4）基團(tuán)轉(zhuǎn)位

另一類(lèi)類(lèi)型的主動(dòng)運(yùn)輸，在物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程中，除了物質(zhì)分子發(fā)生化學(xué)變化外，其他特點(diǎn)都與主動(dòng)運(yùn)輸相同。

（5）胞飲作用

突出物把烷烴吸附——烷烴聚集在微生物細(xì)胞質(zhì)表面——胞飲作用把烷烴轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)的烷烴氧化部位4.2.6微生物對(duì)有機(jī)污染物的修復(fù)4.2.6.1有機(jī)污染物進(jìn)入微生物細(xì)胞的過(guò)程95（1）氧化作用

包括Fe、S等單質(zhì)的氧化，NH3、NO2等化合物的氧化，也包括一些有機(jī)基團(tuán)的氧化，如甲基、羥基、醛等。氧化作用普遍存在于各種好氧環(huán)境中，是最常見(jiàn)的也最重要的生物代謝活動(dòng)。

（2）還原作用

包括高價(jià)鐵和硫酸鹽的還原、NO3-的還原、羥基或醇的還原等，還原作用與氧化作用存在的環(huán)境不同，還原作用需要缺氧或者厭氧（無(wú)氧）的環(huán)境。

（3）基團(tuán)轉(zhuǎn)移作用

脫羧作用、脫氨基作用、脫鹵作用、脫烴反應(yīng)、脫氫鹵、脫水反應(yīng)

（4）水解作用

水解作用使有機(jī)大分子轉(zhuǎn)化為很小的分子。4.2.6.2微生物降解有機(jī)污染物的基本反應(yīng)類(lèi)型96

PAHs廣泛分布于自然環(huán)境中,任何有機(jī)物加工、燃燒、廢棄或使用的地方都有可能產(chǎn)生PAHs。土壤中的PAHs除極少量來(lái)源于植物和土壤中的細(xì)菌合成外,絕大部分來(lái)源于人類(lèi)生產(chǎn)和生活活動(dòng)。

PAHs的危害主要是PAHs辛-醇水分配系數(shù)高,是脂溶性物質(zhì),對(duì)生物有致癌、致畸、致突變的作用,能在環(huán)境中穩(wěn)定存在。PAHs本身并沒(méi)有毒,但當(dāng)其通過(guò)食物鏈進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)后會(huì)損傷動(dòng)物血細(xì)胞DNA,引起血細(xì)胞DNA鏈斷裂,改變遺傳物質(zhì)的編碼信息。除此外,PAHs還會(huì)上調(diào)線粒體編碼基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄水平,提高相應(yīng)的抗氧化酶活性表達(dá),使得細(xì)胞活性氧分子量增加及細(xì)胞氧化損傷。實(shí)例：土壤PAHs污染的微生物修復(fù)（唐婷婷和金衛(wèi)根，2010）97

微生物降解PAHs的基本過(guò)程是:污染物質(zhì)PAHs通過(guò)兩種途徑進(jìn)入微生物(包括真菌和細(xì)菌)細(xì)胞,第一種是通過(guò)真菌氧化,真菌在細(xì)胞色素酶CytP-450或單加氧酶作用下將一個(gè)氧原子加到PAHs的C-C鍵上形成C-O鍵,從而生成芳烴氧化物,芳烴氧化物在非酶促結(jié)構(gòu)重組中失去一個(gè)氧原子變成酚類(lèi),并在環(huán)氧化物水解酶作用下還原形成反-二醇;另一種是氧分子在細(xì)菌雙加氧酶或單加氧酶作用下將PAHs氧化成芳烴過(guò)氧化物,在芳烴過(guò)氧化物上加H得到順-二醇,兩種過(guò)程產(chǎn)生的二羥基化合物——順?lè)炊级即x生成重要的中間產(chǎn)物鄰苯二酚,接著經(jīng)過(guò)脫水等作用而使C-C鍵斷裂、苯環(huán)斷開(kāi),進(jìn)一步代謝為檸檬酸循環(huán)的中間產(chǎn)物醛或酸,如琥珀酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。多環(huán)芳烴的有氧氧化是其降解的主要形式,這些中間產(chǎn)物最終會(huì)被氧化分解為水和CO2,變成無(wú)毒物質(zhì)。微生物修復(fù)土壤PAHs污染原理98

相對(duì)于物理化學(xué)修復(fù)來(lái)說(shuō),微生物修復(fù)成本低,可以大面積推廣使用,不會(huì)對(duì)土壤造成二次污染,一般3環(huán)以上PAHs主要以生物降解方式去除,2環(huán)以下PAHs主要通過(guò)揮發(fā)作用去除。環(huán)境中有大量的微生物可以降解PAHs,除了已經(jīng)報(bào)道的微生物外,近年來(lái)也分離出了一些新的微生物,如擬革蓋菌屬(Coriolopsis)、戈登氏菌屬(Gordonia)、鏈核盤(pán)菌屬(Monilinia)、平革菌屬(Phanerochaete)、多孔菌屬(Polyporus)、希瓦氏菌屬(Shewanella)等,已經(jīng)報(bào)道的可以降解4環(huán)及4環(huán)以上PAHs的微生物主要有田頭菇屬(Agrocybe)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、布克氏菌屬(Burkholderia)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、假單胞菌(Pseudomonas)、副球菌屬(Paracoccus)、分支桿菌屬(Mycobacterium)、寡養(yǎng)食單胞菌(Stenotrophomonas)。土壤中能高效降解PAHs的微生物99很多種微生物可以通過(guò)不同途徑降解同一種PAHs,比如

菲,氣單胞菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、微球桿菌屬、芽孢桿菌屬均可將菲經(jīng)由鄰苯二甲酸脂降解為原兒茶酸,接著苯環(huán)斷開(kāi)生成醛類(lèi);分支桿菌屬PYR-1可以從K區(qū)、1-4碳位降解菲,從K區(qū)和3、4碳位的降解分別生成鄰苯二甲酸和萘酚,菲1、2碳位的代謝沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的降解,4環(huán)和4環(huán)以上PAHs微生物通常以共代謝方式進(jìn)行降解,微生物降解PAHs的方式有氧化還原作用、基團(tuán)轉(zhuǎn)運(yùn)作用、水解作用、酯化、縮合、氨化、乙?；?、雙鍵斷裂及鹵原子移動(dòng)。100原位修復(fù)不需要挖出和搬運(yùn)污染土壤,其主要方法有:①利用污染物的揮發(fā)性,2環(huán)以下PAHs主要以揮發(fā)作用去除。②在污染土壤部位種植植物,提高根際微生物對(duì)PAHs的降解作用。③利用污染土壤中的土著微生物對(duì)PAHs自然降解去除。④向土壤污染部位添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、親脂肥料、表面活性劑、電子受體、共代謝底物等,提高PAHs的溶出率,減小微生物與PAHs的作用阻力。⑤接種微生物。將已知能高效降解PAHs的微生物接種到土壤中去,以達(dá)到降解污染物質(zhì)的目的。原位修復(fù)一般都是在好氧條件下進(jìn)行,當(dāng)土壤是浸漬的稻田或其他板結(jié)的土壤時(shí),需通過(guò)人工方式增加土壤中空氣流量和微生物數(shù)量,采用的方法主要有泵處理、生物通風(fēng)法、生物強(qiáng)化法等。土壤PAHs污染的微生物修復(fù)方法（1）土壤PAHs污染的原位修復(fù)101土壤PAHs污染的異位修復(fù)102PAHs吸附在土壤中后,低環(huán)的PAHs可以溶解出來(lái),但是高環(huán)的解析并不是吸附的簡(jiǎn)單逆過(guò)程,它們?cè)谕寥乐袝?huì)被“鎖定”。某些環(huán)境中用于微生物增長(zhǎng)的無(wú)機(jī)鹽營(yíng)養(yǎng)比例并不是處于最佳值,適當(dāng)?shù)卦黾覰、P含量有利于微生物的生長(zhǎng)和有機(jī)物質(zhì)的生物降解。土壤中的pH值對(duì)微生物降解PAHs有著重要的影響,偏堿性時(shí)(pH值=7.5)微生物生長(zhǎng)繁殖較快,但PAHs降解率不高,酸性(pH值=6.5)條件下微生物繁殖速率適中,菲和芘更容易富集到細(xì)菌的體內(nèi)。此外溫度和土壤濕度對(duì)PAHs的降解也起著重要的作用。促進(jìn)土壤中PAHs降解的方法1.PAHs污染土壤的性質(zhì)改良103

大于4環(huán)的PAHs,其生物可利用性要小于3環(huán)以下的PAHs,這主要是因?yàn)?環(huán)以上PAHs屬低解析率,導(dǎo)致微生物不能吸收。PAHs由多個(gè)苯環(huán)以直鏈狀、角狀組成,分支較少,如果將苯環(huán)上的H+用OH-或NH4+取代則可以增加PAHs的降解率。表面活性劑可以提高PAHs的增溶作用,明顯增加PAHs在土壤中的降解速率,使用過(guò)后殘留的表面活性劑也可被芽孢桿菌利用,為了不抑制微生物的生長(zhǎng),使用時(shí)最好不要超過(guò)臨界使用濃度。固定化微生物可以減小微生物與污染物質(zhì)的作用半徑,提高微生物與污染物的接觸能力,使用較多的固定化微生物是真菌,真菌可以分泌多種酶,如蟲(chóng)漆酶、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶等,尤其對(duì)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104（1）甲基化作用

汞、鎘、鉛、砷等金屬離子都能在微生物的作用下發(fā)生甲基化反應(yīng)，有些金屬離子甲基化后毒性反而增強(qiáng)。

（2）還原作用

有些微生物能夠?qū)⒏邇r(jià)金屬離子還原成低價(jià)態(tài)，將有機(jī)態(tài)金屬還原成單質(zhì)，有些金屬在這個(gè)過(guò)程中毒性消失。

（3）氧化作用

Mn2+、Sn3+的生物毒性分別比Mn4+和Sn4+大，有些微生物能夠氧化Mn2+和Sn3+，使之成為毒性小的Mn4+和Sn4+。4.2.7微生物對(duì)重金屬污染物的作用4.2.7.1微生物對(duì)重金屬離子的轉(zhuǎn)化105（1）微生物吸附和微生物積累

微生物吸附主要是生物體細(xì)胞壁表面的一些具有金屬絡(luò)合、配位能力的基團(tuán)起作用，如羥基、羧基等基團(tuán)。這些基團(tuán)通過(guò)與吸附的重金屬離子形成離子鍵或共價(jià)鍵來(lái)達(dá)到吸附重金屬離子的目的。

微生物積累主要是利用生物新陳代謝作用產(chǎn)生能量，通過(guò)單價(jià)或二價(jià)離子的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)把重金屬離子輸送到細(xì)胞內(nèi)部。

（2）微生物吸附重金屬機(jī)理

①微生物細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)特性

細(xì)胞壁在微生物吸附重金屬離子的過(guò)程起著重要作用。

②微生物吸附重金屬機(jī)理

微生物吸附的機(jī)理主要有靜電吸附、共價(jià)吸附、絡(luò)合螯合、離子交換和無(wú)機(jī)微沉淀等。4.2.7.2微生物對(duì)重金屬離子的吸收與吸附106土壤Cr（VI）污染的微生物修復(fù)是利用土壤中的土著微生物或經(jīng)馴化的特定微生物，通過(guò)將Cr（VI）還原為Cr（III），達(dá)到降低Cr的移動(dòng)性和毒性等目的（周加祥和劉錚，2000）。目前已分離出多種對(duì)Cr（VI）有還原作用的菌種，如硫酸鹽還原菌（Lietal.,1994;SmithandGadd,2000;汪頻等，1993）、大腸桿菌（Escherichiacoli）（ShenandWang,1994）、陰溝桿菌（Enterobactercloacae）（Komorietal.,1990）、假單胞菌屬（Pseudomnonas）（Parketal.,2000）等。實(shí)例：土壤鉻（VI）污染及微生物修復(fù)（王鳳花等，2010）1.土壤Cr（VI）污染的微生物修復(fù)107108吳淑杭等（2007）從土壤中分離篩選出6株具有Cr（VI）還原能力的硫酸鹽還原菌，部分微生物在Cr（VI）為50mg·L-1的培養(yǎng)基中培養(yǎng)1d后即可完全使Cr（VI）轉(zhuǎn)化為Cr（III）。該研究還表明這些菌株同樣可以有效地將污染土壤中Cr（VI）轉(zhuǎn)化為Cr（III），降低了土壤中Cr的植物有效性和毒性，尤其以混合菌液轉(zhuǎn)化率效率更高，2d后Cr（VI）的轉(zhuǎn)化率為43%，10d后Cr（VI）的轉(zhuǎn)化率達(dá)75.3%。109毛暉等人（2006）采用培養(yǎng)方法研究了厭氧土壤環(huán)境下土壤微生物對(duì)鉻礦渣中Cr（VI）的還原，發(fā)現(xiàn)在土壤微生物作用下，其中的Cr（VI）和Fe（III）同樣可以作為電子受體而被還原，該方法可以使鉻礦渣中的Cr（VI）污染在較短時(shí)間內(nèi)完全除去。110土壤微生物是土壤中的活性膠體，具有比表面積大、帶電荷和代謝活動(dòng)旺盛等特性，對(duì)土壤重金屬元素的化學(xué)形態(tài)影響很大。受Cr污染的土壤中，往往存在多種耐Cr的真菌和細(xì)菌，它們可通過(guò)多種作用方式影響土壤中Cr的毒性。微生物修復(fù)Cr污染的機(jī)理111微生物對(duì)Cr的生物固定作用主要表現(xiàn)在胞外絡(luò)合、胞外沉淀以及胞內(nèi)積累3種作用方式上。由于微生物對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的吸附性能，Cr離子可以沉積在細(xì)胞的不同部位或結(jié)合到胞外基質(zhì)上，或被輕度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上，降低Cr的移動(dòng)性和生物可利用性。一些微生物如動(dòng)膠菌、藍(lán)細(xì)菌、硫酸鹽還原菌以及某些藻類(lèi)，能夠產(chǎn)生具有大量陰離子基團(tuán)的胞外聚合物如多糖、糖蛋白等，與重金屬離子形成絡(luò)合物。微生物對(duì)Cr離子的生物固定112研究表明，酵母菌在運(yùn)輸Cr時(shí)，需先把體內(nèi)作為能量貯備源的糖類(lèi)和蛋白質(zhì)等生物大分子分解為小分子，此過(guò)程與體外H+的運(yùn)輸和體內(nèi)陽(yáng)離子的釋放相耦合，產(chǎn)生能量并向體外運(yùn)輸小分子蛋白或其他小分子生物物質(zhì)，作為Cr（VI）的還原物和結(jié)合物，降低Cr的毒性，使鉻-生物物質(zhì)附著于細(xì)胞表面，并進(jìn)一步把Cr運(yùn)輸進(jìn)體內(nèi)（何寶燕等，2007）。

113微生物的細(xì)胞壁在生物吸附重金屬離子的過(guò)程中起著重要作用。細(xì)胞壁的特殊結(jié)構(gòu)，在很大程度上決定著微生物對(duì)重金屬離子的吸附能力，如細(xì)胞壁的多孔結(jié)構(gòu)使活性化學(xué)配位體在細(xì)胞表面合理排列，使細(xì)胞易于與金屬離子結(jié)合。同時(shí)，微生物細(xì)胞的細(xì)胞壁上存在著許多種官能團(tuán)，這些官能團(tuán)中氮、氧、磷、硫原子可作為配位原子重金屬離子配位絡(luò)合。細(xì)胞外多糖在某些微生物吸附重金屬離子的過(guò)程中也有一定的作用。114微生物對(duì)Cr（VI）的還原115為了提高微生物修復(fù)Cr的效果，應(yīng)加強(qiáng)微生物解毒Cr（VI）機(jī)理的研究，通過(guò)遺傳工程從現(xiàn)有的性能較好的菌種中開(kāi)發(fā)出高效的新菌種；此外，還應(yīng)開(kāi)發(fā)耐高堿、高鹽及高鉻的高效Cr還原菌，因?yàn)橹聘飶U物處置不當(dāng)引起的高pH值土壤中Cr（VI）污染越來(lái)越嚴(yán)重（Kamaludeenetal.,2003）。瞿建國(guó)等人（2005）從土壤中分離篩選出幾株抗Cr（VI）的硫酸鹽還原菌（SBR），能在Cr（VI）濃度為800mg·L-1的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)，其中2-S-8菌株在Cr（VI）濃度為72mg·L-1的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)36h后，培養(yǎng)基中的Cr（VI）全部消失，結(jié)果表明高毒的Cr（VI）可被2-S-8還原成低毒的Cr（III）。韓懷芬等人（2003）篩選出5株能還原Cr（VI）的菌種，并且微生物之間的協(xié)同培養(yǎng)可以提高Cr（VI）還原的效率，協(xié)同培養(yǎng)還原Cr的最佳pH為6~8，在此pH下，Cr（VI）還原的效率可達(dá)到100%。Michael等人（2008）從華盛頓SoapLake中篩選出一株為鹽單胞菌屬的抗Cr（VI）的菌。該菌株能在pH=9的堿性厭氧條件下，以醋酸鹽為電子受體還原Cr（VI）。提高微生物修復(fù)Cr污染土壤效果的措施1.篩選高效還原微生物，提高菌株的Cr還原能力116創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境，可以充分利用土著微生物和外來(lái)微生物的協(xié)同關(guān)系，使微生物的修復(fù)效果達(dá)到最佳。微生物修復(fù)的實(shí)質(zhì)就是在微生物生長(zhǎng)繁殖的過(guò)程中還原土壤中的Cr（VI），要使微生物修復(fù)效果達(dá)到最佳，就必須為其創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境。土壤的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溫度、濕度、pH值和通氣狀況等因素都會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖產(chǎn)生重要的影響，因此應(yīng)根據(jù)微生物生長(zhǎng)的影響因素尋求最佳的修復(fù)條件。

2.創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境，充分利用土著微生物與外來(lái)微生物的協(xié)同關(guān)系117

常文越等人（2007）在25℃、投加2%的還原菌和5%的有機(jī)質(zhì)，保持土壤初始pH值的條件下，進(jìn)行較佳還原條件下的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在上述條件下施用該菌劑1個(gè)月后，對(duì)于浸出液Cr（VI）濃度范圍從10~55mg·L-1的污染土壤，Cr（VI）的還原效果都可達(dá)到90%以上，土壤浸出液中Cr（VI）濃度已經(jīng)降低至0.75mg·L-1以下，即在條件適宜時(shí)，該菌劑對(duì)低濃度的污染土壤中的Cr（VI）具有很好的還原解毒作用。118徐衛(wèi)華等人（2007）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，施入稻草可以促進(jìn)Cr（VI）的還原，加快土壤中Cr（VI）和有效態(tài)Cr含量的降低；同時(shí)實(shí)驗(yàn)還探討了稻草對(duì)Cr（VI）污染土壤微生物活性的影響，結(jié)果表明施入稻草的土壤呼吸強(qiáng)度和微生物數(shù)量均比未施稻草的土壤高，即增施稻草對(duì)緩解Cr（VI）對(duì)土壤微生物的抑制作用有一定的效果。119已有研究表明微生物可以影響植物對(duì)Cr的吸收，一定條件下接種微生物可以在一定程度上提高植物對(duì)重金屬的吸收，而且已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模的修復(fù)中取得了良好的效果（Wuetal.,2006;Zaidietal.,2006）。在土壤和微生物共生環(huán)境中，微生物可將土壤有機(jī)質(zhì)和植物根系分泌物轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)為自身利用，同時(shí)這些小分子物質(zhì)可能會(huì)對(duì)土壤中的重金屬起到活化作用（張學(xué)洪等，2006）；微生物的代謝也可以分泌釋放一些質(zhì)子、酶、鐵載體等物質(zhì)（施積炎等，2004），對(duì)土壤中重金屬也有活化作用。另外，微生物還有很強(qiáng)的氧化還原能力，微生物可對(duì)Fe、Mn氧化物進(jìn)行

還原，使其吸收的重金屬被釋放出來(lái)（Glick,2003）。在重金屬污染的土壤中加入適量的硫，微生物可把硫氧化成硫酸鹽，降低土壤pH值，提高重金屬的活性，通過(guò)植物的吸收作用，達(dá)到土壤凈化的效果（Grichkoetal.,2000）。3.植物與微生物的聯(lián)合修復(fù)120

真菌可以通過(guò)分泌氨基酸、有機(jī)酸以及其他代謝產(chǎn)物溶解土壤中的Cr，進(jìn)而可以促進(jìn)植物對(duì)Cr的吸收（張學(xué)洪等，2006）。孟慶恒等人（2007）篩選出4株對(duì)Cr（VI）的清除率大于50%的土著菌株，并與玉米幼苗組合，對(duì)Cr進(jìn)行微生物-植物聯(lián)合修復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明，在Cr濃度為100mg·L-1的條件下，具有明顯降低培養(yǎng)液中Cr（VI）濃度的效果，污染物清除率可達(dá)70%.Rajkumar等人（2006）在Cr污染區(qū)分離到兩種促進(jìn)菌株P(guān)seudomnonassp.PsA4和Bacillussp.Ba32，這兩株菌都能產(chǎn)生鐵載體，都能溶解磷，接種這兩種菌均能促進(jìn)印度薺菜地上部、根及活力指數(shù)的增長(zhǎng)，提高Cr（VI）的吸收率。1211224.3環(huán)境修復(fù)微生物生態(tài)學(xué)原理微生物的生態(tài)因子4.3.1微生物生長(zhǎng)與種群增長(zhǎng)4.3.2微生物群落結(jié)構(gòu)4.3.3微生物種群間的相互關(guān)系4.3.41234.3.1微生物的生態(tài)因子環(huán)境條件的變化是通過(guò)生物的活性或者改變污染物的生物可利用性而影響到生物修復(fù)的。溫度和濕度pH值滲透壓氧輻射抗生素化學(xué)物質(zhì)124溫度和濕度溫度和濕度對(duì)任何生物都是重要的生態(tài)因子，影響生物體的活動(dòng)、代謝及存活。微生物生長(zhǎng)的溫度范圍為-12~100℃，大多數(shù)微生物生活在30~40℃。任何一種微生物都有一個(gè)最適生長(zhǎng)溫度。在一定的溫度范圍內(nèi)，隨溫度上升，微生物生長(zhǎng)速率加快。根據(jù)微生物對(duì)溫度的依賴，分為嗜冷性（<25℃）、中溫性（25~40℃）及嗜熱性微生物（>40℃）。125例子溫度變化對(duì)石油的生物降解速率的影響，隨著降解菌種類(lèi)的不同而有很大差異。中溫性假單胞菌在25℃時(shí)，石油降解速率為0.96mg/L，15℃時(shí)為0.32mg/L，5℃時(shí)為0.1mg/L。126pH值pH值會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)與代謝，是影響生理生化反應(yīng)的重要因子。嗜熱菌、嗜堿菌和一般微生物對(duì)環(huán)境pH值的要求相差較遠(yuǎn)。一般微生物要求pH值在5~9之間；最寬的在4~10之間，最適宜的在6.5~7.5之間；超越pH值4~10生長(zhǎng)的嗜酸或嗜堿微生物。127例子對(duì)烴類(lèi)生物降解的促進(jìn)作用，隨土壤pH值的增大而提高。在某種pH值為3.7的天然酸性土壤中，烴的生物降解作用最弱。在一種鹽沼沉積物種，正十八烷和萘生物降解在pH值為8.0時(shí)達(dá)到最高水平。128滲透壓微生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別是原核生物系菌類(lèi)，容易受到環(huán)境滲透壓的影響。環(huán)境中與微生物細(xì)胞體內(nèi)某種離子的濃度差會(huì)導(dǎo)致微生物的生理變化與適應(yīng)。129例子微生物在等滲環(huán)境中生長(zhǎng)最好。在低滲環(huán)境中，環(huán)境的水會(huì)不斷滲入細(xì)胞內(nèi)，致使細(xì)胞發(fā)生膨脹，甚至破裂；在高滲環(huán)境中，細(xì)胞內(nèi)的水流向外壁，利用高滲溶液保存食品，就是這個(gè)道理。130氧氧對(duì)微生物的生存具有至關(guān)重要的作用。就嚴(yán)格厭氧微生物而言，氧將使微生物死亡而對(duì)于好氧微生物而言，缺氧將導(dǎo)致其死亡131例子污水處理系統(tǒng)通過(guò)強(qiáng)力增氧使污水中溶解氧增加，以保證微生物能有足夠的可利用的氧來(lái)氧化降解有機(jī)污染物，使污水得以凈化。132輻射太陽(yáng)中的部分光譜可作為部分微生物光合作用的光源，如藍(lán)細(xì)菌和藻類(lèi)；另一些光譜則可能對(duì)微生物產(chǎn)生不利影響，如紫外輻射。133例子不同的微生物或者微生物的不同生長(zhǎng)階段對(duì)紫外輻射的抵抗能力不同。芽孢對(duì)紫外輻射的抵抗力要比正常細(xì)胞的抵抗能力高好幾倍。但芽孢在出芽階段則對(duì)紫外輻射十分敏感，因此紫外輻射常被用于醫(yī)療消毒和農(nóng)業(yè)育種。134抗生素許多微生物都能產(chǎn)生抑制其他微生物生長(zhǎng)代謝的物質(zhì)，稱為抗生素。135例子如普遍使用的青霉素。136化學(xué)物質(zhì)影響微生物的化學(xué)物質(zhì)非常多，有利于微生物生長(zhǎng)的，有不利于微生物生長(zhǎng)的。有利與不利隨微生物種類(lèi)而異，對(duì)一種微生物不利可能對(duì)另一種微生物有利。137例子重金屬給環(huán)境造成污染，也對(duì)微生物造成不良影響，如CuSO4是一種滅菌劑。一些有機(jī)化合物也對(duì)微生物有殺傷作用，如甲醛（福爾馬林）。1384.3.2微生物生長(zhǎng)與種群增長(zhǎng)微生物攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量，通過(guò)代謝獲得所需物質(zhì)和能力，使細(xì)胞增長(zhǎng)，該過(guò)程稱為生長(zhǎng)。當(dāng)微生物個(gè)體生長(zhǎng)到一定程度，細(xì)胞分裂而產(chǎn)生子代細(xì)胞，使個(gè)體數(shù)增加，該過(guò)程稱為繁殖。微生物數(shù)量不斷增長(zhǎng)，但營(yíng)養(yǎng)與空間有限，當(dāng)數(shù)量增長(zhǎng)到一定時(shí)候就不再增長(zhǎng)，甚至下降。微生物種群動(dòng)態(tài)符合一般規(guī)律的種群增長(zhǎng)曲線。微生物種群增長(zhǎng)曲線在生物修復(fù)中具有廣泛應(yīng)用意義。139微生物種群增長(zhǎng)曲線1404.3.3微生物群落結(jié)構(gòu)土壤環(huán)境及其微生物水環(huán)境及其微生物大氣環(huán)境及其微生物141土壤環(huán)境及其微生物土壤中含多種有機(jī)和無(wú)機(jī)物，是最適微生物生長(zhǎng)的環(huán)境；土壤中細(xì)菌大部分為革蘭陽(yáng)性菌，其數(shù)量比海洋高得多；微生物與土層有關(guān)，表層土資源較多，微生物競(jìng)爭(zhēng)較弱；影響土壤微生物分布的因素包括物理、化學(xué)和生物因素。142水環(huán)境及其微生物水環(huán)境的變化來(lái)自分布、水深和性質(zhì)淡水環(huán)境海洋環(huán)境143大氣環(huán)境及其微生物以人類(lèi)活動(dòng)而言，大氣環(huán)境可分為室內(nèi)環(huán)境室外環(huán)境1444.3.4微生物種群間的相互關(guān)系0表示無(wú)影響；+表示有益影響；-表示有害影響作用名稱種群A種群B中性共棲00偏利共棲0+協(xié)同共棲++共生++競(jìng)爭(zhēng)--偏害共棲0/+-捕食+-寄生+-145中性共棲（neutralism）概念兩個(gè)微生物種群間不發(fā)生相互作用。特征發(fā)生在非常低的種群密度下，一種微生物種群的存在不會(huì)影響到另一種的存在。例子海洋中會(huì)有這種現(xiàn)象。146偏利共棲（commensalism）概念兩種微生物種群共同生長(zhǎng)。特征一方因?yàn)榱硪环降拇嬖诙芤?，而另一方并沒(méi)有相應(yīng)的受益或受害。例子母牛分枝桿菌能使環(huán)己烷轉(zhuǎn)化為環(huán)己醇，假單細(xì)菌不能利用環(huán)己烷卻可利用環(huán)己醇147協(xié)同共棲（synergism）概念兩個(gè)微生物種群在一起時(shí)可以相互受益。特征使種群很好地聯(lián)合在一起，進(jìn)行但各種群所不能完成的物質(zhì)轉(zhuǎn)化。例子諾卡菌可代謝環(huán)己烷供假單胞菌利用，后者合成生物素供前者利用。148共生（mutualism）概念兩種群相互作用相互受益而形成的專(zhuān)性關(guān)系。特征協(xié)同共棲作用的延伸。例子S有機(jī)體將乙醇氧化為乙酸和氫，但又為自身產(chǎn)生的氫抑制；奧氏甲烷桿菌則能利用氫將CO2還原為甲烷。149競(jìng)爭(zhēng)（competition）概念兩種群在共同生存時(shí)發(fā)生爭(zhēng)奪資源的現(xiàn)象。特征雙方均受到不利影響。150偏害共棲（amensalism）概念兩微生物種群，一方抑制另一方生長(zhǎng)特征通常是一方產(chǎn)生抑制物質(zhì)抑制另一方的生長(zhǎng)例子一些微生物種群產(chǎn)生有機(jī)酸，排斥其他細(xì)菌151捕食（predation）概念一種群吞食另一種群特征捕食者的吞食可能導(dǎo)致被捕食者種群消失152寄生（parasitism）概念寄生物從寄生體內(nèi)獲得營(yíng)養(yǎng)，對(duì)寄主不利特征寄生物與寄主的關(guān)系比較專(zhuān)一例子病毒是一種胞內(nèi)專(zhuān)性寄生物，可廣泛寄生于細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)和原生動(dòng)物1534.4影響生物修復(fù)的污染物特性優(yōu)先污染物與目標(biāo)污染物4.4.1污染物化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)生物修復(fù)的影響污染物的降解方式對(duì)生物修復(fù)的影響污染物生物可利用性對(duì)生物修復(fù)影響1544.4.1優(yōu)先污染物與目標(biāo)污染物污染物（pollutant）任何物質(zhì)以不適當(dāng)?shù)臐舛?、?shù)量和形態(tài)進(jìn)入并作用于環(huán)境，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生傷害或損害。氮、磷等過(guò)多地排入水中，會(huì)造成藻類(lèi)異常繁殖，消耗水中的溶解氧，導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化。155優(yōu)先污染物（prioritypollutants）概念人們從眾多的污染物中挑選出一些重要的污染物優(yōu)先進(jìn)行控制。原則環(huán)境賦存最大分布廣泛檢出率高毒性強(qiáng)殘留時(shí)間長(zhǎng)易積累156目標(biāo)污染物（targetpollutants）概念在生物修復(fù)工程中，擬從環(huán)境中去除或減低危害的污染物。1574.4.2污染物化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)生物修復(fù)的影響結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單比結(jié)構(gòu)復(fù)雜的易降解；分子量小比分子量大的易降解。各類(lèi)有機(jī)化合物的生物降解化學(xué)基團(tuán)對(duì)生物降解的影響158各類(lèi)有機(jī)化合物的生物降解159化學(xué)基團(tuán)對(duì)生物降解的影響1604.4.3污染物的降解方式對(duì)生物修復(fù)的影響污染物的降解可分為單一微生物的降解混合微生物的共代謝降解1614.4.4污染物生物可利用性對(duì)生物修復(fù)影響結(jié)合微生物生態(tài)因子162163第一節(jié)生物修復(fù)概念及原理一、生物修復(fù)概念二、生物修復(fù)原理三、生物修復(fù)特點(diǎn)四、生物修復(fù)主要類(lèi)型164第一節(jié)生物修復(fù)概念及原理165二、生物修復(fù)原理與生物處理一致。利用細(xì)菌、真菌、水生藻類(lèi)、陸生植物等代謝活性降解、減弱有機(jī)污染物毒性,改變重金屬活性或在土壤中結(jié)合態(tài),通過(guò)改變污染物化學(xué)或物理特性而影響它們?cè)诃h(huán)境中遷移、轉(zhuǎn)化和降解速率。166三、生物修復(fù)特點(diǎn)優(yōu)：具投入低、效果好、不產(chǎn)生副作用。缺：1、不能降解所有污染物;2、污染物濃度過(guò)低,無(wú)法正常降解;167四、生物修復(fù)主要類(lèi)型（一）微生物修復(fù)（二）植物修復(fù)168（一）微生物修復(fù)1、微生物類(lèi)型土著微生物外來(lái)微生物（需大量接種）基因工程菌四、生物修復(fù)主要類(lèi)型169

2、影響微生物修復(fù)因素：（1）微生物營(yíng)養(yǎng)鹽

（2）電子受體：溶解氧—鼓氣或添產(chǎn)氧劑H2O2、有機(jī)物分解中間產(chǎn)物和無(wú)機(jī)酸根（如硝酸根、硫酸根）。（3）共代謝基質(zhì)：洋蔥假單胞菌以甲苯作生長(zhǎng)基質(zhì)可對(duì)三氯乙烯共代謝降解。

（4）污染現(xiàn)場(chǎng)和土壤特性（5）有毒有害有機(jī)污染物物理化學(xué)性質(zhì)：淋失與吸附、揮發(fā)、生物降解、化學(xué)反應(yīng)。四、生物修復(fù)主要類(lèi)型170（1）原位微生物修復(fù)原理：不需將土挖走,向污染區(qū)投放氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和供氧,促進(jìn)土壤中土著微生物代謝活性。為提高處理效果,接種經(jīng)馴化培養(yǎng)高效微生物菌株,利用其代謝作用降解污染物。包括:生物通風(fēng)法、生物攪拌法、泵處理法。（2）異位微生物修復(fù)原理：要求把污染的土挖出,集中進(jìn)行生物降解.包括:預(yù)制床法、土壤耕作法、土地填埋法、生物泥漿反應(yīng)器法。四、生物修復(fù)主要類(lèi)型171

（二）植物修復(fù)微生物不能降解重金屬,通過(guò)吸附或代謝改變化合價(jià)態(tài),從而改變其與其它化合物螯合態(tài)修復(fù)污染.難收集。1、植物修復(fù)通過(guò)自然生長(zhǎng)植物或遺傳工程培育植物系統(tǒng)及其根際微生物來(lái)吸收、移去、揮發(fā)或穩(wěn)定環(huán)境污染物。四、生物修復(fù)主要類(lèi)型1722、植物在土壤修復(fù)中應(yīng)用（1）植物對(duì)金屬去除

①植物固定：植物通過(guò)根系過(guò)濾、固定和鈍化使重金屬吸附于植物地下部分表面,從而降低生物有效態(tài),達(dá)到減輕污染效果.植物根際微環(huán)境發(fā)揮重要作用.

③植物吸收（抽提）：利用一些專(zhuān)性植物（超累積植物）根系對(duì)特定污染物(有機(jī)物和重金屬)吸收特性,將污染物吸收并在植物地上部分積累,再通過(guò)收獲地上部分而減少污染物。如十字花科遏藍(lán)菜屬植物可富集Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ和Ｎｉ等。400多種超累積植物（云南鉛鋅礦：小花南芥、續(xù)斷菊和巖生紫堇；中華山蓼和細(xì)葉芨芨草耐性植物--我國(guó)首次提出鉛鋅礦區(qū)直接用恢復(fù)礦山）②植物揮發(fā)：利用植物吸取、積累、揮發(fā)作用而減少重金屬在土壤富集,揮發(fā)出土壤表面和植物的過(guò)程.

擬南芥屬引入汞離子還原酶降解生物毒性汞。四、生物修復(fù)主要類(lèi)型173陳同斌研究員－－中科院地理所環(huán)境修復(fù)室，首次發(fā)現(xiàn)富集砷的超富集植物－蜈蚣草和大葉井口邊草，建立了亞洲第一個(gè)砷污染土壤植物修復(fù)基地---湖南郴州。面積13畝。含砷80mg/kg土壤中，蜈蚣草每年可吸走20kg砷/ha，砷去除效率約12％。

174（2）植物對(duì)有機(jī)物降解與去除植物直接吸收有機(jī)污染物：中等親水性有機(jī)污染物-含氯溶劑和短鏈脂肪族。植物釋放分泌物和酶，刺激根區(qū)微生物的活性和生物轉(zhuǎn)化作用：酶及有機(jī)酸與脫落的根冠細(xì)胞一起為根區(qū)微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或直接降解污染物。植物增強(qiáng)根區(qū)的礦化作用：菌根、形成有機(jī)碳有機(jī)物轉(zhuǎn)移、根區(qū)好氧轉(zhuǎn)化正常進(jìn)行。2、植物在土壤修復(fù)中應(yīng)用175（3）植物對(duì)放射性核素（核裂變）去除已有將土壤從污染位點(diǎn)搬移，然后用分散劑或螫合劑進(jìn)行處理。植物可從污染土壤中吸收并積累大量放射性核素?，F(xiàn)已在核電站附近發(fā)現(xiàn)能大量吸收Cs（銫）和Sr(鍶）植物種類(lèi)，如桉樹(shù)樹(shù)苗一個(gè)月可去除土壤中31.0％的Cs和11.3％的Sr。

四、生物修復(fù)主要類(lèi)型2、植物在土壤修復(fù)中應(yīng)用176