生物修復(fù)本章重點(diǎn)難點(diǎn)1掌握生物修復(fù)的方法及原理2影響

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

2、的種類1在土壤的生物修復(fù)中,根據(jù)人工干預(yù)的情況，可進(jìn)行如下分類：'自然生物修復(fù)'人工生物修復(fù)原位生物修復(fù)異位生物修復(fù)Vf非反應(yīng)器型反應(yīng)器型2 根據(jù)生物修復(fù)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(jìn)行微生物強(qiáng)化作用。3 原位生物修復(fù)的主要技術(shù)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(qiáng)化污染物分解速率； 添加表面活性劑，以促進(jìn)污染物質(zhì)與微生物的充分接觸； 補(bǔ)充碳源及能源，以保證微生物共代謝的進(jìn)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(fù)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(fù)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(jī)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(jī)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(jià)鐵等作為電子受體分解有機(jī)物；4 復(fù)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(dá)的根際微生物區(qū)系，這將對污染土壤的修復(fù)過程起到積極的

4、促進(jìn)作用。9.4 原位生物修復(fù)9.4.1 概念原位修復(fù)技術(shù)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(dòng)或移動(dòng)，在原位和易殘留部位進(jìn)行的修復(fù)。土壤生物修復(fù)技術(shù)(也稱生物恢復(fù)、生物整治等)就是一種利用生物技術(shù)和方法來治理土壤污染使其恢復(fù)其正常功能的途徑。廣義的土壤生物修復(fù)包括利用土壤中的各種生物-植物、土壤動(dòng)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(fù)分為植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)和微生物修復(fù)三種類型。狹義的土壤生物修復(fù)，就是利用微生物的作用將土壤中有害的有機(jī)污染物降解為無害的無機(jī)物(CO2和h2o)或

5、其他無害物質(zhì)的過程。9.4.2 原位修復(fù)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(fù)受污染的環(huán)境。微生物對物質(zhì)進(jìn)行各種轉(zhuǎn)化作用的生理學(xué)基礎(chǔ)是其新陳代謝活動(dòng)，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(huì)影響微生物的活性。各種不同類型的代謝反應(yīng)是在細(xì)胞內(nèi)的水介質(zhì)中進(jìn)行的，因此水是細(xì)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(shí)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(diǎn)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(hù)，難降解的有機(jī)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(xì)胞質(zhì)，有些共降解中間產(chǎn)物對細(xì)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(yīng)，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(fù)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(gè)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(tuán)，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(fù)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(qiáng)化措施：人工復(fù)氧；投加微生物菌種和微生物促生劑工程；植物修復(fù)與微生物修復(fù)相結(jié)合；利用專家系統(tǒng)。9.4.4原位修復(fù)的工程技術(shù)方法比較典型的是：原位氣相抽取技術(shù)、原位生物修復(fù)技術(shù)以及最近幾

8、年發(fā)展起來的原位土壤沖洗技術(shù)、原位電磁波頻率加熱技術(shù)、原位玻璃化技術(shù)等。土壤有機(jī)物污染的治理主要有化學(xué)法、生物法及化學(xué)與生物相結(jié)合的修復(fù)方法。9.5 異位生物修復(fù)技術(shù)9.5.1 概念異位生物修復(fù)：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(shù)系統(tǒng)。特點(diǎn)：環(huán)境影響小，生物修復(fù)只是一個(gè)自然過程的強(qiáng)化，其最終產(chǎn)物是二氧化碳、水等，不會(huì)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(fù)技術(shù)可以將污染物的殘留濃度降到最低。9.5.2異位生物修復(fù)機(jī)理（1）有機(jī)污染物進(jìn)入微生物細(xì)

9、胞的過程微生物降解有機(jī)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(xì)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(dòng)運(yùn)輸、被動(dòng)擴(kuò)散、基團(tuán)轉(zhuǎn)位、胞飲作用等。（2）微生物降解有機(jī)污染物的基本反應(yīng)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?；鶊F(tuán)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(yīng)。水解作用：酯類的水解

10、，多種微生物可發(fā)生此反應(yīng)；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(jìn)行生物降解。酯化作用縮合反應(yīng)氨化作用乙?；饔秒p鍵斷裂反應(yīng)鹵原子移動(dòng)9.5.3影響異位生物修復(fù)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(gè)最適生長溫度。酸堿度氧氣供應(yīng)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(jī)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(fù)技術(shù)方法異位生物修復(fù)主要包括：現(xiàn)場處理法預(yù)制床法：優(yōu)點(diǎn)是可以在土壤受污染之初限制污染物的擴(kuò)散和遷移，減少污染范圍。但用在挖土方和運(yùn)輸方面的費(fèi)用顯著高于原位修復(fù)方法，另外在運(yùn)輸過程中可能會(huì)造成進(jìn)一步的污染物暴露，還會(huì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)器：主要缺點(diǎn)是工程復(fù)雜，要求嚴(yán)格的前、后處理工序，處理費(fèi)用高。同時(shí)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(yīng)器及其工藝有泥漿生物反應(yīng)器生物過濾反應(yīng)器

12、固定化膜與固定化細(xì)胞反應(yīng)器厭氧-好氧反應(yīng)器轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器厭氧生物處理法9.6 工程實(shí)例9.6.1原位生物修復(fù)在土壤污染治理中的應(yīng)用（1）美國猶他州某空軍基地針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)油污染的土壤，采用原位生物降解進(jìn)行修復(fù)；（2）利用土著微生物，通過補(bǔ)充養(yǎng)分提高生物降解速率而清除石油污染的成功實(shí)例也受到其他國家的認(rèn)可與采納；（3）除可清除石油污染外，生物修復(fù)技術(shù)還成功地應(yīng)用于其他化合物污染的修復(fù)。如原美軍基地中軍用化學(xué)物2，4，6-三硝基甲苯（TNT）嚴(yán)重污染了當(dāng)?shù)氐耐寥?。?）燃料污染土壤的生物修復(fù)。9.6.2 原位生物修復(fù)在水污染治理中的應(yīng)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(shè)了生物除臭系統(tǒng)；（2）利用生態(tài)修復(fù)技術(shù),消除青浦區(qū)政府旁斷頭浜躍進(jìn)河嚴(yán)重的水體黑臭；（3）利用復(fù)合酶技術(shù)治理污染河道；（4）利用微生物技術(shù)在治理漓江山水花園內(nèi)部水系時(shí),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(jī)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(fù)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(fù)技術(shù)對蘇州河嚴(yán)重污染支流-綏寧河進(jìn)行原位污染治理和生物修復(fù)工程試驗(yàn)；（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(jìn)行