第五讲 生物修复.ppt

第五讲生物修复技术第一节生物修复技术概述第二节土壤生物修复技术第三节水体生物修复第四节石油污染场地的生物修复第五节生物修复技术进展,第一节生物修复技术概述,生物修复（bioremediation）：利用生物，特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中污染物的一个受控或自发进行的过程。生物修复的目的是去除环境中的污染物，使其浓度降至环境标准规定的安全浓度之下。优势：价格；常与其他修复方法联合使用，提高效果。,一、生物修复的主要方法生物修复技术的重点研究方向是：（1）通过各种工程手段增强自然界中已有但速度缓慢的生物降解过程；（2）通过应用各类生物反应器，增加污染物与微生物的接触机会，创造最佳生物代谢反应条件，促进污染物快速转化。,目前已经及正在应用的生物修复技术大致分为,污染土壤不需移动，污染地下水不需用泵抽至地面。此方法的优点是处理费用低，但处理过程控制比较难。需要通过某种方法将污染介质转移到污染现场附近或之外，再进行处理。通常污染物搬动费用较大，但处理过程容易控制。,生物修复技术,原位修复（insitu）异位修复（exsitu）,原位生物修复的主要技术手段：添加营养物质，溶解氧（提高微生物活性），微生物或/和酶（强化污染物分解速率），表面活性剂（促进污染物与微生物的充分接触），补充碳源及能源（保证微生物共代谢的进行，分解共代谢化合物）。根据被处理对象（如土壤、地下水、污泥等）的性质、污染物种类、环境条件等的区别，营养物质的添加方式也不同。,异位生物修复:结合了原位修复的技术手段，较多地应用了各类生物反应器。投资费用包括：污染物搬动费用、反应器的加工制造、控制系统的设置等。但对一些难以处理，尤其是一些有毒化合物、挥发性污染物或浓度较高的污染物的处理，异位生物处理是不可替代的选择。,二、应用生物修复技术的前提条件（1）必须存在具有代谢活性的微生物；（2）这些微生物必须能以相当速率降解污染物，并使其浓度降低至环境要求的范围内；（3）降解过程不产生有毒副产物；（4）污染场地中的污染物对微生物无害或其浓度对微生物的生长不构成抑制，或可以对污染物进行稀释；（5）目标化合物必须能被生物利用；（6）污染场地或生物处理反应器的环境必须利于微生物生长或微生物活性保持；（7）处理费用应较低，至少要低于其他处理技术。,三、影响生物修复的环境因素污染现场环境条件的多样性对生物降解的影响是巨大的。1非生物因素温度、pH、湿度水平（对土壤而言）、盐度、有毒物质、静水压力（对土壤深层或深海沉积物）。2营养物质在多数生物修复过程中需要添加氮及磷以促进生物代谢的进行。许多细菌及真菌还需要一些低浓度的生长因子，包括氨基酸、B族维生素、脂溶性维生素及其他有机分子。,3电子受体对好氧微生物而言，电子受体是O2。厌氧微生物也可以利用硝酸盐、CO2、硫酸盐、三价铁等作为电子受体分解有机物。4复合基质对一种化合物而言，另一种化合物的出现可能（1）促进其降解（2）抑制其降解（3）不产生影响。,5微生物的协同作用微生物直接存在的共生、互生、共代谢等关系。主要机理有：（1）一种或多种微生物为其他微生物提供B族维生素、氨基酸及其他生长因素；（2）一种微生物将目标化合物分解成一种或几种中间有机物，第二种微生物继续分解中间产物；（3）一种微生物共代谢目标化合物，形成的中间产物不能被其彻底分解，第二种微生物分解中间产物；（4）一种微生物分解目标化合物形成有毒中间产物，使分解速率下降，第二种微生物以有毒中间产物为碳源将其分解，这与机理（2）相似，也可能与不同种属微生物间氢的转移有关。,6捕食作用环境中细菌或真菌浓度较高时，常存在一些捕食或寄生类微生物,寄生微生物的有些种类可能引起细菌或真菌分解。这种捕食、寄生及分解作用可能影响细菌或真菌对污染物的生物降解过程。这种影响经常是破坏性的，但也有有利的情况。7种植植物近年来，植物根际微生物的分解过程受到了较多关注。多数情况下植物的种植有利于生物修复的进行。,四、生物补救的可行性评估程序（一）数据调查（1）污染物的种类、化学性质、分布、浓度，污染时间长短。（2）污染前后微生物的种类、数量、活性及分布情况。（3）土壤特性，如温度、孔隙度和渗透率。（4）污染区域的地质、地理与气候条件。（二）技术咨询在掌握当地情况之后，应向有关信息中心查询是否在相似的情况下进行过就地生物处理，以便采用和借鉴他人经验。如在美国可向“新型处理技术信息中心”（ATTIC）提出技术查询。,（三）技术路线选择对包括就地生物治理在内的各种土壤治理技术及它们可能的组合进行全面客观的评价，列出可行性方案，并确定最佳技术路线。（四）可行性试验假如就地生物处理技术可行，就要设计小试和中试试验。在试验中收集有关污染毒性、温度、营养和溶解氧等限制性因素和有关参数资料，为工程的具体实施提供基础性技术参数。（五）实际工程化处理如果小试和中试都表明就地生物处理在技术和经济上可行，就可以开始就地生物治理计划的具体设计，包括处理设备、井位和井深、营养物和氧源（或其他电子受体）等。,第二节土壤生物修复技术,按照污染物的种类，可将污染土壤分为有机物污染的土壤和无机物污染的土壤。,石油污染土壤、农药污染土壤、木材防腐污染土壤及能源燃烧引起的多环芳烃污染土壤等,主要处理方式：热处理（焚烧法）破坏土壤结构和组分，且价格昂贵很难实施物理及物理化学处理（洗涤法）采用的化学试剂的二次污染问题生物处理（生物修复技术）成本低；不破坏植物生长所需的土壤环境；污染物氧化完全，没有二次污染问题；处理效果好，对低分子量的污染物去除率可达99以上；可就地处理，操作简单。,(1)污染物的特性土壤中各种石油生物降解速率从大到小的顺序是：汽油、飞机用油、加热油、柴油、船用油。微生物对不同品质原油的降解率也不同，如：低硫、高饱和烃的原油可降解程度大；老化的原油比新鲜的可降解程度低得多。烃类的可溶性直接影响其生物降解速率。油浓度对降解菌的生物降解能力也有影响，如：土壤中烃浓度1.255时，土壤呼吸强度增大；达10时，不再增大；达15时，呼吸强度下降。,一、影响生物修复技术的主要因素,影响污染土壤生物修复的因素有许多，主要取决于污染物自身的性质、土壤微生物生态结构和土壤中的环境因子等。,（2）污染土壤的微生物生态结构污染物在土壤中净化的主要贡献者是具有降解该污染物能力的微生物。降解者的存在又与污染物的存在密切相关。例如，降解烃类的微生物在土壤和水环境中到处可见，但在一般情况下，降解烃的微生物只占微生物群落总数的1，而当有石油污染物存在时，降解者的比例可增加到10。,为缩短驯化期和提高污染物的降解率，在生物恢复技术中所用的微生物是连续从污染场地自身分离出来的。,表51从土壤中分离出来的降解烃类的部分细菌和真菌属,（3）污染土壤的环境因子表52影响有机污染物降解的环境条件,2.1原位治理方法（insitubioremediation）这种方法是在受污染地区直接采用生物处理技术，不需将土壤挖出和运输。该工艺处理方法简单，费用较省，不过由于采用的工程强化措施较少，处理时间会有所增加，而且在长期的生物恢复过程中，污染物可能会进一步扩散到深层土壤和地下水中，因而适用于处理污染时间较长，状况已基本稳定的地区或者受污染面积较大的地区。,二、污染土壤生物修复技术,应用微生物治理土壤有机污染的方法主要有三种：原位治理方法；异位治理方法；原位异位联合治理方法。,该方法已形成可供借鉴的比较定型的几种工程技术。投菌法/生物强化法（bioaugmentation）就是直接向遭受污染的土壤中接入外源的污染物降解菌，并提供这些细菌生长所需的营养物质，从而达到将污染物就地降解的目的。a超级细菌法b混合菌群法生物培养法/生物刺激（biostimulation）就地定期向土壤投加过氧化氢和营养物，以便使土壤中微生物通过代谢将污染物完全矿化为二氧化碳和水的方法称为原位生物培养法。生物通气法这是一种强迫氧化的生物降解方法，在污染的土壤上打至少两口井，安装上鼓风机和抽真空机，将空气强排入土壤，然后抽出。土壤中有毒挥发物质也随之去除，在通入空气时另加入一定量的氨气，为微生物提供氮源增加其活性。,还有一种生物通气法称之为生物注射法，即将空气加压注入污染地下水下部，气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解。生物通气法受土壤结构的制约，它需要土壤具有多孔结构。a空气喷雾（airsparging）或称生物喷雾（biosparging）治理的对象为土壤及地下水中石油烃类的污染，主要是鼓风供氧促进微生物降解。b生物抽气（bioventing）生物抽气主要用于不饱和土壤有机污染。负压充氧、喷灌营养物促进微生物降解。c生物抽吸（bioslurping）治理对象主要为石油烃类泄漏量大而且比较集中的情况。地下水被抽吸充氧后渗灌回原地促进微生物降解。,农耕法对只在表层被有机物污染且有就地处理条件的地块，可进行就地地耕处理。即对被污染土地土层进行耙耕，耙耕深度以0.20.4m为宜，以使石油烃类与土壤均匀混合，并尽可能提供微生物代谢的好氧环境。以后每两周至少耙耕一次，雨后应立即耙耕，以防土层板结。地耕法治理的主要优点是容易实施，费用低。光修复（photoremediation）直接或间接利用高等植物分解有机物的技术。可用于土壤、某些情况下浅层沉积物中化合物的生物修复。特点：费用较低，当污染土壤的深度在12米或更深一些时，此技术有相当的保证性。吸附力极强或已经老化、或处于螯合状态的有机物不宜采用此方法，通常修复速率较低，需要时间较长。,这种技术的优点是可以在土壤受污染之初限制污染物的扩散和迁移，减少污染范围。但用在挖土方面和运输方面的费用显著高于就地处理方法，另外在运输过程中可能会造成进一步的污染物暴露，还会由于挖掘而破坏原地点的土壤生态结构。,2.2异位治理法（exsitu）,预制床法在不泄漏的平台上铺上石子和砂子，将受污染的土壤以1530cm的厚度平铺在平台上，加上营养液和水，必要时加上表面活性剂，定期翻动充氧，将处理过程中渗透的水回灌于土层上，以完全清除污染物。该方法实质上是农耕法的一种延续，但是它降低了污染物的迁移。,堆肥法（composting）是传统堆肥和生物治理的结合。它依靠自然界广泛存在的微生物使有机物向稳定的腐殖质转化，是一种有机物高温降解的固相过程。一般方法是将土壤和一些易降解的有机物如粪肥、稻草、泥炭等混合堆制，同时加石灰调节酸度，经发酵处理，可将大部分污染物降解。影响堆肥法效果的主要因素有水分含量、碳氮比、氧气含量、温度和酸度等。,生物反应器法（bioreactor）把污染土壤移到生物反应器中，加39倍水混合呈泥浆状，同时加必要的营养物质和表面活性剂，泵入空气充氧，剧烈搅拌使微生物与污染物充分混合，降解完成后，快速过滤脱水。处理污染物的速度明显加快，但工程复杂，处理费用最高。同时，要防止难生物降解污染物从土壤转移到水中。,另外，还有厌氧处理法等。对有一些污染物（如三硝基甲苯、多氯联苯）好氧处理不理想，用厌氧处理效果好一些。但由于厌氧处理条件难于控制，其应用比好氧处理使用少。,针对柴油污染的土壤，采用原位生物降解，应该怎么做？,2.3污染土壤生物修复思考,氧化塘、人工湿地等水污染预处理技术生物氧化塘是一种利用生物天然净化能力净化污水的处理系统，可辅以人工曝气、投加污染物和底泥高效降解菌剂、放养适生水生生物等强化措施，污水经过氧化塘处理，可形成多级食物链组成的复合生态系统，这对城市水环境的生物修复极为有利。人工湿地利用基质微生物，水生植物，动物符合生态系统的物理、化学吸收、动物消费和微生物分解来实现对污水的高效净化。,第三节水体生物修复,河道和湖泊人工增氧技术通过一定的增氧设备，增加水体中溶解氧，能加速河湖水体和底泥微生物对污染物的分解，为水体中各种水生生物呼吸提供氧气，促进系统生物多样性。,根据需曝气河流水质改善的要求（如消除黑臭、改善水质、恢复生态等）、河道条件（包括水深、流速、河道断面形状、周边环境条件等）、河段功能要求（如航运功能、景观功能等）、污染源特征（如长期污染负荷、冲击污染负荷等）的不同，河道曝气复氧一般采用固定式充氧站和移动式充氧平台两种形式。,生物强化技术实际上是外源微生物投放技术。在我国城市水环境治理中，应用的微生物制剂主要包括美国的ClearFlo、CBS、日本EM、我国的光合细菌(PSB)、硝化细菌等，并取得了一定的治理效果。,生物促生技术生物促生技术是通过对自然界中污染物降解者（土著微生物）的促生作用，为之创造一个能顺利完成自然降解功能的环境，强化污染环境的自净能力，加速对有机污染物的分解。,生态混凝土技术所谓生态混凝土是一类混凝土介质，具有特殊的结构与表面特性，其上可附着生长适生生物，过滤净化入流的污染物。它能减轻环境负荷，与生态环境相协调。,底泥生物氧化技术通过把药物注射到河道底泥表面，对河道黑臭泥进行生物氧化，可有效降低底泥有机物含量和耗氧速率，提高底泥对上覆水体的生物降解能力，促进底泥微量营养释放和藻类生长。,生物操纵技术生物操纵就是利用调整生物群落结构的方法控制水质。其主要原理是调整鱼群结构，保护和发展滤食性的浮游动物，从而控制藻类的过量生长。其核心是利用浮游动物滤食浮游藻类，增加水体透明度。,水生植被恢复技术水生植被主要是指大型挺水植物，沉水植物、浮叶植物、漂浮植物等。水生植被恢复是城市水环境生物修复十分重要的环节，同时也是城市水质污染重要的指标生物。,水生生态恢复技术水生生态恢复是提高城市水环境自净能力，维护生物修复治理成果的必要措施，是生物修复的最高形式。通过生态恢复，使黑臭或富营养化水体向洁净好氧生态系统转化，提高水环境生物多样性和自净能力。,1、重水体生物修复而忽视底泥生物修复,目前我国城市水环境生物修复存在的问题,2、重外源微生物投放而忽视土著微生物激活,3、重单一措施而忽视综合处理,4、重污染源控制而忽视水环境生态恢复,水生植物生态浮岛技术是水环境治理与生态修复相兼顾的实用技术。内涵：运用无土栽培技术原理，以高分子材料为载体和基质，采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。原理：植物对氮、磷等营养物质的直接吸收利用和对有机污染物的促降作用；植物根系、浮床和基质在吸附悬浮物的同时，为微生物和其它水生生物提供栖息、繁衍场所，兼可美化水域景观。,案例1水生植物生态浮岛技术,水生植物生态浮岛主要由多个浮岛单元组成，每个浮岛单元由浮篮、种植篮、种植介质、连接扣以及水生植物五部分组成。,水生植物生态浮岛的净水机理,水生植物生态浮岛的性能特点发达的根系，可吸附和吸收水中的N、P等富营养化物质，以及大量藻类等浮游生物，且根系还释出能降解有机污染物的分泌物，加速污染物分解。利用生态浮岛调节水温，防止和控制藻类发生，使水体与空气之间有一定的接触空间，净水效果更突出；生态浮岛技术是生态技术，无环境风险和二次污染。浮岛独特的透气孔便于各种植物生根，可种植大多数的小型植物和大型植物，多种花卉搭配种植在水上形成美妙的水上景观；浮岛载体采用抗氧化材料，具有抗紫外氧化特点，经久耐用使用寿命最少在3年以上。浮岛载体独立注塑成型，可根据需求拼接，达到水上绿化的目的；浮岛刚柔兼备，具有较好抗风浪能力，固定简便，且便于水生植物种植和收割。,一般选择种植：旱伞草、水生美人蕉、水生鸢尾、千屈菜、再力花、梭鱼草、香蒲、石菖蒲槐叶萍等。下表是几种典型的水生植物干重体内氮、磷、钾的含有率及对营养物质的吸收量：,水生植物生态浮岛种植水生植物的选择,旱伞草,美人蕉,水生鸢尾,水生植物生态浮岛的安装与布置形式,案例2人工湿地法,人工湿地的机理,人工湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中,由土壤和填料(如砾石等)混合组成填料床,废水可以在床体的填料缝隙中流动,或在床体的表面流动,并在床的表面种植具有处理性能好,成活率高,抗水性能强,成长周期长,美观及具有经济价值的水生植物(如芦苇等),形成一个独特的生态环境,对污水进行处理。,吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。,物理作用,化学作用,生物作用,土壤、人工介质、植物、微生物,植物在具有良好的生态适应能力和生态营建功能,植物具有很强的生命力和旺盛的生长势,所引种的植物必须具有较强的耐污染能力,植物的年生长期长，最好是冬季半枯萎或常绿植物,具有生态安全性,具有一定的经济效益、文化价值、景观效益和综合利用价值,常作为人工湿地处理污水的挺水植物芦苇,常作为人工湿地的处理污水的浮水植物,除了湿地生态系统中的挺水、浮水、沉水植物之外，通常处理污水的人工湿地还会栽培一些有经济价值的、比较耐湿的植物作为处理用的植物。,如：美人蕉、富贵竹、芋类植物等在治理污水的同时还可以获得一定的经济效益。,富贵竹,风信子,马蹄莲,芋,美人蕉,人工湿地的分类,1、表面流人工湿地（SurfaceFlowConstructedWetlandsSFW）表面流人工湿地基质为土壤，水在湿地表面流动。这种类型湿地容易孳生蚊虫，散发臭味，环境效果差。污水与植物根系、基质中微生物不能充分接触，不能完全发挥植物根系及基质中微生物的作用，现在建造的人工湿地大多不选用这种类型。,2、潜流人工湿地（SubsurfaceFlowConstructedWetlandsSSFW）潜流人工湿地基质类型较多。有的是沙、砾石、沸石或煤渣。有的是以这几种基质以不同比例混合。水在基质空隙运行，不直接暴露在空气中。这种类型湿地环境效果较好。水在基质空隙能与植物根系充分接触，充分利用基质中的微生物。新建人工湿地大多选用这种类型。,人工湿地的分类,3、垂直流人工湿地（VerticalFlowConstructedWetlandsVFW）垂直流人工湿地综合了表面流及潜流的特点，污水在基质中沿垂直方向流动，可以使污水与植物根系及基质中的微生物充分接触，同时由上而下的流水可以为好氧微生物的活动提供更多溶解氧，因而能提高净化效果。但基建要求较高，应用较少。,人工湿地的分类,案例3桑基鱼塘生态工程,桑基鱼塘原理图,广东肇庆生态农村系统,美丽的屋顶花园,造成低下水污染的原因很多，主要有：污水渗入、污水灌溉，使得地下水的硬度、矿化度、细菌总数、大肠杆菌数及三氮等严重超标；酸雨使浅层地下水软化，导致水中的重金属被活化，加剧污染；过量开采地下水，造成海水、苦咸水超越原有咸淡水界面入侵到地下淡水含水层；垃圾渗滤液的渗入严重污染地下水；石油产品的生产、运输、储存等环节和污染物的事故性排放，大面积污染地下水，并预测几年后这个数字将会增至3倍。,二、地下水的生物修复,2.1地下水的原位修复早期地下水污染的修复是通过抽取地下水到地面上，处理后经表层土壤反渗回地下水中，处理的方法是一些常规物理、化学分离方法和20世纪60年代开始盛行的废水生物处理技术，即所谓的异位修复。70年代初，开发了向含水层内通入氧气及营养物质，依靠土著微生物的作用将污染物质降解为二氧化碳和水或转化为无害物质的原位生物修复法。地下水原位修复的典型流程见图53、54。,图53利用注射井进行地下水修复,图54利用生物滴滤池修复地下水,除了上图的抽提地下水系统和回注系统相结合法外，原位修复技术还有以下几种方法。生物注射法它主要是将加压后的空气注射到地下水的下部，气流的加入可加快地下水中有机物的挥发和降解。微泡法它是将含有125mg/L的表面活性剂的气泡注入被污染的地下水中。这种方法可以为细菌提供充足的氧气，从而提高微生物的代谢速率，是一种高效、经济的方法。有机粘土法它是将带正电的有机修饰物、阳离子表面活性剂通过化学键键合到带负电荷的粘土表面上合成有机粘土，并利用粘土上的表面活性剂吸附有毒化合物，然后进行生物降解的方法。,影响地下水生物修复的要素有以下几种。微生物的种类土著微生物是生物降解的首选菌种。只有当本地菌种不能降解该有机物，或污染物浓度很高又需快速处理时，才考虑外加菌种。但是外加菌种的投放需要考虑到降解有效性、环境安全性和生态风险。电子受体氧有利于地下水中污染物的生物降解，因而溶解氧的输送是地下水原位生物修复中关键的限制因素。目前，氧输入地下的方式主要有空气注入、纯氧注入、臭氧引入、过氧化氢溶液引入、胶态微气泡引入等。还可以利用地下水中的厌氧条件对有机物进行厌氧生物降解，此时可外加硝酸盐、硫酸盐或碳酸盐、三价铁（提供结合氧）作为生物修复的电子受体。,营养物质一般来说地下水是寡营养的，因而人为地增加一些营养物质对于快速降解有时是必要的，但是营养盐过多，则生物量剧增，会导致含水层堵塞，生物修复作用停止。大量引入硝酸盐还可能导致厌氧降解占优势，抑制好氧菌的生长。环境因素温度不仅对微生物活性有显著的影响，还决定生物修复过程的快慢。一般是普通微生物最适宜的温度为2035。另外，地下水中不同类型土壤对不同微生物种群的吸附性能差异很大，使微生物在地下水中迁移规律对于生物修复的结果可能具有重大影响。原位修复可单独应用，也可与其他技术配合应用，而且实施后现场生物群活性通常可保持几年以上，使修复具有持续效果。,2.2生物反应器法生物反应器的处理方法是一种异位修复与原位修复相结合的工艺。生物反应器较灵活，可以移动到现场直接处理被污染的地下水，且反应器可以连续运行也可以间歇运行。各类在废水处理中应用的生物反应器均可在地下水修复中得以应用。同时生物反应器法不但可以作为一种实际的处理技术，也可用于研究生物降解速率及修复模型。近年来，生物反应器的种类得到了较大的发展，出现了连泵式生物反应器、连续循环升流床反应器、泥浆生物反应器等多种形式。,通常做法是先用围油栏分片围住，再用吸油毡、消油剂等物理、化学方式处理。但自20世纪90年代以来，随着生物修复技术的发展，微生物处理技术在石油污染治理方面逐渐成为核心技术。,第四节石油污染场地的生物修复,一、石油烃类化合物的分类仅仅由于油轮失事、油田漏油、井喷等流失的石油，每年就多达几百万吨，使大面积海域或土地受到严重的石油污染。石油的主要成分是以烃类化合物为主，一个典型的石油样品含有多达200300种不同的烃类化合物，是目前环境中烃类化合物污染的主要来源，可分为4类：饱和烃、芳香族烃类化合物、沥青质及树脂。不同烃类化合物的降解率模式是：正烷烃分枝烷烃低分子量芳香烃多环烷烃。,二、石油烃类化合物的生物降解途径这些石油烃类化合物的微生物分解途径主要有直接矿化和共代谢。降解的关键步骤是底物被氧化酶氧化的过程，此过程需要分子氧的参与，因此石油的分解过程主要是好氧过程。一般的烷烃可以通过单一末端氧化、双末端氧化、亚末端氧化途径降解。,2.短链脂肪酸由经中心代谢途径分解为CO2。,1.正烷烃的分解通常从一个末端的氧化形成醇开始，而后转化成羧酸或醛，羧酸靠氧化进行深入降解，形成二碳单位的短链脂肪酸和乙酸辅酶A。,3.多分枝的烯烃主要转化成二羧酸再进行降解，甲基会影响降解的进行。,4.芳香烃降解一般先在双加氧酶的作用下结合分子氧形成顺二羟基醇，之后失去两个氧原子形成邻苯二酚，邻苯二酚继而降解为三羧酸循环的中间产物。,5.环烷烃主要时通过共代谢降解。通常，环烷烃的降解需要两种氧化酶的协同氧化：一种氧化酶先将其氧化为环醇，接着脱氢形成环酮；另一种氧化酶再氧化环酮，环断开之后深入降解。,三、降解石油烃类化合物的微生物天然微生物的生物降解作用已成为消除环境中石油烃类污染的主要机制。自然环境中，能够降解石油烃类化合物的微生物主要是细菌和真菌，细菌在海洋生态系统中占主导地位，而真菌则是淡水和陆地生态系统中更重要的因子。能够降解石油的微生物种类很多。目前已了解到，细菌、放线菌、酵母、真菌中有70个属，约200个种能生活在石油中，并通过生物氧化降解石油。细菌以棒杆菌、节杆菌、假杆菌、短杆菌等较常见；放线菌有链霉菌和诺卡氏菌；真菌中的枝胞霉被认为是主要的解烃真菌。,四、石油污染海洋的治理,1.海洋石油污染及降解石油进入海洋后，经扩散、挥发、乳化、沉淀后一部分海洋表面的石油可能受紫外线作用而发生光分解，但光化学分解很慢。微生物可在12周内形成细菌群落，分解在海面上扩展的薄层石油。在23个月内石油被分解、消失。2.海洋石油降解微生物的分布石油降解菌分布的特点是在近海、海湾等处数量多；在远洋很少。一般情况下，降解烃微生物常生长在油水界面上。,3.环境因子对微生物降解海洋石油的影响温度：中温菌5以下难以分解；嗜冷菌即使在1.1，当菌体密度为108个mL时，石油分解速率仍可达1.2mg/Ld。氧：石油中各种组分完全生物氧化，需消耗大量氧。据测算，1g石油被微生物矿化需34g氧，即需消耗2.1L以上的氧。所以，在石油严重污染的海域，氧可能成为石油降解的限制因子。营养：海水中NP常是生物增殖的限制因素，要求加入的营养盐必须易于被微生物利用，同时不受潮汐和风暴的影响，能够保持在海岸上，并且对土著微生物无毒。当然加入的营养也不应导致水体加富，产生赤潮。,（1）土壤的非原位处理技术土地处理技术是一种异地强化生物降解技术，适用于土壤总石油类物质TPH的污染强度在1000mgkg以下的情况。,五、石油污染土壤的生物修复,土地处理技术的基本实施步骤为：场地处理，准备一块场地，对下部垫面进行防渗处理，以免长期放置石油类污染物而影响地下水水质，同时在场地四周建立防止污染物向四周扩散的阻断墙，阻止污染向四周扩散；,把受污染土壤运至现场，并平铺成3080cm厚的污染土层；设置灌溉系统保证土壤湿度；处理过程中周期性地进行耕作（翻土），以保证土壤结构的优化，增加土壤的通透性和一致性，提高氧转移的效率。灌溉时一般要在水中溶解一定浓度的N、P和表面活性物质，在稳定土壤湿度的同时也稳定营养物质的配比，提高生物的活性。营养物投放量必须依据土壤TPH浓度、降解微生物类型、污染物的可降解性等因素进行计算。,（2）生物堆积处理技术这是一种对土地处理技术的改进降解技术。通常是将石油污染的土壤堆积成条状，土层中铺有送气管道，污染上层以下设有多孔集水管，收集渗滤液。中间留有“田埂”，以便于收集产生的渗出液。这种方法二次污染更少，处理效率更高。,（3）堆肥处理技术该方法适宜对高挥发、高浓度石油污染土层的处理与修复。添加的改良剂主要有树枝、树叶、秸秆、稻草、粪肥、木屑等。改良剂增大了土壤的通透性，提高了氧传递效率，而且还提供了快速繁殖大量微生物群落所需要的基本能源。,（4）土壤的原位处理技术这种方法适用于石油污染土层不便于挖掘或很难找到合适的专用处理场地的情况。应用这种技术有两个前提条件：一是现场土质必须有足够的渗透性，便于氧化剂和代谢产物的顺利扩散；二是存在大量具有降解能力的微生物。系统中设地下水积水管，收集可能受到污染的下渗水流，并经过处理后加上适量的N、P等营养物质，再由布水系统投加到污染土层，以保持土层的湿度和营养平衡。系统设置穿孔进气管，以有效补充系统的需氧量。在土层中埋设积气管并用空气抽吸设备帮助排放代谢产物中的气体。,此外，植被治理技术主要适用于表层土壤受到污染时的治理，如采油井场的治理等。植被的存在可以有效地改善土层的湿度条件，加强上层的透气性，调节土层的营养比例，从而提高降解效率。常见的适宜治理井场的植物有：虎尾草、轮藻、绵蓬、骆驼蒿、猪毛菜、羊茅、蒺藜、旋花、苍耳、芦苇、蒙古冰草、防风、赖草等。在充分论证果实中不会发生石油类物质的累积效应后，还可以配合种植一些经济作物如胡萝卜、甜菜、小麦等以提高治理过程的经济效益。优点：经济，彻底，其产物是CO2和水，完全无毒害。缺点：见效慢、受理化及环境因子影响大、前期研究困难且费用昂贵、毒性和安全问题需要注意。,植物在环境污染治理中的作用,植物修复的概念利用绿色植物清除环境中的污染物，使其去除降低或消失称作植物修复(phytore-mediation)(Raskin等.1994)。植物修复的主要对象是有毒重金属和有机污染物。,研究表明，许多细菌、真菌、藻类和植物都有从周围环境富集重金属的能力，然而至今仍没有一种经济有效的方法从土壤中回收富集了重金属的微生物。相比较而言，回收富集了重金属的植物则较容易。尤其是那些将重金属吸收到地上部的植物的回收更加简便易行。,植物固定(Phytostabilization)根系降解(Rhizodegradation)植物促进(Phytoaccumulation)植物降解(Phytodegradation)植物挥发(Phytovolatilization)挥发转移(Evapotranspiration),一、植物修复的类型,植物固定(Phytostabilization)利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在根系地带,降低其活动性,阻止其向深层土壤或地下水中扩散,但并不为植物利用,即根系对污染物起固定作用。,根系降解(Rhizodegradation)植物中超过20%的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部,因此会生长很多微生物,尤其在根表面向外1-3mm的地方,这些微生物是没有种植过植物的土壤的3-4倍。一些微生物可以同植物相结合促进重金属的降解,也可以矿化某些有机污染物如PAHs、PCBs。,植物促进(Phytoaccumulation)也称之为植物提取(phytoextraction),植物根系将土壤中重金属或有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上部分。一般指那些能累积超过叶子干重1.0%的Mn，或者0.1%的Co、Cu、Pb、Ni、Zn，或者0.01%的Cd的植物。目前世界上有500多种这样的植物。,植物降解(Phytodegradation)植物的根、茎、叶吸收或降解污染物,主要是有机污染物如PAHs、TPHs、PCBs,无机污染物如氮氧化物、硫氧化物。判断这些污染物能否进入植物体内的指标是该物质在辛醇水中的分配系数(logKOW)。logKOW在1-3.5之间的物质可以被植物吸收降解。,植物挥发(Phytovolatilization)某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空隙中挥发。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出的物质可能被空气中的活性羟基分解。如有毒的Hg2+经植物挥发后变成了低毒的Hg，高毒的硒变成了低毒的硒化物气体等。,挥发转移(Evapotranspiration)植物通过叶表孔隙挥发水分的形式转移在水系中的污染物。如白杨、桉树、河香柏等树木具有很深的根系,每天可以蒸腾大量的水,将水中某些污染物转移至植物体内。,植物修复在空气污染中的应用植物在水环境污染中的应用植物在土壤污染中的应用,二、植物修复在环境污染中的应用,植物修复在空气污染中的应用氮氧化物NxOy是污染空气的一类主要化合物，NO2同O3在光照的条件下容易形成光化学烟雾，N2O是一种能引起温室效应的气体，它可以辐射传热,破坏同温层的O3。某些植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用,利用这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法。,HiromichiMorikawa等人详细研究了NO2被217种高等植物、50种野生草本植物、60种人工培育的草本植物和107种木本植物吸收和还原为N2的情况，结果表明辛荑对NO2吸收最高，达12.7mg/g(干重)；菊科、桃金娘科、茄科和杨柳科有较高的还原N2的能力。,植物在水环境污染中的应用水环境中的污染大致可分为三类:（1）无机营养元素如氮、磷等；（2）有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAHs、炸药等；（3）重金属的污染。,（1）无机营养元素如氮、磷等去除利用水生植物去除由氮、磷等无机营养元素引起的水体富营养化问题已有大量研究。种植莲藕、水稻既可以去除氮、磷,又有很好的经济价值；被制成浮床的大椿草、水芹、水荣草、多花黑麦草等对去除水体中的氮、磷和抑制藻类滋生均有明显的作用。这些植物发达的根系及与根系共生或混生的微生物往往共同对水环境起着净化作用。,（2）有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAHs、炸药等去除利用某些植物降解、矿化污染物为毒性弱的小分子、具有无机物的特性,修复受污染的水体。水葫芦可以去除水体中的有机磷农药、染料、酚、多环芳烃、甲基对硫磷等有机污染物；浮萍、伊乐藻对杀虫剂DDT降解有明显的作用,金鱼藻、伊乐藻或浮萍可以显著降低地表水中异丙甲草胺浓度;长春花可用于修复受炸药TNT污染的地表水;龙葵能有效地降解PCBs。,（3）重金属去除植物通过根系吸收、浓缩和沉淀水体中有毒有害重金属是非常具有吸引力的一种含重金属废水的处理方法,是目前研究的热点问题。用于修复水体污染物的植物大多是沉水和水面漂浮植物,其中如绿藻对Cd、Hg、Cu、Pb的去除率可达80%-90%;黑麦草对黄金废水不仅有很强的净化能力,而且也具有很高的富集功能,其根部的含金量最高可达784g/t(干重)。,植物种苗对水中重金属的去除作用比植物根的去除作用更强，利用植物种苗去除水中重金属被称为种苗过滤，是修复含重金属废水发展的新方向。渠荣遴等人研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等作物种苗对水体中Zn、Pb、Cu的去除作用，结果表明:蓖麻对Zn的积累最高，达30.0mg/g；向日葵对Pb的积累最高,达91.6mg/g；向日葵对Cu的积累最高,达24.3mg/g，其茎、叶中也有一定量的铜积累。,植物在土壤污染中的应用土壤中的污染物主要为：（1）有机物如有机农药、石油类(TPH)、酚类、氯溴代有机化合物等；（2）重金属等。,（1）植物修复有机污染物植物修复有机污染物的方式主要以植物固定、植物降解为主。紫花苜蓿,黑麦草,小蓝茎草已成功地用于土壤中PAHs的修复,在6个月内可以将PAHs总量降低57%；银合欢可以吸收和代谢二溴甲烷、三氯乙烯；转基因胡萝卜根须中聚集的苯酚浓度可达1000mmol/L，氯酚50mmol/