第十二章生物修复

第十二章生物修复武青1032011224003影响生物修复的环境因素非生物因素温度、pH、湿度水平、盐度、有毒物质、静水压力营养物质氮、磷、生长因子如氨基酸、B族维生素、脂溶性维生素及其他有机分子电子受体好氧微生物的电子受体是O2，兼性厌氧微生物可利用硝酸盐、CO2、硫酸盐、三价铁等复合基质：多种污染物的相互影响微生物的协同作用：提供营养、共同代谢捕食作用：一般为破坏性影响种植植物：多数有利于生物修复原位修复原位修复时在污染源就地处理污染物的一种生物处理技术，包括自然修复和工程修复两种过程，是最常见的生物修复形式。主要是指在人为控制条件下进行(1)不饱和土壤(2)饱和土壤(3)地下水中污染物的生物降解与污染治理。原位修复原位生物修复的主要过程是投加营养物质、提供氧源（通常是H2O2）、接种特殊微生物。原位修复不需将污染物转移，具有省时、高效的优点。缺点是过程难以控制。原位生物修复中，氧的传输和土壤的渗透性是成功的关键。原位修复的主要处理法有

生物通风法(bioventing):对不饱和土壤生物搅拌法(biosparging):对饱和土壤部分打入空气泵处理法：抽出法水力学控制原位生物修复设计的第一阶段是选择隔离和控制污染带的技术。水力学控制对移动或阻止地下羽流、提高和降低水位及控制污染水流等都是必需的。流体力学隔离系统的费用一般比物理遏制结构要低,也更灵活。水力系统除了能隔离污染带以外，还是过程控制的重要手段;系统包括注入井、回收井以及控制进出污染区传质可能的障碍;补给水使用经过处理的回用水或未受污染的水源水;补给水流中可以含有营养盐、基质和电子受体输入亚表层，还可以加微生物接种体。水力控制设计需要了解现场的水文地质。含水层反应试验、示踪试验、水力模型是比较常用的手段。注入速率影响降解速率，流速影响溶质和气体的传输速率、接触时间，最佳注入速率一般用水力模型难以预测，必须依靠现场监测。亚表层供给系统原位生物修复的基质（生物修复控制剂）供给系统种类

方法重力法淹灌、塘灌、表面喷灌、渗滤沟、渗滤床强制法水泵注入、空气真空、空气注入1重力注入地表重力供给系统法适合于浅层废物沉积、高渗透性场所和局部的污染.即对渗流带的效果较好,在饱和带重力法充分混合较难,要充分考察后使用.寒冷天气是一个限制因素.设计重力供给系统应该考虑的主要问题：电子受体和营养盐的供应速率、渗入速率污染概况(地点、深度、污染带)场地特征(水力传导特性、降水量、孔隙度)含水层厚度电子受体、营养盐以及基质的需要量应根据污染物的质量或呼吸试验计算得到。如果重力法供应的物质速率可满足有机物降解速率，则可采用重力法；如果达不到要求，则需用强制法。在重力供应系统中，受电子受体供应速率的限制，修复速率很慢。虽然每月投入的人力物力很少，但耗时长，最后总费用可能会超过其它供给系统。重力法渗透供给系统与修复项目密切相关:首要考虑是污染物是在渗流带还是在饱和带，重力法在渗流带、饱和带和两者均可用。第二考虑是电子受体如何携带。如果水仅携带营养，气则要另外注入，那么不饱和带就要保持较高的透气率。如果电子受体由水携带，那么就要以最快的速度下渗。2强制注入强制注入在过程控制中较为灵活。但浅水注入点限制注入系统的水头和注入井影响的区域。注入井，回收井壁一般要考虑作密封处理,防止气体或水向上渗透.在原位生物修复中各种不同的影响带生物修复的影响带经常是根据携带氧浓度所确立的(>1mg/L):氧影响带决定了强制注入井的间隔以及井的投资(井的材质、深度）;理想的注入井和回收井之间的距离，应是能使营养液在注入后6周内达到污染区,但要注意营养液在此期间的损耗;化学品迁移时间和反应速率可以根据可处理性研究和泵试验估算，但必须经现场监测证实。原位氧源好氧微生物中氧通常是限制因子可通过强制手段加入分子氧也可通过化学反应加入系统选择氧供应系统应按考虑的因素:污染负荷需氧量设计降解速率氧转移速率氧源传输利用的难易氧源的费用供氧方式井孔通气含氧水的注入过氧化氢的注入生物通气生物注气井孔通气井孔通气是结构最简单、价格低廉的系统，可通过多孔气泡装置将空气扩散到井孔中。向井水中注气可使用金刚砂扩散器、多孔石、环带金属、碳化硅扩散器等－使空气气泡更细小，便于溶解。含氧水注入用泵打入饱和含氧水是最常见的供氧注入速率/(L/min)单井供氧量/(kg/d)通气水(DO=10mg/L)含氧水(DO=50mg/L)4.50.01440.07245.50.1440.724551.447.2含氧水注入供应的氧井孔通气、含氧水注入存在的问题:生物阻塞常抑制气流进入井孔，解决办法是将注气器提出清洗和用化学品处理井。

供氧速率低是其主要缺点，1m3烃类污染的土壤需要有20万m3饱和含氧水，解决办法是用过氧化氢和土壤通气方式注入氧。烃类矿化需要供给的氧量和硝酸盐量电子受体浓度和载体载体/烃类(质量)O2（空气）8mg/L,水40万O2

（纯O2

）40mg/L,水8万O2

（过氧化氢）100mg/LH2O2,水6.5万500mg/LH2O2,水1.3万硝酸盐50mg/L,水9万O2

（空气）20.9%,空气13过氧化氢注入质量比为1:0.47需要有饱和的亚表层需要强制注入主要问题是控制分解速率使用中需注意的问题:土壤酶促反应、一些金属、高pH值都可使过氧化氢分解土壤降解限制了使用浓度，干净砂为500mg/L,其他为100mg/L过高有毒性,且各类细菌耐受能力不同磷酸盐可使过氧化氢稳定时间加长,宜采用简单－复杂磷酸盐混合物生物通气是向亚表层供给空气或氧气，促进不饱和层中污染物生物降解的技术地下水未饱和土壤水位污染区域注入井引风机引风机基本生物通气处理系统示意图生物注气是将空气压入饱和层水中，使挥发性化合物进入不饱和层进行生物降解，同时使饱和层也得到氧气有利于生物降解.扩大了生物降解的面积，使饱和带和不饱和带的土著菌都发挥作用地下水未饱和土壤水位污染区域注入井引风机引风机生物注气处理系统示意图原位修复实例胡广仁（1993）北京某水厂附近一加油站两个柴油灌漏油78吨，25天后距离漏油点105米的供水井中检出油，一座5000吨的储水池及1000米以上的输水管道被污染，水厂被迫停工。处理：采用帷幕注浆换土，和抽水控制污染物迁移。异位修复异位生物修复是将受污染的土壤、沉积物移离原地，在异地用生物的、工程的手段进行处理，使污染物降解而使污染的土壤恢复到原有的功能。异位修复主要包括土壤耕作法、生物堆放法、堆肥法和生物反应器。土壤耕作法

土壤耕作法基本实施步骤为：①场地处理：准备一块场地，一般以贫瘠的砂质粘土或砂质壤土为宜，对下垫面进行防渗处理，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阻断墙，防止污染物向四周扩散；②把污染土壤运至现场，均匀平铺成30～80cm厚的土层；③设置灌溉系统保证土壤湿度；④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。生物堆放法

堆放法是一种对土地处理技术的改进降解技术。通常是将污染土壤从污染地域挖走，运输到异地堆积，一般成条状，中间留有“田埂”，便于收集产生的渗出液，避免处理现场土层的污染：生物修复处理后再运回原地，提供降解用水。特点是在堆起的土层中铺有管道，提供降解用水，并在污染土层下设有多孔集水管，收集渗滤液。系统还可以设有送气管和空气泵，以稳定氧的补给。各种均匀布水或滴灌技术均可应用于这种处理系统中。而且系统可以是完全封闭的，内部的气体，包括降解产物和挥发性的石油类物质，都经过诸如活性炭吸附、特定酶的氧化或加热氧化等措施处理后才向大气排放，而且封闭系统的温度更加稳定。所以，堆放法二次污染更少，处理效率更高。土壤堆肥法

堆肥法是一种和土地耕作法相似的处理技术，实际上就是基质的微生物发酵过程，即在控制条件下，利用微生物的生化作用，将废物中的有机物质分解、腐熟并转化成稳定腐殖土的微生物学过程。堆肥法是将含油废弃物与适当的材料相混合并堆放，使天然微生物降解石油烃类的过程，它加入了土壤调理剂以提高微生物生长和石油生物降解的能量。

在这个过程中，有机废物中的可溶性小分子有机物质通过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物吸收利用；不溶性大分子有机物则先附着在微生物的体外，由微生物所分泌的胞外酶分解为可溶性小分子物质，再输送入细胞内为微生物利用。此法对去除含高浓度不稳定固体的有机复合物最有效。生物反应器修复

反应器修复实际是土壤耕作法和堆肥法的重新构造，它们在微生物之间的作用和污染物降解途径方面是相同的，只是该方法增强了营养物、电子受体及其他添加物的效力，因而往往能达到最高的降解率和降解速率。

反应器修复是最灵活的方法，可以提供最大程度的控制，产生最理想的条件。生物反应器在结构上与常规的生物处理单元类似，既可是活性污泥类反应器，也可是生物膜反应器。生物反应器修复工作的典型流程是：

土壤挖出后进行预筛，筛去大块部分，然后将土壤分散在水中(一般20％一50％重量浓度)送人生物反应器，生物反应器可在好氧或厌氧条件运转。当需氧时，经喷嘴导入氧气或压缩空气，或通过加H2O2产生O2。

反应器修复适用于含油污泥，也适用于油污土壤，也可用于石油工业废弃物的预备处理以减少烃类含量，是处理高浓度重油污染土壤的有效方法。其主要特征有：①以水相为处理介质，因此，原油、微生物、溶解氧和营养物的传质速度比较快，而且避免了复杂又经常不利用的自然环境变化，各种环境条件如pH值、温度、氧化还原电位、氧气量、营养物浓度、盐度等便于控制在最佳状态，因此处理污染物的速度快。②可以设计不同构造以满足不同目标处理物的需要，提供最大程度的控制。③避免有害气体排入环境。其缺点是处理过程工艺复杂，要求严格的前、后处理工序，处理成本高；而且，在对难生物降解物质进行处理时必须慎重，以防止污染物从土壤转移到水中。海洋石油污染的生物修复最早大规模用于石油污染的生物修复是在美国威廉王子港中的Valdez石油事件中展开的。在使用物理和化学方法所得效果甚微后，通过外加营养等手段促进烃降解菌的生长，使油污染得到了很好的控制。同传统的或现代的物理、化学修复方法相比，石油烃类的微生物修复具有巨大优势：生物修复对人和环境造成的影响最小，它能够使污染物最终分解为二氧化碳和水，而且生物修复过程迅速，费用低，仅为传统物理、化学修复的30%～50%。海洋是由于污染的主要来源

海底溢油、海上石油生产、海洋运输、大气输送、城市污染水排放等。其中自然来源约占92%，人类活动来源约占8%。而对环境影响最严重的是人类活动造成的突发性溢油事故。据联合国有关组织统计，每年海上油井井喷事故和油轮事故造成的溢油高达2200万吨。大量石油瞬间溢出进入海洋环境，通过扩散、漂移等作用可对海洋生态环境以及社会造成严重破坏。海洋石油污染的危害石油污染物进入海洋环境后，会造成多方面的危害。主要体现在以下几个方面：1、对人类健康的影响。石油成品油中燃料油类对人体健康的危害有麻醉和窒息、化学性肺炎、皮炎等。如汽油为麻醉性毒物，急性中毒可引起中枢神经系统和呼吸系统损害；而在短期内吸入大量柴油雾滴可导致化学性肺炎。石油进入到海洋后，还可以通过食物链最终在人体内富集，从而对人体健康造成严重危害。2、对水生生物的影响。石油污染物进入海洋环境会对水生生物的生长、繁殖以及整个生态系统产生巨大影响。污染物中的毒性化合物会改变细胞活性使藻类等浮游生物急性中毒死亡。当海洋中的石油浓度在10-4-10-3mg/L时，可对鱼卵和幼鱼的早期发育产生影响。而石油的涂敷作用会使大量的鸟类死亡。如埃克森美孚石油公司的瓦尔迪兹号的沉船事故在4个月里造成30000只海鸟的死亡。石油中的重质组分沉入海底，还会对底栖生物造成危害。3、对渔业的影响。石油污染能够抑制光合作用,降低海水中氧气的含量，破坏生物的正常生理机能，使渔业资源逐步衰退。在被污染的水域，其恶劣水质使养殖对象大量死亡。存活下来的也因含有石油污染物而有异味。导致无法食用。资料表明鱼类和贝类在含油量为0.01mg/L的海水中生活24h即可带有油味，如果浓度上升为0.1mg/L，2-3h就可以使之带有异味。4、对旅游业的影响。受洋流和海浪的影响，海洋中的石油极易聚积于岸边，使海滩受到污染，破坏旅游资源。如2002年巴拿马籍油轮“威望号”的搁浅漏油事故，使得原本风光迷人的西班牙加里西亚海岸成了黑色油污的人间地狱，给当地旅游业造成沉重打击。微生物对石油烃类的降解微生物对石油烃类的降解实际是一种生物氧化作用。其主要代谢途径有如下几种：①将石油烃分解为二氧化碳和水；②将石油烃转化为微生物的生命物质，如蛋白质、氨基酸、酯类和多糖等；③将石油烃转化为其它物质，如各种醇、苯酚、醛、脂肪酸等。由于多数石油烃类化合物难溶于水，微生物对石油烃的代谢还需要依靠其细胞壁外表面的一种由糖脂组成的特殊吸收系统。该系统可以使石油烃类化合物充分乳化，然后被吸收和利用。提高为微生物对石油烃降解效率的措施投加分散剂添加营养盐和电子受体

引进石油降解菌通过添加分散剂，可以使油形成很微小的油颗粒。增加其与微生物和氧气的接触机会，从而促进油的生物降解用于生物修复的微生物有土微生物、外来微生物和基因工程菌。微生物的生长需要维持一定数量的C、N、P营养物质及某些微量营养元素，污染物氧化分解的电子受体的种类和浓度也极大影响污染物的降解速率。投加分散剂

使用时注意事项不是所有分散剂都有促进作用，许多分散剂由于其毒性和持久性会造成新的污染分散剂的性质.分散剂是集亲水基与疏水基结构于同一分子内部的两亲化合物发展趋势与研究热点生物表面活性剂由生物发酵生产，成本低廉，效果好，极具潜力.分散剂的作用机理使油形成很微小的油颗粒，增加其与微生物和氧气接触的机会，促进油的生物降解添加营养盐和电子受体营养盐与电子受体三类营养盐缓释肥料亲油肥料水溶性肥料氧气是重要的影响因素人工通气建立藻菌共生系统添加电子受体营养盐和电子受体对微生物氧化分解有重大影响引进石油菌降解用于生物修复的微生物有土著微生物、外来微生物和基因工程菌。土著微生物的降解潜力巨大，但通常生长缓慢，代谢活性低；受污染物的影响，土著菌的数量有时会急剧下降。而且，一种微生物可代谢的烃类化合物范围有限，污染地区的土著微生物很可能无法降解复杂的石油烃混合物。因此有必要添加外来菌种来促进降解过程的进行。实验室研究表明，添加油降解菌确实提高了油的降解速率。实际应用中,如在1990年墨西哥湾和1991年得克萨斯海岸实施微生物接种后，生物修复处理也获得了明显成功。但是,在受污染环境中接种外来微生物也存在多重压力。这是因为在海洋环境中,由于风、浪、海流及微生物间的竞争及捕食作用都有可能影响添加细菌的处理效果。因此也有不少学者认为，在限制微生物对石油污染物生物修复的诸多因素中，并不包括油降解菌。此外，在接种外来微生物的问题上也存在分歧。接入的降解菌必须经过详细的分类鉴定，以确定其中无人类及其它生物的致病菌。基因工程菌是通过现代生物技术，将能降解多种污染物的降解基因转移到一种微生物的细胞中，获得分解能力得到几十倍甚至是上百倍提高的菌种。如美国生物学家曾应用遗传工程创造出一种多质粒的超级菌，利用这种超级菌可在几小时内就把母菌需一年才能代谢完的原油降解完。然而，由于基因工程菌对环境的潜在影响仍无法评估，因此对基因工程菌的利用受到了欧美国家的严格立法控制。生物吸着气体与固体表面接触后若气体量的减少是由于气体在固体中的溶解或与固体形成混晶，则称为吸收；若气体量的减少是由于气体分子与固体表面的作用而在固气界面上的富集，则称为吸附；对于内表面很大的多孔性固体吸收与吸附难以区别，或某些体系一时难以确定是吸收与吸附，则常含混称为吸着生物的积累生物通过吸附、吸收和吞食作用，从周围环境中摄入污染物并滞留体内，当摄入量超过消除量，污染物在体内的浓度会高于水体浓度这就是生物的积累。生物的积累包括生物浓缩和生物放大。真菌的降解作用与生物修复真菌的降解作用：真菌代谢方式十分特殊，真菌细胞通过分泌胞外酶将潜在的食物分解，然后再吸收进入细胞。这就意味着它的酶分解能力很强。木质纤维素的分解是地球碳循环中最重要的降解事件，生物残体的利用和转化对于地球中碳的循环是必不可少的，真菌在生态系统中作为一级和二级分解者的作用是人所共知的。

真菌可以很好地在菌丝和孢子上积累重金属Cd、Cu、Pb、Hg、和Zn等。很多真菌可以在石油烃上生长，有很多报说真菌区系可以在海洋溢油上生长。

研究中发现，木腐菌对环境污染物有很大的转化能力，因此，人们把研究的目光转向木质素降解菌（特别是白腐菌）的研究。木质素降解菌

可以降解木质素的微生物种类不少。包括放线菌、半知菌、子囊菌和担子菌的一些属。在这些微生物中有许多是腐烂木材的真菌，通常分成三大类，即软腐菌、褐腐菌和白腐菌。白腐菌白腐菌，属于担子菌，分解木质素能力最强，因分解木材后留下的残留物为白色故称白腐菌。

白腐菌的种类很多，例如革盖菌、卧孔菌、多孔菌和原毛平革菌等。在20世纪80年代末期，对白腐菌的研究取得了较大的发展。当前对白腐菌研究最多的是黄孢原毛平革菌（Phanerochaetechrysosporium白腐菌的木质素降解酶黄孢原毛平革菌和其他真菌的木质素降解酶

◆黄孢原毛平革菌木质素降解过氧化物酶木质素过氧化物酶（LiP）和锰过氧化物酶（MnP）

◆其他真菌木质素降解过氧化物酶

◆漆酶需要氧气作为电子受体■过氧化物酶的反应机制◆木质素过氧化物酶LiP降解木质素的机理过程如下（在H2O2存在时，LiP能氧化分解芳香环多聚体）：含铁过氧化物酶+H2O2化合物Ⅰ+H2O化合物Ⅰ+A-化合物Ⅱ+A•

化合物Ⅱ+A-铁过氧化物酶+A•

◆锰过氧化物酶

除MnP以Mn2+作为中介体外，MnP反应机制与LiP很相似。MnP降解木质素的机理过程如下：含铁酶+H2O2化合物Ⅰ（MnP1）+H2O化合物Ⅰ+Mn2+化合物Ⅱ(MnP2)+Mn3+Mn3++AH2Mn2++AH•

化合物Ⅱ+Mn2+

含铁酶+Mn3+Mn3++AH2Mn2++AH•白腐菌在污染处理中的应用水处理炸药废水染料废水土壤处理研究

降解土壤中的石油污染物降解有机氯化物土壤污染的植物修复植物修复：指利用植物及其根际微生物的共存体系来吸收、容纳、转化、或转移污染物的特性，通过在污染地种植植物，实现部分或完全修复土壤、水体和大气污染的一门环境污染原位治理技术植物修复机理利用超富集植物直接吸收利用植物根部释放的酶催化降解有机污染物根际微域微生物群落的降解作用根际矿化作用mechanismsphytostabilization（植物稳定作用）phytovolatilization（植物挥发作用）phytodegradation（植物降解作用）rhizo-degradation（根标降解作用）phytoextraction(植物提取作用)杀虫剂在植物体内的转化放射性污染的修复目前治理放射性污染环境的方法主要有三大途径:一是物理的或机械的方法,如客土法、排土法等;二是化学的方法,如淋洗、施用化学改良剂等;三是生物的方法,包括微生物方法和植物修复方法。前两种方法的成本高,占用空间大,易造成二次污染。与前两者相比较,植物修复技术具有成本低、对环境扰动少等许多的优点,适用于大面积低剂量的放射性污染治理植物修复土壤放射性污染物的主要技术(1)植物萃取技术,利用高生物量、高富集型植物加入合适的土壤添加剂,将土壤中放射性核素萃取到植物地上部,收割植物并处理