第四章土壤污染的生物修复课件

第四章土壤污染的生物技术与原理第二节植物修复第一节土壤污染的现状及修复基础第三节微生物修复第四节其他修复技术第一节土壤污染的现状及修复基础

土壤是环境的4大因素之一，是连接自然环境中有机界和无机界、生物界和非生物界的中心环节；

土壤是一个开放系统，与环境之间存在着物质与能量的双向交流；

在正常情况下，土壤生态系统和环境之间处于一定的动态平衡状态，此时一般不会发生土壤污染；土壤污染的界定通常有3种看法：土壤中污染物含量超过土壤背景值上限值；土壤中污染物含量超过GB15618-1995土壤环境质量标准第二级标准值；土壤中污染物含量或浓度对生物、水体、空气或人体健康有危害；图4-1土壤污染3类评价指标间的关系一、土壤污染现状与危害1955-1977日本“痛痛病”公害事件导致207人死亡2011年2月14日出版的《新世纪》周刊刊出封面文章“镉米杀机”，报道披露，重金属镉通过污染土壤侵入大米，研究人员抽样调查发现，多地市场约10%大米镉超标。土壤污染已非常严重，而且甚至可能比水污染更难治理；图4-2中国大米污染的不完全分布图据估算我国受重金属污染的土壤约3亿亩，占耕地总面积的1/5左右；随着土壤环境重金属污染的加剧，农产品中重金属含量水平及其食物暴露风险的评价成为近10多年来土壤与农业环境学研究的热点；中国大米的镉污染问题，具体可参考文章：甄燕红等,安全与环境学报,2008,8(1):119-122《重金属污染综合防治“十二五”规划》列出了湖南、广东等14个重金属污染综合防治重点省份、138个重点防治区域和4452家重点防控企业。

1.土壤污染的危害（1）对农作物的危害（急性伤害、生长发育受阻、质量品质下降、可食部分污染物含量超标）（2）对人体的危害（三致、肝、肾、肺、血液、神经系统等的功能损害）表4-1土壤污染的危害2.土壤污染的特征土壤污染比大气污染、水体污染更复杂，被污染后危害性远远大于后两者；（1）土壤污染的累积性污染物质在土壤中不容易扩散和稀释，因此容易不断积累而超标，同时也使土壤污染具有很强的地域性；（2）土壤污染具有不可逆性和长期性土壤一旦遭到污染后极难恢复，重金属元素对土壤的污染是一个不可逆过程，而许多有机化学物质的污染也需要一个比较长的降解时间。

例如1966年冬至1977年春，沈阳—抚顺污水灌区发生的石油、酚类以及后来张土灌区的镉污染，造成大面积的土壤毒化、水稻矮化、稻米异味、含镉量超过食品卫生标准。经过十余年的艰苦努力，包括施用改良剂、深翻、清灌、客土、选择品种等各种措施，才逐步恢复其部分生产力，付出了大量的劳力和代价。（3）隐蔽性或潜伏性

水体和大气的污染比较直观，严重时通过人的感官即能发现：而土壤污染则往往要通过农作物包括粮食、蔬菜、水果或牧草以及摄食的人或动物的健康状况才能反映出来，从遭受污染到产生恶果有一个相当长的逐步积累过程，具有隐蔽性或潜伏性。日本的第二公害病——痛痛病60年代发生于富山县神通川流域，直至70年代才基本证实是镉污染土壤所生产的“镉米”所致。（4）后果的严重性土壤污染一旦发生仅靠切断污染源的方法往往很难恢复，有时要靠换土、淋洗土壤等方法才能解决问题，其他治理技术可能见效较慢。因此，治理成本高、周期长；通过食物链危害动物和人体的健康。研究表明，土壤和粮食的污染与一些地区居民肝肿大之间有着明显的剂量—反应关系，污灌引起的污染越严重，人群的肝肿大率越高。一些土壤污染事故严重威胁着粮食生产3.土壤环境污染物：能够影响土壤环境正常功能，降低作物产量和生物量，有害于人体健康的物质；（1）无机污染物主要有重金属（如汞、镉、铅、铜、锌、镍）及类金属砷、硒等）；（2）有机污染物主要有人工合成的有机农药、酚类、氰化物、石油、多环芳烃、洗涤剂、微生物及高浓度、耗氧有机物等；据美国环保局统计，仅日用品中就含有7万种不同的化学物质，其中1.7万种用于杀虫剂、化妆品、药品或食物中，至少有5100种可能成为致癌、致畸、致突变物质；二、土壤污染修复方法1.生物法包括将污染物转变或矿化成毒性较小而易于移动或者毒性较大但不易移动的形式；此法过程的终点不确定，很难进行评价；处理的过程可能很漫长，且不是所有污染物都能被生物法处理2.化学法通过化学过程将有毒的化合物消除、固定化或中和除去；优点：可以破坏生物难降解化学物质；缺点：污染物很可能不能被完全处理，且化学药剂本身可能对土壤造成破坏，经常需要进行二次处理；3.物理法通常用集中、挖掘的方法以进行下一步的处理；在某些应用上具有一定优势，能有效清洁土壤，大大减少二次污染危险，但不是真正的修复；浓缩后的污染物还需要污染评估及进一步的特殊处理；4.凝固化/玻璃化

凝固化——通过化学固定的方法将污染物封入一个具有高度完整结构的单块固体中；

玻璃化——利用高温熔化污染物为玻璃状或玻璃-陶瓷状物质的过程；

优点：能使较难破坏的有毒元素或者化合物不再危害环境；固化的土壤比较稳定，有利于将来的建设工作

缺点：污染实际上并没有被清除，且土壤结构遭到不可逆的破坏；需要大量的试剂5.热处理法污染物在高温热处理下通过焚化、气化、分解或挥发等过程被清除；优点：绝大多数的污染物可以被有效地破坏；缺点：需要相当高的能耗费用；对许多有害元素不适用，因很可能会产生新的污染物；土壤的有机质和某些结构会遭到破坏；三、原位和异位技术1.原位技术将污染土壤在原地进行处理；优点（1）不会对污染部位造成太大的破坏，如建筑物和景物；（2）可避免挖掘和转移而造成的延误，减少污染物传播危险；缺点（1）需要小试和现场实验，进行全面严格的调查和勘测；（2）反应不容易控制；适用范围（1）污染分布广泛、位置较深、中低浓度的污染物；（2）对处理时间要求不高；2.异位技术将土壤从原来的位置转移出来进行处理；优点（1）处理条件容易优化，过程容易维持和监控；（2）根据需要可以加入一些特定的微生物，处理速度更快缺点（1）运输成本；（2）运输过程中不可避免出现污染物的泄露及其潜在的二次污染风险；（3）处理过程需要额外的土地，费用更高；适用范围（1）污染相对集中，中高浓度的典型的受关注的土地表面污染图4-3影响技术可行性的一些因素原位技术异位技术四、土壤修复技术发展趋势

修复技术越来越关注技术的组合，通过集成不同的过程进行全面处理以强化修复的效果；

集成方法最初起源于美国，出现“捆扎技术”、“处理链”等特有名称，随后很快在各国广泛应用；2.

通过整合几种费用低的技术处理复杂的污染情况来降低成本，高费用的单一技术只有必要时才使用；3.生物修复技术已经在很多国家得到应用，虽然费用仍较垃圾填埋法为高，但将来由于广泛处理技术提供最优的费用和利益平衡，其应用扩展将成为一种趋势；五、生物修复的适用性生物修复最适用于处理有机污染物，但同时对特定的无机污染物，此方法也有很好的处理效果；生物修复技术的处理方式有3种：（1）矿化作用——有害物质被微生物作为营养源吸收并进行代谢分解，从而被消除破坏；（2）共代谢作用——有害物质不是微生物的营养源，而是与营养物一起进行代谢生成毒性小的化学物质，该物质可以被其他微生物矿化；（3）固化作用——通过各种微生物或植物对有害物质进行吸附或者生物积累的方法去除污染物的作用（通常是金属）；表4-2生物修复法适用的污染物类型六、污染现场和土壤的特性土壤可分为四个组分：气体、水分、无机固体、有机固体；气体和水分存在于土壤孔隙中，两者一般各占50%的体积；土壤孔隙的大小和气水比例影响污染物的迁移（向上溢出土壤或向下进入水饱和地层）；土壤特性和污染物的理化性质影响生物修复的效果1.土壤特性对有机污染物降解的影响在大多数土壤中无机固体主要是砂、无机盐和粘土颗粒，这些固体具有较大的比表面积，可以将污染物和微生物细胞吸附在高反应容量的表面，并形成具有相对高浓度的污染物和微生物细胞的反应中心，提高污染物降解速度；有机固体也具有高反应容量表面，能够吸附阻留有机污染物，这种固定化会延长污染物生物降解时间，并降低污染物的生物有效性；图4-4土地因素对污染物的影响2.有机污染物的结构对其降解的影响一般规律：（1）有机物分子量越大，吸附越显著，这是因为范德华力的作用；（2）污染物的疏水性越大，越容易吸附在土壤的有机固体表面；（3）带负电的污染物不易吸附在土壤固体表面，因为土壤中常是负电荷多于正电荷；3.影响生物修复效果的现场及土壤因素（1）坡度和地形；（2）土壤类型和场地面积；（3）土壤表面特点，如边界特征、深度、结构、大碎块类型和数量、粘土含量、有机物含量、pH值、电位、通气状况等；（4）水力学性质和状态，如土壤水特征曲线、持水力、渗透性、地下水深度、洪水频度和径流潜力等；（5）地理和水力学因素，包括地下地理特征与地下水流类型及特点等；（6）地形和气象数据，包括风速、温度、降水和水量预算等；七、土壤生物修复工程技术1.

原位技术（1）生物喷注用于修复深度在地下水附近或以下的污染的方法，实质是向地下水中强制通气达到加速有害物质降解的目的一般来说，喷注控制系统包括一个压力计、一个用于排出多余空气的压力安全阀、空气流量计和用于去除空气中微粒杂质的过滤系统；设备比较标准化，容易获得；工作开始前要对处理地点进行全面的调研，特别是在地质学和水文学方面；图4-5生物喷注（2）生物通风用于修复地下水位以上区域污染的方法，通过曝气加速污染物的降解，该过程发生在土壤层；生物通风通常不适用于地下水位不到1m的污染区域，也不适合于板结或水淹的土壤，因为气流在这种情况下往往受阻；需要事先对处理位点进行全面细致的研究；图4-6生物通风（3）注入-回收技术利用流经污染地段的地下水流动来辅助修复的过程；包括注入井和回收井；养分和空气被压入注入井中，当它们流过污染区域时，能够刺激该区域的微生物生长和活性，启动生物的修复过程；经过污染区域的地下水富含污染物、微生物及其代谢产物和污染物降解产物，将会在污染区另一侧的回收井中被抽取上来，接下来在位于地面上的生物反应器中进行下一步的生物处理，一般在该反应器内为强氧化环境；图4-7注入-回收技术2.

异位技术（1）土地处理在远离污染的区域建造一个土木工事，形成一个简易的生物反应器，用以有效地加速自然降解过程；实际修复前有一个预处理阶段，包括从污染区域挖掘土壤，筛选去除岩块、碎石和其他任何过大的内容物，分类堆放；土木工事底部和四周都有一层不渗透的黏土层或高密度聚乙烯（HDPE）材料制成的衬里，该技术一般依靠土壤中所含微生物的活性完成修复过程，根据需要可添加特殊微生物；图4-8土地处理技术示意图桶箱空气过滤器和泵砾石层污染土壤优点：处理过程简易；缺点：高度依赖土壤特性和气候条件，如高黏土含量的土壤内部很难充分氧化，气候寒冷时需对土壤加以覆盖；注意事项：处理过程中需经常取样监测，以评估修复进程及进行控制；（2）土壤堆埋范围广泛，从最简单的堆成条状到建立复杂的工程设备来完成，包括通气管道、排水层、不透气垫层和渗出液收集池；将待处理的土壤加工成堆状，有时会加入疏松剂如谷壳、木屑或者有机物碎片，以改善土壤通气量、含水量和有机物含量，改善土壤质地；需要预先筛选土壤，在处理之前进行储存；在土堆上通常需要覆盖稻草或合成的遮蔽物，起到保温和减少流失的作用；根据需要可添加特殊微生物，处理中常加入养分以达到最优条件；注意事项：必须建立一套取样检测和监控机制，以评价处理的进展；小结：土地处理和土壤堆埋法主要还是利用了自然降解的机制进行污染物清除，两种方法都设法增强和加速这个过程；需要通过前处理对要处理土壤进行一定的分离富集；（3）泥浆反应器土壤采挖后被转入一个混合罐，加水混合后产生泥浆，加入养分以促进微生物生长。形成的悬浮液转移到一系列通气良好的泥浆反应器，泥浆中的微生物将逐步处理污染成分。处理结束后泥浆被转入澄清器和压榨机中，使泥浆得到浓缩和脱水，回收的液体组分回到混合罐中与下一批土壤混合，而分离的土壤干燥后重新使用或者进行下一步处理。图4-9土壤的泥浆生物反应器系统生物反应器修复系统示意图小结：实际的生物修复过程取决于许多因素，除了和修复地域本身相关的因素外，还包括区域面积、经济手段以及修复的原因和目的、实际工艺的优点和限制因素等。因此，对于任何一个特定的污染问题，都可能有不只一种可行的解决办法；实际采用哪类技术在很大程度上是由经济因素所决定的；生物处理技术是低投资、高效益的选择方案，虽然不适用于所有的污染类型，但比垃圾填埋法更有吸引力，在世界各地也越来越具有竞争力；◆土壤淋洗法対象：●重金属、●农药、●油等车载式固定式◆30m3/h处理能力淋洗修复工程◆热处理：直接加热使污染物挥发或分解，间接加热使污染物挥发；针对高浓度土壤污染。対象：●VOCs、●水银、●农药、●油等；优点：可使VOCs完全实现无害化；日处理能力可达200t。实际工程污染土壤外热装置修复土壤焚烧装置烟囱热交换填埋热解气体化学试剂◆热处理典型流程：◆电渗析：土壤处理槽电极槽电源絮凝沉淀回收给水给水泵给水塔抽水泵处理墙：八、修复技术的应用在大多数情况下，地域性的差别决定了对于某个国家采用何种方法更为适宜；生物修复只是多种可行的修复技术之一；必须考虑到各种处理措施的成本；图4-10英国修复工艺应用比例（1997）表4-3

不同技术的成本对比油污染土壤高浓度污染土壤低浓度污染土壤无污染土壤回填清洁土壤土壤淋洗表面活性剂污染土壤洗净土壤洗净水油水分离油层吸附处理或回收材料废弃材料水层排水处理排水处理处理水达标排放原位或异位生物修复营养盐加热系统污染土壤Air石油污染修复一般流程案例分析：石油污染的生物修复（美国，德克萨斯州）第二节植物修复植物修复（Phytoremediation）：利用植被原位处理污染土壤和沉积物的方法。植物修复在美国等发达国家已经开展了大规模的试验，并被证明有效，我国也有相关报道，如杨树对镉和汞、苎麻对汞的修复；植物修复成本低，每年每立方米的处理费用为0.02-1美元，比物理化学处理低几个数量级；其他好处：增加土壤有机质含量，激发微生物的活性；有助于土壤的固定，控制风蚀、水蚀；蒸腾作用可防止污染物向下迁移；可向根际供氧，有利于有机污染物降解；植物修复局限性：需要有合适的生活条件；植物根系一般较浅，对浅层土壤污染的治理更有效；修复过程比物理化学过程缓慢，需要更多时间；植物修复途径有2种，去污染和稳定化；共4种方式：（1）植物提取（Phytoextraction）：污染物被植物吸收积累，植物收获后再进行微生物处理和化学处理；（2）植物挥发（Phytovolatilization）：污染物被植物吸收到体内后并将其转化为气态物质释放到大气中；（3）植物稳定化（Phytostabilization）：植物与土壤共同作用，将污染物固定，以减少其对生物与环境的危害；（4）植物转化（Phytodegradation）：植物与其相关的微生物区系将污染物转化成无毒物质；一、污染物的植物提取（Phytoextraction）目前研究最多并最有发展前景的方法，利用专性植物根系吸收一种或几种污染物，特别是有毒金属，并将其转移、贮存到植物茎叶，然后收割茎叶，异地处理；方法经济，不到物理化学处理技术的1/10；植物采矿（Phytomining）植物提取需要超积累植物；超积累植物（Hyperaccumulator）：某些植物天生就有吸收大量金属的能力，比普通植物高50-100倍，甚至更高；超富集植物的界定同时满足以下2个条件：（1）植物叶片或地上部（干重）中含Cd达到100mg/kg，含Co、Cu、Ni、Pb达到1000mg/kg，Mn、Zn达到10000mg/kg；（Baker等，1983）（2）S/R>1（S和R分别指植物地上部和根部重金属的含量）迄今为止共发现了400多种各种重金属的超积累植物，分属不同科属；20世纪90年代后，开展了有机污染物如多氯联苯（PCBs）、多环芳烃（PAHs）、有机溶剂、石油烃类、杀虫剂和爆炸物（TNT）等的超积累植物筛选及有机污染物在特异植物体内的吸收、转运和组织分布特征研究；表4-4

一些典型的超积累植物体中最大重金属含量蜈蚣草(As)宝山堇菜（Cd)商陆（Mn)海州香薷（Cu)2.用于植物修复的超积累植物筛选标准同时满足以下5个条件（美国能源部）：（1）即使在污染物浓度较低时，也有较高的积累速率；（2）能在体内积累高浓度的污染物；（3）能同时积累几种金属；（4）生长快，生物量大；（5）具有抗虫抗病能力圆叶遏蓝菜吸收Pb（8500µg/g茎干重）、芥菜可吸收Pb、Cr、Cd、Ni、Zn、Cu等金属；3.超积累植物应用于生物修复的局限性

（1）经常只能积累某些元素，还没发现能积累所有金属元素的植物；（2）许多超积累植物生长缓慢而且生物量低；（3）对于它们的农艺性状、病虫害防治、育种潜力以及生理学了解很少；4.超积累植物的研究动态

（1）使用土壤改良剂，使超积累植物高产，提高对金属积累的速率和水平，如加入人工合成的螯合剂、EDTA等；（2）扩大寻找超积累植物资源，改良品种，包括常规育种和转基因育种；（3）筛选突变株以产生有用的超积累植株，如豌豆单基因突变株积累的铁比野生型高10-100倍等；（4）超积累植物与生物量高的亲缘植物杂交；（5）基因工程，如转金属硫蛋白基因或汞离子还原酶基因等，增加植物对金属的耐受性；二、植物挥发利用植物去除环境中的一些挥发性污染物的方法，即植物将污染物吸收到体内后又被转化为气态物质，释放到大气中；集中于研究金属汞和非金属元素硒；硒可转化成挥发性的二甲基硒和二甲基二硒；本方法只适用于挥发性污染物，应用范围很小；由于将污染物转移到大气中对人类和生物有一定风险，因此应用受到一定的限制三、植物稳定化利用植物吸收和沉淀来固定土壤中的大量有毒金属，以降低其生物有效性，并防止进入地下水和食物链，从而减少其对环境和人类健康的污染风险；适用于相对不易移动的污染物质修复，主要用在矿区污染修复中，在城市和工业区中应用不多；两种功能：（1）保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏防止金属杂物的淋移；（2）通过在根部累积和沉淀来加强对污染物的固定；实际上并没有彻底解决污染问题，只是固定住，环境改变，又可能重新释放出来；四、植物降解1.有机污染物的直接吸收和降解；吸收后植物可通过木质化作用，贮藏污染物，或者代谢或矿化或挥发；吸收情况取决于污染物浓度及蒸腾作用、吸收率；通过遗传工程的方法可以改良植物本身的降解能力；2.酶的作用根系释放的酶如脱卤酶、硝酸盐还原酶、过氧化物酶、漆酶、腈水解酶；3.根际的生物降解植物可向土壤环境释放大量分泌物（糖类、醇类和酸类等），加强了微生物矿化有机污染物的速率；植物为微生物提供生存场所并提供氧气，使根际的好氧作用能够正常进行；根上有菌根菌生长，与植物共生，具有独特的代谢途径和独特的酶系，能够代谢自生细菌不能降解的有机物；如感兴趣，可参阅参考书：陈英旭等著,土壤重金属的植物污染化学.科学出版社,2008年9月第1版第三节微生物修复一、土壤重金属污染的微生物修复微生物修复的基本定义：利用土壤中的土著微生物或人为引进的外源微生物对重金属通过吸收、吸附、沉淀、转化等作用，改变重金属的物理化学特性，影响其在土壤中的迁移和转化性质，从而降低土壤中重金属的含量和毒性，甚至将其降解或转化成无害物质，最终达到改善土壤生态结构，恢复土壤生态功能的目的。2.重金属对微生物的毒害（1）细胞内的重金属离子（如Cd2+、Pb2+、Hg2+）不仅能与酶活性中心或蛋白质中的巯基结合，而且还能取代金属蛋白中的必需元素（Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+

），导致生物大分子构象改变、酶活丧失及必需元素缺乏，干扰细胞的正常代谢活动；（2）重金属能干扰物质在细胞中的运输过程，如Al3+能抑制植物对Ca2+的吸收和运输；（3）重金属能通过氧化还原反应产生自由基而导致细胞氧化损伤；3.微生物修复的机理（1）细胞表面吸附和沉淀细胞表面吸附速度快、可逆；如：干燥、磨碎后的绿藻、小球藻对Pb的最大吸附量达初始浓度的90%，对Cd的最大吸附量达初始浓度的98%；某些细菌可向胞外分泌硫和磷酸等物质使环境中的重金属离子沉淀；（2）吸收和富集微生物在自身的新陈代谢中因为要摄取必需的营养元素，从而主动吸收重金属离子，并将其富集在细胞表面或内部。重金属离子被吸收进入细胞后，可分布在细胞的不同部位或富集在细胞中的各种亚结构上；如：藻类对铜、铅、镉等有很强的吸收富集作用；许多真菌、一些菌根和所有腐殖质分解菌能富集汞；（3）生物转化微生物生长代谢活动中的代谢产物和自身的一些活性基团可以将有毒性的金属离子通过氧化还原或甲基、去甲基化等作用，改变金属存在的氧化还原形态，降低其活性，使其转化成无毒或低毒的重金属离子形态或沉淀，从而达到修复土壤重金属污染的目的。如：氧化硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等可通过降低酸度、提高氧化还原电位等转化土壤中的重金属；（4）微生物可以改变根际微环境，从而提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效率；二、石油污染土壤的微生物修复我国目前勘探开发的油气田和油气藏已有400多个，年产石油污染土壤近10万吨；每口油井污染的土地面积为200-500平方米，全国共有油井20万口，由此造成的土壤污染可达8000万平方米，这一数值每年还在增长中；据统计，我国每年有60万吨石油泄露进入环境，对土壤、地下水、地表水造成污染；污灌也是造成土壤石油污染的原因之一，如沈抚灌区污灌面积达0.87万公顷，全国类似农田10万公顷；1980年，Texas研究所通过实验室研究发现土壤通风去除的汽油污染物中，由生物降解去除的占1/3多，最先认识到了用土壤通风来促进