环境污染的生物修复省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第四章污染环境化学修复生物修复概述微生物修复植物修复生物修复工程设计1/1421生物修复概述1.1生物修复定义1.1.1定义狭义定义：利用微生物催化降解有机污染物，从面修复被污染环境或削除环境中污染物过程；另一表述为，生物修复是利用土著微生物或引入微生物代谢过程或其产物，消除或富集污染物生物学过程。2/142广义定义：利用细菌、真菌、水生藻类、陆生植物或其它生物生理代谢、行为活动或其代谢与行为产物，改变污染物化学或物理特征而影响它们在环境中迁移、转化和降解速率，进而降低污染物浓度、降解其毒性。3/1421.1.2名词比较相同概念：生物恢复、生物去除、生物再生、生物补救与生物整改近似概念：生物净化自然环境系统利用本身固有生物体自发降解、去除环境中污染物过程；区分：生物净化是自发过程生物修复是人为控制或人为引发过程，更强调人有意识地利用生物体进行污染物无害化，即人为条件下生物技术一个应用方式

4/1421.2生物修复特点5/1421.3生物修复技术类型1.3.1按修复主体分类微生物修复：生物修复狭义定义包含范围，即利用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过程一株可同时有效降解有机氮和有机硫微生物6/142植物修复：利用植物萃取、稳定、根际修复与过滤、转化与挥发等能力，降低环境中污染物浓度或去除动物修复：利用动物行为或其行为产物，直接或间接地降低环境中污染物浓度或去除7/1421.3.2按修复场所分类原位生物修复：在基本不破坏土壤和地下水自然环境条件下，对受污染对象不做搬运或输送而在原场直接采取生物修复技术特点：成本低廉，适合于大面积、低污染负荷污染环境异位生物修复：指将受污染环境介质搬运或输送到其它场所，借助于生物反应器进行集中修复特点：修复效果好，适合小范围内、污染程度高环境，成本高

8/1421.3.3生物修复工作程序9/142修复效果评价技术效果评价：经济效果评价：修复一次性基建投资与服役期运行成本10/1421.4生物修复产生与发展1.4.1生物修复发展史首次：1972年美国利用生物修复技术去除宾夕法尼亚州汽油管线泄漏污染环境；兴起：欧洲发达国家从20世纪80年代中期普遍硕士物修复；大规模应用：1989年，美国利用生物修复技术治理阿拉斯加受石油污染大面积海域；我国生物修复处于刚才起步阶段11/1421.4.2生物修复发展方向强化和改进传统废物处理系统，提升对污染物降解能力；加强针对性，不一样污染底封和水体，及有机污染物全球性环境污染生物修复12/1421.5生物与生态系统概述1.5.1定义生物体：可进行新陈代谢，生长、发育和生殖以及应激性和适应性事物生态系统：在一定空间中共同栖居着全部生物（即生物群落）与其环境之间因为不停地进行物质循环和能量流动过程而形成统一整体13/1421.5.2生物特征新陈代谢同化：合成有机物储存能量异化：分解有机物释放能量14/142生长、发育和生殖生长：生物体经过同化环境中物质来增加本身物质重量单细胞生长：体积和重量增加多细胞生长：除体积和重量外，数量增加发育：生物体结构和机能一系列改变过程，即由幼体形成一个与亲体相同成熟个体，并经过衰老练死亡总过程生殖：生物体产生类似本身个体过程15/142应激性和适应性应激性：生物体对刺激物，或内部或外部环境改变作出应答。比如：植物根向水性、叶向光性、昆虫趋光性适应性：生物体随外界环境改变而改变本身特征或生活方式经过长久自然选择经，长时间形成。如仙人掌针状叶16/142遗传、变异与进化遗传：生物体繁殖时，产生与其本身基本相同后代现象变异：后代与亲代之间以有后代各个体之间所显示出差异进化：生物体结构、功效低级到高级、由简单到复杂逐步演变因为遗传种族才能稳定因为变异和变异遗传才有物种进化17/1421.5.3生命物质基础组成生物元素30各种元素，不以单质存在，而以化合物存在组成生物无机物水占生物体重65%－95%，溶剂（运输作用）、参加代谢反应、调整体温作用无机盐占身体干重2%－5%，参加生物大分子形成（PO43－）、组成生物体结构（Ca2+）、参加调整体内渗透压和酸碱度、维持生物体内环境稳定18/142组成生物有机物糖类、脂类、蛋白质、核酸和维生素蛋白质：蛋白质分子由一条或几条多肽链聚合形成，包含着上百个乃到上千个氨基酸肽：一个氨基酸羟基和另一个氨基酸氨基缩合，脱去一个水分子，形成肽键，组成二肽三肽；三个氨基酸脱去两个水分子多肽：依次类推催化（生物酶）、激素、运输储备、免疫、生物膜、表示遗传信息19/142核酸：脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）携带遗传信息：控制蛋白质合成和生物体生长、遗传、变异20/1421.5.4生命结构基础：细胞细胞：生物体基本结构和功效单位：细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核21/142细胞器线粒体：异化物质释放能量核糖体：合成蛋白质内质网：物质运输高尔基体：参加蛋白质加工和分泌，形成纤维素液泡：细胞营养物质和废物储存器叶绿体（绿色植物）：光合作用中心体（动物）：与遗传相关22/1421.5.5生物分类五大界原核生物界、原生生物界、真菌界、植物界、动物界23/14224/1421.5.5生态系统特征：生物与环境相互作用特征：层次性、开放性、动态性生物与环境作用：生态系统能量流动、物质循环和信息传递载体25/142生态系统能量流动生态系统能量存在形式辐射能：日光能是地球上一节生物最终能源化学能：化合物中储存能量，生命活动基本能量形式机械能：动物运动赖于肌肉收缩产生机械能电能：电子转移对生物体能量转化非常主要生物能：参加生命活动任何形式能量，均称生物能26/142能流绿色植物和藻类光合作用每年生产约1700亿吨有机物，各类生物以初级生产量为起点，能量按食物链次序流动27/14228/14229/14230/14231/142生态系统中物质循环物质循环相关概念生物地球化学循环：有生态系统及至生物圈内，各种化学元素沿特定路径，从环境到生物体，又从生物体再回归到环境，这种不停流动和循环过程：包含水循环、气体循环（碳、氧、氮循环）、沉淀循环（钙、钾、纳、磷等盐类循环）32/14233/14234/142生物富集作用：生态系统中同一营养级上众各种群或个体，从环境中积蓄某种元素或难于分解化合物，致使生物体内该物质浓度超出环境中浓度现象。如DDT富集35/14236/14237/142生态系统中信息传递信息流（传递、接收和感应）存在于不一样组织水平，是长久进化结果。生态系统中信息各类物理信息：声、光、电、热等化学信息：代谢分泌物、植物次生代谢物等营养信息：影响生物迁徙等行为信息生态系统中信息传递特征含有可传扩性、永续性；含有时效性、分享性与转化性38/14239/14240/14241/1422微生物修复微生物修复定义：生物修复狭义定义利用微生物催化降解有机污染物，从面修复被污染环境或削除环境中污染物过程、即利用土著微生物或引入微生物代谢过程或其产物，消除或富集污染物生物学过程。42/142定义：微生物是全部形体微小、结构简单低等生物总称；非生物学上名词43/14244/142微生物特点形态微小、结构简单代谢旺盛、繁殖快速适应性强、易变异种类繁多、分布广泛45/1422.1微生物基础代谢过程2.2微生物生态学概要2.3微生物修复污染环境原理

2.3.1微生物参加物质循环

2.3.2污染物微生物降解性

2.3.3微生物对污染物降解转化路径2.4微生物修复污染环境技术2.4.1用于生物修复微生物

2.4.2微生物对有机污染物修复

2.4.3微生物对重金属污染物作用2.5影响微生物修复效率原因

2.5.1微生物种类

2.5.2环境原因

2.5.3污染物特征46/1422.1微生物代谢过程新陈代谢：生物从环境中获取营养物质，经过生物体一系列生理生化反应，转化合成生命体所需物质并储存能量同化过程；或者将体内物质分解并释放能量异化过程47/1422.1.1微生物营养微生物组成大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg、Na等微量元素：Zn、Cu、Mn、Mo、Co等48/142微生物营养：碳源、氮源、无机盐碳源自养型微生物：能利用无机碳源CO2、CO或CO32－微生物；异养型微生物：不能利用无机碳源，只能利用环境所提供有机碳化物作为碳源，并经过代谢有机碳化合物而取得生长所需碳源和能量。兼性型微生物：反硝化硫杆菌，或称为混合型49/142氮源合成生物体蛋白质主要原料：N2、NO3－、NH4+、尿素和腐烂蛋白质无机盐无机离子，主要为磷元素等；组成细胞组成部分、维持微生物酶系统活性、调整渗透压营养元素之间基本百分比C：N：P＝25：5：1；百分比不妥会限制微生物生长和种群增加50/1422.1.2酶及其作用酶定义细胞产生蛋白质，含有高催化效率，高度专一生物催化剂酶作用机理酶在代谢过程中，首先与代谢底物结合，底物经过酶结合，底物分子或底物分子某个基团被酶激活，从而加速了底物代谢反应；酶在代谢反应中并不参加反应，但控制反应速度酶分类单成份酶：酶蛋白；双成份酶：酶蛋白+辅基（辅酶）酶性质专一性、高效性与一定程度必须性51/142酶活性影响原因酶反应速率受抑制剂、激活剂、酶浓度、底物浓度、温度、pH等原因影响抑制剂和激活剂对酶活性影响抑制剂：一切有毒物质多为酶抑制剂，重金属离子、杀菌剂；激活剂：能够在一定条件下加速酶促反应物质，如Mg2+52/142温度对酶作用影响53/142pH对酶作用影响54/142底物浓度对酶作用影响55/142酶浓度对酶作用影响56/1422.1.3微生物分解（呼吸）代谢类型：包含有氧呼吸、无氧呼吸和发酵好氧呼吸在有氧条件下，以分子氧作为电子受体生物氧化作用57/142三羧酸循环58/142无氧呼吸不以氧作为最终电子受体呼吸过程59/142发酵以中间代谢产物为电子受体不彻底氧化反应60/142EMP路径1.已糖激酶2.磷酸已糖异构酶3.磷酸果糖激酶4.醛缩酶5.磷酸丙糖异构酶6.磷酸甘油酸脱氢酶7.磷酸甘油酸激酶8.磷酸甘油酸变位酶9.稀醇化酶10、丙酮酸激酶61/142微生物基础代谢过程小结62/1422.1.4微生物合成代谢类型：包含光合作用、化能自养、产甲烷代谢光合作用63/142化能自养合成代谢化能自养型微生物经过氧化环境中一些物质取得化学能，并同化CO264/142产甲烷合成代谢产甲烷菌在利用有机物产生CO2和CH4时，会产生能量，并以ATP形式贮存；该能量和产甲烷代谢中间产物用于产甲烷菌合成蛋白质、脂肪或者其它细菌生长所需物质。65/1422.2微生物生态学概要生态学：硕士命体与其环境之间相互关系、相互作用学科2.2.1微生物主要环境原因2.2.2微生物种群生物学特征2.2.3微生物群落特征2.2.4微生物种间关系66/1422.2.1微生物主要环境原因温度、渗透压、酸碱性、抗生素、辐射和化学物质、氧温度改变微生物代谢速率67/142酸碱性68/142渗透压影响环境中某种离子浓度与微生物细胞体内该离子浓度差造成微生物生理改变；等渗环境为微生物最适生长环境而低渗环境或高渗环境均可造成微生物代谢紊乱69/142氧影响好氧微生物：缺氧将造成死亡；厌氧微生物：代谢过程中不需要氧，或者是不直接需要氧；专性厌氧菌：遇氧死亡；兼性厌氧微生物：可进行有氧呼吸、无氧呼吸或发酵，代谢路径随环境中氧含量改变而改变70/142抗生素影响抗生素：由微生物（包含细菌、真菌、放线菌属）或高等动植物在代谢过程中产生可干扰其它生命生长、发育化学物质

微生物向环境释放抗生素抑制其它微生物代谢，包含破坏其它微生物细胞膜结构，造成细胞膜渗透性改变，进而使细胞内环境改变，最终使得其它微生物生理紊乱而死亡；或者直接干扰或抑制蛋白质和核酸代谢71/142辐射和化学物质影响太阳辐射：一些光谱则对微生物产生不利影响，如紫外线化学物质：不利于微生物生长物质，包含重金属离子和一些对微生物有毒害作用化合物。72/1422.2.2微生物种群生物学特征种群：在一定时间内占据一定空间同种生物全部个体。这些个体并不是机械地集合在一起，而是彼此能够交配，并经过繁殖将各自基因传给后代73/142生长：微生物从环境中获取营养物质和能量，经过代谢过程，取得生长所需物质和能量，使微生物个体不停增大繁殖：在一定空间上，微生物个体数量从少到多，不停增加至环境容纳量种群大小：种群中个体数量种群密度：单位面积、单位体积或单位生境中个体数目环境容纳量：对某种生物而言，某一特定环境范围内可最多承载数量，即这一环境对这一生物容纳量74/142种群增加早期指数增加中后期逻辑斯蒂方程增加75/142曲线I：在理想环境中个体数量呈指数增加模型，曲线呈“J”型曲线II：个体数量增加受到资源限制，种群数量呈逻辑斯蒂方程增加，“S”曲线；曲线平滑上升并渐近环境容纳量值（K）76/142逻辑斯蒂方程r:种群增加率（出生率减去死亡率；而出生率与死亡率是某一段时间内出生与死亡个体与种群中个体总数量百分比）；N：种群个体数量；a:参数，取决于种群起始个体数量；K：环境容纳量77/142环境容纳量（K）确定时，每增加一个个体，产生1/K抑制影响，即某一空间仅能容纳K个个体，每一个体利用了1/K资源，N个体利用了N/K空间，而可供种群继续增加“剩下资源”，就只有（1－N/K)了。容纳量制约造成种群增加率伴随密度增加而降低，造成种群增加呈逻辑斯蒂方程增加78/14279/14280/142逻辑斯蒂曲线可分为5个时期开始期：种群个体数极少，密度增加迟缓；加速期：随个体数量增加，密度增加逐步加紧；转折期：当个体数到达K/2时，密度增加最快；减速期：个体数超出K/2以后，密度增加逐步变慢；饱和期：种群个体数到达K而饱和在理想状态下，饱和期最大种群能够长久维持；但随营养逐步缺乏，密度开始下降造成种群衰老。81/1422.2.3微生物群落特征生物群落：在相同时间聚焦在同一环境中（地理范围）各物种种群集合；群落中各种群之间以及种群与环境之间是相互作用、相互制约关系82/142土壤环境83/142水环境84/142大气环境85/1422.2.4微生物种间关系种间关系：组成群落物种种群间相互作用方式与程度；两个或多个物种在种群动态上相互影响，即相互动态、或彼此在进化过程和方向上相互作用，即协同进化八种类型：中性共栖、偏利共栖、偏害共栖、协同共栖、共生、竞争、寄生、捕食86/142中性共栖：两个微生物种群间不发生相互作用现象偏利共栖：两个微生物种群共同生长，一方存在有利于另一方生长、繁殖而受益，而受益方并没有使它方对应受益偏利共生实例87/142偏害共栖：两微生物种群，一方抑制另一方生长，通常是一方产生抑制物质抑制另一方生长协同共栖：两个微生物种群在一起时能够相互受益，但它们之间关系不是一个专性固定关系，双方能够在自然办单独存在，又称互养共栖，即两种或两种以上微生物协同共栖进行某一代谢过程，彼此相互提供所需营养物质88/142共生：两个种群相互作用相互受益而形成专性关系，它们是协同共栖作用延伸共生实例89/142互利：两个微生物种群共同生长，双方存在都有利于另一方生长、繁殖而受益竞争：两个种群共同生存时，为取得营养、能源、空间而相互抑制对方生长与繁殖，竞争双方均受到不利影响90/142寄生：寄生微生物从寄主微生物体内取得营养，而对寄主产生不得影响捕食：一微生物能够吞食另一个微生物，捕食者从被捕食者得到营养，而对被捕食者产生不得影响91/142微生物种群关系总结92/1422.3微生物修复污染环境原理2.3.1微生物参加物质循环主要类型：碳循环、氮循环、硫循环93/142碳循环94/142碳循环95/142氮循环96/142硫循环97/14298/1422.3.2微生物对污染物降解转化污染物进入微生物体内过程微生物对污染物质吸收：生物主动过程，生物体在与污染物质接触过程中，主动以某种方式获取该物质包含：主动运输、被动扩散、促进扩散、基团转位，胞饮作用99/142主动运输、被动扩散、促进扩散与基团转位特征比较100/142胞饮作用：细胞外液体微滴或物质吸附在质膜上，经过质膜内陷形成小囊泡而被消化吸收过程。包含：经过疏水表面突出物作用把烷烃吸附到细胞表面、烷烃经过孔和沟穿透坚硬酵母细胞壁，而聚焦在细胞质表面、经过末修饰烷烃胞饮作用把烷烃转移到细胞内烷烃氧化部位，如内质网、微体101/142微生物降解污染物基本反应类型微生物在代谢活动过程中，经过污染物发生化学或生物化学反应引发污染物结构改变包含：水解、基团转移、氧化、还原、共代谢、酯化、甲基化、缩合、氨化、乙酰化、双键断反应、卤原子移动、微生物吸附、微生物累积、共代谢102/142氧化作用：转化具还原性污染物醇氧化、醛氧化、甲基氧化、氨氧化、亚硝酸氧化、硫氧化、铁氧化、β－氧化、氧化去烷基化、硫醚氧化、过氧化、苯环羟基化、芳环裂解、杂环裂解、环氧化还原作用：转化具氧化性污染物乙烯基还原、醇还原、醌类还原、芳环羟基化、双键还原作用、三键还原作用103/142基团转移作用脱羧作用、脱氨基作用、脱卤作用、脱烃反应、脱氢卤脱水反应水解作用酯类水解、氨类水解、磷酸酯水解、腈水解、卤代烃水解104/142甲基化作用105/142共代谢又称协同代谢。微生物不能利用基质作为能源和组分元素有机物转化方式。一些难降解污染物，经过微生物作用被改变结构，但微生物不能将这些污染物作为碳源和能源，而必须从其它底物获取大部分或全部碳源和能源共代谢微生物不能从辅助底物氧化过程中取得有用能量，降解污染速度也低于降解生长底物速度106/142共代谢形式：靠降解其它有机物提供能源或碳源、经过与其它微生物协同作用，发生共代谢，降解污染物、由其它物质诱导产生对应对应酶系，发生共代谢作用107/142微生物吸附吸附：在两相介质界面上发生沉淀，包含吸持和吸收。吸持指污染物从一个介质向固体介质表面迁移运动；吸收是指污染物质抵达固相表面后，因为静电、络合、化学键或沉淀作用等与表面粘着作用吸附平衡：当解吸附速率与吸附速率相等时，吸附抵达了动态平衡，该平衡就称为吸附平衡108/142微生物吸附：微生物细胞壁表面一些含有金属络合、配位能力基团与污染物离子形成离子键或共价键固定污染物离子微生物可吸附污染物原因：细胞壁结构特征微生物细胞壁多孔结构使活性化学配位体在细胞表面合理排列，使细胞易于与污染物离子结合；细胞外多糖（EPS），该物质在微生物吸附污染物离子过程含有固定等作用微生物吸附机理：静电吸附，共价吸附，络合鳌合，离子交换和无机微沉淀109/142静电吸附：指污染物离子可代替质子，以及结合到分子上其它离子；离子交换：细胞质结合离子，被另一些结合能力更强污染物离子代替；络合作用：在微生物体内或表面，金属离子与配基以配位键结合形成复杂离子或分子过程；鳌合作用：在微生物体内或表面，一个配基上同时有两个以上配位原子与金属结合而形成含有环状结构配合物过程；无机微沉淀：污染物离子在微生物体内或表面形成无机沉淀物过程110/142微生物累积：利用生物新陈代谢作用产生能量，经过单价或二价离子转移系统把污染物输送到体内，并在体内不停积累过程细菌、真菌和藻类都有从周围环境富集重金属能力，然而至今仍没有一个经济有效方法从污染环境中回收写信了污染物微生物111/142112/1422.4微生物修复污染环境技术环境生物修复三类技术：利用微生物代谢能力；活化微生物分解能力；添加含有高速分解能力特定微生物113/1422.4.1用于生物修复微生物土著微生物、外来微生物、基因工程微生物、其它微生物及其代谢产物土著微生物：指出现在其自然分布区及其自然传输范围内（即在其自然占领或无需人类直接或间接引种也能占领分布区）物种、亚种或更低分类单元外来微生物：从原产地因偶然传入或人为有意引入到新地域并定殖微生物种114/142基因工程微生物：将不一样起源基因按特定目标，在微生物体外构建新DNA分子后导入微生物体内，以改变其原有遗传特征、取得新微生物种基因工程微生物优点：适应能力强、对自然界微生物和高等生物不组成威胁、适应期比土著种驯化期要短得多，能够重复接种115/142其它微生物：包含藻类和微型动物等；在污染水体生物修复中，经过藻类放氧，使严重污染后缺氧水体恢复至溶解氧含量较高状态，为微生物降解污染物提供了良好电子受体，使好氧性异养细菌对污染物降解能顺利进行；微型动物则经过吞噬过多藻类和一些病原微生物，间接对水体起净化作用。116/1422.4.2微生物对有机污染物修复微生物修复有机污染物污染环境方式：经过微生物分泌胞外酶降解；改变有机物化学结构，提升降解性污染物被微生物吸收到微生物细胞内后，在胞内降解

即微生物对有机污染物降解转化，污染物以不一样方式进入微生物体内后发生不一样降解反应117/142在好氧条件下，它能将有机污染物彻底氧化，分解成CO2、H2O、SO42－、PO43－、NO2－、NO3－等无机物；在厌氧条件下，能将有机物降解，转化成小分子有机酸、CO2、H2、CH4等118/142微生物降解有机污染物类型119/1422.4.3微生物对重金属污染物修复微生物转化金属离子方式：氧化、还原、甲基化、吸附与累积120/142微生物氧化、还原与甲基化金属离子特征比较121/142微生物吸附与累积重金属离子特征比较微生物状态：微生物吸附可由死亡微生物进行；生物累积必需由生活微生物去除重金属离子作用影响原因：微生物吸附与其细胞壁结构、成份相关；生物积累则与生物新陈代谢及影响其新陈代谢温度、pH值相关122/142微生物吸附金属离子细胞壁成份与结构比较123/1422.4.4惯用微生物修复技术充气式污染土壤微生物修复技术124/142污染地下水循环微生物修复技术125/142地下水曝气－抽提组合微生物修复技术126/142微生物活性拦截修复技术127/142厌氧－好氧－共代谢微生物组合修复技术128/1422.5影响微生物修复效率原因主要影响原因：污染物性质、微生物种类以及环境原因129/1422.5.1优先污染物与目标污染物确实定生物修复工作程序第一步污染物发觉、第二步污染确认即确定污染物质与范围优先污染物：