污染环境的生物修复原理

1、4.1生物修复概述4.2环境微生物修复机制4.3环境修复的微生物生态学原则4.4影响生物修复的污染物特征4.1生物修复概述1。生物修复的概念，从广义上讲，生物修复通常是指利用各种生物(包括微生物、动物和植物)的特性来吸收、降解和转化环境中的污染物，改善被污染的环境的处理技术，一般分为植物修复。狭义而言，生物修复通常是指在自然或人工控制条件下，利用特定微生物降解和去除环境中污染物的技术。环境生物修复技术主要包括三个方面：(1)利用土著微生物代谢能力的技术；(2)激活土著微生物分解能力的方法；(3)添加具有高分辨率降解化合物能力的特定微生物的方法；(2)生物修复的出现和发展，它起源于有机污染物的处

2、理。好氧或厌氧微生物处理污水已有100多年的历史，而生物修复技术处理现场有机污染物仅30年。1972年，美国清除了从宾夕法尼亚州安布尔管道泄漏的汽油，这是历史数据记录的生物修复技术的首次应用。自20世纪80年代以来，基础研究的成功应用于大规模污染控制，并取得了相当大的成功，从而发展成为一种新的生物修复技术。1989年，美国阿拉斯加出现大面积石油污染，生物修复技术首次大规模应用并取得良好效果。阿拉斯加漏油事件的生物修复已经成为生物修复史上的一个里程碑。迄今为止，生物修复技术已成为一种可接受的溢油处理方法。我国生物修复研究起步较晚，仍处于小规模和中试阶段，需要进一步发展。3。生物修复的特点和优势(

3、1)可在现场进行，节省大量处理成本(2)对环境影响小(3)将污染物浓度降至最低(4)可在其他处理技术难以应用的场所使用(5)可同时处理受污染的土壤和地下水(1)耗时长(2)操作条件苛刻(3)并非所有进入环境的污染物都能被生物利用(4)特定生物只能吸收、利用、降解和转化特定类型的化学物质。状态稍有变化的化合物不能被同一种生物酶破坏。4.生物修复的类型，根据修复主体，分为(1)微生物修复，(2)植物修复，(3)动物修复，(4)生态修复，包括土壤生物修复，河水生物修复，湖泊水库生物修复，海洋生物修复，地下水生物修复，大气生物修复，矿区生物修复，垃圾场生物修复可分为(1)原位生物修复(原位工程生物修复

4、和原位自然生物修复)，(2)异位生物修复，(3)原位和异位联合生物修复，(5)生物修复原理和可处理性实验， 以及生物修复的原则(1)合适的生物体(先决条件)，(2)合适的场所，(3)合适的环境条件和(4)合适的污染场所有其自身的特点，在一个场所有效的生物修复技术在另一个场所可能无效。 可处理性试验可分为三种不同的尺度：小型实验室试验、中试试验和现场试验。可处理性测试的结果应回答实际项目实施中的以下问题：(1)污染物进一步扩散的可能性和预防措施；(2)提高生物活性的手段；(3)评价生物修复效果所需的检测手段。可处理性测试是监测污染物的降解过程和最终产品的毒性。监测方法包括化学分析和生物监测。生物

5、监测手段可以用来了解污染物降解和解毒过程中产品毒性的变化。目前，艾姆斯试验常用于检测遗传毒性，发光细菌毒性试验用于检测急性毒性。可处理性试验方法(1)土壤消毒试验(2)土壤柱试验(3)摇瓶试验(4)反应器试验，6生物修复工程技术可行性研究(1)污染性质、生物性质、污染前后分布的数据调查(2)技术咨询(3)选择技术路线，全面客观地评价各种修复技术及其可能的组合，列出可行的方案，确定最佳技术。(4)可处理性试验如果生物修复技术可行，需要设计小规模试验和中试，规模因素不可忽视。(5)小规模和中试工程设计可行后，可进行具体设计，包括生物物种筛选、处理设备、营养物和氧源等。修复效果评价，4.2环境微生物

6、修复机理，1。用于生物修复的微生物本土微生物外来微生物(需要大量接种)基因工程菌用于生物修复的其他微生物产品和酶基因工程菌采用基因工程技术，将可降解颗粒转移到一些能在污水和污染土壤中生存的细菌中，定向构建能高效降解难降解污染物的工程菌。表4-1难降解有机污染物和重金属及其相应的降解和转化微生物；2.微生物修复的影响因素：(1)微生物营养盐；(2)电子受体：溶解的吹氧气体或产氧剂H2O2、有机分解中间产物和无机酸根(如硝酸盐和硫酸盐)。(3)共代谢底物：洋葱假单胞菌能以甲苯为生长底物共代谢和降解三氯乙烯。(4)污染场地和土壤特征(5)有毒有害有机污染物的理化性质：淋溶和吸附、挥发、生物降解和化学

7、反应。为了完全降解污染物，适当添加营养物质比接种特殊微生物更重要，如氮和磷营养物质。电子受体：土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的类型和浓度也极大地影响了这种污染物的生物降解速度和过程。微生物氧化还原反应的最终电子受体主要包括溶解氧、有机分解的中间产物和无机酸根(如硝酸根和硫酸根)。通过向土壤中吹入空气或添加产氧剂，可以提供溶解氧作为有机降解的电子受体。此外，硝酸盐、硫酸盐和铁离子也可用作有机降解的电子受体。共代谢基质微生物的共代谢基质在一些难降解污染物的降解中起着重要作用，因此共代谢基质对生物修复具有重要影响。污染场地和土壤特性：土壤特性影响污染物和微生物的相对活性，并最终影响生物修复的速度

8、和程度。有毒有机污染物的物理和化学性质，如有机污染物的化学结构、毒性和生物利用度。3。微生物修复和物质循环，(1)碳循环，(2)氮循环，(3)氢氧循环，(4)硫循环，(1)碳循环，(1)纤维素转化，(2)半纤维素转化，(3)果胶转化，(4)淀粉转化，(5)脂肪转化，(6)木质素转化，(7)烃转化，(1)纤维素转化这些微生物主要包括细菌，放线菌和真菌。半纤维素的转化，半纤维素存在于植物细胞壁中。半纤维素含有戊聚糖、多聚糖和多糖醛酸。造纸废水和人造纤维废水含有半纤维素。大多数分解纤维素的微生物都能分解半纤维素。半纤维素的分解过程如下：(3)果胶的转化，果胶存在于植物的细胞壁和细胞间物质中，造纸和制

9、麻废水中大部分含有果胶。天然果胶不溶于水，被称为原果胶。果胶水解产生的果胶酸、戊聚糖、半乳糖醛酸和甲醇在有氧条件下分别为二氧化碳和水，丁酸发酵在无氧条件下进行，产物为丁酸、乙酸、乙醇、二氧化碳和氢气。好氧分解果胶的微生物包括枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌和软杆菌。淀粉的转化淀粉的类型包括直链淀粉和支链淀粉。淀粉广泛存在于植物种子(水稻、小麦和玉米)中。所有以上述物质为原料的工业废水都含有淀粉。5.脂肪转化脂肪是由甘油和高级脂肪酸形成的脂肪，不溶于水，但溶于有机溶剂。毛纺和油脂厂的废水以及制革废水含有大量的油脂。微生物分解脂肪的反应公式如下：甘油转化；6.木质素转化。木质素是植物木质化组织的重要组成

10、部分。稻草、麦秸和木材是造纸的原料，木材也是人造纤维的原料。因此，造纸和人造纤维废水含有大量的木质素。分解木质素的微生物主要是担子菌中的甘秀军、猪苓和姬松茸，包括地瓜毛霉和马尾松。单个假单胞菌也能分解木质素。木质素被微生物缓慢分解，在有氧条件下比在无氧条件下分解更快，而真菌分解木质素比细菌更快。炼油厂、煤气厂、焦化厂和化肥厂的废水都含有芳香烃。苯酚和苯分解细菌包括假单胞菌、铜绿假单胞菌和苯细菌。苯的代谢如下：(2)氮循环；(1)微生物转化氮物质的一般方法；(2)氨化；(4)反硝化作用；(5)固氮；(6)其他含氮物质的转化；(1)微生物转化氮物质的一般方法；氮是核酸和蛋白质的主要成分，是生物体的

11、基本元素。自然界中有丰富的氮物质，主要有三种形式：1 .分子氮存在于空气中的量最大，占空气容量的近79%，估计每亩土地5000吨；2.生物体中的蛋白质、核酸和其他有机氮化物；3.铵盐和硝酸盐等无机氮化物。尽管前两种形式的氮很丰富，但它们不能被植物直接吸收和利用。后一种形式的氮是植物可以吸收的氮，但数量很少，远远不能满足地表植物对氮营养的需求。上述三种形态的氮物质，由于生物的作用，在自然界中不断相互转化，进行氮循环。传说中的氮循环1、2、2、氨化，以及有机氮化物在分解微生物时释放氨的过程称为氨化。本文主要介绍：(1)蛋白质分解；(2)核酸分解；(3)其他含氮有机化合物分解；(1)蛋白质分解；(1

12、)氧化脱氨：生成酮酸和氨；(2)加氢脱氨基：生成含氧酸和氨；(3)还原脱氨：生成饱和酸和氨；氨基酸脱氨基后的残基是有机酸或发酵产生低分子有机酸、醇或烃。大多数异养微生物，包括细菌、真菌和放线菌，具有不同的蛋白水解能力。在自然界，它们分布广泛。有兼性细菌，如荧光假单胞菌、芽孢杆菌属。和变形杆菌属。需氧细菌如巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜样芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌，以及厌氧菌如腐败芽孢杆菌。真菌有木霉、曲霉和毛霉，其中康宁木霉和黑曲霉氨化能力最强。(2)核酸的分解。所有种类的生物细胞都含有大量的核酸，它们是核苷酸的缩聚物。许多微生物能分解核酸。细菌中有芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、分枝杆菌和节杆菌，真菌

13、中有曲霉、青霉和镰刀菌，放线菌中的链霉菌能分解核酸。(3)其他含氮有机物的分解。1.尿素分解微生物包括嗜热脂肪芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌等。甲壳质一些微生物，如某些种类的Benec，产生几丁质酶来水解甲壳质并产生氨基葡萄糖和乙酸。氨基葡萄糖通过脱氨酶产生葡萄糖和氨。将氨氧化成亚硝酸，然后将其进一步氧化成硝酸的过程称为硝化作用。(1)亚硝化和(2)硝化，自然界中引起氨氧化的微生物主要是一组化学自养细菌，它们从硝酸和硝酸的氧化中获得能量，并以CO2为碳源生存。硝化细菌是硝化作用的主要原因，硝化细菌是硝化作用的主要原因。它们是革兰氏阴性、不产芽孢、球形或短杆状细菌。反硝化作用在通风不良的条件下，通过微生

14、物作用减少硝酸的过程称为反硝化作用。由于还原程度不同，会产生不同的还原产物，如亚硝酸、亚硝酸、一氧化氮甚至分子氮。引起反硝化作用的微生物统称为反硝化微生物。环境中有许多种类和数量的硝酸还原酶，包括细菌、真菌和放线菌。微生物脱氮的适宜条件如下：(5)固氮；(5)微生物直接利用大气中的分子氮将其还原成氨的过程称为固氮。需氧固氮微生物包括固氮菌。兼性厌氧固氮微生物包括肠杆菌中的肺炎克雷伯菌。梭菌是主要的厌氧固氮细菌。在光合固氮微生物中，许多蓝细菌属可以进行强有力的固氮作用。根瘤菌是最引人注目的共生固氮微生物。其他含氮物质的转化主要是指氢氰酸、乙腈、丙腈、n-丁腈和硝基化合物。它们来自腈纶废水、国防工

15、业废水、电镀废水等。上述物质不同程度地污染了土壤和水，对人和动物都是有害的。在有氧条件下，氰化物被氧化分解如下：担子菌在腈合成酶的作用下，可以将甲醛、氨和氢氰酸缩合成-氨基乙腈，然后合成丙氨酸。(3)氧循环，人类和动物呼吸微生物的有机分解，(2)植物和藻类，(2)光，(4)硫循环，(1)含硫有机物的转化，(2)无机硫的转化，硫有三种状态：元素硫，无机硫和含硫有机化合物。这三种元素在化学和生物学的作用下相互转化，构成硫的循环。1.含硫有机化合物的转化，如蛋白质、含硫氨基酸、含硫氨基酸等。在分解许多土壤微生物时通过脱硫产生硫化氢，并进行含硫有机化合物的无机定性过程。在不完全分解的情况下，硫醇可以暂

16、时形成和积累，但硫化氢仍然是进一步氧化的最终产物。(2)无机硫的转化(1)硫化：在硫细菌的作用下，硫化氢、元素硫或硫化亚铁被氧化，最后产生硫酸的过程，称为硫化。硫化过程中涉及的微生物有硫化细菌和硫细菌。如：氧化硫硫杆菌：2S3O2H2O 2H2SO4能量；2.脱硫：一些微生物在缺氧条件下利用硫酸盐还原生成硫化氢的过程称为脱硫。主要由硫酸盐还原菌引起。2H2S O2 2H2O 2S能量，C6H12O6 3H2SO4 6CO2 6H2O 3H2S能量，例如，脱硫弧菌是具有强抗硫化能力的细菌的典型代表。它能把硫酸盐还原成H2S。微生物的营养(异化和同化、自养和异养微生物)微生物生理代谢的基础酶微生物的能量代谢(有氧呼吸、无氧呼吸和发酵)微生物合成代谢(光合作用、化学自养微生物合成代谢、产甲烷菌合成代谢)，4。环境微生物的代谢