第二章 生态修复基本理论(2014)

第二章生态修复基本理论主要内容第一节生态修复基本技术第二节生态修复方法第三节生态修复的实施与应用重点和难点：•原位修复和异位修复第一节生态修复技术一、生态工程技术----资源利用、减少排放二、微生物生态修复技术三、植物生态修复修复技术四、物理生态修复修复技术五、化学生态修复修复技术污染消除重建生态一、生态工程技术（一）生态工程定义生态工程：（马世骏先生1979年首先倡导）：是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理、结合系统工程的最优化方法，设计的分层多级利用物质的生产工艺系统。目标：在促进自然界良性循环的前提下，充分发挥物质的生产潜力，防止环境污染，达到经济效益与生态效益同步发展。（二）生态工程学原理1.生态工程学的核心原理2.生态工程学的生物学原理3.生态工程学的工程学原理1、生态工程学的核心原理（1）整体性原理（2）协调与平衡原理（3）自生原理（4）循环再生原理1、生态工程学的核心原理（1）整体性原理•整体论和还原论——探索自然的两种途径•在研究、设计和建立复合生态系统的过程中要做到统筹兼顾。确定主次功能，确保当前与长远、局部与整体的协调关系。•社会-经济-自然复合生态系统——生态工程的研究对象•例如：污水稳定塘系统的重要功能是什么？还有什么次要功能？社会-经济-自然复合生态系统——生态工程的研究对象马世骏，王如松.社会-经济-自然复合生态系统，生态学报，1984，4（1）：1-9该系统中,最活跃的积极因素是——？该系统中,最强烈的破坏因素是——？社会－自然－经济复合生态系统示意图1、生态工程学的核心原理（2）协调与平衡原理•协调原理•平衡原理：包括结构平衡和功能平衡、收支平衡，比如能量流动与物质传递的平衡等。1、生态工程学的核心原理（3）自生原理包括自我组织、自我优化、自我调节、自我再生、自我繁殖和自我设计等一系列机制。自我调节主要表现在以下几个方面：•种群调节•群落调节•生态系统调节——反馈调节（正反馈、负反馈）1、生态工程学的核心原理（4）循环再生原理物质循环和再生原理（光合作用营养循环）多层次分级利用原理各成分协调进化、互利共生。（树木花粉与蜜蜂）2、生态工程学的生物学原理•物种共生原理•生态位原理•食物链原理•物种多样性•物种耐性原理•耗散结构原理•限制因子原理耗散结构原理------回答了开放系统如何从无序走向有序的问题。•相对于平衡结构的概念提出来的。•一个远离平衡态的开放系统，在外界条件发生变化达到一定阀值时，量变可能引起质变，系统通过不断地与外界交换能量与物质，就可能从原来的无序状态转变为一种时间、空间或功能的有序状态。•主要讨论了系统在与外界环境交换物质和能量的过程中从混沌向有序转化的机理、条件和规律。•一座城市、现代经济体系是否属于耗散结构？3、生态工程学的工程学原理•结构的有序性原理•系统的整体性原理•功能的综合性原理作为一个完整的系统，总体功能是衡量系统效益的关键。人工生态系统的重要目标就是寻求整体功能最高。（三）生态工程的应用1.生物多样性保护和持续利用工程2.生物物质循环利用生态工程；3.废弃水分散治理、系统回用生态工程；4.废弃地生态恢复工程；5.清洁能源系统开发组合利用工程；目前10项最活跃的生态工程：1.生态复合肥料工程；2.绿色化学工程；3.绿色食品工程；4.生态交通工程；5.生态住宅及生态城镇建设工程；生态工程技术在环境保护中应用我国环境环保生态工程类型有：①无废（或少废）工艺系统，主要用于内环境治理；②分层多级利用废料生态工程，使生态系统中的每一级生产废物变为另一级生产过程原料，使废料被充分利用；③复合生态系统内废物循环，如桑基鱼塘生态工程；④污水自净与利用生态系统；⑤城乡（或工、农、牧、渔、副）结合生态工程都是在一定区域内，应用生态工程理论与技术来分层、多级利用废料实现生态、经济效益的良好协调统一。（四）关注生态工程建设资料分析一：1.导致1998年长江洪水泛滥的主要原因是什么？根本原因：长江上游乱砍滥伐森林，水源涵养和水土保持功能急剧降低，造成大量泥沙淤积河道；中游围湖造田、乱占河道，造成具有蓄洪作用的湖泊面积急剧减少。直接原因：1998年度的罕见降雨。但这也与全球温室气体排放量增加而导致的温度升高、气候异常有关。解决长江洪水泛滥的措施有：以生物措施为主，结合工程措施，提高森林覆盖率；“退耕还湖”和改革不合理耕作方式等。2.洪灾的发生反映出经济发展模式存在什么问题？传统的经济发展模式不注重生态环境的保护，没有考虑生态成本，经济的发展以巨大的生态环境破坏为代价。在进行生态工程建设时，要考虑到怎样解决农村（尤其是湖区或山区的迁出人员）的能源来源问题以及如何提高农民的经济收入。2、技术路线⑴建立互利共生网络----控制系统内部结构与功能，优化组合，充分利用原料、副产品、时间与空间，发挥物质生产的潜能，提高生态系统的综合效益。稻田养鱼。⑵延长食物链①生产环----将非经济产品或废物转变成经济产品。如有机废水进行无土栽培，种植花卉。②增益环----增加或扩大生产环效益。有机废水养殖浮萍，作为农田肥料，增加产量。③减耗环----减少食物网中的对人无用反而会过度消耗上一级营养的环节。如农田害虫、老鼠等。④复合环----上面三种的组合。如：鱼塘养鸭。生态工程特点主要涉及行业：矿山开发（露天和井工开采）铁路、公路、管线项目水利设施建设（水库、水电站：农牧业开发其它：固废处置、生物能源转化等主要特点：非污染型动用土地面积大对生态因子有直接影响生态治理工程的主要内容景观修复：土地复垦：植被恢复：生态系统平衡：生物多样性维持：生态系统安全：二、微生物生态修复技术•污染物去除方法转移介质环境中（污染物）积累转移降解固定转化污染源无害化无机化挥发植物物理化学生物1、微生物对污染物的作用1）降解作用当前无法显示此图像。TCA循环HMP当前无法显示此图像。阳光↓一级生产者→原生动物→轮虫、浮游甲壳动物→鱼→其他动物异养细菌废物、排泄物人用于生物修复的生物•土著微生物•外来微生物•基因工程菌采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌。•用于生物修复的其他生物这些生物包括藻类、微型动物、植物等。难降解有机污染物和重金属及其相应的降解转化微生物活性污泥活性污泥由细菌、真菌、原生动物和后生动物等各种生物和金属氢氧化物等无机物所形成的污泥状的絮凝物。细菌和原生动物是主要的二大类．有良好的吸附、絮凝、生物氧化和生物合成性能。活性污泥主要用来处理污废水。可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥。活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。活性污泥法是向废水中连续通入空气。经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝物。其上栖息着以菌胶团为主的微生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力。主要微生物细菌原生动物其他微生物生物组成游离细菌菌胶团活性污泥絮状体鞭毛虫、肉足虫、游泳型纤毛虫、固着型纤毛虫及霉菌、单胞藻、病毒、立克次氏体功能净化和稳定污、废水水质促进絮凝、净化作用、指示作用促进絮凝体形成毒性危害好氧活性污泥中的微生物群落生物膜生物生物膜面生物滤池扫除生物所处位置膜内膜表面膜外层生物组成以菌胶团为主要组分，辅以浮游球衣菌、藻类等固着型纤毛虫及游泳型纤毛虫轮虫、线虫、寡毛类的沙蚕、颗体虫功能净化和稳定污、废水水质促进滤池净化速度，提高滤池整体的处理效率去除滤池内的污泥、防止污泥积聚和堵塞普通滤池内生物膜的微生物群落生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物（即生物膜）进行有机污水处理的方法。组成：由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统，其附着的固体介质称为滤料或载体。原理:生物膜首先吸附附着水层有机物，由好气层的好气菌将其分解，再进入厌气层进行厌气分解，流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜，如此往复以达到净化污水的目的。2）去毒作用•微生物不能降解重金属，但是可以降低其毒性——通过钝化作用实现；•钝化作用：毒理学上具有活性的物质在微生物作用下，经过水解、羟基化、脱卤、去甲基等作用转化为无活性的形态。例如：汞的去甲基化及还原——•蓝绿色假单胞菌、变形杆菌可使汞离子转化成元素汞，经10小时后挥发掉75%。1、微生物对污染物的作用3）固定作用•微生物也可以将重金属积累在菌体内使之固定，从而降低毒性。•在微生物累积重金属方面，已阐明同细胞内金属硫蛋白(Metalothioneins,简称MT)有关，•MT是一种低分子量的细胞质蛋白，同Hg,Zn、Cd、Cu、Ag等重金属有强烈的亲和性，结果使重金属富集并抑制其毒性。1、微生物对污染物的作用生物修复(bioremediation)----指利用生物（特别是微生物），将土壤、地下水和海洋等环境中的有毒、有害污染物降解为CO2和H2O，或转化为无害物质，从而使污染生态环境修复为正常生态环境的工程技术体系。工程化生物修复，采用下列手段来加强修复的速度：①生物刺激（biostimulation)，满足土著微生物生长所必需环境条件，诸如提供电子受体、供体、氧以及营养物等：②菌群扩增（bioaugmentation）通过各种手段，增加降解环境污染物的微生物数量。2、生物修复三、植物修复技术定义：植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境污染治理技术。技术方法：1）利用植物固定或修复重金属污染土壤；2）利用植物净化水体和空气；3）利用植物清除放射性核素；4）利用植物及其根际微生物共存体系净化有机污染物。1、植物对污染物的作用•植物固定技术•植物根际过滤技术•植物提取（萃取)技术•根系降解•植物降解•植物挥发•挥发转移1）植物固定•植物根系将有毒有害污染物如重金属积累,降低其活性,使金属惰性化。•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。与微生物的固定相似否？1）植物固定•重金属植物固定技术主要应用于矿山废弃地、城市垃圾填埋场、污水处理厂污泥和各种污染土壤的修复。•目前常用的植物有野生植物和某些高产的农作物，如印度芥菜、油菜、杨树、苎麻等。(2)植物根际过滤技术•指利用植物发达丰富的根系从水或污水中吸收、吸附和吸收有毒重金属的技术。•适用于根际过滤的植物必须有较大的根系生物量，常用的有各种耐盐的野草、向日葵、宽叶香蒲。处理石油天然气生产过程中产生的废水、含放射性污染物质的废水、含重金属的各种废水及富含其他污染物（如氮、磷、驾）废水。3）植物提取（萃取)技术•采用超积累植物将土壤中过量的重金属元素大量地富集并搬运转移到植物根部可收割部位和地上茎叶部位(特别是地上部)，从而修复土壤的技术。达到环境治理、变废为宝的目的。各种金属，如银、镉、钴、铬、铜、汞、锰、钼、镍、铅、锌；类金属，如砷、硒；放射性核素，如90Sr、137Cs、239Pu、238U、234U等；非金属，如硼等；各种有机物质。如：芸苔属植物、油菜、工业用大麻，可超量富集砷。目前已经发现的500多种超富集植物广泛分布于45个科，其中Ni的超富集植物最多，主要是十字花科的庭荠属。据报道，红根苋可富集Cs，对切尔诺贝利核电站1986年泄露后大面积土壤的核污染进行植物修复有较大潜力。美国Viridian环境公司用植物修复技术净化镍污染土壤，每年甚至可以从金属镍的回收中获取2500美元/hm2的收益。3）植物提取（萃取)技术4）根系降解（植物-微生物联合修复）•根系微生物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。•多应用在水体污染修复中。•常用的植物有各种耐盐的野草如牙买加克拉莎草，向日葵及各种水生植物如香浦等。植物刺激技术（植物辅助生物修复技术）桑树、桑橙树和苹果树被人们用来刺激能降解多氯联苯（PCB）和多环芬烃（PAH）的微生物生长。4）根系降解（植物-微生物联合修复）植物刺激技术（植物辅助生物修复技术