第11章环境污染的生物修复

第十一章污染环境的生物修复第一节生物修复的概念及其原理一、生物修复技术的概念二、(微)生物修复的基本原理三、生物修复技术特点四、微生物在环境污染治理中的作用第二节植物修复中主要生物种类及其修复原理一、植物修复的概念二、植物修复的类型三、植物修复在环境污染中的应用第三节生物修复工程技术一、生物修复工程技术可行性研究二、地表水生物修复工程技术三、土壤生物修复工程技术四、地下水生物修复工程技术第一节生物修复的概念及其原理一、生物修复技术的基本概念1.广义的生物修复(Bioremediation)利用生物将土壤、地表及地下水或海洋中的危险性污染物现场去除或降解的工程技术系统称为生物修复。2.生物修复分类可以分为微生物修复、植物修复、动物修复和生态修复四大类，其中微生物修复就是我们通常所称的狭义上的生物修复。一、生物修复技术的基本概念3.狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下，利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。•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。二、(微)生物修复的基本原理1.生物修复的基本原理由于溶解氧不足、营养盐缺乏和有效微生物生长缓慢等限制性因素，使以微生物作用为主的环境自然净化速度很慢，在环境的人工治理中需要采用各种方法来强化这一过程。这就是生物修复的基本思想。原理：通过微生物的降解和转化，将有机污染物转化为无害的小分子化合物和二氧化碳与水采用诸如提高通气效率、补充营养(对石油污染而言，主要是补充N、P)，投加优良菌种、改善环境条件等办法来提高微生物的代谢作用和降解活性水平，以促进对污染物的降解速度，从而达到治理污染环境的目的。难降解有机污染物和重金属及其相应的降解转化微生物二、(微)生物修复的基本原理2.应用微生物修复技术必须具备以下条件：•存在具有代谢活性的微生物•降解过程不产生有毒副产物•污染环境中的污染物对微生物无害或其浓度不影响微生物的生长•目标化合物必须能被微生物利用•处理场地利于微生物的生长；•处理费用较低，至少要低于其他处理技术三、生物修复技术特点1.优点：与物理、化学处理技术相比，采用生物修复技术投资费用省，对环境影响小，能有效降低污染物浓度，适用于在其他技术难以应用的场地现场操作，如位于建筑物或公路下受污染土壤。适用于大面积、低浓度的污染位点而且能同时处理受污染的土壤和地下水。在土壤修复中利用适当的植物种类不仅可去除环境的有机污染物，还可去除环境中的重金属和放射性核素。可对富营养化地表水体进行修复2.局限性：如微生物不能降解进入环境的所有污染物，需要对具体地点的状况和存在的污染物进行详细而昂贵的具体考察，微生物活性受温度和其他环境条件影响，在有些情况下，生物修复不能去除全部污染物。三、生物修复技术特点3.影响微生物修复的因素•营养微生物的生长需要维持一定量的C:N:P营养物质及某些微量营养元素。•电子受体环境中的有机污染物在微生物的作用下被氧化分解时需耗氧。•有毒有害有机污染物的化学性质•污染现场和土壤的特性•共代谢基质四、微生物在环境污染治理中的作用1.微生物对有机污染物的降解与转化微生物是自然界中的分解者，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。因此，微生物是生物修复中污染物降解的主力军。2.微生物对重金属的转化与固定微生物虽然不能降解重金属，但是可以降低其毒性，并可将其累积在菌体内使之固定。①汞的去甲基化及还原例如：蓝绿色假单胞菌、变形杆菌可使汞离子转化成元素汞，经10小时后挥发掉的汞可达75%。假单胞菌K62能使无机汞和有机汞形成元素汞。四、微生物在环境污染治理中的作用②累积及固定重金属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。四、微生物在环境污染治理中的作用第二节植物在环境污染治理中的作用一、植物修复的概念利用绿色植物清除环境中的污染物，使其去除降低或消失称作植物修复(phytoremediation)(Raskin等.1994)。植物修复的主要对象是有毒重金属和有机污染物。研究表明，许多细菌、真菌、藻类和植物都有从周围环境富集重金属的能力，然而至今仍没有一种经济有效的方法从土壤中回收富集了重金属的微生物。相比较而言，回收富集了重金属的植物则较容易。尤其是那些将重金属吸收到地上部的植物的回收更加简便易行。•植物固定(Phytostabilization)•根系降解(Rhizodegradation)•植物促进(Phytoaccumulation)•植物降解(Phytodegradation)•植物挥发(Phytovolatilization)•挥发转移(Evapotranspiration)二、植物修复的类型1.植物固定(Phytostabilization)利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在根系地带,降低其活动性,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。2.根系降解(Rhizodegradation)植物中超过20%的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部,因此会生长很多微生物,尤其在根表面向外1-3mm的地方,这些微生物是没有种植过植物的土壤的3-4倍。一些微生物可以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。3.植物促进(Phytoaccumulation)也称之为植物提取(phytoextraction),植物根系将土壤中重金属或有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上部分。一般指那些能累积超过叶子干重1.0%的Mn，或者0.1%的Co、Cu、Pb、Ni、Zn，或者0.01%的Cd的植物。目前世界上有500多种这样的植物。4.植物降解(Phytodegradation)植物的根、茎、叶吸收或降解污染物,主要是有机污染物如PAHs、TPHs、PCBs,无机污染物如氮氧化物、硫氧化物。判断这些污染物能否进入植物体内的指标是该物质在辛醇—水中的分配系数(logKOW)。logKOW在1-3.5之间的物质可以被植物吸收降解。5.植物挥发(Phytovolatilization)某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空隙中挥发。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出的物质可能被空气中的活性羟基分解。如有毒的Hg2+经植物挥发后变成了低毒的Hg，高毒的硒变成了低毒的硒化物气体等。6.挥发转移(Evapotranspiration)植物通过叶表孔隙挥发水分的形式转移在水系中的污染物。如白杨、桉树、河香柏等树木具有很深的根系,每天可以蒸腾大量的水,将水中某些污染物转移至植物体内。1.植物修复在空气污染中的应用2.植物在水环境污染中的应用3.植物在土壤污染中的应用三、植物修复在环境污染中的应用1.植物修复在空气污染中的应用氮氧化物NxOy是污染空气的一类主要化合物，NO2同O3在光照的条件下容易形成光化学烟雾，N2O是一种能引起温室效应的气体，它可以辐射传热,破坏同温层的O3。某些植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用,利用这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法。HiromichiMorikawa等人详细研究了NO2被217种高等植物、50种野生草本植物、60种人工培育的草本植物和107种木本植物吸收和还原为N2的情况，结果表明辛荑对NO2吸收最高，达12.7mg/g(干重)；菊科、桃金娘科、茄科和杨柳科有较高的还原N2的能力。2.植物在水环境污染中的应用水环境中的污染大致可分为三类:（1）无机营养元素如氮、磷等；（2）有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAHs、炸药等；（3）重金属的污染。（1）无机营养元素如氮、磷等去除利用水生植物去除由氮、磷等无机营养元素引起的水体富营养化问题已有大量研究。种植莲藕、水稻既可以去除氮、磷,又有很好的经济价值；被制成浮床的大椿草、水芹、水荣草、多花黑麦草等对去除水体中的氮、磷和抑制藻类滋生均有明显的作用。这些植物发达的根系及与根系共生或混生的微生物往往共同对水环境起着净化作用。(三)水体的富营养化2.水体形成富营养化的指标含氮量大于0.2-0.3mg/L，含磷量大于0.01~0.02mg/L，生化需氧量（BOD5）大于10mg/L。在pH值7~9的淡水中细菌总数达到105个／ml，标志藻类生长的叶绿素a大于10µg／L（2）有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAHs、炸药等去除利用某些植物降解、矿化污染物为毒性弱的小分子、具有无机物的特性,修复受污染的水体。水葫芦可以去除水体中的有机磷农药、染料、酚、多环芳烃、甲基对硫磷等有机污染物；浮萍、伊乐藻对杀虫剂DDT降解有明显的作用,金鱼藻、伊乐藻或浮萍可以显著降低地表水中异丙甲草胺浓度;长春花可用于修复受炸药TNT污染的地表水;龙葵能有效地降解PCBs。（3）重金属去除植物通过根系吸收、浓缩和沉淀水体中有毒有害重金属是非常具有吸引力的一种含重金属废水的处理方法,是目前研究的热点问题。用于修复水体污染物的植物大多是沉水和水面漂浮植物,其中如绿藻对Cd、Hg、Cu、Pb的去除率可达80%-90%;黑麦草对黄金废水不仅有很强的净化能力,而且也具有很高的富集功能,其根部的含金量最高可达784g/t(干重)。植物种苗对水中重金属的去除作用比植物根的去除作用更强，利用植物种苗去除水中重金属被称为种苗过滤，是修复含重金属废水发展的新方向。渠荣遴等人研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等作物种苗对水体中Zn、Pb、Cu的去除作用，结果表明:蓖麻对Zn的积累最高，达30.0mg/g；向日葵对Pb的积累最高,达91.6mg/g；向日葵对Cu的积累最高,达24.3mg/g，其茎、叶中也有一定量的铜积累。3.植物在土壤污染中的应用土壤中的污染物主要为：（1）有机物如有机农药、石油类(TPH)、酚类、氯溴代有机化合物等；（2）重金属等。（1）植物修复有机污染物植物修复有机污染物的方式主要以植物固定、植物降解为主。紫花苜蓿,黑麦草,小蓝茎草已成功地用于土壤中PAHs的修复,在6个月内可以将PAHs总量降低57%；银合欢可以吸收和代谢二溴甲烷、三氯乙烯；转基因胡萝卜根须中聚集的苯酚浓度可达1000mmol/L，氯酚50mmol/L，在120h内可降解90%以上的苯酚类化合物,研究表明根须中的过氧化酶可以促进这些物质的代谢;在黑麦与大豆轮作的地块上TPH消失量显著高于无植被的地块；植物还能降解杀虫剂和除草剂，桑科植物及蔷薇科植物的根系分泌物能促进PCB降解菌的生长。柳树、鹅掌揪、落羽松、掸木及栋属植物都能有效地降解除草剂灭草松。（2）植物修复土壤中重金属污染植物修复主要是选用超富集植物通过根系吸收固定这些重金属,并转移到地面部分,可采用收割的方式去除土壤中重金属。宝山堇菜是一种Cd超富集植物,它不仅可以超量吸收Cd，而且可以从地下向地上部位有效输送。蜈蚣草不仅有较强的耐受和富集Sn的能力,同时也具有较强的耐Pb、Zn的能力,具有生长速度快和生物量大的特点,通过改善植物生长条件等措施可以大幅度提高其富集能力,是有潜力的Zn、Cd污染土壤的修复植物。用于修复土壤重金属污染的植物应具有的特性a．即使在污染物浓度较低时也有较高的积累速率；b．能在体内积累高浓度的污染物；c．能同时积累几种金属；d．生长快，生物量大；e．具有抗虫抗病能力。•总结——优点与传统的修复技术相比,植物修复是一种容易接受、成本低、技术要求低的修复方法,它可应用于空气、地表水、地下水、土壤中污染物的修复。植物修复技术可清除的污染物包括无机污染物如氮、磷、重金属等;有机污染