第五章生物修复技术

第五章生物修复技术由于人类活动导致土壤、沉积物、地下水和地表水等受到污染，需要进行修复；环境修复技术包括物理、化学方法，也包括采用生物技术进行修复的方法；生物修复包括：植物修复、微生物修复、动物修复和联合修复。微生物修复是目前使用最有效、最广的修复方法，不仅能有效降低环境中的有机污染物，而且能消除无机污染物。目前，开发的微生物修复技术多从提高微生物的活性、加快污染物去除速率，缩短时间和满足不同环境修复方面考虑。5.1生物修复技术概述5.2有机污染的生物修复技术5.3无机污染的生物修复技术5.4生物修复技术进展5.1生物修复技术概述一、基本概念•不仅土壤和地下水中存在有毒有害污染物，在地表水和海洋中也广泛存在此类物质。•自然条件下，利用环境中的生物，分解污染物质、净化环境，这种净化实际上就是生物修复。基本定义：利用生物，特别是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的一个受控或自发进行的过程。1.生物修复的基本内容目的：去除环境中的污染物，使其浓度降至环境标准规定的安全浓度下生物修复的基本思想环境中的微生物都有自然净化污染物的能力，但是自然条件由于溶解氧不足、营养缺乏与生物生长慢等限制，净化速度就慢，需要采取强化处理方法，如提供氧气、添加营养物质，使用经驯化的高效微生物等。生物修复与生物处理的区别•从原理上说，两个名词是一致的，•区别在于：微生物修复专指被污染的土壤、地下水和海洋中有害物质的生物处理，多指原位生物处理；•生物处理含义广泛，尤其在废水处理中的应用最广，对于土壤、地表水和地下水等的污染治理属于新领域。应用•最早的应用是污泥耕作，即将炼油废物施入土壤，并添加营养，以促进降解碳氢化合物的微生物生长；•现在，多应用于清除或减少土壤、地下水、废水、污泥、工业废物及气体中的化学物质；•能够用各类生物修复技术分解的有机化合物种类很多，其中石油及石油制品、多环芳烃、卤代烷烃等受到较多关注；•生物修复也能用于消除地下水中的硝酸盐、硫酸盐、氨氮等无机物，可以吸附、固定和生物挥发土壤中的金属、类金属等无机物。3、生物修复的主要方法（1）原位生物修复污染土壤不需要移动，污染地下水不需要泵抽至地面，费用低，过程控制难；原位修复的技术手段添加：营养物质，溶解氧，微生物或酶，表面活性剂（促进污染物质与微生物的充分接触），补充碳源及能源；（2）异位生物修复通过某种方法将污染介质转移到污染现场附近或之外，在进行处理，费用高，过程易控制异位修复的技术手段主要利用生物反应器。对有毒化合物、挥发性污染物或浓度较高的污染场地处理，必须用异位修复。4.生物修复的优点（1）经济花费少，仅为传统化学、物理修复的30～50％；（2）对环境影响小，不产生二次污染，遗留问题少；（3）能尽可能的降低污染物浓度（4）对原位生物修复而言，污染物可在原地被降解清除（5）修复时间较短（6）就地处理，操作简单（7）人类直接暴露在污染物下的机会减少5.生物修复技术的前提条件（1）必须存在具有代谢活性的微生物（2）这些微生物必须能以相当速率降解污染物，并使其浓度降低至环境要求范围（3）降解过程不产生有毒副产物（4）污染场地或生物反应器的条件必须有利于微生物生长或保持活性（5）目标化合物必须能被生物利用（6）污染场地必须不含对降解菌有抑制作用的物质，否则需要先行稀释或将该抑制剂无害化（7）技术费用尽可能低二、生物修复的影响因素•微生物修复过程中，主要涉及微生物、有毒有害污染物和被污染的环境；•影响微生物修复的因素则包含：微生物活力、污染物性质与环境状况（一）微生物•微生物数量的多少和微生物活性的强弱是影响微生物修复的重要方面；•根据微生物的来源，用于修复的微生物菌株可分为：土著微生物、外来微生物和基因工程菌1.土著微生物•是被污染环境中自然存在的微生物；•修复的基础是其体内的各种酶系；•在污染的环境中微生物可能被驯化产生特殊酶系；•目前多数生物修复工程应用土著微生物，是因为：•土著微生物降解污染物的潜力大；•接种来得微生物在环境中难保持较高的活性•基因工程菌应用的安全问题•外来微生物对微生物生态带来的负面影响也是考虑的因素在实际污染修复中，要考虑激发当地多样性的土著微生物群落；处理复合污染时，要考虑到微生物的协同作用。2.外来微生物•使用外来微生物的条件土著微生物生长慢、活力低污染物造成土著微生物数量下降•使用方法接种高效降解菌，大接种量，添加营养物质•对外来微生物菌种的研究寻找天然存在的、有较好污染物降解动力学特性，并能攻击广谱化合物的微生物；研究极端环境下的微生物比如：有研究耐高温高盐的微生物，将其体内的酶应用于洗发水中3.基因工程菌•实现手段利用基因重组、细胞融和技术等将多种降解基因转到目的微生物中。基因操作方法：基因枪，细胞融合仪（电穿孔），聚乙烯醇等•与土著微生物的竞争需要有足够的存活时间，目的基因才能稳定表达；需要提供适合的碳源、能源；为目的基因的宿主创造生态位，使其能利用选择性基质，如某些表面活性剂。•适用适合于一次性处理目标污染物，不适用于反复使用；安全环境中；法律允许的范围内。（二）污染物的性质•污染物淋失•吸附•挥发•生物降解和化学反应•污染物性质对修复的影响（1）吸附吸附和解吸程度影响污染物在水中的溶解度，进而影响到生物修复的时间；•污染物被吸附，降低在水中的溶解度，降低生物降解速率；•解吸容易，修复的时间短。•污染物性质对修复的影响（2）生物降解能力污染物对微生物的毒性越大，生物降解能力越差；污染物化学结构决定污染物的生物降解能力。•污染物性质对修复的影响（3）其他性质•采取措施添加表面活性剂要求：表面活性剂能提高生物可利用性，而且对微生物和其他生物无毒，并易于降解，不造成土壤板结等。应用：煤焦油、石油、石蜡等污染物的修复如：海洋石油泄漏的生物修复•营养物质•电子受体•共代谢基质•pH•温度•污染现场特性（三）环境条件和状况1.营养物质种类：N、P等通常是限制因素比例：实验室确定最佳比例施加方式：不能污染水体，如富营养化海洋石油泄漏中，采用石蜡处理的尿素和辛基磷酸盐混合物作为肥料，有亲油疏水的性质，能提高石油的降解；2.电子受体•包括：溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根（如硝酸根和硫酸根）•溶解氧是关键因素，来源于空气中氧•氧传递的速率影响生物修复的效果和速率。•采取方法鼓气：土壤或地下水中，可设通气管道添加产氧剂：双氧水，浓度100～200mg/L；固体过氧化钙等其他：防止土壤被水饱和，对土壤耕作，限制土壤中好氧有机物含量等•厌氧环境中，硝酸根、硫酸根等可被作为电子受体，但厌氧过程很慢，工艺难控制，利用较少。3.共代谢基质•共代谢（co-metbolism）又称协同代谢。•一些难降解的有机物，通过微生物的作用能被改变化学结构，但并不能被用作碳源和能源，它们必须从其他底物获取大部分或全部的碳源和能源，这样的代谢过程称为共代谢。•对共代谢的理解有些不能作为惟一碳源与能源被微生物降解的有机物，当提供其他有机物作为碳源或能源时，这一有机物就有可能因共代谢作用而被降解。•微生物的共代谢作用可能存在以下几种情况：降解其他有机物提供能源或碳源；与其他微生物协同作用；由其他物质的诱导产生相应的酶系。共代谢作用的存在，大大增加了一些难降解物质在环境中被生物降解的可能性。4.pH5.温度6.污染物现场特性地表水、地下水、海洋和土壤的特性，地理位置不同的污染现场也具有不同的特性。三、微生物修复的一般过程（一）数据调查•1.污染物的种类和性质，分布、浓度及受污染的时间；•2.土壤特征，如温度、孔隙、渗透率等•3.场地污染前后微生物种类、数量和活力的变化检测方法包括：镜检（制片、染色）、生化法测生长量，测酶活，平板分离纯化等•4.污染场地的地理、水文地质和气象条件及空间（可利用的土地和沟渠等）•5.法律规定，达到的目标。（二）技术查询（三）选择技术路线（四）可处理性实验•模拟环境特征，提供污染物在微生物修复过程中的行为和归宿，评价表层和深层环境中微生物修复达到的速度和程度•可分为实验室小试和中试，现场试验。（五）实际工程设计小结1.环境修复的类型2.生物修复的基本概念：定义、方式、应用3.影响因素：微生物来源、污染物性质、环境4.一般过程