4污染环境的生物修复原理

第四章污染环境的生物修复原理4.1生物修复概述4.2环境微生物修复机理4.3环境修复微生物生态学原理4.4影响生物修复的污染物特性4.1生物修复概述1.生物修复(Bioremediation)的概念

广义的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，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术，一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。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。环境生物修复技术主要由三方面的内容组成：（1）利用土著微生物代谢能力的技术（2）活化土著微生物分解能力的方法（3）添加具有高分解难降解化合物能力的特定微生物的方法2.生物修复的产生发展生物修复起源于有机污染物的治理，利用好氧或厌氧微生物处理污水已有100多年的历史，但是利用生物修复技术处理现场有机污染物才有30多年的历史。1972年美国清除宾夕法尼亚州的Ambler管线泄漏的汽油是史料所记载的首次应用生物修复技术20世纪80年代以后基础研究的成功被应用于大范围的污染环境治理，并取得了相当的成功，从而发展成为一种新的生物治理技术。1989年，美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染，生物修复技术首次大规模应用，取得了很好的效果。阿拉斯加溢油生物修复成为生物修复史上的里程碑，至此，生物修复技术成为一种可被人们接受的油泄漏治理方法。我国关于生物修复的研究起步较晚，目前尚处于小试与中试阶段，还需进一步发展。3.生物修复的特点优点（1）可以现场进行，节省了很多治理费用（2）环境影响小（3）最大限度的降低污染物浓度（4）可用于其他处理技术难以应用的场地（5）可以同时处理受污染的土壤和地下水缺点（1）耗时长（2）运行条件苛刻（3）并非所有进入环境的污染物都能被生物利用（4）特定的生物只能吸收、利用、降解、转化特定类型的化学物质，状态稍有变化的化合物就可能不会被同一种生物酶破坏4.生物修复的类型按修复主体分（1）微生物修复（2）植物修复（3）动物修复（4）生态修复按修复受体分土壤生物修复、河流水生物修复、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、垃圾场生物修复等按修复场所分（1）原位生物修复（原位工程生物修复和原位自然生物修复）（2）异位生物修复（3）原位-异位联合生物修复5.生物修复的原则及可处理性实验生物修复的原则（1）适合的生物（先决条件）（2）适合的场所（3）适合的环境条件（4）适合的技术费用生物修复的可处理性试验可处理性试验的目的：环境中的污染物一般是混合性化学物质；污染现场各有特点，在某一现场起作用的生物修复技术在另一现场并不一定有效。可处理性试验分为三个不同的规模：实验室小试、中试和现场试验可处理性试验的结果应为实际工程的实施回答以下几个问题（1）污染物进一步扩散的可能性以及防治措施（2）提高生物活性的手段（3）评价生物修复效果所需要的检测手段进行可处理性试验是要监测污染物的降解过程和最终产物的毒性，监测方法有化学分析和生物监测。采用生物监测手段能够了解污染物的降解和解毒过程中产物毒性的变化，目前常用Ames试验检测遗传毒性，用发光菌毒性试验检测急性毒性可处理性试验方法（1）土壤灭菌试验（2）土壤柱试验（3）摇瓶试验（4）反应器试验6生物修复工程技术生物修复工程技术可行性研究（－）数据调查污染物性质，受污染前后生物性质、分布，污染现场条件，有关管理法规，确立净化目标。（二）技术查询（三）选择技术路线对各种修复技术以及它们可能组合进行全面客观评价，列出可行方案，并确定最佳技术。（四）可处理性试验假如生物修复技术可行，要设计小试和中试，不能忽视规模因素。（五）实际工程设计小试和中试可行后，可进行具体设计，包括生物种类筛选、处理设备、营养物和氧源等。修复效果评价4.2环境微生物修复机理1、用于生物修复的微生物土著微生物外来微生物（需大量接种）基因工程菌用于生物修复的其他微生物微生物产品和酶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。表4-1难降解有机污染物和重金属

及其相应的降解转化微生物

2、微生物修复的影响因素：（1）微生物营养盐

（2）电子受体：溶解氧—鼓气或添产氧剂H2O2、有机物分解中间产物和无机酸根（如硝酸根、硫酸根）。（3）共代谢基质：洋葱假单胞菌以甲苯作生长基质可对三氯乙烯共代谢降解。

（4）污染现场和土壤特性（5）有毒有害有机污染物物理化学性质：淋失与吸附、挥发、生物降解、化学反应。微生物营养盐

在营养缺乏的环境中，为了使污染物达到完全降解，适当添加营养物比接种特殊的微生物更为重要，例如氮、磷营养盐。电子受体：土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类和浓度也极大地影响这污染物生物降解的速度和进程。微生物氧化还原反应的最终电子受体主要包括溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根（如硝酸根和硫酸根）。可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供DO作为有机物降解的电子受体；此外，硝酸根、硫酸根、铁离子也可作为有机物降解的电子受体。共代谢基质微生物的共代谢基质对一些顽固污染物的降解起着重要作用，因此，共代谢基质对生物修复有重要影响。污染现场和土壤特性：土壤特性影响污染物和微生物的相对活性，最终影响生物修复的速度和程度。有毒有机污染物的物理化学性质如有机污染物的化学结构、毒性、生物可利用性。3.微生物修复与物质循环（一）碳循环（二）氮循环（三）氢与氧的循环（四）硫循环（一）碳循环一、纤维素的转化二、半纤维素的转化三、果胶质的转化四、淀粉的转化五、脂肪的转化六、木质素的转化七、烃类物质的转化一、纤维素的转化纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，分子式：(C6H10O5)1400~10000纤维素在微生物酶的作用下，分解为葡萄糖。这类微生物主要有细菌、放线菌和真菌等。二、半纤维素的转化半纤维素存在于植物细胞壁中。半纤维素的组成中含聚戊糖、聚己糖及聚糖醛酸。造纸废水和人造纤维废水含半纤维素。分解纤维素的微生物大多能分解半纤维素。半纤维素的分解过程如下：三、果胶质的转化果胶质存在于植物细胞壁和细胞间质中，造纸、制麻废水多含有果胶质。天然的果胶质不溶于水，称原果胶。果胶质水解生成的果胶酸、聚戊糖、半乳糖醛酸、甲醇等在好氧条件下分别为二氧化碳和水，在厌氧条件下进行丁酸发酵，产物有丁酸、乙酸、醇类、二氧化碳和氢气。好氧分解果胶质的微生物有：枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。四、淀粉的转化淀粉的种类包括：直链淀粉和支链淀粉。淀粉广泛地存在于植物种子（稻、麦、玉米）之中。凡是以上述物质作为原料的工业废水等均含有淀粉。五、脂肪的转化脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，不溶于水，可溶于有机溶剂。毛纺、油脂厂废水，制革废水含有大量油脂。脂肪被微生物分解的反应式如下：甘油的转化六、木质素的转化木质素是植物木质化组织的重要成分，稻草秆、麦秆和木材是造纸的原料，木材也是人造纤维的原料。所以造纸和人造纤维废水均含有大量木质素。分解木质素的微生物主要是担子菌纲中的干朽菌、多孔菌、伞菌等的一些种，有厚毛霉和松全菌。假单胞菌的个别种也能分解木质素。木质素被微生物分解的速率缓慢，在好氧条件下分解木质素比在厌氧条件下快，真菌分解木质素比细菌快。七、烃类物质的转化炼油厂、煤气厂、焦化厂、化肥厂的废水均含有芳香烃。酚和苯的分解菌有假单胞菌，铜绿色假单胞菌及苯杆菌等。苯的代谢如下：（二）氮循环一、微生物转化氮素物质的一般途径二、氨化作用三、硝化作用四、反硝化作用五、固氮作用六、其它含氮物质的转化一、微生物转化氮素物质的一般途径氮素是核酸及蛋白质的主要成分，是构成生物体的必须元素。自然界蕴藏着丰富的氮素物质，其主要形态有三种：1.分子态氮，存在于空气中，数量最大，占空气容量近79%，每亩土地上空估计有5000吨；2.生物体中的蛋白质、核酸和其它有机氮化物；3.铵盐及硝酸盐等无机态氮化物。前两种形态的氮虽然数量很大，但不能被植物直接吸收利用。后一种形态的氮，是植物所能吸收的氮，但为数很少，远不能满足地面植物对氮素营养的需求。上述三种形态的氮素物质，在自然界中因生物的作用，不断地相互转化，进行着氮素循环。氮素循环图例1、2二、氨化作用有机氮化物在微生物的分解作用中释放出氨的过程，称为氨化作用(ammonification)。这里着重介绍：（一）蛋白质的分解（二）核酸的分解（三）其它含氮有机物的分解（一）蛋白质的分解1.氧化脱氨基作用：产生酮酸和氨2.水解脱氨基作用：产生含氧酸和氨3.还原脱氨基作用：产生饱和酸和氨氨基酸脱氨基后的残余基团是一个有机酸，将作为微生物生活的碳源物质，在呼吸作用中或被氧化分解成CO2。或被发酵生成低分子有机酸、醇或碳氢化合物。绝大多数异养型微生物，包括细菌、真菌、放线菌，都有不同的蛋白质分解能力。在自然界中，它们分布很多。作用强的有：荧光假单胞菌、灵杆菌和变形杆菌等兼性细菌，巨大芽孢杆菌、覃状芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、肠膜芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等需氧性细菌，腐败芽孢杆菌等厌氧菌。真菌中有木霉、曲霉、毛霉中的一些种，康氏木霉和黑曲霉的氨化能力最强。（二）核酸的分解各种生物细胞中均含有大量的核酸，它们是核苷酸的缩聚物。次黄尿环腺嘌呤许多微生物都能分解核酸。细菌中有芽孢杆菌、梭菌属、分枝杆菌属、节杆菌属等，真菌中有曲霉、青霉、镰胞霉等，放线菌中的链霉菌属都能分解核酸。（三）其它含氮有机物的分解1.尿素分解尿素的微生物有：芽孢八叠球菌、巴斯德氏芽孢杆菌等。O=C+2H2O(NH4)2CO32NH3+CO2+H2ONH2NH2尿酶2.几丁质某些微生物如贝内克氏菌属中的一些种，产生几丁质酶使几丁质水解，生成氨基葡萄糖和乙酸。氨基葡萄糖再经脱氨基酶作用，生成葡萄糖和氨。C6H11O5NH2+H2OC6H12O6+NH3脱氨基酶几丁质酶C15H26N2O10+4H2O2C6H11O5NH2+3CH3COOH几丁质氨基葡萄糖乙酸三、硝化作用氨经过微生物作用氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸的过程，称为硝化作用（Nitrification）。（一）亚硝化作用2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量（二）硝化作用2HNO2+O22HNO3+能量自然界引起氨氧化的微生物最主要是一群化能自养型细菌，它们从氧化HNO2及HNO3中取得能量，以CO2为碳源进行生活。引起亚硝化作用的主要是亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），引起硝化作用的主要是硝化杆菌属（Nitrobacter）。它们都是革兰氏染色阴性、不生芽孢的、球状或短杆状细菌。四、反硝化作用硝酸在通气不良情况下借微生物作用而还原的过程，称为反硝化（Denitrification）。由于还原的程度不同，可生成不同的还原态产物，如亚硝酸、次亚硝酸、一氧化氮、以至分子态氮等。引起反硝化作用的微生物，统称为反硝化微生物。它们在环境中种类很多，数量亦大，包括细菌、真菌和放线菌中的多种微生物，能将硝酸还原为亚硝酸。在反硝化作用中微生物是将NO3中的氧作为呼吸作用的受氢体，因而使NO3还原。C6H12O6+4NO3=6H2O+6CO2+2N2+能量微生物进行反硝化作用的适宜条件是：1.有丰富的有机物作为碳源和能源；2.NO3作为氮源与受氢体；3.最适pH中性至微碱性，但在pH3.5~11.2亦曾见到反硝化作用；4.温度为中温型25℃左右，但也曾分离到高温型的反硝化菌，能在60~65℃下进行反硝化作用；5.厌氧条件。五、固氮作用微生物直接利用大气中的分子态氮，使之还原为氨的过程，称为固氮作用（Nitrogenfixation）。N2+6e+6H++nATP2NH3+nADP+nPi固氮酶需氧固氮微生物包括固氮菌属(Azotobacter)。兼性厌氧固氮微生物中包括肠杆菌中的肺炎克雷伯氏菌(Klebsiellapneumoniae)。厌氧性固氮菌中主要有梭状芽孢杆菌属。光合型固氮微生物中，蓝细菌的许多属能进行旺盛的固氮作用。共生固氮微生物中最引人注目的是根瘤菌属(Rhizobium)。六、其它含氮物质的转化其它含氮物质主要指氢氰酸、乙腈、丙腈、正丁腈及硝基化合物。它们来自腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。土壤和水体受到上述物质不同程度的污染，对人畜都有毒害。CH3COHCH3CHNH2CNCH3CHNH2COOHHCNNH4+甲醛-氨基乙腈丙氨酸在有氧条件下，氰化物氧化分解如下：担子菌能利用甲醛、氨水和氢氰酸在腈合成酶的作用下缩合成-氨基乙腈，进而合成丙氨酸。5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH3（三）氧循环人和动物呼吸微生物有机物分解O2植物藻类O2光（四）硫循环一、含硫有机物的转化二、无机硫的转化硫有三态：元素硫、无机硫化物及含硫有机化合物。这三者在化学和生物作用下互相转化，构成硫的循环。S含硫有机物反硫化分解同化硫化硫化SO42H2S一、含硫有机物的转化含硫有机化合物如蛋白质、含硫氨基酸、磺氨酸等在许多土壤微生物的分解中，经脱硫作用生成硫化氢，进行含硫有机物的无机质化的过程。CH2SSCH2CHNH2CHNH2COOHCOOH2CH3COOH+2CO2+2H2S+2NH3+3H2O+0.5O2

大肠杆菌或变形杆菌胱氨酸在分解不彻底时可形成硫醇暂时累积，但在进一步氧化中，仍以硫化氢为最后产物。二、无机硫的转化1.硫化作用：硫化氢、元素硫或硫化亚铁等在硫细菌的作用下进行氧化，最后生成硫酸的过程，称为硫化作用(Sulphurication)。参与硫化作用的微生物有硫化细菌和硫磺细菌。如：氧化硫杆菌：2S+3O2+2H2O→2H2SO4+能量2.反硫化作用：硫酸盐在缺氧条件下被一些微生物利用而还原生成硫化氢的过程称为反硫化作用(Desulphurication)

。主要是硫酸还原菌所引起。2H2S+O2→2H2O+2S+能量C6H12O6+3H2SO4→6CO2+6H2O+3H2S+能量如脱硫脱硫弧菌(Desulfovibriodesulfuricans)是具有强烈反硫化作用的细菌的典型代表。能将硫酸盐还原成H2S。微生物的营养(异化作用和同化作用，自养微生物和异养微生物)微生物生理代谢的基础——酶微生物的能量代谢(好氧呼吸、无氧呼吸和发酵)微生物的合成代谢(光合作用，化能自养型微生物合成代谢，产甲烷菌合成代谢)4.环境微生物的代谢5.微生物修复污染物的可生物降解性（1）极其多样的代谢类型（2）很强的变异性（3）共代谢基质的存在（4）通过改变有机物的化学结构，提高生物降解性6.微生物对有机污染物的修复有机污染物进入微生物细胞的过程（1）主动运输需要消耗能量，可以逆物质浓度梯度进行，需要载体蛋白的参与，对被运输的物质有高度的立体专一性，为主要方式。（2）被动扩散是微生物吸收营养物各种方式中最简单的一种，不规则运动的营养物质分子通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外向低浓度的胞内扩散，具有非特异性。（3）促进扩散在运输过程中不需要消耗能量，物质本身在分子结构上也不会发生变化，不能进行逆浓度运输，需要借助位于细胞膜上的一种载体蛋白参与物质运输（4）基团转位是另一类型的主动运输，在物质运输过程中，除了物质分子发生化学变化外，其他特点都与主动运输相同，在厌氧微生物中发生。（5）胞饮作用假丝酵母摄取烷烃的一类途径6.微生物对有机污染物的修复微生物降解有机污染物的基本反应类型（1）氧化作用包括Fe、S等单质的氧化，NH3、NO2等化合物的氧化，以及一些如甲基、醛有机基团的氧化。（2）还原作用包括高价铁和硫酸盐的还原、NO3-的还原、羟基或醇的还原等，还原作用需要缺氧或者厌氧（无氧）的环境。（3）基团转移作用如脱羧、脱氨、脱卤等（4）水解作用使大分子转化为小分子，如纤维素降解。此外还有酯化作用、缩合作用、氨化作用、乙酰化作用、双键断裂反应、卤原子移动等。7.微生物对重金属污染物的作用微生物对重金属离子的转化环境中重金属离子的长期存在使自然界中形成一些特殊微生物，它们对有毒重金属离子具有抗性，可以使金属离子发生转化。对微生物而言，这是一种很好的解毒作用；对环境而言则是一种很好的修复作用，汞、铅、锡、砷等金属离子或类金属离子都能在微生物的作用下通过氧化还原作用而失去毒性。主要包括甲基化作用、还原作用和氧化作用。7.微生物对重金属污染物的作用微生物对重金属离子的吸收与吸附微生物对重金属离子吸附的机理主要有静电吸附、共价吸附、络合螯合、离子交换和无机微沉淀等，重金属有可能通过沉淀或晶体化作用沉积于细胞表面，某些难溶性重金属也可能被胞外分泌物或是细胞壁的腔洞捕获而沉积。细胞被杀死后，经过一定的处理，使其具有一定的粒度、硬度及稳定性，可储存、运输和实际应用。微生物吸收主要是利用微生物新陈代谢作用产生能量，通过单价或二价离子的转移系统把重金属离子输送到细胞内部。由于细胞内的累积，去除效果可能比单纯的微生物吸附好。但是，由于环境中要去除的重金属离子大多有毒有害，抑制微生物活性，甚至使其中毒死亡，并且生物的新陈代谢作用受温度、pH值、能源等诸多因素