第3章 土壤有机污染物的生物修复

土壤污染与环境健康--有机污染第3讲主要内容第一节POPs简介第二节我国有机污染现状第三节土壤有机污染土壤生物修复有机污染物是指以碳水化合物、蛋白质、氨基酸以及脂肪等形式存在的天然有机物质及某些其他可生物降解的人工合成有机物质为组成的污染物。可分为天然有机污染物和人工合成有机污染物两大类。第一节POPs

一、

持久性有机污染物定义

PersistentOrganicPollutants(POPs)

持久存在于环境中，通过长距离传输和食物链积聚，对人类健康及环境造成不利影响的化学物质。特点:

在环境中难降解、具有很强的亲脂性、容易在食物链中富集、能够远距离传输、毒性极大。

杀虫剂(Pesticides)POPs工业化学品(Industrialchemicals)生产中的副产品

(Unintendedby-products)POPs的来源与种类不完全燃烧与热解的产物，如城市垃圾、医院废弃物、木材及废家具的焚烧；汽车尾气、有色金属生产和铸造、炼焦、发电、水泥、石灰、砖、陶瓷等工业的废气。POPs的主要来源国际禁用的12种持久性有机污染物

（PersistentOrganicpollutants,POPs)艾氏剂（引起肝功能障碍，致癌）氯丹（致癌）狄氏剂（引起肝功能障碍，致癌）异狄氏剂（妨碍发育，致癌）七氯（影响人的生殖器官，致癌）灭蚊灵（致癌）毒杀芬（致癌）滴滴涕（影响人的肝脏，致癌）八种有机氯农药多氯二苯并二恶英（剧毒物质，致癌）多氯二苯并呋喃（剧毒物质，致癌）两种精细化学品两种燃烧或工业副产品六氯苯（影响人的肝脏）多氯联苯（致癌）含氯废物焚烧产生的次生污染物国际禁用的12种持久性有机污染物

（PersistentOrganicpollutants,POPs)首批列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》受控名单的12种POPs2001年5月23日，中国政府签署了公约。2004年5月17日，公约正式生效。2004年6月25日我国第十届全国人大常委会第十次会议批准了公约。公约于2004年11月11日对我国生效。

POPs空气土壤水体生物富集(食物链)

呼吸食物饮水人体危害

POPs在环境中的转归二、持久性有机污染物的特性

持久性

在水体、土壤和底泥等环境中存留数年时间。即使15年内停止使用POPs，最早也要到未来第七代人体内才不会检出。在水体中的半衰期：大多在几十天至20年，个别长达100年；在土壤中半衰期：大多在1-12年，个别长达600年；它们的生物富集因子（BCF）高达4000-70000之间；美国环境保护署在1994年9月向公众发表了一份报告，清楚描述了二恶英是人类健康的严重威胁，可以与60年代的DDT相比。POPs在环境中的半衰期

生物累积性

能蓄积在食物链中，对较高营养等级的生物造成影响。容易通过周围媒介富集到生物体内，并通过食物链的生物放大作用达到中毒浓度。二、持久性有机污染物的特性淤泥中的DDT含量浓度为0.016*10-6DDT在体内积累到万分之五时就会引起肝细胞坏死并损害神经系统虾体内则为0.44*10-6浓度提高约30倍吃虾的动物体内又把浓度提高10倍人吃动物以DDT为例

迁移性

POPs物质因具有半挥发性，能够以蒸气形式存在或者吸附在大气颗粒物上，可在大气环境中作远距离迁移，但不会永久停留在大气中，可重新沉降到地球上。这一特性使得在全球的每一个角落，包括大陆、沙漠、海洋和南北极地区都可监测到它们的存在。

二、持久性有机污染物的特性

生物毒性

对人类健康和生态系统产生毒性影响，对肝、肾等脏器和神经系统、内分泌系统、生殖系统等有急性和慢性毒性；

具有致癌性、生殖毒性、神经毒性、内分泌干扰特性等，并且由于其持久性，这种危害一般都会持续一段时间。二、持久性有机污染物的特性一些POPs具有“三致”效应（致癌、致畸、致突变）且能导致生物体内分泌紊乱、生殖及免疫机能失调尤先科POPs中毒前后对比图我国不少地区土壤中残留相当量的有机氯农药，我国许多地区种植的谷类、苹果、茶叶、人参、中草药等粮食作物和经济作物，甚至母乳中，都能检测出POPs污染物环境中微量POPs，对生态环境、人体健康造成的不良影响具有长期性、隐蔽性和滞后性垃圾焚烧能产生二恶英，氯碱工业和有机氯生产也会产生二恶英，含有微量二恶英的五氯酚钠在长江中下游地区长期作为灭钉螺药剂使用有机氯化学品在我国使用领域还很多：2,4-D可作为植物生长调节剂，用于一些蔬菜的催熟；四氯苯醌可用于医药染色剂，这两种化学品中都可能含有二恶英类杂质人类无时无刻在接触到来自工业和环境的微量有机污染物，POPs对人体的急、慢性毒作用和“三致”效应不容忽视POPs的环境风险POPs的危害

与常规污染物不同，持久性有机污染物对人类健康和自然环境危害更大，如：在自然环境中滞留时间长、极难降解、

具有很强的亲脂性、被生物体摄入后不易分解、容易在食物链中富集、并沿着食物链浓缩放大对人类和动物毒性极大。很多持久性有机污染物，不仅具有致癌、致畸、致突变性，而且还具有内分泌干扰作用。

持久性有机污染物对人类的影响会持续几代人，对人类生存繁衍和可持续发展构成重大威胁。内分泌干扰免疫毒性生殖系统毒性神经系统毒性内脏器官毒性致癌、致畸、致突变AirFoodWaterPOPs人体危害2001年5月23日，包括中国在内的90个国家共同签署了《斯德哥尔摩公约》，正式启动了人类向POPs宣战的进程；我国对POPs的控制高度重视，包括POPs的生产、流通和使用、进出口、排放、库存和废弃处置以及替代品开发等；

POPs分析、检测和监控新POPs预警和评估与二恶英类副产物相关的清洁生产和最佳可行技术源头控制POPs产生废弃POPs处置、削减和淘汰POPs2010年前，中国将基本消除氯丹、灭蚁灵和防污漆用途滴滴涕的生产和使用；2015年前，完成已识别高风险在用含多氯联苯电力装置的环境无害化处理，消除全部杀虫剂类持久性污染物的生产和使用；2015年，实现二恶英排放不增长。POPs的削减控制研究目前在全国范围内开展针对中国国情的POPs生成和削减技术原理研究我们国家环境污染控制，一直以总量控制为主，如对水质污染控制指标主要是BOD和COD，然而，水质标准中大多不包含微量POPs控制指标；二恶英类POPs来源十分广泛，燃煤、燃油、燃烧木材等燃烧过程会产生二恶英类，机动车尾气、香烟烟气中检测到了二恶英，森林火灾也会产生二恶英；人类不可能消灭POPs，只有减少人为因素向环境释放POPs，人类生产生活才能与环境保护达到和谐统一。与工业发达国家走过的环境保护历程相似，在环境恶化趋势得到抑制之后，环境保护重点必将由总量控制向微量持久性有毒污染物削减转移；国家环保部已组织开展了有关POPs的国际合作项目，如有机氯农药污染控制项目、多氯联苯污染现状调查与控制项目等；科技部在973、863项目中，也启动了有关POPs污染控制的项目，如“持久性有机污染物的环境行为、毒性效应与控制技术原理”“土壤复合有机污染特征、界面行为及修复技术原理”等；国家自然科学基金委员会、中国科学院也大力支持有关POPs的基础科学研究项目。第二节我国土壤有机污染现状

周启星等，2004一、POPs在中国的历史和现状

我国仍在生产或使用的杀虫剂类POPs滴滴涕氯丹和灭蚁灵六氯苯28我国POPs生产企业分布图仍在生产或使用的杀虫剂类POPs滴滴涕中国从上世纪五十年代开始生产，历史上曾有11个生产企业，至今总产量为45.9万吨，约占国际用量的的20%。1983年，滴滴涕被禁止在农业领域使用。现仅保留天津大沽化工厂和扬州农药厂2个合法企业，平均每年产量为5000－6000吨。现保留的厂主要考虑：三氯杀螨醇农药需以此为中间体；并为防治大规模疟疾爆发而保存生产能力。天津化工厂－DDT生产车间仍在生产或使用的杀虫剂类POPs氯丹和灭蚁灵氯丹：目前累计生产8223吨，年产量为450吨，主要作为建筑白蚁防治、用于堤坝、电线电缆保护以及甘蔗生产和养蚕业。灭蚁灵：现有5家生产厂，年产量为31吨，累计产量为151吨。主要用于白蚁灭治。溧阳市光华化工有限公司—氯丹和灭蚁灵简易场所仍在生产或使用的杀虫剂类POPs六氯苯六氯苯主要用于生产五氯酚钠，大部分用于杀灭钉螺内的血吸虫，少量用于木材处理和防腐。现有天津大沽化工厂一家生产厂。至今总产量为79278吨，其中78323吨用于生产五氯酚钠。在公约谈判期间，除中国外，还有6个国家提出申请六氯苯作为中间体的豁免。天津大沽化工厂-含六氯苯废弃物从未生产或已停产的杀虫剂类POPs艾氏剂和狄氏剂曾在我国研制但未规模生产。异狄氏剂从未研制也未生产和使用。七氯曾有生产和使用，累计产量小于100吨，用于铁路枕木的防虫防腐，20世纪80年代停产。毒杀芬：70、80年代曾有大量生产和使用，曾有16个生产企业，1985年关闭所有生产企业，总产量20660吨。工业化学品POPs-PCBs情况中国PCBs总产量约为10,000吨。进口设备中含有多氯联苯约4000吨。总量约14000吨。含多氯联苯的电容器或变压器仍有部分在运行。1980年停止了多氯联苯的生产，用多氯联苯的电力设备多数已到报废年限。多氯联苯封存场所记录不详，曾多次发生多氯联苯泄漏事件。浙江PCBs泄漏污染副产物类POPs情况采用排放因子来估算。我国二恶英、呋喃的年总排放量估计为14147-16561克国际毒性当量，是美国和日本排放量的8－10倍。重点行业为钢铁生产、医疗废物焚烧、生活垃圾焚烧、有色金属回收、水泥生产等。此外，还存在废弃POPs产品和大量被污染场地。39副产物类POPs排放我国POPs污染影响状况80年代，浙江温州、台州村民私自拆解含有多氯联苯的电力电容器，造成了严重污染。在禁用DDT和六六六10年后，一些地区污染土壤最高残留量仍在1mg/kg以上。洞庭湖、鄱阳湖底泥中的二恶英含量很高；在一些城市和地区的奶粉、牛奶和母乳中也发现高含量的二恶英。严重影响了产品的进出口贸易。太原化工公司氯碱分厂-含二恶英污染场地二、我国土壤有机污染现状

土壤中有机污染物主要包括挥发性有机污染物和半挥发性有机污染物。我国土壤有机污染物的主要种类包括：石油烃类污染物、卤代烃类污染物，农药类污染物、多环芳烃、多氯联苯、二噁英、邻苯二甲酸酯等有机污染物。有机污染农田土壤（农药、石油污染、多环芳烃等36,000,000hm2）周启星等，2004是指两个以上的苯环连在一起的化合物；根据苯环的连接方式，分为：联苯类、多苯代脂肪烃、稠环芳香烃三类。1.多环芳烃(PAHs)全国土壤多环芳烃污染状况多环芳烃的健康风险美国环境保护局优先控制污染物“三致效应”：致癌、致畸、致突变光化学毒性PAHs是环境中分布最广、危害最大的一类疏水性半挥发非极性化合物；是人们最早认识到的具有致癌性、致突变性的有机化合物；近年环境中常见的PAHs已由20余种增加到30多种，许多国家均将16种多环芳烃确定为环境污染的优先检测物。PAHs主要来源包括自然源和人为源炼焦、炼油、垃圾焚烧、取暖加热、汽车排放等，是造成PAHs污染物的最大来源(Bjrsethetat1985)。

燃煤、汽车尾气排放，是我国目前城市大气中PAHs污染的主要来源。

汽车排气一氧化碳100%碳氢化合物60%氮氧化物100%从曲轴箱漏出的气体碳氢化合物20%从油箱和汽化器中挥发的汽油碳氢化合物20%汽车尾气和家庭燃柴是目前国外城市大气中PAHs污染主要来源，我国是一个以煤炭资源为主要能源的国家，燃煤是大部分城市空气中PAHs的主要贡献者，尤其在冬季采暖期，造成的污染非常明显；国外东京、葡萄牙、慕尼黑、伦敦等地的PAHs污染在几个或几十个ng/m3水平(Coleman1997;Alves2001;Kavouras1999;Schnelle2001)，我国一些燃煤城市如南充、杭州、天津、呼和浩特、兰州等地PAHs污染水平均在几百甚至几千ng/m3以上(冯沈迎等2000；朱利中等，2001；赵立志等，1995；彭林等，1999)；珠江三角洲地区没有采暖期，城市居民多使用天然气、煤气等燃料，污染比这些燃煤城市稍轻些，但交通发达汽车尾气的大量排放使PAHs污染严重时也在几百ng/m3以上(成玉等1998)。我国大气PAHs的污染相当严重在我国河南林县家用燃煤炉所产生的碳黑中，Wornat等(2001)鉴定了多达32种多环芳烃,包括：3种强致癌活性PAHs[C20H12苯并芘、C24H14:萘并(2,1-a)芘、二苯并(a,e)芘]和7种中等致癌活性的PAHs[C20H12：苯并(b)荧蒽、苯并(k)荧蒽，C22H12：苯并(ghi)北，茚并(1,2,3-cd)芘,C22H14：二苯并(a,j)蒽、二苯并(a,h)蒽，C24H14：二苯并(b,k)荧蒽]。受其本身理化性质和周围环境的影响，其中：分子量小的2-3环PAHs，主要以气态形式存在；4环PAHs，在气态和颗粒态中的分配基本相同；5-7环的大分子量PAHs，绝大部分以颗粒态形式存在，当外界条件改变时,两者可以相互转化(Leeetat1999)。排放到大气中PAHs的存在形态及分布

附表1970—2002年广州市肺癌死亡率调查(人/10万人)1970-19721990-19922000-2002广州市(城区)13.6541.5453.72荔湾区(老区)23.0358.0465.82白云区(近郊)11.5516.1329.36从化县(远郊)5.699.6311.89

广州市是中国南方大城市，过去30年的调查资料显示大气污染与肺癌高死亡率有关2.多氯联苯

多氯联苯(PCBs)是一类以联苯为原料在金属催化剂作用下，高温氯化生成的氯代芳烃。根据氯原子取代数和取代位置的不同共有209种同类物。我国土壤中含量最多的PCB为含氯同系物，其主要类别为三氯联苯，其次为二氯联苯。全国范围内，PCBs均值为515pg/g，最小值为138pg/g，最大值为1840pg/g。农村/偏远地区主要的同系物为三氯联苯（55%、38%），其次为二氯联苯（31%、25%）；而城市主要为六氯联苯（31%），其次为三氯联苯（21%）。全国土壤PCB含量分布（Renetal.,EST,2007,41:3871-3876)

多氯联苯的生态健康风险

“三致效应”：致癌、致畸、致突变动物实验表明，PCBs对皮肤、肝脏、胃肠系统、神经系统、生殖系统、免疫系统的病变甚至癌变都有诱导效应。一些PCBs同类物会影响哺乳动物和鸟类的繁殖，对人类健康也具有潜在致癌性。PCBs污染重大历史事件震惊世界的八大公害之一的“米糠油事件”：1968年3月，日本九州市爱知县的一家粮食加工公司食用油工厂在生产米糠油时，一种有毒物质多氯联苯混入米糠油中，引起许多人在使用后中毒死亡；米糠油的副产品黑油作为家禽饲料，引起大量家禽死亡；食用中毒者超过1400人，至7、8月份超过5000人，16人死亡，实际受害者13000人。几十万只鸡死亡。多氯联苯能积累在人体内，不易排出，也没有有效的治疗方法。1979年，中国台湾省也重演了类似的悲剧。多氯联苯的产生与来源PCBs具有良好的化学惰性、抗热性、不可燃性、低蒸气压和高介电常数等优点，因此曾被作为热交换剂、润滑剂、变压器和电容器内的绝缘介质、增塑剂、石蜡扩充剂、黏合剂、有机稀释剂、除尘剂、杀虫剂、切割油、压敏复写纸以及阻燃剂等重要的化工产品，广泛应用于电力工业、塑料加工和印刷等领域。

1977年后各国陆续停产3.二噁英类物质

多氯代对苯并二噁英和多氯代对苯并呋喃（PCDDs／PCDFs）是两组具有类似化学性质的多氯代芳烃类化台物，其分子结构主要为对苯并二噁英分子和对苯并呋喃分子上的氢原子被氯原子所取代，形成一系列具有不同取代数目和取代位置的氯代化舍物。我国二噁英类的年排放量估算我国二恶英类的年总排放量在10kgTEQ左右，其中向大气的排放量在5kgTEQ左右。我国生活垃圾焚烧总的二恶英类排放量在为338gTEQ，其中向大气排放126gTEQ；以目前规划中生活垃圾焚烧厂所采用的焚烧技术和污控措施分析，在保持现有焚烧设施的情况下，如果生活垃圾年焚烧量达到2000万吨时，焚烧设施向大气排放二恶英类的量可能会增加25gTEQ，达到150gTEQ左右。二噁英在环境中转移的示意图二噁英的毒性效应

急性毒性免疫毒性生殖、胚胎毒性致畸性致癌性二恶英抑制神经细胞乙酰胆碱酯酶（AChE）活性的作用机理免疫毒性：内分泌毒性和抑制免疫。生殖、胚胎毒性：特别可能使男性雌性化；还可引起严重的皮肤病和伤及胎儿。“三致”毒性：致畸、致癌、致突变，被世界卫生组织国际癌症研究中心确定为一级致癌物。1973年国际环境卫生科学研究会议开始注意二恶英的环境危害和行为，二恶英是一种有毒的含氯化合物，是目前世界已知的有毒化合物中毒性最强的，当今世界上毒性最大、最危险的环境污染物之一。

我国二恶英的来源主要包括：1）五氯酚钠杂质2）造纸、漂白排放3）农药、化工、钢铁冶炼的中间过程4）垃圾焚烧过程

西方发达国家二恶英的来源主要是：垃圾焚烧过程二恶英的来源主要来源：不完全燃烧、生产杀虫剂和其它氯化物时产生的，如燃烧医用垃圾、城市垃圾、有毒废物、泥炭、煤、木头时排放的废气。二恶英环境污染的新来源：城市垃圾焚烧、含氯化学工业（纸浆氯漂白）、PVC(聚氯乙烯)材料，以及汽车尾气。90%以上的人体二恶英接触来源于食品。4.农药有机氯农药：

DDT、林丹、氯丹、毒杀芬有机磷农药：磷酸酯、硫代磷酸酯、磷酰胺和硫代磷酰胺类、膦酸酯和硫代膦酸酯类世界各地的农药使用情况近年全球农药市场情况（亿美元）近年来我国农药产量统计（万吨）我国农药用量大约在250万吨，生产量已达400万吨以上。农药生产主要集中在江苏、浙江、天津、山东等省市，其中江苏和浙江的农药产量占全国总产量的1/3以上，农药使用量较大的是山东、江苏、广东、浙江等省市，全国农药平均使用水平每年达2.34kg·hm-1。农药的利用率只有10%～20%，其余进入农作物、土壤。太湖流域农田土壤中15种多氯联苯同系物检出率为100%，六六六、DDT超标率为28%和24%，上海市郊区农田中的DDT含量严重超标，南京市菜地土壤中六六六和DDT的检出率为100%。我国每年由于农药污染食品而造成的中毒者人数年均近20万，约占食物中毒人数的三分之一。全国土壤农药污染情况除草剂的药害问题

磺酰脲类除草剂在土壤中降解缓慢，残效期长，土壤中的累积残留往往对下茬作物产生药害。2005年内蒙古呼伦贝尔市1300万亩大豆田因除草剂药害减产30%；黑龙江省5000万亩大豆田因除草剂药害，减产25亿公斤。DDT

DDT在20世纪70年代以前是全世界最常用的杀虫剂。DDT对人、畜的急性毒性很小。大白鼠LD50(半致死剂量)为250mg/kg。但由于DDT脂溶性强，水溶性差(分别为100000和0.002mg/L,相差5000万倍)，它可以长期在脂肪组织中蓄积，并通过食物链在动物体内高度富集，使居于食物链末端的生物体内蓄积浓度比最初环境所含农药浓度高出数百万倍，对机体构成危害。影响人体和生物健康

土壤可以通过食物链影响人体健康；影响农产品的产量和质量

植物可从污染土壤中吸收污染物，引起植物代谢失调，生长发育受阻或导致遗传变异。影响生态系统安全

通过生态系统的能量流动和物质循环，影响整个生态系统。土壤有机污染的危害农药等POPs

农业生产活动化学污染物POPs的根际吸收、转化、降解过程POPs在土壤－水体－作物系统迁移

土水中POPs转化、迁移、降解过程水生生物中POPs积累与代谢农作物中POPs积累与代谢生物毒性评价生物毒性评价StressresponsestoPAHsinplantAlkioetal.,J.Exp.Bot.2005第三节土壤有机污染生物修复

微生物修复概况微生物修复的概念微生物修复发展历史微生物修复类型土壤有机污染的生物修复有机污染土壤生物修复工程有机污染土壤植物修复光化学降解化学降解生物降解转化快，如葡萄糖化合物被微生物和丰富O2的环境中时；降解非常缓慢，如黑暗、干燥埃及法老坟墓中的谷粒，几千年不腐变（环境条件不适合降解）。环境中有机化合物降解研究证明，土壤中生物降解是主要机制，而微生物在生物降解中占首要地位。一、微生物修复概况几个术语生物转化：在生物酶作用下，使污染物形态、结构发生改变，因而使污染物的毒性加强或减弱；生物降解：在生物酶作用下，有机物经过一系列的生物化学反应，转化为简单化合物的现象；矿化（终极生物降解）：有机物生物降解为二氧化碳和水的过程;共代谢：不与微生物生长相关联的有机物降解代谢微生物只能使有机物发生转化，而不能利用它们作为碳源和能量维持生长，必须补充其它的基质。微生物修复概念是指通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过程。它包括自然和人为控制条件下的污染物降解或无害化过程。微生物对污染物降解机制矿化作用（mineralization）指有机物在微生物的作用下彻底分解为H2O、CO2和简单的无机化合物的过程，是彻底的生物降解（终极降解)，可从根本上清除有毒物质的环境污染。实质都是酶促反应。共代谢作用（Co-metabolism）当环境中存在其他可利用的碳源和能源时，难降解的化合物才能被利用（被修饰或转化但非彻底降解）。生物降解与生物催化数据库共收集了1147种化合物；

178条代谢途径；

1236种反应；

802种酶；共涉及467种微生物总结了252条生物降解与转化的规律Dehalococcoidesethenogenes,

清除有机溶剂造成的污染；PseudomonasputidaKT2440,

有机污染物的生物修复中潜力巨大，该菌株甚至还能促进植物生长并具有抗植物病害作用；Alcanivorax

borkumensis,海洋石油消除。Caulobactercrescentus,应用于低营养水环境的生物修复；455TotalGenomes438Complete,17Incomplete，31Archaea,421Bacteria,3Viruses完成全基因组测序的环境修复修复相关Geobactersulfurreducens,

帮助转化铀和其它一些放射性金属物质Desulfovibriovulgaris,帮助修复铀和铬等重金属污染；Shewanellaoneidensis去除铬、铀等环境有毒金属；Deinococcusradiodurans，地球上最耐辐射的的生物，耐受的辐射剂量150万拉德，是人类耐受1000-3000倍；反应迅速；微生物是主要作用者；生物降解与微生物的生长直接相关；受环境因素影响大；生物降解和转化的产物变化大。污染物生物降解和转化特点微生物活性：最重要的影响因素，包括微生物种类和生长速率等；不同种类微生物对同一有机底物反应不同。影响微生物降解和转化的因素化合物结构：结构简单的较复杂的易降解，分子量小的较分子量大的易降解，聚合物和复合物抗生物降解。碳原子上的氢都被烷基或芳基取代时，会形成生物阻抗物质。温度、营养、酸碱度、氧、底物浓度、适应驯化富集外源性化合物降解菌的一般方法采自污染生境样品或从菌种库筛选现有菌株用可将降解的外源性化合物同类物预富集用外源性化合物的同类物不断取代可降解底物以外源性化合物为唯一碳源和能源直接富集补加碳源，以外源性化合物为唯一氮、磷或硫源直接富集用复合培养基+外源性化合物进行预富集改变外源性化合物的化学结构：共代谢与变构化合物的降解菌共培养外源性化合物的总降解不断减小补加碳源浓度微生物修复的发展历史

微生物降解有机污染物的技术在废水处理中的应用已有几十年的历史，而将微生物降解技术有意识地大规模地应用于受污染的土壤治理仅仅是十几年的事。美国、日本、欧洲等发达国家对微生物修复技术进行研究，并完成了一些实际的处理工程,结果表明这种技术是有效的、可行的。

80年代以后基础研究的成果被应用于大范围的污染治理，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。美国环境保护局在阿拉斯加ExxonVadez

石油泄漏的生物修复项目中，短时间内消除了污染，改善了环境，为生物修复提供了一个成功的例证。微生物修复的发展历史自1991年以来已经举行2次国际学术会议，1993年4月在美国的圣地亚哥举行的第2次国际讨论会，有26个国家的1100多位代表参加。生物修复技术被人们称为生物处理技术的里程碑，已经得到世界环保部门的认可，并引起工业界的关注。预计生物修复服务和产品平均每年增长15%，到1995年美国全国的营业额可达3亿美元。按场址：原位生物修复和异位生物修复按条件：自然修复（土著微生物）人工控制修复（外源微生物）人工控制修复也称强化生物修复（enhancedbioremediation）或工程化的生物修复（engineeredbioremediation）强化生物修复：生物刺激（biostimulation）生物强化（bioaugmentation）微生物修复分类生物刺激（biostimulation）满足土著微生物生长所必需的环境条件，诸如提供电子受体、供体，氧以及营养物质等。生物强化（bioaugmentation）需要不断地向污染环境投入外源微生物、酶、其他生长基质或氮、磷无机盐。有充分和稳定的地下水流有微生物可利用的营养物质有缓冲pH的能力有使代谢能够进行的电子受体如果缺少一项条件，将会影响微生物修复的速率和程度。特别是对于外来化合物，如果污染新进发生，很少会有土著微生物能降解它们，所需要加入有降解能力的外源微生物。微生物修复条件微生物修复的优点生物修复可以现场进行，可以减少了运势费用和人类直接接触污染物的机会。生物修复经常以原位方式进行，这样可以使对污染位点的干扰或破坏达到最小。生物修复有机物分解为CO2和H2O,可以永久性的消除污染物和长期的隐患，无二次污染物，不会使污染转移。生物修复可于其他技术结合使用，处理复合污染。降解过程迅速，费用低，只是传统物理、化学费用的30%~50%。微生物修复的缺点不是所有的污染物都适合于生物修复。有些化学品经微生物降解后，其产物的毒性和迁移性比原化合物反而增减。生物修复是一种科技含量较高的处理方法，它的运作必须符合污染地的特殊条件。研究趋势及发展

高效降解菌株的筛选和基因工程菌的开发。新型营养物质的开发。拟降解对象的物理化学性质。近年来，一些新技术特别是生物技术如基因工程、酶工程、细胞工程等被吸纳运用于生物修复，提高了该技术的处理效率，使得可行性与有效性逐渐加强，降低了处理成本。生物修复技术具有广阔的应用前景,但不是万能的,只有同物理和化学处理方法组成统一的处理技术体系,才能更好、更有效地修复污染土壤。按修复场地分类（1）原位（insitu）修复：污染土壤气体提取法(SVE)；井中汽提法(In-wellVaporStripping)；生物通气；空气搅动法（AirSparging）原位冲洗、淋洗；加热方法；处理墙方法；原位稳定-固化方法；电动力学方法；原位微生物修复方法；植物-微生物联合修复方法等。（2）异位（exsitu）修复：气提法；泥浆反应器修复；土壤耕作法；土壤堆腐；焚烧法；客土法；预制床；淋洗/萃取；淋洗－生物反应器联合修复；二、土壤有机污染的生物修复物理化学修复：

加热方法、稳定固化法、淋洗、萃取、电动力学客土法、汽提、热解吸、焚烧、填埋生物修复：

微生物修复：生物通气、泥浆反应器、预制床等植物修复：湿地修复、菌根修复等植物-微生物联合修复：

菌根菌剂联合修复：物理-化学-生物联合修复：

淋洗－反应器联合修复等。按照技术类别分类化学修复技术是向土体中注入表面活性剂等增效试剂，提高有机污染物的流动性而迁出土体，或形成有机黏土提高污染物的滞留性和稳定性，降低其迁移进入其它环境介质的能力。生物修复技术(bioremediation)利用生物（动物、植物、微生物）在可调控环境条件下将有毒污染物转化为无毒物质的处理技术。狭义：利用土著的、引入的微生物及其代谢过程，或其产物进行的消除或富集有毒物的生物学过程。生物恢复、生物消除、生物再生、生物补救、生物整治、生物净化概念污染土壤生物修复(bioremediation）：

利用生物（动物、植物、微生物）在可调控环境条件下将有毒污染物转化为无毒物质的处理技术。狭义：利用土著的、引入的微生物及其代谢过程，将土壤中的有害有机污染物降解为无害的无机物（CO2和H2O）或其他无害物质的过程。生物恢复、生物消除、生物再生、生物补救、生物整治、生物净化污染土壤生物修复(Bioremediation)广义的土壤生物修复包括利用土壤中的各种生物-植物、土壤动物和微生物吸收、降解和转化土壤中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害污染物转化为无害的物质。包括植物修复、动物修复和微生物修复三类。微生物修复的基本原理基本途径是降解和吸附，其中降解为主，并且是微生物生物修复的优势所在。原位生物修复(in-sitebioremediation)指在基本不破坏土壤和地下水自然环境条件下，对受污染的环境对象不做搬运或输送，而在原场直接采用生物修复所进行的生物修复。一般用土著微生物，有时也加入经过驯化的微生物，常用各种措施强化。原位工程生物修复：采取工程措施，有目的地操作环境系统中的生物过程，加快环境修复。包括生物强化修复与生物接种修复原位自然生物修复：利用环境中原有的微生物，在自然条件下对污染区域进行自然修复。生物强化修复：提供微生物生长所需要的营养，改善微生物生长的环境条件，从而大幅度提高土著微生物的数量和活性，提高其降解污染物的能力；生物接种修复：投加实验室培养的对污染物具有特殊亲和性的微生物，使其能够降解土壤和地下水中的污染物。异位生物修复(ex-sitebioremediation)：指将受污染的环境对象搬运或输送到其他场所(如实验室等)，借助于生物反应器处理进行集中修复，包括反应器处理、制床处理、堆肥式处理、厌氧处理等。原位-异位联合生物修复(combinedbioremediation):水洗-生物反应器法、土壤通气-堆肥法。

参与土壤环境修复的微生物种类(2)、外来微生物加到环境中的微生物；接种(3)、基因工程菌遗传工程的手段将能降解的多种污染物的基因转入到一种微生物细胞中，具有广谱降解能力(1)、土著微生物

环境中存在的微生物；对环境的适应过程，驯化我国发现的特异土著微生物“吃油”工程菌

主要方法(1)利用土著微生物代谢能力

—NaturalAttenaution，天然生物修复法(2)活化土著微生物分解能力

—Bio-stimulation，生物活化法(3)添加具有高速分解难解化合物能力的特定微生物(群)—Bio-augmentation，生物添加法

土壤生物修复的影响因素生物修复过程主要涉及微生物、有机污染物和土壤环境。要充分考虑这三个方面，才能取得最好的效果，提高修复效率微生物的活性碳源、能源、O2无机营养：N、P、微量和痕量元素光照适宜的温度(0~30℃)适宜pH(6-8)有毒污染物的物理化学性质主要指溶解、挥发、化学反应及可生物降解性等类型：酸性、碱性或中性；极性；氧化还原性等；物理性质：分子量、熔点、结构、溶解性等；化学性质：水解、沉淀、聚合、氧化、还原等；吸附参数：吸附常数等降解性：半衰期、相对可生物降解性等；挥发参数：气水分配系数、蒸气压、亨利常数等；污染状况：污染物的浓度、深度、污染时间、分布等污染现场与土壤性质坡度和地形；土壤类型和污染地点的面积；土壤表面特点：边界特征、深度、结构、颜色、密度、粘度、有机质含量、pH值、Eh值、孔隙率等;水力学性质和状态，如土壤水特征曲线，持水能力，渗透性、渗透速度、地下水位、径流潜力等；地理因素：地形地貌、地下水流类型与特点等；气候气象因素：日照、温度、季节变化、风速、降水等影响土壤中有机污染物降解的环境条件因子微生物活性所需条件PAH降解的最适值土壤水分土壤最大持水量的25-85%30%-90%土壤pH5.5-8.57.5-7.8氧化还原电位好氧及兼性厌氧>50mV氧含量好氧<50mV好氧，最低充满空气，孔隙率达10%10%-40%O2营养厌氧<1.0%;微生物生长的N、P温度（℃）C:N:P=120:10:115-4520-30污染土壤生物修复的生态条件微生物：必须筛选获得具有活性的专性微生物；

处理场地：处理场地中存在的化学污染物及其浓度，不应显著抑制微生物或酶的降解活性和高积累植物的吸收作用；处理的化学污染物：必须是生物可利用的，在处理点或反应器中的条件必须适合生物生长；水分：25%-85%持水容量或-10kPa是土壤水分有效性的最适水平。污染土壤生物修复的生态条件营养物质：C∶N∶P最佳比值为100∶10∶1；氧气与电子受体：在微生物修复中，微生物降解的速率，常常取决于终端电子受体供给的速率。在单因子实验条件下，氧代谢最适水平为溶解氧>0.2mg/L和10%最低空气填充孔隙空间，厌氧代谢最适水平包括O2的体积分数<1%。土壤物化因素：生物修复最适pH是5.5-8.5,最适温度范围为15-45℃。三、有机污染土壤生物修复工程土地耕作生物通风强化堆肥一般混合处理1.原位处理直接向污染部位提供氧气、营养物或接种，以达到降解污染物的目的；一般采用土著微生物，有时也加入经驯化和培养的微生物以加速处理；常采用工程化措施强化处理效果，如泵处理、生物通气、渗滤、空气扩散等污染土壤原位生物修复技术生物强化法（enhanced-bioremeditation）：改变生物降解中微生物活性和强度而设计的；包括培养土著菌的生物培养法和引进外来菌的投菌法。生物培养法：定期向土壤投加H2O2和营养，以满足污染环境中已经存在的降解菌需要，以便使土壤微生物通过代谢将污染物彻底矿化成CO2和H2O。投菌法：直接向遭受污染的土壤接入外源污染降解菌，同时提供它们所需要的氧源和营养，以满足降解菌需要，使土壤微生物通过代谢将污染物彻底矿化成CO2和H2O。生物通风（Bio-venting）：改变土壤中气体成分；

通常用于由地下储油罐泄漏造成的轻度污染土壤的生物修复；

在军事基地成功应用，美国空军将生物通风方法列为处理受喷气机燃料污染土壤的一种基本方法电动力学技术强化原位生物修复：

利用电渗析、电迁移和电泳等电动力学效应加速污染环境中有机污染物和微生物运动,注入营养物、电子受体或活性微生物,或者利用电极反应和电流热效应为地下生物降解创造有利条件。原位生物修复原理示意图废水处理系统营养盐空气污染区抽水井地下水位注水井观测井原位微生物修复的特点处理过程土壤的结构基本不受破坏，对周围环境影响小，生态风险小；工艺路线和处理过程相对简单，不需要复杂的设备，处理费用较低；整个处理过程难于控制。原位修复技术一般流程生物修复原位处理方式示意图地下水未饱和土壤水位污染区域注入井引风机引风机基本生物通气处理系统示意图生物通风技术一般流程生物通风原位处理方式示意图原位微生物修复技术回收气处理回收井原位微生物修复技术异位生物修复(ex-sitebioremediation)：指将受污染的环境对象，搬运或输送到其他场所(如实验室等)，借助于生物反应器处理，进行集中修复。包括：反应器处理、制床处理、堆肥式处理、厌氧处理等。原位-异位联合生物修复(combinedbioremediation)：

水洗-生物反应器法、土壤通气-堆肥法。2.异位处理异位生物修复异位生物修复微生物

——土著微生物

——外加的降解微生物异位生物修复形式

——生物反应器

——处理床生物反应器基本原理基本原理：利用微生物将土壤中有害有机污染物降解为无害的无机物质(CO2

和H2O)，降解过程由改变土壤的理化条件(包括土壤pH、湿度、温度、通气及营养盐添加)来完成，也可接种特殊驯化与构建的工程微生物提高降解效率。通常为卧式、旋转鼓状、气提式、分批或连续培养，可建在污染现场或异地处理。生物反应器主要特征以水相为处理介质，污染物、微生物、溶解氧和营养物均一分布、传递速度快，处理效果好。可以最大程度满足微生物降解所需的最适宜条件，避免复杂、不利的自然环境变化；可以设计不同构造以满足不同目标处理物的需要，提供最大程度的控制；

避免有害气体排入环境。主要缺点：工程复杂，要求严格的前、后处理工序,处理费用高。同时还要注意防止污染物由土壤转移到地下水体中。生物反应器典型工艺流程常见生物反应器土壤泥浆反应器固定膜生物反应器转鼓式反应器生物流化床反应器厌氧-好氧反应器土壤泥浆反应器反应器中将受污染的土壤与2-5倍的水混合,使其成为泥浆状,同时加入营养物或接种物,在供氧条件下剧烈搅拌,进行处理。操作关键是其混合程度。为提高疏水性有机污染物在泥浆水相中的浓度还可以添加表面活性剂。泥浆反应器技术一般流程土壤泥浆反应器应用实例1设计每天处理量为11.5-23.0m3

；将含PCB的冲洗液与小于60目的土壤装入土壤泥浆反应器，在反应器中接种有降解PCB的混合培养物及N、P肥料，接种量为107个·ml-1；泥浆水添加N、P比例为TOC∶N∶P=300∶12∶1，14d后泥浆中土壤的PCB由370mg·L-1降至0.5mg·L-1。土壤泥浆反应器应用实例2美国东南部一家木材处理厂，使用生物泥浆法处理该厂受杂酚油污染的土壤。4个半间歇式生物泥浆反应器，接种能降解杂酚油的细菌，每周可处理100t受污染的污泥和土壤，菲、蒽混合物的含量从310×105mg·kg-1

降至65mg·kg-1,苯并芘从1100mg·kg-1

降到检测限以下。五氯酚的含量从113×104mg·kg-1

降到40mg·kg-1

。MississippiState大学Dennis等用Bench-scale生物反应器对含油量为1335mg·kg-1柴油污染土壤连续处理60d,除油率高达91%。含油量为1675mg·kg-1的砂土的除油率达86%。固定膜生物反应器是一种装有固定填料的反应器,土壤加入反应器后在进水的冲带下截留在填料表面。土壤微生物从反应器内水中获得足够的营养物质、氧和碳源，将土壤中污染物降解，而微生物先在土壤颗粒生长，后在固体填料表面形成生物膜。固定膜生物反应器应用实例载体为多孔性材料。反应器控制通气流速15L/h，营养盐为10-74mg/L，不断添加HCl和矿物质。PCP初始浓度为46、27和18mg/L时，PCP终浓度为1-5mg/L，获得较高的PCP降解效率950mg/L/h。转鼓式反应器反应器的主体是一个回转圆筒。由于反应器的回转运动，使得微生物与底物得以充分接触完成代谢过程。该设备可以间歇操作，也可以连续操作。转筒内还可以设计不同的附加设备以利于混合，如加钢性滚珠，提升筛板等，达到最佳处理效果。转鼓式反应器应用实例Jurgen等采用内置钢性滚珠的转鼓反应器生物修复十六烷污染的土壤，运行100h，转鼓反应器的烃降解率是静态柱的2倍。厌氧-好氧反应器

整个系统分两步进行，首先反应器内控制厌氧过程，把土壤中难降解的复杂有机物还原为简单有机物，或减低毒性，降低有机物的复杂程度有利于好氧处理。已有报道使用该工艺处理TNT污染的土壤处理装置。生物流化床反应器：比表面积大，处理能力强，处理负荷大，传质效果好，生物膜不断更新。预备处理床生物修复处理方法：将受污染的土壤从污染地区挖掘起来，运输到一个经过各种工程准备（包括布置衬里，设置通风管道等）的地点堆放，形成上升的斜坡，并在此进行生物修复的处理，处理过程中通过施肥、灌溉、控制pH值等方式保持对污染物的最佳降解状态，有时也加入一些微生物和表面活性剂，处理后的土壤再运回原地。优点：可以在土壤受污染之初限制污染物的扩散和迁移，减小污染范围。缺点：用在挖土方和运输方面的费用显著高于原位处理方法，另外在运输过程中可能会造成污染物进一步暴露，还会由于挖掘而破坏原地点的土壤生态结构。预备处理床应用实例在受氯酚污染的土壤中，用35m3的软木树皮和70m3的污染土壤构成处理床，然后加入营养物，经过三个月的处理，氯酚浓度从212mg／L降到30mg／L。添加这些材料，一方面可以改善土壤结构，保持湿度，缓冲温度变化，另一方面也能够为一些高效降解菌如白地霉提供适宜的生长基质。是修复石油污染土壤最为有效的方法之一.其原理是在被污染土壤中加入膨松剂后于预制床上堆成条状或圆柱状,通过人工补充营养、空气,并加以适度搅拌,保证其好氧修复条件而实现有机污染物的降解。

其它异位修复技术土地填埋：将废物作为泥浆，施入土壤，通过施肥、灌溉、添加石灰等方式调节土壤的营养、湿度和pH值，保持污染物在土壤上层的好氧降解。土壤耕作：在非透性垫层和砂层上，将污染土壤以10-30cm的厚度平铺其上，并淋洒营养物、水及降解菌株接种物，定期翻动充氧，以满足微生物生长的需要，彻底清除污染物。处理过程中产生的渗滤液回淋于土壤，以彻底消除污染物。堆腐法：利用传统的积肥方法，堆积污染土壤，将污染土壤与有机物(施加一定数量的稻草、麦秸、碎木片和树皮等)、粪便等混合起来，依靠过程中微生物的作用中降解土壤中难降解的有机污染物。挖掘堆置法生物修复挖掘堆置法系统示意图桶箱空气过滤器和泵砾石层污染土壤土壤耕作法物理、化学法与反应器法结合的修复①利用土壤物质中含有粘土,在反应器内注入季铵盐离子表面活性剂使其形成有机粘土矿物,以实现化学与生物反应器的修复;②是利用表面活性剂的增溶作用,增大水中疏水性有机污染物的浓度。有机物被分配到表面活性剂胶束相中,易被微生物吸收代谢。两类修复方式：①通过土壤喷淋，有效地利用机械或化学分散使污染物分离成尽可能小的颗粒，为洗后生物反应器处理创造条件②土壤预整，使用滚筒筛或杆磨，摩擦刷使土壤颗粒减小，并使土中混凝土颗粒破碎，提高生物可行性。两种应用途径：物理、化学法与反应器法结合的修复污染土壤生物修复技术和方法类型技术方法描述适用性土壤填埋将污泥施入土壤，通过施肥、灌溉、添加石灰等方式调节土壤的营养、湿度和pH值，保持污染物在土壤上层的好氧降解。广泛用于油料工业的油泥处理土壤耕作将污染土壤撒于地表(0.5m)，通过定期农耕的方法改善土壤结构，供给氧气、水分和无机营养，促进污染物降解适用于可降解的有机污染物，如杀虫剂/除草剂，挥发/半挥发性、含卤和非卤有机污染物和多环芳烃；预备床将土壤运输到一个经过各种经过各种工程准备的预备床上进行生物修复的处理，处理过程中通过施肥、灌溉、控制pH值等方式保持对污染物的最佳降解状态，有时也加入一些微生物和表面活性剂。适用于挥发/半挥发性、含卤和非卤有机污染物、多环芳烃和爆炸性污染物；堆腐堆积污染土壤，通过翻耕和施加一定数量的稻草、麦秸、碎木片和树皮等增加土壤的透气性和改善土壤结构，促进污染物微生物分解。适用于挥发/半挥发性、含卤和非卤有机污染物和多环芳烃。泥奖生物反应器污染土壤和水混合成泥浆在带有机械搅拌装置的反应器内通过人为调控温度、pH值、营养物和供氧等促进专性微生物最大限度地降解污染物适用于挥发/半挥发性、含卤和非卤有机污染物、多环芳烃、二噁英/呋喃等有机污染物。污染土壤生物修复技术和方法类型技术方法描述适用性投菌法直接向污染土壤接入外源的污染降解菌，同时提供这些细菌生长所需营养不同的菌种可处理不同污染物质生物通风在不饱和土壤中通入空气，并注入营养液，为微生物降解提供充足的氧气、碳源和能源，促进其最大限度降解适用于挥发/半挥发性、含卤和非卤有机污染物和多环芳烃。生物搅拌向土壤饱和部分注入空气，从土壤不饱和部分吸出空气，加大气体流动性为微生物供氧，促进其最大限度降解工程螺钻用工程螺钻系统使表层污染土壤混合，并注入含有营养和氧气的溶液，促进微生物最大限度地降解适用于有机污染物，包括杀虫剂、除草剂、挥发/半挥发性、含卤和非卤有机污染物、多环芳烃、二噁英、呋喃、多氯联苯等。泵出生物将污染的地下水抽出经地表处理后与营养液按一定比例配比后注入土壤，促进微生物最大限度地降解慢速渗滤通过污染土壤区布设垂直井网，将营养液和氧气缓慢注入土壤表层，促进微生物最大限度地降解农耕法对污染土壤进行耕耙处理，在处理过程中施入肥料，进行灌溉，加入石灰，从而为微生物降解提供良好环境土壤污染较浅，污染物又较易降解时可用生物修复的优点不破坏植物生长所需要的土壤环境，土壤的物理、化学、生物性质保持不变甚至优于原有的性质；污染物降解完全，可将有机污染物降解为完全无害的无机物（CO2和H2O等），没有二次污染问题；处理形式多样，可就地处理，操作相对简单；处理成本低于物理化学方法，75-200$/m3应用广泛，可处理各种不同种类的有机污染物，并可同时处理受污染土壤和地下水。污染土壤生物修复中存在问题土著微生物对污染物降解需要一个适应过程某些污染物对微生物具有毒害作用土壤微生物对污染物的浓度和性质也有一定选择有机污染物的生物修复