第8章污染环境的生物修复课件

第八章污染环境的生物修复本章要点：8.1生物修复的基本原理8.2生物修复工程技术第八章污染环境的生物修复本章要点：8.1生物修复的基本污染环境生物修复的有关参考书书名：《污染环境生物修复工程》作者：陈玉成出版社：化学工业出版社出版时间：2003书名：《污染环境的生物修复》作者：沈德中出版社：化学工业出版社出版时间：2002污染环境生物修复的有关参考书书名：《污染环境生物修复工程》书8.1生物修复的基本原理8.1.1生物修复的基本原理与特点什么是生物修复（Bioremediation）★利用生物加速去除或降解土壤、地表及地下水或海洋中的危险性污染物的工程技术系统。生物修复主要利用生物(天然的或接种的)，并通过工程措施为生物生长与繁殖提供必要的条件，加速污染物的降解与去除。生物修复的类型

根据生物分类——

植物修复、动物修复、微生物修复

根据污染物种类分类——

有机污染生物修复、重金属污染的生物修复、放射性物质的生物修复8.1生物修复的基本原理8.1.1生物修复的基本原理与特

植物修复：就是利用植物治理水体、土壤和底泥等介质中的污染的技术。植物修复技术包括六种类型：植物萃取、植物稳定、根际修复、植物转化、根际过滤、植物挥发等。

微生物修复：即利用微生物将环境中的污染物降解或转化为其它无害物质的过程。

动物修复：通过土壤动物群的直接（吸收、转化和分解）或间接作用（改善土壤理化性质，提高土壤肥力，促进植物和微生物的生长）而修复土壤污染的过程。生物修复的基本原理★通过提供O2，添加N、P营养盐，接种经驯化培养的高效微生物和培植植物来强化生物自然净化的速度，以去除有毒有害有机污染物，目前大多对已被污染的土壤、地下水和海洋中有毒有害污染物的进行原位生物处理。植物修复：就是利用植物治理水体、土壤和底泥等介质中的污染生物修复的优势

能建立良好的生态系统，提高自净能力目前在城市河道整治中，往往重视清淤、驳岸、绿化和截污等表面工程，而不重视底泥和水体生物修复，更不重视河道生态体系建立，不能从根本上改善河涌水质和自净能力。生物修复试验结果表明，在没有完全截污的情况下，通过底泥生物氧化和水体生物修复，配合河道生态修复技术，能有效地消除水体黑臭，逐步建立河道洁净好氧生态系统，提高河道水体自净能力。

节省投资费用，对环境影响小能有效降低污染物浓度，适用于在其它技术难以应用的场地，如位于建筑物或公路下受污染土壤，而且能同时处理受污染的土壤和地下水。生物修复的局限性

生物修复不能去除全部污染物，只有与物理和化学处理方法组成统一的处理技术体系，生物修复才能真正发挥作用。生物修复的优势能建立良好的生态系统，提高自净能力8.1.2环境污染的微生物修复微生物的类型⊙土著微生物在遭受有毒有害的有机物污染后，一些土著微生物进行自然驯化选择过程，一些特异的微生物在污染物的诱导下产生分解污染物的酶系，进而将污染物降解转化。目前在大多数生物修复工程中实际应用的都是土著微生物。⊙外来微生物指接种一些降解污染物的高效菌，提高污染物降解的速率。采用外来微生物接种时，会受到土著微生物的竞争，需要用大量的接种微生物形成优势，以便迅速开始生物降解过程。科学家们正不断筛选高效广谱微生物和在极端环境下生长的微生物，包括可耐受有机溶剂、可在极端碱性条件下或高温下生存的微生物，运用于生物修复工程中去。8.1.2环境污染的微生物修复微生物的类型⊙土著微生物⊙基因工程菌关于基因工程菌的构建已在第八章中讨论。影响微生物生物修复的因素⊙营养盐类土壤和地下水中，N、P都是限制微生物活性的重要因素，为了使污染物达到完全的降解，应适当添加营养物。⊙电子受体微生物氧化还原反应的最终电子受体主要分为三类，包括溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根。⊙基因工程菌关于基因工程菌的构建已在第八

溶解氧：土壤中微生物代谢所需的O2依赖于来自大气的氧的传递，当空隙充满水时，氧传递会受到阻碍，呼吸消耗的氧超过传递来的氧量，微环境就会变成厌氧。为了增加土壤中的溶解氧，可以对土壤鼓气或添加产氧剂。鼓气是用管道将压缩空气送入土壤；产氧剂通常是双氧水和过氧化钙

无机酸根：当环境中的氧耗尽后，硝酸根、硫酸根和铁离子等就可以作为有机物降解的电子受体。⊙共代谢基质微生物的共代谢对一些难降解的污染物的处理起着重要作用。因此，共代谢基质对生物修复亦有重要的影响。关于这方面目前正在研究之中。⊙有毒有害有机污染物的理化性质主要考虑淋失与吸附、挥发、生物降解和化学反应。了解污染物的物理化学性质是为了判断能否采用生物修复技术，以及采取怎样的对策强化和加速生物修复过程。溶解氧：土壤中微生物代谢所需的O2依赖于来自大气的氧的传⊙污染现场和土壤的特性

土壤空隙的大小、空隙的连续度和气水比例都影响污染物的迁移和氧的浓度，土壤特性影响着污染物和微生物相对活性，最终影响生物修复速度和程度。

土壤中有机固体能吸附阻留的有机污染物，降低其在土壤中的运动性，这种固定化会延长污染物生物降解的时间，同样也降低污染物的生物有效性。⊙污染现场和土壤的特性土壤空隙的大小、空8.1.3环境污染的植物修复植物修复的特点

植物具有庞大的叶冠和根系，在水体或土壤中，与环境之间进行着复杂的物质交换和能量流动，在维持生态环境的平衡中起着重要的作用。

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。

适用于大面积、低浓度的污染位点。植物在土壤修复中的应用⊙环境中重金属的去除

金属不能被生物所降解，只有通过生物的吸收得以从环境中去除。植物生物量大，易于后处理。8.1.3环境污染的植物修复植物修复的特点植物具有庞大①超积累植物（Hyperaccumulator）——

超积累植物：大多数植物会将重金属排除在组织外，其重金属的积累只有0.1-100mg/kg（即0.0001-0.01%）。只有一些特殊种类能超量富集重金属。一般来说，如某种植物能超量富集重金属含量超过1%-3%，就有希望用于土壤重金属污染的生物修复过程。

目前关于超积累植物的研究：Ⅰ.开发具有超量积累金属倾向的天然作物，如将超量积累植物与生物量高的亲缘植物杂交，筛选出能吸收、转移和耐受金属的许多作物与草类；Ⅱ.通过筛选突变株或基因工程物种获得超量积累植株。

已经发现的几种超积累植物：①超积累植物（Hyperaccumulator）——超蜈蚣草—超积累砷蜈蚣草（PterisVittataLinn.），又名肾蕨（蕨类植物），多年生草本，广布于长江以南，生于路旁、石缝或石灰岩山地，是钙质土或石灰岩的标示植物。喜温暖潮湿和半阴环境。中国科学院地理科学与资源研究所环境修复室陈同斌研究员率先开展利用蜈蚣草修复砷污染土壤的研究——在湖南郴州市建立了世界上第一个砷污染土壤的植物修复基地，面积13亩。在含砷80mg/kg的土壤中，通过种植生长迅速的蜈蚣草，每年可以从土壤中吸走20kg砷/ha，砷去除效率约12%。蜈蚣草—超积累砷蜈蚣草（PterisVit商陆—超积累镉和锰商陆（Phytolaccaacinosa），一种多年生草本植物，高0.5～1.5米。商陆—超积累镉和锰商陆（Phytolacca龙葵—超积累镉龙葵（Solanumnigrum），别名野海椒、苦葵、野辣虎，一年生草本龙葵龙葵—超积累镉龙葵（Solanumnigr②利用植物去除重金属的方法——

植物固定：利用植物及其它一些添加物质使环境中的金属流动性降低，生物可利用性下降，降低金属对生物的毒性。但植物固定并没有将环境中的重金属离子去除，只是暂时将其固定，使其对环境中的生物不产生毒害作用，没有彻底解决环境中的重金属污染问题。如果环境条件发生变化，金属的生物可利用性可能又会发生改变。因此植物固定不是一个很理想的去除环境中重金属的方法。

植物挥发：利用植物去除环境中的一些挥发性金属污染物，即植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质，释放到大气中。如汞Hg、硒Se：利用植物将Hg2+转化为Hg0，将Se转化为二甲基硒和二甲基二硒。只适用于挥发性污染物，应用范围很小，并且将污染物转移到大气中对人类和生物有一定的风险，因此它的应用仍将受到限制。②利用植物去除重金属的方法——植物固定：植物挥发：

植物吸收（主要方法）：

利用能耐受并能过量积累金属的植物吸收环境中的金属离子，将它们输送并贮存在植物体的地上部分。植物吸收是目前研究最多并且最有发展前景的一种利用植物去除环境中重金属的方法。目前研究不同植物对金属离子的吸收特性，筛选出超量富集植物是研究和应用的关键。③用于重金属污染生物修复的植物的基本特点——

即使在污染物浓度较低时也有较高的积累速率；

能在体内积累高浓度的污染物；

能同时积累几种金属；

生长快，生物量大；

具有抗虫抗病能力。植物吸收（主要方法）：③用于重金属污染生物修复的植物的⊙环境中有机物的降解与去除与微生物相比，利用植物进行去除和降解有机物适于现场修复。其去除机理为：①直接吸收——化合物被吸收到植物体后，植物可将其分解，并通过木质化作用使其成为植物体的组成成分，也可通过挥发、代谢或矿化作用使其转化成二氧化碳和水，或转化成为无毒性作用的中间代谢产物，如木质素，储存在植物细胞中。环境中大多数化合物、含氯溶剂和短链的脂肪族化合物都可以通过这一途径去除。例如植物可直接吸收环境中微量的除草剂阿特拉津（Atrazine，莠去津）。②释放分泌物和酶进行去除——植物可释放一些物质到土壤中，以利于降解有毒化学物质，并可刺激根区微生物的活性和促进根区微生物的生长和繁殖，从而促进环境中有机物质的降解。⊙环境中有机物的降解与去除与微生物相比，③强化根区的矿化作用——植物根区分泌物刺激了细菌的转化作用，在根区形成了有机碳，根细胞的死亡也增加了土壤有机碳，这些有机碳的增加可阻止有机化合物向地下水转移，也可以增加微生物对污染物的矿化作用。另外，植物为微生物提供生存场所，并可转移氧气，使根区的好氧转化作用能够正常进行。⊙环境中放射性核素的去除目前已有的技术是将土壤从污染位点搬移，然后用分散剂或螯合剂进行处理。土壤的搬移需要复杂的和巨大的设备，处理费用高，运行比较困难。植物可以从污染的土壤中吸收并积累大量的放射性核素，用植物去除环境中的这类污染物是一个值得研究的方法。③强化根区的矿化作用——植物根区分泌物刺激植物在富营养化水体的水质净化中的应用

—控制外源性营养物质的输入；

—减少内源性营养物质负荷：即有效地去除积累在底泥中的营养物质或抑制其释放到水体中。根据不同情况，可采取以下几种方法：

工程性措施：包括挖掘移走底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水冲稀以及在底泥表面敷设塑料板等。⊙水体富营养化的主要防防治对策

化学方法：采用凝聚沉降和化学药剂杀藻的方法，如向湖中投加铝盐，以沉淀湖泊中的磷酸盐。

生物修复：利用水生生物吸收N、P元素进行代谢活动，以去除水体中N、P营养物质的方法。植物在富营养化水体的水质净化中的应用—控制外其处理机理实际与人工湿地处理系统类似。以大型植物为主体，植物和根区微生物共生，产生协同效应，经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去N、P和悬浮颗粒，同时对重金属元素也有去除效果。⊙利用高等水生植物去除N、P和重金属其处理机理实际与人工湿地处理系统类似。以大型8.2生物修复工程技术8.2.1地表水生物修复工程技术利用微生物进行修复⊙对流动河流的微生物修复

直接河道曝气

生物膜法—利用填料上的微生物降解有机污染物⊙对浅水湖泊的微生物修复水中加入营养盐，用曝气机搅拌混和，曝气机在水中的深度可以调节，以便控制水中悬浮固体的浓度。这样，所有底泥中的有机污染物可成为碳源被微生物利用，污染的浅水湖泊得以生物修复。8.2生物修复工程技术8.2.1地表水生物修复工程技术利大型水生植物对水体的净化⊙净化流程喜旱莲子草（革命草、水花生）菱（角）喜旱莲子草菱水鳖凤眼莲菱凤眼莲进水出水4m5m6m6m15m4m低溶氧高溶氧低溶氧大型水生植物对水体的净化⊙净化流程喜旱莲子草（革命草、水水鳖凤眼莲⊙净化机理第一步：有机氮→氨氮、硝态氮→分子氮（氨化、硝化、反硝化）进水端的喜早莲子草和菱为优势种群的植被带，由于生长旺盛，水面覆盖度较高，水下的溶解氧含量较低，营造了有利于氮素氨化、硝化—反硝化的氧化还原环境。将有机氮转化为氨态氮和硝态氮等，同时由于在水生高等植物根际存在的富氧与缺氧区，氨氮在富氧区被氧化为硝态氮，而部分硝态氮在水流作用下进入缺氧区，被反硝化细菌还原为分子态氮进入大气。水鳖凤眼莲⊙净化机理第一步：有机氮→氨氮、硝态氮→分子氮第二步：氨氮→硝酸盐、亚硝酸盐（硝化）湖水经浮叶、深水植物的植被带（水鳖和凤眼莲等），植被盖度相对较小，水体溶解氧较高，因此，硝化细菌较多，氨氮被氧化，使得水体中硝酸盐和亚硝酸盐浓度呈现上升趋势。第三步：硝酸盐↓亚硝酸盐↑（反硝化）当被初步净化的湖水再次经过系统后端的由风眼莲和菱构成的缺氧区时，反硝化作用使硝酸盐浓度又有所下降，而亚硝酸盐则有明显上升。第二步：氨氮→硝酸盐、亚硝酸盐（硝化）第三步：硝酸盐↓亚硝8.2.2土壤生物修复工程技术原位处理在受污染地区直接采用生物修复技术，不需要将土壤挖出和运输。对受有机物污染的土壤，一般采用土著微生物处理，或加入经过驯化和培养的微生物，以加速处理。⊙石油污染土壤的修复

在修复区钻井，井分为两组，一组是注水井，用来将接种的微生物、水、营养物和电子受体等物质注入土壤中；另一组是抽水井，通过向地面上抽取地下水，造成所需要的地下水在地层中流动，促进微生物的分布和营养等物质的运输，保持氧气供应。通常需要的设备是水泵和空压机。有的系统在地面上还建有采用活性污泥法等手段的生物处理装置，将抽取的地下水处理后再注入地下。8.2.2土壤生物修复工程技术原位处理在受生物修复原位处理示意图废水处理系统营养盐空气地下水位抽水井注水井观察井生物修复原位处理示意图废水处理系统营养盐空气地下水位抽水井注土壤轻度石油污染的生物修复——生物通风土壤轻度石油污染的生物修复⊙矿山废弃地的植被恢复矿山废弃地是指采矿剥离土、废矿坑、尾矿、矸石、洗矿废水沉淀物、矿渣堆积等占用的土地。①矿山废弃地的类型与特点——

主要类型：排土场废弃地、废石堆废弃地、采矿坑废弃地、尾矿废弃地、占用后废弃地、冶炼渣堆积地、污染退化土地等

特点：—土层表面被剥离、堆占、土壤结构被破坏；—重金属污染严重；—土壤养分流失；—植被丧失或废弃长久而杂草丛生，即原来的生态景观消失，代之以裸地或次生草、灌丛生态系统。⊙矿山废弃地的植被恢复矿山废弃地是指采矿②技术措施——复垦（Reclamation）

基本方法：—对废弃矿复垦土壤的结构与成分进行分析；—根据矿区土壤受到干扰的程度、类型，筛选具有抗性的植物种类（关键）；—确定复垦模式。

植物种类选择的基本原则：—如以在矿业废弃地上长期定居，以期获得持久的植被为目的，选择适应当地的气候条件、极端的基质条件具有耐性的乡土种；—如以土壤基质能得到较快的改善并为前一类植物提供隐蔽条件为目的，选择速生性、高生物量的植物。②技术措施——复垦（Reclamation）基本方法：

已经应用的重金属耐性植物：

紫羊矛、剪股颖、宽叶香蒲、芦苇、双穗雀稗、香根草、大叶相思、银合欢、白茅等。对于营养不足的废弃地：选用豆科植物，如金合欢、银合欢。▲非金属矿：

尾渣：熟土21尾渣：风化土11尾渣：岩石2150cm50cm▲金属矿：

由于基质中残留的重金属可能对植物根系产生伤害或通过食物链转移，其生态恢复必须采用一些特殊的隔离技术：—用压实的粘土或高密度聚乙烯膜将有害废物与基质隔离；—采用粗石砾将有害的废物与基质隔离，粗石砾的大孔隙可以避免重金属通过毛细管运动迁移到基质；—选用对金属具有较强的抗性或耐受性的植物种类。已经应用的重金属耐性植物：▲非金属矿：③我国矿山废弃地复垦的现状发达国家比较③我国矿山废弃地复垦的现状发达国家比较⊙垃圾填埋场污染的生物修复全球每年所产生的城市固体废弃物估计在10亿t以上，其中超过90%的部分被以土地填埋的方式处置掉。垃圾填埋场在其漫长的稳定化过程中产生大量的填埋气体和垃圾渗滤液，其从填埋场内的渗漏与释放，将导致包括潜在的健康危害、地下水的污染、大气污染和温室效应、植被破坏、火灾和爆炸以及填埋场本身的沉降等在内的种种环境问题。①垃圾填埋导致的环境问题——大型垃圾填埋场⊙垃圾填埋场污染的生物修复全球每年所产生

垃圾渗滤液：渗透进垃圾填埋场内部的水分带走垃圾层中有机、无机的降解中间产物和最终产物，再从填埋场往外渗漏，便形成垃圾渗滤液。垃圾渗滤液含有高浓度的铵离子和各种有机污染物，但其成分变化很大，主要取决于垃圾填埋场的设计与运作条件、年龄（稳定化阶段）、所填埋垃圾的具体组成以及微生物降解垃圾的状况等等。

填埋气体：垃圾填埋场内部微生物的厌氧降解活动使大部分的有机垃圾被转化为气态的最终产物，即以甲烷和二氧化碳为主要成分的填埋气体。②已关闭垃圾填埋场的生物修复措施——良好的植被重建和生态恢复是控制垃圾填埋场长期的污染物排放的关键。包括最终覆盖层的建造及其基质改良和耐性树种的筛选及其组合等。垃圾渗滤液：填埋气体：②已关闭垃圾填埋场的生物修复

最终覆盖层及其基质改良：垃圾填埋场在满溢封闭之后，其顶部被盖以一层经高度压缩的、主要由黏土所组成的最终覆盖层，以防止填埋气体和垃圾渗滤液的泄漏。

基质厚度：已关闭垃圾填埋场的不同开发目的要求不同的植被类型，而不同的植被类型所要求的生长基质（最终覆土层）的最低厚度也不一样。草本植物通常需要60cm左右的基质厚度，而常见的木本植物则需要90cm以上。然而，为减少未来填埋气体和垃圾渗滤液对植被重建的影响，一般建议最终覆盖层的厚度最好能达到1m以上。

耐性树种的选择：—能够忍耐填埋气体和/或垃圾渗滤液的污染；—对干旱具有较强的抗性。最终覆盖层及其基质改良：耐性树种的选择：▲草本植物：

利用水播的方法种植禾草类（最好是本地种），能够确保在相对较短的时间内、在具有中等强度填埋气体的地方重建植被，从而加速已关闭垃圾填埋场的生态恢复过程。▲豆科植物：

—豆科植物普遍对填埋气体具有较强的耐性。如在热带和亚热带，相思树Acaciaconfusa和合欢Albizzialebbek两种豆科植物具有很强的忍耐干旱的能力和对填埋气体具有较强的抗性，最适合用作垃圾填埋场的复垦树种。—利用具有生物固氮能力的豆科植物作为先锋树种，将大气中不能为其他植物所直移利用的游离态氮固定下来并进入生物地球化学循环，对最终改善垃圾填埋场最终覆盖尾土壤的营养状况、尤其是提高其氮素水平具有十分重要的意义，同时也为其他植物的入侵和