第4章-污染环境的生物修复原理

污染环境的生物修复原理biologicalremediationprinciple

ofcontaminatedenvironmental主讲人：张卫平Email:jkwp738611@163.com123学习目标3一、能理解环境微生物修复机理、微生物的代谢机理、微生物的物质循环等二、能复述微生物对有机污染物的修复、微生物对重金属的修复、环境修复微生物生态学原理三、能结合污染物特性、污染物的化学结构和降解方式关联微生物修复的关键影响因素4主要内容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564.1环境微生物修复机理4.1.1生物修复(Bioremediation)的概念4.1.2生物修复的产生与发展4.1.3生物修复的特点4.1.4生物修复的种类4.1.5生物修复的原则及可处理性实验4.1.6生物修复工程技术可行性研究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。（狭义的定义）4.1.1生物修复(Bioremediation)的概念

定义主要技术内容：（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7污染发现污染确认污染修复目标及工艺选择污染修复实施污染源：点源、面源、移动点源污染物质：PAHs、有机氯化合物、重金属等污染范围：地表水、土壤、地下水、近海岸等修复范围:污染物浓度、面积、深度等修复目标:达到的浓度、生态系统修复程度、时间、成本修复方法:原位修复、异位修复生物通法:生物通法、生物注射法、植物修复等污染修复评价污染修复结束生物修复工艺的实施过程84.1.2生物修复的产生与发展生物修复泄漏的汽油1972美国，宾尼法尼亚州20世纪80年代大范围的污染环境治理1989修复大面积石油污染美国，阿拉斯加海域至今我国起步晚但也获得长足的进步新型生物修复技术机遇与挑战9进一步发展4.1.3生物修复的特点优点：可以现场进行，节省了很多治理费用环境影响小最大限度的降低污染物浓度（持续不断）可用于其他处理技术难以应用的场地可以同时处理受污染的土壤和地下水缺点：耗时长运行条件苛刻并非所有进入环境的污染物都能被生物利用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104.1.4生物修复的种类按修复主体分：（1）微生物修复（2）植物修复（3）动物修复（4）生态修复按修复主体分：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114.1.5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：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。（有效性的检验）生物修复的可处理性试验：规模-----实验室小试、中试和现场试验12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4.2实验室反应器的实验模型134.1.6生物修复工程技术可行性研究生物修复工程技术可行性研究（一）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14154.2环境微生物修复机理4.2.1用于生物修复的微生物4.2.2微生物修复的影响因素4.2.3微生物修复与物质循环4.2.4环境微生物的代谢4.2.5微生物修复污染物的可生物降解性4.2.6微生物对有机污染物的修复4.2.7微生物对重金属污染物的修复4.2.8污染物质的迁移转化途径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4.2.1用于生物修复的微生物

种类备注：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。16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1718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。4.2.2微生物修复的影响因素194.2.3微生物修复与物质循环(一)碳循环(二)氮循环(三)氢与氧循环(四)硫循环纤维素的转化半纤维素的转化果胶质的转化淀粉的转化脂肪的转化木质素的转化烃类物质的转化201.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。212.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。223.果胶质的转化来源：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。分解：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：枯草芽孢杆菌、多粘芽孢杆菌、浸软芽孢杆菌等。234.淀粉的转化淀粉的种类包括：直链淀粉和支链淀粉。来源：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。245.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。来源：毛纺、油脂厂废水，制革废水含有大量油脂。甘油转化：256.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。267.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。27(二)氮循环1.微生物转化氮素物质的一般途径2.氨化作用3.硝化作用4.反硝化作用5.固氮作用6.其它含氮物质的转化(一)碳循环(二)氮循环(三)氢与氧循环(四)硫循环281.微生物转化氮素物质的一般途径氮素形态：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；生物体中的蛋白质、核酸和其它有机氮化物；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。29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。302.氨化作用定义：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)。重点讲解内容：（1）蛋白质的分解（2）核酸的分解（3）其它含氮有机物的分解31（1）蛋白质的分解氧化脱氨基作用：产生酮酸和氨水解脱氨基作用：产生含氧酸和氨还原脱氨基作用：产生饱和酸和氨32氨基酸的归趋：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。蛋白质的分解菌：作用比较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、毛霉等，康氏木霉和黑曲霉的氨化能力最强。33（2）核酸的分解细菌中有芽孢杆菌、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。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。腺嘌呤次黄尿环34（3）其它含氮有机物的分解尿素

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。C15H26N2O10+4H2O2C6H11O5NH2+3CH3COOH几丁质氨基葡萄糖乙酸C6H11O5NH2+H2OC6H12O6+NH3脱氨基酶353.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）。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。亚硝化作用2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量硝化作用2HNO2+O22HNO3+

能量

种类364.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)。

定义种类：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。原理：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37微生物进行反硝化作用的适宜条件是：有丰富的有机物作为碳源和能源；NO3作为氮源与受氢体；最适pH中性至微碱性，但在pH3.5~11.2亦曾见到反硝化作用；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；厌氧条件。385.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）。

种类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)；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。N2+6e+6H++nATP2NH3+nADP+nPi固氮酶396.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。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α-氨基乙腈，进而合成丙氨酸。在有氧条件下，氰化物氧化分解如下：CH3COHCH3CHNH2CNCH3CHNH2COOHHCNNH4+甲醛

-氨基乙腈丙氨酸5HCN+5.5O25CO2+H2O+5NH340(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(一)碳循环(二)氮循环(三)氢与氧循环(四)硫循环41(四)硫循环(一)碳循环(二)氮循环(三)氢与氧循环(四)硫循环硫有三态：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含硫有机物的转化无机硫的转化421.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。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。CH2SSCH2CHNH2CHNH2COOHCOOH2CH3COOH+2CO2+2H2S+2NH3+3H2O+0.5O2

大肠杆菌或变形杆菌胱氨酸432.无机硫的转化硫化作用：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2H2S+O2→2H2O+2S+能量反硫化作用：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。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。444.2.4环境微生物的代谢微生物的营养(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)454.2.5微生物修复污染物的可生物降解性极其多样的代谢类型很强的变异性共代谢基质的存在通过改变有机物的化学结构，提高生物降解性464.2.6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主动运输需要消耗能量，可以逆物质浓度梯度进行，需要，对被运输的物质有高度的立体专一性，为主要方式。载体蛋白的参与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。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。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。胞饮作用假丝酵母摄取烷烃的一类途径。474.2.6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。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。基团转移作用

如脱羧、脱氨、脱卤等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。484.2.7微生物对重金属污染物的修复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。494.2.8微生物对重金属污染物的修复微生物对重金属离子的转化50此外微生物对重金属离子的作用还包括吸收与吸附：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。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。514.2.7微生物对重金属污染物的修复4.2.8污染物质的迁移转化途径污染物质的扩散迁移吸附与沉积微生物对污染物质的吸收污染物质的降解与累积污染物质的生物富集污染物质的生物转化52534.3环境修复微生物生态学原理4.3.1环境修复微生物的生态因子4.3.2环境微生物的生长与种群的增长4.3.3微生物群落结构4.3.4微生物种群间的相互关系温度pH渗透压氧辐射抗生素化学物质4.3.1环境修复微生物的生态因子544.3.2环境微生物的生长与种群的增长554.3.3微生物群落结构土壤环境及其微生物肥沃土：1×108~1×109个微生物/克土贫瘠土：1×106~1×107个微生物/克土根据土壤性质的不同，如pH、酸碱性、水分、透气性等，土壤中所含的微生物数量和种类各不相同。微生物在土壤中的分布随土层深度的增加而减少。水环境及其微生物淡水环境：低营养，以细菌为主，真菌是外来微生物，藻类多是土著微生物。微生物存在明显的垂直分布差异。海洋环境：微生物必须能耐受一定的盐度，赤潮。大气环境及其微生物空气的紫外辐射强，具有较干燥，温度变化大，缺乏营养等特点。所以空气不是微生物生长繁殖的场所。虽然空气中微生物数量较多，暂时停留。微生物在空气中停留时间的长短由风力、气流和雨、雪等气象条件所决定，但它最终要沉降到土壤、水中、建筑物和植物上。564.3.4微生物种群间的相互关系中性共栖偏利共栖协同共栖共生竞争偏害共栖捕食寄生57584.4影响生物修复的污染物特性4.4.1优先污染物和目标污染物4.4.2污染物化学结构对生物修复的影响4.4.3有机物结构影响生物降解性能的原因4.4.4污染物的降解方式对生物修复的影响4.4.5污染物的生物可利用性对生物修复的影响4.4影响生物修复的污染物特性生物修复的内因和外因：内因：内因即是污染物本身特性和生物本身特性外因：外因是环境中存在的抑制或促进生物吸收、降解、转化的物理条件、化学条件和生物学条件。59优先污染物确立的原则：环境境赋存量大、分布广泛、检出率高，或者毒性强、残留时间长、易积累的污染物质。分类：优先污染物包括难降解有机污染物、重金属污染物、氮磷等富营养化物质等。4.4.1优先污染物和目标污染物目标污染物：在生物修复工程中，拟从环境中去除或减低危害的污染物。60类型化学污染物有机污染物PAHs、PCBs、CFCs、PCDDs、PCDFs、石油烃、酚、氯酚、有机磷杀虫剂、有机氯杀虫剂、氯化有机物、除草剂、有机染料、洗涤剂、需氧有机物等无机与有机气体CO2、CO、NOx、H2S、SO2、CH4金属污染物Al、As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Ni、Se、Ti、Zn等有机金属(Hg、Pb、Sn等)；放射性核素营养类污染物N(NO3-、NO2-、NH4+)、P、S等614.4.1优先污染物和目标污染物污染物，特别是有机污染物，其化学结构特性即污染物的生物可利用性，和微生物酶能否适合污染物的特异结构，最终决定污染物是否可生物降解以及生物降解的难易和降解程度。4.4.2污染物化学结构对生物修复的影响有机污染物为例基本原则：1、结构简单的有机物先降解，结构复杂的后降解。2、分子量小的有机物比分子量大的有机物易降解。3、聚合物和高分子化合物抗微生物降解621.烃类化合物的生物降解链烃比环烃易生物降解单环烃比多环芳烃易生物降解长链比短链易降解不饱和烃比饱和烃易分解支链化合物的生物降解632.醇、酚、醛、酸、酯、醚、酮的生物降解醇类：一般容易降解；酚类：一羟基或二羟基酚、甲酚通过驯化作用可得到很高的降解性，卤代酚非常难生物降解；醛类：与相应的醇类相比，其生物降解性低。因在醛类中对生物有毒性的较多；有机酸和酯类：有机酸和酯类化合物较醇、醛容易降解；醚类：醚类虽然不易生物降解，但只要进行长时间的驯化就能提高其降解性；酮类：与醇、醛、酸和酯相比，酮类难于生物降解，但较醚容易降解。642.胺、腈化合物的生物降解胺类：胺类化合物中仲胺、叔胺和二胺均难降解，但通过驯化方法有可能进行降解。三乙醇胺、乙酰苯胺在低浓度时可以被生物降解。有机腈化物：有机腈化物经过长时间的驯化后有可能被降解，腈类被分解成氨，进而被氧化成硝酸。653.农药的生物降解由易到难：脂肪族酸、有机磷酸盐、长链苯氧基脂肪族酸、短链苯氧基脂肪族酸、单基取代苯氧基脂肪族酸、三基取代苯氧基脂肪族酸、二硝基苯、氯代烃类（DDT）。664.表面活性剂的生物降解阳离子表面活性剂：阳离子表面活性剂的苯基位置越接近于烷基的末端，其生物降解性越好；同时，烷基的支链数量越少其生物降解性也越好。非离子表面活性剂：非离子表面活性剂中的聚氧乙烯烷基苯乙醚的生物降解性受氧化乙烯(EO)链的加成摩尔数以及烷基的直链或立锥结构的很大影响。阴离子表面活性剂：阴离子表面活性剂中的LAS的生物降解速度随磺基和烷基末端间距离的增大而加快，在C6~C12范围内较长者速度快，支链化的影响与非离子型表面活性剂的规律相似。675.功能团对生物降解的影响羧基、羟基或氨基：羧基、羟基或氨基取代至苯环上新形成的化合物(苯酚和苯胺)比原来的化合物(苯)易降解甲基、硝基氯取代基：芳香环上的甲基、硝基和氯取代基使化合物的生物