污染环境的生物修复大学课件

4污染环境的生物修复1环境微生物修复机理4.2环境修复微生物生态学原理4.3影响生物修复的污染物特性4.4生物修复概述4.124.1生物修复概述生物修复概念4.1.1生物修复的产生与发展4.1.2生物修复的特性4.1.3生物修复的类型4.1.4生物修复原则及可处理性实验4.1.5生物修复工程设计4.1.634.1.1生物修复概念生物修复（Bioremediation）利用生物降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中的污染物的过程。44.1.1生物修复概念生物微生物植物动物广义狭义54.1.1生物修复概念64.1.2生物修复的产生与发展7微生物利用微生物发酵食品有几千年的历史8微生物利用（微生物处理污水有100多年的历史）污水处理与微生物

生物处理根据其处理过程中氧的状况，可分为好氧处理系统与厌氧处理系统。微生物在有氧条件下，吸附环境中的有机物，并将其氧化分解成无机物，使污水得到净化，同时合成细胞物质。微生物在污水净化过程，以活性污泥（又称曝气法，是利用含有好氧微生物的活性污泥，在通气条件下，使污水净化的生物学方法。此法是现今处理有机废水的最主要的方法。它是利用某些微生物在生长繁殖过程中形成表面积较大的菌胶团来大量絮凝和吸附污水中的有机物，并在氧的作用下，将这些物质同化为菌体的成分，或将其分解为CO2、水等物质，从而达到降低污水中有机污染物的目的。）和生物膜（生物膜法是模拟自然界中土壤自净的一种污水处理法，它是利用微生物群体附着在固体填料表面而形成的生物膜来处理污水的一种方法。因此，生物膜法又称为固定膜法。生物膜一般呈蓬松的絮状结构，微孔较多，表面积很大，有很强的吸附作用。废水中的有机物流入时，被膜上的微生物吸附，进行生物降解，从而使废水得到净化）的主要成分等形式存在。在缺氧条件下，利用厌氧菌(包括兼性厌氧菌)分解污水中有机污染物的方法，又称厌氧消化或厌氧发酵法。因为发酵产物产生甲烷，又称甲烷发酵。此法既能消除环境污染，又能开发生物能源，所以倍受人们重视。

9生物利用生物处理现场有机污染物才有30年历史10美国11欧洲12中国生物修复处于起步阶段，过去10年中主要跟踪国际的发展，大面积应用的例子很少。最初的生物修复主要是利用细菌治理石油、农药之类的有机污染。随着研究的深入，生物修复又应用在地下水、土壤等环境的污染治理上。生物修复已由细菌修复拓展到真菌、植物、动物修复，由有机污染物的生物修复拓展到无机污染物的生物修复。13具体实例用接种抗寒微生物处理北极冻原油滴污染土壤，一年后，土壤中油浓度降到初处理浓度的二十分之一。在堆肥过程中，加入经过驯化的降解菌对堆肥中的多环芳烃有明显的降解作用。144.1.3生物修复的特点耗时长条件苛刻并非所有污染物都能被生物修复特定生物只能降解特定物质优点缺点15可现场进行，节省费用费用是物理、化学修复的30%~50%以日本污染土壤处理为例，比较生物修复法和其它修复方法的处理成本：利用生物修复处理其费用大约为4000日元/m3；采用淋洗或加热等处理成本高约5~10万日元/m3。16环境影响小最终产物是二氧化碳、水和脂肪酸等，不会造成二次污染17最大限度降低污染物的浓度1819同时处理受污染的土壤和地下水20耗时长生物修复的机理在于生命体的新陈代谢，动植物的生长繁殖需要一定周期，因此花费时间较长21条件苛刻生物的代谢活动容易受环境条件变化的影响22并非所有污染物都能被生物修复有的污染物生物有效性、利用性和降解性低23特定生物只能降解特定物质化合物不可能被同一种生物酶破坏244.1.4生物修复的类型按修复主体分类按修复场所分类按修复受体分类25按修复主体分类微生物修复植物修复动物修复生态修复26微生物修复利用微生物催化降解作用清除环境中的污染物。微生物降解速度很慢，可采取提供氧气、添加养分、驯化培养等方法来强化。研究得最多2728植物修复植物能忍耐和积累某种化学元素，利用植物清除环境中的污染物。修复重金属、有机物污染土壤净化水体清除放射性元素植物修复过程较慢，可筛选出超积累植物、培育出高效去除污染物的植物。29动物修复土壤动物如蚯蚓、线虫、跳虫、蜈蚣、蜘蛛等，能吸收或富集土壤中的残留农药，并通过代谢把农药分解为低毒或无毒产物。国外有较长的研究史，国内的研究还处于摸索阶段。30生态修复利用培养的生物或微生物的生命活动，对环境中污染物进行降解。按照自然界自身规律强化自然界的自净能力。31按修复受体分类土壤生物修复水体生物修复大气生物修复固体废物生物修复32按修复场所分类原位生物修复（in-sitebioremediation）异位生物修复（ex-sitebioremediation）原位-异位联合生物修复（combinedbioremediation）33原位生物修复概念基本不破坏土壤和地下水的情况下，不做搬运或运输，在原位直接采用生物修复受污染环境。分类原位工程生物修复原位自然生物修复特点成本低廉但修复效果差，适合于大面积、低污染的环境34原位工程生物修复概念采取工程措施，有目的地操作环境系统中的生物过程，加快环境修复。途径1生物强化修复：提供营养、改善环境，增加微生物数量、活性和降解能力；途径2生物接种修复：投加实验室培养的对污染物具有亲和性的微生物。35原位自然生物修复概念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。36异位生物修复概念将受污染的环境对象搬运到其它场所，借助于生物反应器集中修复。特点修复效果好但成本高昂，适合于小范围、高污染的环境。37原位-异位联合生物修复概念将原位生物修复和异位修复相结合。方法水洗-生物反应器法土壤通气-堆肥法特点能扬长避短，应用前景好。化学淋洗修复异位生物修复土壤蒸气浸提生物强化修复原位工程生物修复384.1.5生物修复原则及可处理性实验39适合的生物有正常生理和代谢能力；以较大的速率降解或转化污染物；在修复过程中不产生毒性产物。是生物修复的先决条件40适合的场所污染物和合适的生物接触的地点例如表层土壤中的降解苯微生物无法接触到位于蓄水层中的苯污染物。只有抽取污染物于地面生物反应器内处理；获将合适的微生物引去到污染的蓄水层中。场地不含对降解菌种有抑制作用的物质目标化合物能够被降解41适合的环境条件要控制或改变环境条件，使生物的代谢与生长活动处于最佳状态。如温度、湿度、O2、pH值、无机养分等42适合的费用条件434.1.5生物修复原则及可处理性实验生物修复的可处理性试验可处理性实验目的可处理性实验方法44可处理性实验目的污染物一般是混合性物质原油含数以千计的不同结构的碳氢化合物；有些场地中污染物是无法确定的油类、农药、以及重金属。污染物现场各有特点如氧浓度、营养物浓度、水的移动性等。某一现场起作用的生物修复在另一现场不一定有效所以对每个现场都需要进行可处理性研究，以便对关键因素有基本的了解。生物修复的目标是将有毒有害的污染物降解成为对人类和环境无害的产物，因此在进行可处理性试验时要检测污染物的降解过程和最终产物的毒性。45可处理性实验方法土壤灭菌试验土壤柱试验摇瓶试验反应器试验46土壤灭菌试验把土壤混匀后分装于两组容器中，一组灭菌，另一组不灭菌；分别加入同量的目标污染物，至于空气中培养；定期检测两组土壤中污染物的消失情况，判定是否为可生物降解性物质及其降解速率。47土壤柱试验soilcolumntest

以拟修复的污染土壤类型及耕作层深度，并按相应的疏松程度装成土柱。土柱内径至少5cm以上。48摇瓶试验通常是在三角瓶中装入培养液进行批式培养（batchculture），检测污染物的降解情况。其大致步骤是：在三角瓶中配置以该污染物为主要碳源的培养液；另补加适当的N、P、S、生长素等其他营养物质；调节pH值。设不接种微生物的处理组作为对照。在不同的处理条件与温度条件下进行培养，并在摇床上振荡培养，以确定生物降解的适宜条件。生物强化修复49反应器试验污染物通过恒流泵输入容器内，控制温度和pH值。定期通过注射器从容器内取出样品进行分析。污染物消失和CO2产物的形成则表明污染物的降解。由一个2L的容器构成504.1.6生物修复工程设计51场地信息收集调查污染物种类和性质；微生物种类和代谢活性；土壤特征，如温度、渗透性；污染现场的地理、水文和气候。52掌握场地信息后，向有关单位咨询是否在相似情况下进行过生物处理，以便借鉴参考。5354可处理性试验设计中、小试验，获取污染物毒性、温度和溶解氧等限制性因素资料，为工程的具体实施提供基本参数。55修复效果评价56实际工程设计生物修复的具体设计，包括处理设备、井位和井深、营养物等。574.2环境微生物修复机理用于生物修复的微生物4.2.1微生物修复的影响因素4.2.2微生物修复与物质循环4.2.3微生物代谢4.2.4污染物的微生物降解性4.2.55859微生物修复生物学基础604.2.1用于生物修复的微生物土著微生物外来微生物基因工程菌用于生物修复的其他微生物微生物产品和酶61土著微生物自然界有大量微生物，环境受污染后会出现自然选择，使适合的微生物不断增长。生物降解通常是分步进行的，一种微生物的分解产物可成为另一种微生物的底物。污染物和其相应的降解菌请见下表62636465外来微生物污染环境中，当土著微生物生长过慢，代谢活性不高，或者污染物造成其数量下降时；可人为投加一些适宜该污染物降解、与土著微生物能相容的高效菌。投珊瑚色诺卡菌来处理含腈废水用热带假丝酵母来处理油脂废水用光合细菌加强硫、氮素的转化用玉垒菌降解河底淤泥的有机物66基因工程菌67案例为了消除海上溢油污染，将不同菌株的四种降解性质粒结合并转移至一个菌株中，构成一株能同时降解芳香烃、多环芳烃和脂肪烃等的“超级细菌”。该菌能将天然菌要花一年以上才能消除的浮油用几小时消除，从而取得了美国的专利权。68案例生存与污染环境中的某些细菌细胞内存在着抗重金属的基因，目前已发现抗汞、抗镉、抗铅等多种菌株。但这类菌株生长慢，把这种抗金属基因转移到生长快的菌种，组成生长快、能富集重金属的新菌株。69用于生物修复的其他微生物藻类通过放氧，使污染后缺氧的水体恢复到有氧状态，使好氧细菌对污染物的降解顺利进行。微型动物通过吞噬过多的藻类和一些病原微生物，间接对水体起净化作用。70微生物产品和酶美国某公司推出20余种复合微生物，用于不同有机物的降解。日本某公司研制的生物剂，能用于污染河道的生物治理。霉菌的酚氧化酶能够通过氧化耦合反应，将酚类污染物解毒。714.2.2微生物修复的影响因素生物修复主要涉及微生物、污染物和土壤，因此影响因素为微生物活性、污染物特性和土壤性质，在选择生物修复时应加以考虑。这里讨论另外几个因素。微生物营养盐电子受体共代谢基质有毒有害有机污染物的物理化学性质污染现场和土壤的特性与其类型有关72微生物营养盐土壤和地下水中，尤其是地下水中，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降解，适当添加营养物比接种特殊的微生物更为重要。加入氮和磷酸盐能促进污染土壤中石油的生物降解；石油在海水中的降解情况基本上与土壤中是一样的，同时加入硝酸盐和磷酸盐时，70%的原油被生物降解，42%被矿化。在海水中，只有3%的原油被生物降解，1%被矿化；分别加入硝酸盐或磷酸盐时，对生物降解效率的提高很小。73电子受体污染物分解的电子受体的种类和浓度影响着生物进一步降解的速度和程度。微生物氧化还原反应的最终电子受体主要分为三类：溶解氧（好氧有利于大多数污染物的生物降解）有机物分解的中间产物无机酸根（厌氧环境中）如硝酸根和硫酸根74共代谢基质概念共代谢（co-metabolism）：一些人工合成的化学物质，如杀虫剂，杀菌剂和除草剂等，需添加其它有机物作为初级能源才能降解，这一现象称为共代谢。例子洋葱假单胞菌以甲苯作为生长基质可对三氯乙烯共代谢降解。75有毒有害有机污染物的物理化学性质了解污染物的性质是为了判断能否采用生物修复以及采取怎样的生物修复。对于因水溶性低而导致石蜡等化合物生物有效性差，可以使用表面活性剂增加其生物有效性。要满足以下几个条件：能提高生物有效性对生物无毒害作用以生物降解不会造成土壤板结76污染现场和土壤的特性地形气候水文土壤性质腐殖质是一种相对稳定的有机成分，会降低污染物的生物有效性。774.2.3微生物修复与物质循环C、N、S等元素可在生物间，生物与环境间不断循环，这就是生物地球化学循环。微生物在这个循环中起着重要作用碳循环氮循环硫循环78碳循环碳是生态系统中最重要的元素，是所有生命物质的骨架，是物质循环的核心。微生物在碳循环中的重要而关键的作用。79空气中的CO2水中的CO32-、HCO3-和H2CO3土壤中的有机碳生物体中的碳水化合物、脂肪和蛋白质相互转化80食物链上，每级生物间碳的转换率约为10%，主要是在传递过程消耗或者成为尸体被微生物分解。81氮循环氮循环需要植物、动物和微生物的协同作用，使氮从一个形态转化为另一个形态。在这个循环中，微生物起及其重要的作用。82Nitrogencycle大量氮存在于大气中大多数生物不能直接利用，唯有固氮根瘤菌可将氮气以氨的形式固定下来，进入土壤，形成无机氮化合物无机氮化合物被植物吸收而形成有机氮化合物①②③④⑤食物链每级生物都有大量有机氮化合物进入环境，再经微生物分解形成无机氮化物。无机氮化物在经过硝化细菌和反硝化细菌的作用，最终又形成氮气释放进入大气中。从固氮根瘤菌固氮到反硝化细菌释放氮气，构成氮循环83硫循环地球上，硫是一种较丰富的元素。硫都不是微生物生长的限制因子。84sulfurcycle在自然界，硫以三种形态存在：硫、硫无机化合物及硫有机化合物。三种形态之间相互转化，构成硫循环、开采使硫进入循环中硫虽少，却是循环中最活跃的部分自然界硫主要存在于废水酸雨①②③④⑤工业⑦形成硫酸盐被植物植物和藻类吸收⑥氧化854.2.4微生物代谢微生物的营养微生物生理代谢的基础——酶微生物的能量代谢微生物的合成代谢86微生物的营养微生物在代谢过程中对营养物质的需求与构成微生物细胞的成分直接相关。碳、氢和氧是构成微生物的骨架，氮、磷和硫构成蛋白质和核酸等。87微生物生理代谢的基础——酶微生物在代谢时，需要酶的参加，酶作为生理生化反应的催化剂，在反应过程中传递电子、原子或化学基团。酶在代谢中并不参与反应，不会被消耗掉。酶的专一性很强，一种酶只作用于一种物质酶在高温、高压或强酸强碱的条件下就会失去活性。88微生物的能量代谢能量代谢就是通常的呼吸过程，营养物质在呼吸过程中被氧化还原。微生物呼吸分为好氧呼吸无氧呼吸发酵（糖酵解）89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90光合作用光合作用是最重要的合成代谢，光合细菌、藻类等微生物通过光能同化CO2，形成碳水化合物。91化能自养型微生物合成代谢化能自养微生物可以通过氧化环境中的某些物质而获得化学能，从而利用这些能量同化CO2。92产甲烷菌合成代谢产甲烷菌在利用有机物产生CO2和CH4时，会产生能量ATP；产甲烷菌又利用这些ATP和中间产物合成蛋白质、脂肪等。934.2.5微生物修复污染物的可生物降解性多样的代谢类型，自然界有机物几乎都能被微生物分解；很强的变异性，使微生物获得了降解人工合成大分子有机物的能力；共代谢机制，拓展了微生物对难降解污染物的作用范围；通过改变有机物的化学结构，提高生物降解性。94（1）主动运输

主动运输需要消耗能量，可以逆物质浓度梯度进行。

（2）被动扩散

由浓度的胞外向低浓度的胞内扩散，不消耗能量，不能进行逆浓度梯度的运输。

（3）促进扩散

在运输过程不需要消耗能量，不能进行逆浓度梯度的运输。与被动扩散类似，不同的是促进扩散需要借助于位于细胞膜上的一种载体蛋白参与物质运输。

（4）基团转位

另一类类型的主动运输，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。

（5）胞饮作用

突出物把烷烃吸附——烷烃聚集在微生物细胞质表面——胞饮作用把烷烃转移到细胞内的烷烃氧化部位4.2.6微生物对有机污染物的修复4.2.6.1有机污染物进入微生物细胞的过程95（1）氧化作用

包括Fe、S等单质的氧化，NH3、NO2等化合物的氧化，也包括一些有机基团的氧化，如甲基、羟基、醛等。氧化作用普遍存在于各种好氧环境中，是最常见的也最重要的生物代谢活动。

（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，还原作用与氧化作用存在的环境不同，还原作用需要缺氧或者厌氧（无氧）的环境。

（3）基团转移作用

脱羧作用、脱氨基作用、脱卤作用、脱烃反应、脱氢卤、脱水反应

（4）水解作用

水解作用使有机大分子转化为很小的分子。4.2.6.2微生物降解有机污染物的基本反应类型96

PAHs广泛分布于自然环境中,任何有机物加工、燃烧、废弃或使用的地方都有可能产生PAHs。土壤中的PAHs除极少量来源于植物和土壤中的细菌合成外,绝大部分来源于人类生产和生活活动。

PAHs的危害主要是PAHs辛-醇水分配系数高,是脂溶性物质,对生物有致癌、致畸、致突变的作用,能在环境中稳定存在。PAHs本身并没有毒,但当其通过食物链进入动物体内后会损伤动物血细胞DNA,引起血细胞DNA链断裂,改变遗传物质的编码信息。除此外,PAHs还会上调线粒体编码基因表达转录水平,提高相应的抗氧化酶活性表达,使得细胞活性氧分子量增加及细胞氧化损伤。实例：土壤PAHs污染的微生物修复（唐婷婷和金卫根，2010）97

微生物降解PAHs的基本过程是:污染物质PAHs通过两种途径进入微生物(包括真菌和细菌)细胞,第一种是通过真菌氧化,真菌在细胞色素酶CytP-450或单加氧酶作用下将一个氧原子加到PAHs的C-C键上形成C-O键,从而生成芳烃氧化物,芳烃氧化物在非酶促结构重组中失去一个氧原子变成酚类,并在环氧化物水解酶作用下还原形成反-二醇;另一种是氧分子在细菌双加氧酶或单加氧酶作用下将PAHs氧化成芳烃过氧化物,在芳烃过氧化物上加H得到顺-二醇,两种过程产生的二羟基化合物——顺反二醇都代谢生成重要的中间产物邻苯二酚,接着经过脱水等作用而使C-C键断裂、苯环断开,进一步代谢为柠檬酸循环的中间产物醛或酸,如琥珀酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。多环芳烃的有氧氧化是其降解的主要形式,这些中间产物最终会被氧化分解为水和CO2,变成无毒物质。微生物修复土壤PAHs污染原理98

相对于物理化学修复来说,微生物修复成本低,可以大面积推广使用,不会对土壤造成二次污染,一般3环以上PAHs主要以生物降解方式去除,2环以下PAHs主要通过挥发作用去除。环境中有大量的微生物可以降解PAHs,除了已经报道的微生物外,近年来也分离出了一些新的微生物,如拟革盖菌属(Coriolopsis)、戈登氏菌属(Gordonia)、链核盘菌属(Monilinia)、平革菌属(Phanerochaete)、多孔菌属(Polyporus)、希瓦氏菌属(Shewanella)等,已经报道的可以降解4环及4环以上PAHs的微生物主要有田头菇属(Agrocybe)、芽孢杆菌属(Bacillus)、布克氏菌属(Burkholderia)、黄杆菌属(Flavobacterium)、假单胞菌(Pseudomonas)、副球菌属(Paracoccus)、分支杆菌属(Mycobacterium)、寡养食单胞菌(Stenotrophomonas)。土壤中能高效降解PAHs的微生物99很多种微生物可以通过不同途径降解同一种PAHs,比如

菲,气单胞菌属、产碱杆菌属、微球杆菌属、芽孢杆菌属均可将菲经由邻苯二甲酸脂降解为原儿茶酸,接着苯环断开生成醛类;分支杆菌属PYR-1可以从K区、1-4碳位降解菲,从K区和3、4碳位的降解分别生成邻苯二甲酸和萘酚,菲1、2碳位的代谢没有实质性的降解,4环和4环以上PAHs微生物通常以共代谢方式进行降解,微生物降解PAHs的方式有氧化还原作用、基团转运作用、水解作用、酯化、缩合、氨化、乙酰化、双键断裂及卤原子移动。100原位修复不需要挖出和搬运污染土壤,其主要方法有:①利用污染物的挥发性,2环以下PAHs主要以挥发作用去除。②在污染土壤部位种植植物,提高根际微生物对PAHs的降解作用。③利用污染土壤中的土著微生物对PAHs自然降解去除。④向土壤污染部位添加营养物质、亲脂肥料、表面活性剂、电子受体、共代谢底物等,提高PAHs的溶出率,减小微生物与PAHs的作用阻力。⑤接种微生物。将已知能高效降解PAHs的微生物接种到土壤中去,以达到降解污染物质的目的。原位修复一般都是在好氧条件下进行,当土壤是浸渍的稻田或其他板结的土壤时,需通过人工方式增加土壤中空气流量和微生物数量,采用的方法主要有泵处理、生物通风法、生物强化法等。土壤PAHs污染的微生物修复方法（1）土壤PAHs污染的原位修复101土壤PAHs污染的异位修复102PAHs吸附在土壤中后,低环的PAHs可以溶解出来,但是高环的解析并不是吸附的简单逆过程,它们在土壤中会被“锁定”。某些环境中用于微生物增长的无机盐营养比例并不是处于最佳值,适当地增加N、P含量有利于微生物的生长和有机物质的生物降解。土壤中的pH值对微生物降解PAHs有着重要的影响,偏碱性时(pH值=7.5)微生物生长繁殖较快,但PAHs降解率不高,酸性(pH值=6.5)条件下微生物繁殖速率适中,菲和芘更容易富集到细菌的体内。此外温度和土壤湿度对PAHs的降解也起着重要的作用。促进土壤中PAHs降解的方法1.PAHs污染土壤的性质改良103

大于4环的PAHs,其生物可利用性要小于3环以下的PAHs,这主要是因为4环以上PAHs属低解析率,导致微生物不能吸收。PAHs由多个苯环以直链状、角状组成,分支较少,如果将苯环上的H+用OH-或NH4+取代则可以增加PAHs的降解率。表面活性剂可以提高PAHs的增溶作用,明显增加PAHs在土壤中的降解速率,使用过后残留的表面活性剂也可被芽孢杆菌利用,为了不抑制微生物的生长,使用时最好不要超过临界使用浓度。固定化微生物可以减小微生物与污染物质的作用半径,提高微生物与污染物的接触能力,使用较多的固定化微生物是真菌,真菌可以分泌多种酶,如虫漆酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶等,尤其对高致癌性苯并[a]芘具有很好的降解作用。提高PAHs的溶解能力104（1）甲基化作用

汞、镉、铅、砷等金属离子都能在微生物的作用下发生甲基化反应，有些金属离子甲基化后毒性反而增强。

（2）还原作用

有些微生物能够将高价金属离子还原成低价态，将有机态金属还原成单质，有些金属在这个过程中毒性消失。

（3）氧化作用

Mn2+、Sn3+的生物毒性分别比Mn4+和Sn4+大，有些微生物能够氧化Mn2+和Sn3+，使之成为毒性小的Mn4+和Sn4+。4.2.7微生物对重金属污染物的作用4.2.7.1微生物对重金属离子的转化105（1）微生物吸附和微生物积累

微生物吸附主要是生物体细胞壁表面的一些具有金属络合、配位能力的基团起作用，如羟基、羧基等基团。这些基团通过与吸附的重金属离子形成离子键或共价键来达到吸附重金属离子的目的。

微生物积累主要是利用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。

（2）微生物吸附重金属机理

①微生物细胞壁的结构特性

细胞壁在微生物吸附重金属离子的过程起着重要作用。

②微生物吸附重金属机理

微生物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。4.2.7.2微生物对重金属离子的吸收与吸附106土壤Cr（VI）污染的微生物修复是利用土壤中的土著微生物或经驯化的特定微生物，通过将Cr（VI）还原为Cr（III），达到降低Cr的移动性和毒性等目的（周加祥和刘铮，2000）。目前已分离出多种对Cr（VI）有还原作用的菌种，如硫酸盐还原菌（Lietal.,1994;SmithandGadd,2000;汪频等，1993）、大肠杆菌（Escherichiacoli）（ShenandWang,1994）、阴沟杆菌（Enterobactercloacae）（Komorietal.,1990）、假单胞菌属（Pseudomnonas）（Parketal.,2000）等。实例：土壤铬（VI）污染及微生物修复（王凤花等，2010）1.土壤Cr（VI）污染的微生物修复107108吴淑杭等（2007）从土壤中分离筛选出6株具有Cr（VI）还原能力的硫酸盐还原菌，部分微生物在Cr（VI）为50mg·L-1的培养基中培养1d后即可完全使Cr（VI）转化为Cr（III）。该研究还表明这些菌株同样可以有效地将污染土壤中Cr（VI）转化为Cr（III），降低了土壤中Cr的植物有效性和毒性，尤其以混合菌液转化率效率更高，2d后Cr（VI）的转化率为43%，10d后Cr（VI）的转化率达75.3%。109毛晖等人（2006）采用培养方法研究了厌氧土壤环境下土壤微生物对铬矿渣中Cr（VI）的还原，发现在土壤微生物作用下，其中的Cr（VI）和Fe（III）同样可以作为电子受体而被还原，该方法可以使铬矿渣中的Cr（VI）污染在较短时间内完全除去。110土壤微生物是土壤中的活性胶体，具有比表面积大、带电荷和代谢活动旺盛等特性，对土壤重金属元素的化学形态影响很大。受Cr污染的土壤中，往往存在多种耐Cr的真菌和细菌，它们可通过多种作用方式影响土壤中Cr的毒性。微生物修复Cr污染的机理111微生物对Cr的生物固定作用主要表现在胞外络合、胞外沉淀以及胞内积累3种作用方式上。由于微生物对重金属具有很强的吸附性能，Cr离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上，或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上，降低Cr的移动性和生物可利用性。一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸盐还原菌以及某些藻类，能够产生具有大量阴离子基团的胞外聚合物如多糖、糖蛋白等，与重金属离子形成络合物。微生物对Cr离子的生物固定112研究表明，酵母菌在运输Cr时，需先把体内作为能量贮备源的糖类和蛋白质等生物大分子分解为小分子，此过程与体外H+的运输和体内阳离子的释放相耦合，产生能量并向体外运输小分子蛋白或其他小分子生物物质，作为Cr（VI）的还原物和结合物，降低Cr的毒性，使铬-生物物质附着于细胞表面，并进一步把Cr运输进体内（何宝燕等，2007）。

113微生物的细胞壁在生物吸附重金属离子的过程中起着重要作用。细胞壁的特殊结构，在很大程度上决定着微生物对重金属离子的吸附能力，如细胞壁的多孔结构使活性化学配位体在细胞表面合理排列，使细胞易于与金属离子结合。同时，微生物细胞的细胞壁上存在着许多种官能团，这些官能团中氮、氧、磷、硫原子可作为配位原子重金属离子配位络合。细胞外多糖在某些微生物吸附重金属离子的过程中也有一定的作用。114微生物对Cr（VI）的还原115为了提高微生物修复Cr的效果，应加强微生物解毒Cr（VI）机理的研究，通过遗传工程从现有的性能较好的菌种中开发出高效的新菌种；此外，还应开发耐高碱、高盐及高铬的高效Cr还原菌，因为制革废物处置不当引起的高pH值土壤中Cr（VI）污染越来越严重（Kamaludeenetal.,2003）。瞿建国等人（2005）从土壤中分离筛选出几株抗Cr（VI）的硫酸盐还原菌（SBR），能在Cr（VI）浓度为800mg·L-1的培养基中生长，其中2-S-8菌株在Cr（VI）浓度为72mg·L-1的培养基中生长36h后，培养基中的Cr（VI）全部消失，结果表明高毒的Cr（VI）可被2-S-8还原成低毒的Cr（III）。韩怀芬等人（2003）筛选出5株能还原Cr（VI）的菌种，并且微生物之间的协同培养可以提高Cr（VI）还原的效率，协同培养还原Cr的最佳pH为6~8，在此pH下，Cr（VI）还原的效率可达到100%。Michael等人（2008）从华盛顿SoapLake中筛选出一株为盐单胞菌属的抗Cr（VI）的菌。该菌株能在pH=9的碱性厌氧条件下，以醋酸盐为电子受体还原Cr（VI）。提高微生物修复Cr污染土壤效果的措施1.筛选高效还原微生物，提高菌株的Cr还原能力116创造良好的土壤环境，可以充分利用土著微生物和外来微生物的协同关系，使微生物的修复效果达到最佳。微生物修复的实质就是在微生物生长繁殖的过程中还原土壤中的Cr（VI），要使微生物修复效果达到最佳，就必须为其创造良好的生长环境。土壤的营养物质、温度、湿度、pH值和通气状况等因素都会对微生物的生长繁殖产生重要的影响，因此应根据微生物生长的影响因素寻求最佳的修复条件。

2.创造良好的土壤环境，充分利用土著微生物与外来微生物的协同关系117

常文越等人（2007）在25℃、投加2%的还原菌和5%的有机质，保持土壤初始pH值的条件下，进行较佳还原条件下的实验，结果表明，在上述条件下施用该菌剂1个月后，对于浸出液Cr（VI）浓度范围从10~55mg·L-1的污染土壤，Cr（VI）的还原效果都可达到90%以上，土壤浸出液中Cr（VI）浓度已经降低至0.75mg·L-1以下，即在条件适宜时，该菌剂对低浓度的污染土壤中的Cr（VI）具有很好的还原解毒作用。118徐卫华等人（2007）的实验结果表明，施入稻草可以促进Cr（VI）的还原，加快土壤中Cr（VI）和有效态Cr含量的降低；同时实验还探讨了稻草对Cr（VI）污染土壤微生物活性的影响，结果表明施入稻草的土壤呼吸强度和微生物数量均比未施稻草的土壤高，即增施稻草对缓解Cr（VI）对土壤微生物的抑制作用有一定的效果。119已有研究表明微生物可以影响植物对Cr的吸收，一定条件下接种微生物可以在一定程度上提高植物对重金属的吸收，而且已经在实验室和小规模的修复中取得了良好的效果（Wuetal.,2006;Zaidietal.,2006）。在土壤和微生物共生环境中，微生物可将土壤有机质和植物根系分泌物转化为小分子物质为自身利用，同时这些小分子物质可能会对土壤中的重金属起到活化作用（张学洪等，2006）；微生物的代谢也可以分泌释放一些质子、酶、铁载体等物质（施积炎等，2004），对土壤中重金属也有活化作用。另外，微生物还有很强的氧化还原能力，微生物可对Fe、Mn氧化物进行

还原，使其吸收的重金属被释放出来（Glick,2003）。在重金属污染的土壤中加入适量的硫，微生物可把硫氧化成硫酸盐，降低土壤pH值，提高重金属的活性，通过植物的吸收作用，达到土壤净化的效果（Grichkoetal.,2000）。3.植物与微生物的联合修复120

真菌可以通过分泌氨基酸、有机酸以及其他代谢产物溶解土壤中的Cr，进而可以促进植物对Cr的吸收（张学洪等，2006）。孟庆恒等人（2007）筛选出4株对Cr（VI）的清除率大于50%的土著菌株，并与玉米幼苗组合，对Cr进行微生物-植物联合修复试验，结果表明，在Cr浓度为100mg·L-1的条件下，具有明显降低培养液中Cr（VI）浓度的效果，污染物清除率可达70%.Rajkumar等人（2006）在Cr污染区分离到两种促进菌株Pseudomnonassp.PsA4和Bacillussp.Ba32，这两株菌都能产生铁载体，都能溶解磷，接种这两种菌均能促进印度荠菜地上部、根及活力指数的增长，提高Cr（VI）的吸收率。1211224.3环境修复微生物生态学原理微生物的生态因子4.3.1微生物生长与种群增长4.3.2微生物群落结构4.3.3微生物种群间的相互关系4.3.41234.3.1微生物的生态因子环境条件的变化是通过生物的活性或者改变污染物的生物可利用性而影响到生物修复的。温度和湿度pH值渗透压氧辐射抗生素化学物质124温度和湿度温度和湿度对任何生物都是重要的生态因子，影响生物体的活动、代谢及存活。微生物生长的温度范围为-12~100℃，大多数微生物生活在30~40℃。任何一种微生物都有一个最适生长温度。在一定的温度范围内，随温度上升，微生物生长速率加快。根据微生物对温度的依赖，分为嗜冷性（<25℃）、中温性（25~40℃）及嗜热性微生物（>40℃）。125例子温度变化对石油的生物降解速率的影响，随着降解菌种类的不同而有很大差异。中温性假单胞菌在25℃时，石油降解速率为0.96mg/L，15℃时为0.32mg/L，5℃时为0.1mg/L。126pH值pH值会影响微生物的生长与代谢，是影响生理生化反应的重要因子。嗜热菌、嗜碱菌和一般微生物对环境pH值的要求相差较远。一般微生物要求pH值在5~9之间；最宽的在4~10之间，最适宜的在6.5~7.5之间；超越pH值4~10生长的嗜酸或嗜碱微生物。127例子对烃类生物降解的促进作用，随土壤pH值的增大而提高。在某种pH值为3.7的天然酸性土壤中，烃的生物降解作用最弱。在一种盐沼沉积物种，正十八烷和萘生物降解在pH值为8.0时达到最高水平。128渗透压微生物细胞结构简单，特别是原核生物系菌类，容易受到环境渗透压的影响。环境中与微生物细胞体内某种离子的浓度差会导致微生物的生理变化与适应。129例子微生物在等渗环境中生长最好。在低渗环境中，环境的水会不断渗入细胞内，致使细胞发生膨胀，甚至破裂；在高渗环境中，细胞内的水流向外壁，利用高渗溶液保存食品，就是这个道理。130氧氧对微生物的生存具有至关重要的作用。就严格厌氧微生物而言，氧将使微生物死亡而对于好氧微生物而言，缺氧将导致其死亡131例子污水处理系统通过强力增氧使污水中溶解氧增加，以保证微生物能有足够的可利用的氧来氧化降解有机污染物，使污水得以净化。132辐射太阳中的部分光谱可作为部分微生物光合作用的光源，如蓝细菌和藻类；另一些光谱则可能对微生物产生不利影响，如紫外辐射。133例子不同的微生物或者微生物的不同生长阶段对紫外辐射的抵抗能力不同。芽孢对紫外辐射的抵抗力要比正常细胞的抵抗能力高好几倍。但芽孢在出芽阶段则对紫外辐射十分敏感，因此紫外辐射常被用于医疗消毒和农业育种。134抗生素许多微生物都能产生抑制其他微生物生长代谢的物质，称为抗生素。135例子如普遍使用的青霉素。136化学物质影响微生物的化学物质非常多，有利于微生物生长的，有不利于微生物生长的。有利与不利随微生物种类而异，对一种微生物不利可能对另一种微生物有利。137例子重金属给环境造成污染，也对微生物造成不良影响，如CuSO4是一种灭菌剂。一些有机化合物也对微生物有杀伤作用，如甲醛（福尔马林）。1384.3.2微生物生长与种群增长微生物摄取营养物质和能量，通过代谢获得所需物质和能力，使细胞增长，该过程称为生长。当微生物个体生长到一定程度，细胞分裂而产生子代细胞，使个体数增加，该过程称为繁殖。微生物数量不断增长，但营养与空间有限，当数量增长到一定时候就不再增长，甚至下降。微生物种群动态符合一般规律的种群增长曲线。微生物种群增长曲线在生物修复中具有广泛应用意义。139微生物种群增长曲线1404.3.3微生物群落结构土壤环境及其微生物水环境及其微生物大气环境及其微生物141土壤环境及其微生物土壤中含多种有机和无机物，是最适微生物生长的环境；土壤中细菌大部分为革兰阳性菌，其数量比海洋高得多；微生物与土层有关，表层土资源较多，微生物竞争较弱；影响土壤微生物分布的因素包括物理、化学和生物因素。142水环境及其微生物水环境的变化来自分布、水深和性质淡水环境海洋环境143大气环境及其微生物以人类活动而言，大气环境可分为室内环境室外环境1444.3.4微生物种群间的相互关系0表示无影响；+表示有益影响；-表示有害影响作用名称种群A种群B中性共栖00偏利共栖0+协同共栖++共生++竞争--偏害共栖0/+-捕食+-寄生+-145中性共栖（neutralism）概念两个微生物种群间不发生相互作用。特征发生在非常低的种群密度下，一种微生物种群的存在不会影响到另一种的存在。例子海洋中会有这种现象。146偏利共栖（commensalism）概念两种微生物种群共同生长。特征一方因为另一方的存在而受益，而另一方并没有相应的受益或受害。例子母牛分枝杆菌能使环己烷转化为环己醇，假单细菌不能利用环己烷却可利用环己醇147协同共栖（synergism）概念两个微生物种群在一起时可以相互受益。特征使种群很好地联合在一起，进行但各种群所不能完成的物质转化。例子诺卡菌可代谢环己烷供假单胞菌利用，后者合成生物素供前者利用。148共生（mutualism）概念两种群相互作用相互受益而形成的专性关系。特征协同共栖作用的延伸。例子S有机体将乙醇氧化为乙酸和氢，但又为自身产生的氢抑制；奥氏甲烷杆菌则能利用氢将CO2还原为甲烷。149竞争（competition）概念两种群在共同生存时发生争夺资源的现象。特征双方均受到不利影响。150偏害共栖（amensalism）概念两微生物种群，一方抑制另一方生长特征通常是一方产生抑制物质抑制另一方的生长例子一些微生物种群产生有机酸，排斥其他细菌151捕食（predation）概念一种群吞食另一种群特征捕食者的吞食可能导致被捕食者种群消失152寄生（parasitism）概念寄生物从寄生体内获得营养，对寄主不利特征寄生物与寄主的关系比较专一例子病毒是一种胞内专性寄生物，可广泛寄生于细菌、真菌、藻类和原生动物1534.4影响生物修复的污染物特性优先污染物与目标污染物4.4.1污染物化学结构对生物修复的影响污染物的降解方式对生物修复的影响污染物生物可利用性对生物修复影响1544.4.1优先污染物与目标污染物污染物（pollutant）任何物质以不适当的浓度、数量和形态进入并作用于环境，对环境产生伤害或损害。氮、磷等过多地排入水中，会造成藻类异常繁殖，消耗水中的溶解氧，导致富营养化。155优先污染物（prioritypollutants）概念人们从众多的污染物中挑选出一些重要的污染物优先进行控制。原则环境赋存最大分布广泛检出率高毒性强残留时间长易积累156目标污染物（targetpollutants）概念在生物修复工程中，拟从环境中去除或减低危害的污染物。1574.4.2污染物化学结构对生物修复的影响结构简单比结构复杂的易降解；分子量小比分子量大的易降解。各类有机化合物的生物降解化学基团对生物降解的影响158各类有机化合物的生物降解159化学基团对生物降解的影响1604.4.3污染物的降解方式对生物修复的影响污染物的降解可分为单一微生物的降解混合微生物的共代谢降解1614.4.4污染物生物可利用性对生物修复影响结合微生物生态因子162163第一节生物修复概念及原理一、生物修复概念二、生物修复原理三、生物修复特点四、生物修复主要类型164第一节生物修复概念及原理165二、生物修复原理与生物处理一致。利用细菌、真菌、水生藻类、陆生植物等代谢活性降解、减弱有机污染物毒性,改变重金属活性或在土壤中结合态,通过改变污染物化学或物理特性而影响它们在环境中迁移、转化和降解速率。166三、生物修复特点优：具投入低、效果好、不产生副作用。缺：1、不能降解所有污染物;2、污染物浓度过低,无法正常降解;167四、生物修复主要类型（一）微生物修复（二）植物修复168（一）微生物修复1、微生物类型土著微生物外来微生物（需大量接种）基因工程菌四、生物修复主要类型169

2、影响微生物修复因素：（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。四、生物修复主要类型170（1）原位微生物修复原理：不需将土挖走,向污染区投放氮、磷等营养物质和供氧,促进土壤中土著微生物代谢活性。为提高处理效果,接种经驯化培养高效微生物菌株,利用其代谢作用降解污染物。包括:生物通风法、生物搅拌法、泵处理法。（2）异位微生物修复原理：要求把污染的土挖出,集中进行生物降解.包括:预制床法、土壤耕作法、土地填埋法、生物泥浆反应器法。四、生物修复主要类型171

（二）植物修复微生物不能降解重金属,通过吸附或代谢改变化合价态,从而改变其与其它化合物螯合态修复污染.难收集。1、植物修复通过自然生长植物或遗传工程培育植物系统及其根际微生物来吸收、移去、挥发或稳定环境污染物。四、生物修复主要类型1722、植物在土壤修复中应用（1）植物对金属去除

①植物固定：植物通过根系过滤、固定和钝化使重金属吸附于植物地下部分表面,从而降低生物有效态,达到减轻污染效果.植物根际微环境发挥重要作用.

③植物吸收（抽提）：利用一些专性植物（超累积植物）根系对特定污染物(有机物和重金属)吸收特性,将污染物吸收并在植物地上部分积累,再通过收获地上部分而减少污染物。如十字花科遏蓝菜属植物可富集Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ和Ｎｉ等。400多种超累积植物（云南铅锌矿：小花南芥、续断菊和岩生紫堇；中华山蓼和细叶芨芨草耐性植物--我国首次提出铅锌矿区直接用恢复矿山）②植物挥发：利用植物吸取、积累、挥发作用而减少重金属在土壤富集,挥发出土壤表面和植物的过程.

拟南芥属引入汞离子还原酶降解生物毒性汞。四、生物修复主要类型173陈同斌研究员－－中科院地理所环境修复室，首次发现富集砷的超富集植物－蜈蚣草和大叶井口边草，建立了亚洲第一个砷污染土壤植物修复基地---湖南郴州。面积13亩。含砷80mg/kg土壤中，蜈蚣草每年可吸走20kg砷/ha，砷去除效率约12％。

174（2）植物对有机物降解与去除植物直接吸收有机污染物：中等亲水性有机污染物-含氯溶剂和短链脂肪族。植物释放分泌物和酶，刺激根区微生物的活性和生物转化作用：酶及有机酸与脱落的根冠细胞一起为根区微生物提供营养物质或直接降解污染物。植物增强根区的矿化作用：菌根、形成有机碳有机物转移、根区好氧转化正常进行。2、植物在土壤修复中应用175（3）植物对放射性核素（核裂变）去除已有将土壤从污染位点搬移，然后用分散剂或螫合剂进行处理。植物可从污染土壤中吸收并积累大量放射性核素。现已在核电站附近发现能大量吸收Cs（铯）和Sr(锶）植物种类，如桉树树苗一个月可去除土壤中31.0％的Cs和11.3％的Sr。

四、生物修复主要类型2、植物在土壤修复中应用176