环境微生物学讲义 6学习资料

环境微生物学

EnvironmentalMicrobiology郑州大学生物工程系

席宇第五章污染环境的生物修复主要内容一、生物修复的概念、原理及发展二、生物修复的类型三、生物修复的应用Bioremediation:Nature'sWaytoaCleanerEnvironment一、生物修复的概念第一节生物修复的概念、原理及发展利用生物特别是微生物，将存在于土壤、地下水和海洋等环境中有毒有害的危险性污染物（现场）降解成CO2和H2O或转化成为无害物质，从而使污染生态环境修复为正常生态环境的工程技术体系称为生物修复(bioremediation)。Bioremediationisatreatmentprocessthatusesmicroorganisms(yeast,fungi,orbacteria)tobreakdown,ordegrade,hazardoussubstancesintolesstoxicornontoxicsubstances(mainlycarbondioxideandwater).

Microorganisms,justlikehumans,eatanddigestorganicsubstancesfornutrientsandenergy.严格意义的生物修复是指目标化合物在不受人为干扰的自然情况下被降解。只要存在合适的环境条件，营养条件和微生物，就可以发生严格意义上的生物修复。严格意义上的生物修复发展很慢，远远达不到生产实践的要求生产上一般采用工程化手段来加速生物修复的进程，这种在受控条件下进行的生物修复又称强化的生物修复或工程化的生物修复强化的生物修复（enhancedbioremediation）工程化的生物修复(engineeredbioremediation)Enhancedbioremediationisaprocessinwhichindigenousorinoculatedmicroorganismsdegradeorganiccontaminantsfoundinsoiland/orgroundwater,convertingthemtoinnocuousendproducts.Nutrients,oxygen,orotheramendmentsmaybeusedtoenhancebioremediationandcontaminantdesorptionfromsubsurfacematerials.生物修复的基本指导思想:净化速度缓慢由于三方面的原因生物修复技术系统中添加氮、磷等营养盐接种、驯化高效菌自然条件下DO不足营养盐缺乏高效菌生长缓慢供氧快速去除污染物工程化的生物修复一般采用下列手段：（1）生物刺激（biostimulation）：满足土著微生物生长所需的环境条件，如提供电子受体，供体、氧及营养物Biostimulationreferstotheadditionofoxygenand/orinorganicnutrientstoindigenousmicrobialpopulationsinsoilsandgroundwater（2）通过各种手段诱导参与降解污染物的微生物菌群的产生和扩增（bioaugmentation）Bioaugmentationreferstotheintroductionofspeciallyselectedorgeneticallyengineeredstrainsofmicrobestoacontaminatedsite.IfsiteassessmentsrevealthatspeciesofindigenousmicroorganismsareunabletodegradetargetcontaminantsExogenousmicroorganismswiththerequiredbiochemicalcapabilitiescanbeintroducedtosuccessfullydegradespecificwastecompounds.生物修复是指生物特别是微生物催化降解有机污染物，从而去除或消除环境污染的一个受控或自发进行的过程相同的表达有生物再生(bioreclamation)、生物恢复(Biorestoration),也可译为生物清除或生物清消；相近的表达生物净化(biopurification)目前对于生物修复的概念尚无统一认识,Hamer将生物修复的概念定义为“对环境肆虐的生物反应”（Biologicalresponsetoenvironmentalabuse）。生物修复技术英文刊物常用的Bioremediation，BioremediationTechniques,BioremediationEngineering.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.随着研究的不断深入,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修复、植物修复、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.二、生物修复的背景和发展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1989年美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染以后,才首次大规模应用生物修复技术美国从1991年开始实施庞大的土壤、地下水、海滩等环境危险污染物的治理项目,并称之为“超基金项目(superfund)”美国政府制定有利于绿色技术的政策法规是推动生物修复技术发展的关键因素，其联邦政府和州政府已通过法律，要求生物修复许多极严重污染的场地。欧洲各国从20世纪80年代中期就对生物修复进行了初步研究,并完成了一些实际的处理工程.其生物修复技术可与美国并驾齐驱美国一些州也对生物修复技术持积极的态度新泽西州在其政策中将生物修复治理技术列为经改进的主要现场治理方法之一；威斯康星州明确规定将生物修复技术列为净化受地下储油罐泄漏污染的土壤的三种治理方法之一，而且如果生物处理适用于某一污染地点的治理，就不再要求使用其他方法美国环保局（EPA）还制定了90年代土壤和地下水的生物修复计划，并组织了一个由联邦政府、学术和实业界人员组成的“生物修复行动委员会“(BioremediationActionCommittee)来负责生物修复技术的研究和具体应用实施。1991年3月，在美国圣地亚哥举行了第一届原位生物修复国际研讨会，会议有来北美、欧洲、澳洲和亚洲20个国家的700名学者参加。1993年4月在美国圣地亚哥举行的第二届国际讨论会，有26个国家的1100多位代表参加.2001年6月在美国圣地亚哥举行的第六届原位及现场生物修复专题讨论会

目前已有的研究结果表明，生物修复技术具有以下优点：费用省，生物修复技术是所有处理技术中最便宜。操作简单，环境影响小，修复时间较短最大限度地降低污染物浓度因此，在环境科学界，生物修复技术被认为比物理和化学处理技术更具发展前途，它已经发展成为一种新的可靠的环保技术，并得到广泛的应用，有人称之为生物处理技术的一个里程碑。生物修复技术可以同时处理受污染的土壤和地下水。人类直接暴露在污染物下的机会减少生物修复技术的应用范围有其独到的优势。三、生物修复的原理与影响因素（一）、用于生物修复的微生物可以用来作为生物修复菌种的微生物分为三大类型：土著微生物、外来微生物和基因工程菌。（1）土著微生物（indigenousmicroorganisms）微生物降解有机化合物的巨大潜力，是生物修复的基础。生物修复中微生物的作用原理和方式与污染物的生物降解和转化是一致的，即通过微生物的降解与转化将有机物转化为无害的小分子化合物和二氧化碳与水。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A.由于土著微生物降解污染物的潜力巨大；在污染物的实际处理中，必须考虑要接种多种微生物或者激发当地多样的土著微生物。B.接种的微生物在环境中难以保持较高的活性以及工程菌的应用受到较严格的限制；（2）外来微生物（exogenousmicroorganisms）土著微生物生长速度太慢、代谢活性不高，或者由于污染物的存在而造成土著微生物数量下降，因此需要接种一些降解污染物的高效菌。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。（3）基因工程菌(geneticalengineeringmicrobes)基因工程菌引入现场环境后会与土著微生物菌群发生激烈竞争，基因工程菌必须有足够的存活时间，其目的基因方能稳定地表达出特定的基因产物—特异的酶。（二）、影响生物修复的因素生物修复过程中主要涉及到微生物、有机有害污染物和土壤，因此可将影响生物修复的因素分为三个方面，即微生物活性、污染物特性和土壤性质，在研究和选择生物修复技术时均应加以考虑。

1．微生物营养盐

2．电子受体

3．共代谢基质4．有毒有害有机污染物的物理化学性质5．污染现场和土壤的特性总之，发展成功的生物修复技术，需要多方面研究人员的合作，不仅需要有关微生物学的知识，还需要对工程科学、化学测试分析方法和污染物(包括其代谢产物)生物毒性等技术了解。因此美国国家环保局下属五个实验室确定了四个主要的研究领域以深化对生物修复技术的研究。1.工程科学：工程科学研究的目标就是要为生物修复技术中的微生物提供最合适的微环境，并促进污染物与微生物细胞间的相互接触2.微生物学

3.测试和分析方法：只有适当的采样和分析手段才能精确地判断是否发生了生物修复过程和生物修复进行的程度。4.生物毒性：为了保证受到公众关注的生物修复技术的安全性，评价接种微生物和分解产物对人类和生态系统的卫生效应和毒性效应也是必要的。第二节生物修复的类型根据被修复的污染环境土壤生物修复水体生物修复海洋生物修复湖泊生物修复地下水生物修复微生物修复根据生物修复所利用的生物类群植物修复动物修复根据生物修复中人工干预的程度自然生物修复人工生物修复原位生物修复易位生物修复原位生物修复（insitubioremediation）易位生物修复（exsitubioremediation）不需要移动污染物而进行的生物修复污染的土壤从污染环境挖出，通过采用固相法或泥浆反应器处理原位生物修复运行成本低，操作较难维持，一般为优先采用的方法在许多情况下,尤其是污染程度较高时,单纯采用原位生物修复往往达不到预定要求,这时可采用易位生物修复一、原位生物修复（一）生物扩增（bioaugmentation）在添加营养物条件下，用土著或者接种菌来降解环境中的有机污染物。（二）、培养法（culture）向污染生境添加外源生物活性物质，可以大大促进生物修复的进行。可添加N、P营养，表面活性剂、电子受体等。目前已经开发一种亲油肥料，不仅含有N、P，而且还有许多易降解的碳源，能够加快烃的降解速率和程度。又称为生物培养法（bioculture）（三）生物通气法（bioventing）指在土壤的含水层之上，既不饱和层通入空气，为好氧微生物提供最终电子受体。通常的工艺是在污染现场打井，通入空气或抽真空。生物通气法已经成功的应用于污染土壤的生物修复生物注气法（biosparge）:将空气通入地下水位以下，即在饱和层通入空气，从而使饱和层的挥发性有机物转移到不饱和层内被微生物降解。不利于采用生物通风法的几种情况：1.被处理的污染物蒸汽压太高，挥发太快.2.渗透性太差的土壤对氧的扩散阻力大，不能保障好氧微生物对氧的需求.（四）、生物翻耕法（biofarming;landfarming）指通过对污染土壤进行翻耕，提高土壤的通透性，创造污染物被氧化的条件。同时施入肥料，调整污染区域的酸碱度，改良微生物的生存环境，确保不同深度的土壤中污染物均能被较好的清除。Landfarmingisabioremediationtreatmentprocessthatisperformedintheuppersoilzoneorinbiotreatmentcells.Contaminatedsoils,sediments,orsludgesareincorporatedintothesoilsurfaceandperiodicallyturnedoverortilledtoaeratethemixture（五）、植物修复（phytoremediation）直接或间接利用高等植物去除污染物的技术称为植物修复。植物修复过程主要包括植物对污染物的吸收和植物根际附近土壤中微生物对污染物的降解。根际是植物修复的主要部位，包括根及其附近的土壤。植物修复通过4种机制去除环境中的污染物:Vegetation-enhancedbioremediation2)根际过滤技术(rhizofiltration):1)植物萃取技术(phytoextration):利用金属积累植物或超积累植物将土壤中的金属萃取出来,富集并搬运到植物根部可收割部分和植物地上的枝条部位;利用超积累植物或耐重金属植物根孔通过水流移出土壤重金属.3)植物固化技术(phytostabilization):4)植物蒸发技术(phytovolatilization)即利用植物将土壤重金属转变成无毒或毒性较低的形态(生物无效态),但并未从土壤中真正去除它(又称作原位改良)。指植物吸收和释放挥发性化合物到大气圈中的修复过程植物修复对土壤和水体中的重金属污染治理具有特殊的优势。植物修复的主要优势是费用低廉，缺点在于效率较低，修复时间较长。植物修复的效率很大程度上由与根接触的土量决定,而非禾本科植物根际土量的比例是很小的。菌根的外延菌丝能解决以上问题（六）菌根根际生物修复菌根是土壤中的真菌菌丝与高等植物营养根系形成的一种联合体。菌根能有效降解和转移环境污染物,将其应用到生物修复中能解决植物修复的一些问题。目前菌根生物修复技术用于污水污泥、固体垃圾、有机污染物(如石油、多环芳烃和酞酸酯、农药、杀虫剂和除草剂)污染土壤的治理。菌根根际既包括菌根的根—真菌菌丝表面,也包括从菌根发出侵染周围土壤的外延菌丝的菌丝表面。后者主要与土壤中营养的固定、吸收、转移和植物传递有关。延伸的根际成分支持了数量庞大的细菌。人工湿地（wetland）处理城市污水二、易位生物修复（一）、泥浆反应器法（slurrybioreactor）为通常采用的一种异地生物修复技术，是将污染土壤与液体混合起来形成泥浆，引入反应器进行处理。泥浆反应器可以在控制溶氧、pH、温度和混合状态等参数的情况下进行处理泥浆反应器能够处理相对低分子质量的多环芳烃、杂环化合物、酚等处理过程中可添加一些表面活性剂，促进微生物与污染物的接触，加速降解过程简单的泥浆反应器可以用低洼地和小池塘代替(二)预制床法(preparedbedreactor)是一种用于土壤修复的特制生物床反应器，包括供水及营养物喷淋系统、土壤底部的防渗衬层、渗滤液收集系统及供气系统。美国的超级基金(superfund)污染土壤生物修复计划中就使用了许多这样的反应器（三）堆制法（composting）堆制是在人工控制条件下，使有机废物发生生物稳定作用（biostablization)的过程。一般是将污染物与容易分解的有机物混合堆放，并加以氮、磷及其他无机营养物质，辅助一些简单的搅拌、通气装置污染物经过稳定化作用形成堆肥，是一种腐殖质含量很高的疏松物质厌氧堆制空气与发酵原料不接触，堆制温度低，周期长，污染物分解不充分，有异味。好氧堆制是目前通常采用的堆制工艺。堆制有厌氧堆制和好氧堆制两种：microbesoxygenwaterorganicwasteheathumuswatercarbondioxide（四）生物堆层修复技术（biopiles）又称土壤堆积，是一种较为复杂的土壤修复技术。将含有污染物的土壤挖掘出来，堆积在不透水的衬层上，在堆放的土壤中设置许多通气管道，通入空气和氧气，或者抽真空以促进污染物的好氧降解，含有营养物的液体喷淋在土壤表面，以促进微生物的活性，渗滤液被收集并循环到堆积土壤中。如果处理的化合物或代谢产物具有挥发性，则需要收集处理气体生物堆层修复技术有许多成功的应用实例，效果较好三、原位—易位联合生物修复联合使用原位生物修复技术和易位生物修复技术，可充分发挥两种技术的优势，更高效的去除环境中的污染。目前研究较多的主要有以下两种方法：（一）冲洗—生物反应器法（washing-bioreactor）用水冲洗土壤中的污染物，将含有该污染物的废水经回收系统引入生物反应器，同时供给营养、氧气和降解菌以清除污染物(二)土壤通气-堆制法（bioventing-composting）采用生物通气法驱除土壤中易挥发的有机污染物，然后在进行堆制式处理，清除难挥发的有机物。a)Afterbioaugmentation,someofthepollutantremainsunavailableforbacterialmineralisationduetoitspositionwithinoradsorptiontosoilparticles.b)Electrokineticsinducesthemovementofapollutantasaresultoftheirchargeandorientationwithintheelectricfield,allowingbacterialdegradation.四、电化学强化生物修复技术第三节生物修复的应用1.农药污染的生物修复2.石油污染的生物修复3.富营养化水体的生物修复4.污染地下水的生物修复阿拉斯加石油污染的生物修复为了尽可能减少对该区野生动物和渔业资源的危害以及向其他海岸线迁移,迫切需要清除这些高浓度的原油。1989年3月24日,美国的ExxonValdez号油船触礁,41000t原油在阿拉斯加的WilliamSound王子岛泄漏。随水漂移后2100km的海岸线(占阿拉斯加湾总海岸线的15%)遭受污染。美国政府1989年曾调动人员11000名,派出1400艘船只和84架直升机来尽快解决这一问题但难度很大