1、第六章 污染环境的生物修复,生物修复的概念及其原理生物修复工程技术,第一节 概述一、生物修复的概念 生物修复(bioremediation)是指利用生物的将环境(包括土壤、地表及地下水或海洋)中有毒有害污染物降解或转化为无害物质，从而使污染生态环境修复为正常生态环境的工程技术系统。,主要利用生物；通过工程措施为生物的生长和繁殖提供必要的条件，从而加速污染物的降解和去除。生物修复有时又称为生物恢复。,严格意义的生物修复：污染物在不受人为干扰的条件下被降解。自然环境中到处都存在着天然微生物降解和转化有毒和有害污染物的过程，只是由于环境条件的限制，这些净化过程速度缓慢.,生物修复的基本指导思想,就本
2、质而言，生物修复和生物处理是一致的，但目前生物修复主要是指已被污染的土壤、地表水、地下水和海洋中有毒有害污染物的原位生物处理，以恢复这些地方的生态环境；而相对而言，生物处理的含义则较为广泛。随着研究的不断深入，生物修复技术已由微生物修复扩展到植物修复，并已得到实际应用。,生物修复技术的特点优点：投资费用省，对环境影响小，能有效降低污染物浓度，适用于在其他技术难以应用的场地，而且能同时处理受污染的土壤和地下水。局限性：需对具体地点的状况和污染物进行详细而昂贵的考察，微生物活性受温度和其他环境条件的影响，某些情况下，生物修复不能去除全部的污染物。与生物处理的区别：两者原理一致，但生物修复侧重于受污
3、区域的原位生物处理。,原位生物修复技术： 不需要移动污染物而进行的生物修复称为原位生物修复技术。易位生物修复： 异位生物修复是将受污染的土壤、水输送至其他场所在异地用生物的工程的手段进行处理。,二、生物修复种主要生物种类及其修复原理,（一）环境污染的微生物修复通过微生物的降解和转化，将有机污染物转化为无害的小分子化合物和二氧化碳与水1、微生物类型土著微生物：环境中固有的微生物外来微生物：需大量接种的高效菌基因工程菌（GEM）,（1）土著微生物在自然环境中存在着各种各样的微生物，在遭受有毒有害物质污染存在对微生物的驯化过程。,(2)外来微生物土著微生物生长速度缓慢，代谢活性低，或者由于污染物的影
4、响会造成土著微生物的数量急剧下降.采用外来微生物接种时，都会受到土著微生物的竞争，投加量必须足够多，成为优势菌种，能迅速降解污染物。,必须考虑引进外来微生物对当地土著微生物的影响,原因：多种污染物;单一微生物的降解能力是不够的;污染物的降解通常是分步进行的，需要多种酶系和多种微生物的协同作用，一种微生物的代谢产物可以成为另一种微生物的底物。,努力扩展生物修复的应用范围：积极寻找具有广谱降解特性、活性较高的天然微生物；研究在极端环境下生长的微生物，将其用于生物修复过程。这些微生物包括耐极端温度、耐强酸或强碱、耐有机溶剂等。这类微生物若用于生物修复工程，使生物修复技术提高到一个新的水平。,目前用于
5、生物修复的高效降解菌大多是复合菌群，其中不少已被制成商业化产品。如光合细菌（PSB），在厌氧光照下进行不产氧光合作用。目前广泛使用的PSB菌剂多为红螺菌科光合细菌的复合菌群，它们在厌氧光照及好氧黑暗条件下都能以小分子有机物为基质，进行代谢和生长，因此对有机物具有很强的降解转化能力，同时对硫、氮素也起了很大的作用。,如美国CBS公司开发的复合菌剂，含光合细菌、酵母菌、乳酸菌、放线菌、硝化菌等。日本Anew公司的EM生物制剂由10属80余中微生物复合培养而成。成功应用于污染河道的生物修复。,（2）基因工程菌用遗传工程的手段将降解多种污染物的降解基因转入到一种微生物细胞中，使其具有广谱降解能力；或者
6、增加细胞内降解基因的拷贝数来增加降解酶的数量以提高其降解污染物的能力。,“超级细菌”:Chakarabarty将假单胞菌中的不同菌株CAM（樟脑）、OCT(正辛烷）、SAL（水杨酸）、NAH（萘）四种降解性质粒结合转移至一个菌之中，构建出超级细菌。能同时降解芳香烃、多环芳烃、萜烃和脂肪烃能将海上俘油在数小时内消除，而使用天然茵要花费一年以上的时间。该菌己取得美国专利，在污染降解工程菌的构建历史上，是第一块里程碑。,工程菌株Q5TRJKlenc等人从自然环境中分离到一株能在5一10水温中生长的嗜冷菌恶臭假单胞菌Pseudomonas putida Q5，将嗜温菌Pseudomonas putid
7、a pawl所含的降解质粒ToL转入该菌株中，形成新的，该菌在温度低至0仍可利用浓度为1000mg/L的甲苯为异养碳源正常生长，在实际应用中价值很高。,(二）微生物修复的影响因素营养盐：需添加氮、磷营养元素电子受体：氧、硝酸根、硫酸根、铁离子。共代谢基质污染现场和土壤特性：环境因素,1、微生物的营养 在土壤和地下水中，N、P等都是限制微生物活性的重要因素。例如添加酵母膏或酵母废液可以明显地促进土壤中石油污染物的降解。如果在石油污染土壤中加入硝酸盐和磷酸盐，可以有效地促进石油的降解。如果将营养盐(主要是N、P)比例调整合适，在很大程度上可以改善石油的生物降解。,2、电子受体微生物氧化还原反应的最
8、终电子受体主要可以分为以下三类：溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根。,在土壤中，溶解氧的浓度分布具有明显的层次，氧的传递成为生物修复的一个控制因素。,在厌氧环境中，硝酸根、硫酸根和铁离子等都可以作为有机物降解的电子受体。厌氧过程降解速率较慢，而且难以控制，厌氧工艺使用较少。但是许多在好氧条件下难以生物降解的化合物、如苯、甲苯、二甲苯、氯代芳香烃类，都可以在还原条件下被降解成水和二氧化碳。对于氯代酚类，厌氧处理比好氧处理更为有效。,3、共代谢机制（p176）对于污染物的降解，微生物主要采用两种机制，一种方式为微生物降解污染物作为能源和营养源；另一种就是采用共代谢方式。 一些难降解的有机物不能
9、直接作为碳源或能源物质被微生物利用，当环境中存在其他可利用的碳源或能源时，难降解化合物才能被利用，这样的过程成为共代谢作用。,例如，一株假单胞菌不能单独利用三氯乙酸作碳源生长，但在一氯乙酸存在时可以使三氯乙酸脱氯。甲醇为碳源时，一株洋葱假单胞菌能对三氯乙烯共代谢降解；某些分解代谢酚或甲苯的菌也具有共代谢氯代乙烯的能力。许多研究表明，微生物的共代谢对污染物的降解有着十分重要的作用。,共代谢作用几种情况：（1）靠降解其他有机物提供能源，如直肠梭菌需有蛋白胨类物质存在时才降解丙体666；（2）靠其他微生物协同作用，如农药二嗪农的嘧啶环，需链霉菌和节杆菌共同协助才能降解，两菌各自单独存在则不起作用；（
10、3）先经别的物质诱导，如铜绿假单胞菌降解烷烃要经正庚烷诱导才产生羟化酶系，使链烷羟基化为相应的醇。,4、污染物的物理化学性质主要是指与淋失、吸附、挥发、生物降解和化学反应有关的物理化学性质。 污染物化学组成和分子结构，对污染物的生物降解性能具有决定性的作用，与生命物质结构越是相似的物质，越容易被微生物降解。,有机化合物分子中如果含有生命物质中很少含有的特殊基团或根本就不含有的特殊基团，都将降低其生物降解性，这些基团包括卤素、氯基、氰基等。这些基团的数量和在主体化合物的位置,脂肪族化合物大于芳香族化合物不饱和脂肪族化合物一般易被生物降解，分子量大的聚合物和复合物一般难以生物降解。分子的排列、官能
11、团的性质与数量等，如伯醇、仲醇易被生物降解，而叔醇却难以降解。化合物上有羟基或胺基取代后，其生物降解性会有所改善。,有机物的水溶性：一般而言，溶解度较小的有机物的生物降解性也较差这是由于其在水中的扩散程度较差，且很容易被吸附或捕集到惰性物质的表面上，难以与微生物进行接触反应，从而影响其生物降解性能。有机质的浓度也合影响其生物降解性。,5、污染现场和土壤的特性土壤孔隙的大小、孔隙是否连续和气水比例都影响污染物的迁移和溶解氧的浓度。土壤的特性影响微生物的降解活性。土壤中的有机固体能吸附有机物，阻碍了污染物在土壤中的迁移，从而妨碍污染环境生物修复。其他如污染现场的地理、地质、气象和水文特性等，也影响
12、污染场地的生物修复。,三、生物修复的发展过程石油降解的实验室研究，到20世纪80年代以后，应用于大范围的环境污染治理，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。近年来，研究开发出以微生物为主，联合植物，并配合物理、化学措施的综合修复技术。例如根际菌根生物修复技术作为一项新的生物修复技术已经成功应用于石油、多环芳烃、农药等有机污染的治理中。,生物修复技术领域广受重视的几个研究方向：研究微生物群体结构及其对环境变化的反应动力学；分析污染物的有氧和厌氧降解生化机理；通过遗传学手段改造菌株以提高其降解能力；对新的生物修复技术进行微观及中试研究，考察其实施费用及应用的可行性。,优点：污染物可
13、在原地被降解清除；修复时间较短；操作简便，对周围环境干扰少；费用低，为传统物理化学方法的30%-50%；不产生二次污染，遗留问题少。,二、环境污染的植物修复植物修复的特点 可同时去除有机污染物和重金属、放射性核素，适用于大面积、低污染的位点。,植物在土壤修复中的应用1、环境中金属污染的去除已有方案：场外修复，先将土壤挖掘、转移，再去除金属离子；微生物修复：生物量小，从而吸收量小，同时生物体过小难以进行后处理；植物修复特点：生物量大，从而吸收量大，同时易于进行后处理。,植物修复金属污染的方式1）植物固定,指利用植物和其他一些添加物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。
14、该法只是暂时将金属固定，并没有彻底去除环境中的金属。2）植物挥发指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。该法只适用于挥发性污染物。,3）植物吸收指利用能耐受并可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。需要选择能耐受并可过量积累金属的植物种类。,2、环境中有机物的降解与去除去除机理植物对有机污染物的直接吸收作用植物释放分泌物和酶强化根区的矿化作用,3、环境中放射性核素的去除已有的方法：将土壤从污染地点搬移，然后用分散剂或鳌合剂进行处理。植物可从污染的土壤中吸收并累积大量的放射性核素，因此植物去除是一个值得研究的方法。植物对放射性核素的吸收
15、与植物种类及土壤的性质有关。土壤的粒子交换能力越强，植物吸收放射性核素的能力越大。,植物在富营养化水体的水质净化中的应用1、富营养化水体水华和赤潮防治水体富营养化的对策：控制外源性营养物质的输入；减少内源性营养物质的负荷。防治水体富营养化的措施：工程性措施：挖走底泥、水底深层曝气等；化学法：凝聚沉降、化学药剂杀藻等；,生物法：即生物修复，利用水生生物吸收氮、磷进行代谢活动从而除去水体中的营养物质。2、高等水生植物净化水体的特点以大型植物为主体，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氮、磷和悬浮颗粒，同时对重金属元素也有去除效果。,第二节 微生物
16、修复的类型一、原位生物修复二、易位（异位）修复三、原位-易位联合生物修复,一、原位生物修复1投菌法（生物扩增菌株）接入外源菌种，并提供营养物质菌种：可以从长期污染的水体或废水生物装置中筛选、分离、富集培养驯化筛选得到, 也可以通过诱变、原生质体融合、基因工程等技术来构建的微生物、基因工程菌等。,CBS公司的生物制剂，2000年的3月开始，被用来修复重庆的桃花溪水体，取得了较好的试验效果。结果显示：BOD5的去除率为83 -86 ；COD的去除率为74- 80 ；石油类去除率为43 -73-；氮的去除率为53- 68 ；磷的去除率为74-80,2、投加微生物生长促进剂（培养法）营养物质如氮磷、硫
17、酸盐、硝酸盐等电子受体.表面活性剂：使污染物分散、乳化和增溶，促进污染物质与微生物的充分接触，提高复氧速率；碳源和能源，促进微生物共代谢机制；酶类制剂（如水解酶），强化污染物降解速率。,开发一种亲油肥料，不但含有氮磷营养，而且还有许多易降解的碳源，即使在寒冷的气候条件下，使用该肥料后，烃降解菌的数量也大大增加。举例89年阿拉斯加石油泄漏事故加入亲油营养盐,3、增加溶解氧,水体曝气复氧：消除水体黑臭现象。伦敦泰晤士河、上海的苏州河采用复氧船进行充氧。深水曝气主要在北美、日本、欧洲等地使用，向湖底曝气，使水与底泥界面之间经常保持有氧状态，有利于抑制底泥磷的释放。改善冷水鱼类的生长环境和增加食物供给
18、，改善底泥界面厌氧环境为好氧条件，降低内源性磷的负荷，使水质透明度增加。,曝气的方法：充氧船是一种移动式的水上充氧平台，2O世纪8O年代以来逐渐得到较多的应用引，我国苏州2005年就开始应用“沪苏曝氧I号”作为工程性试验和辅助消除黑臭的手段对付突发冲击污染，效果比较明显。水下设置管道 ，鼓风曝气,土壤中（生物通气法）：指在土壤含水层之上即不饱和层，通入空气打井通入空气或抽真空。另外还有一种生物通气法，即将空气通入污染土壤的地下水位以下，即在饱和层通入空气。通入空气可以将饱和层中的挥发性有机物转移到不饱和层，从而被微生物降解。另外一部分有机物可以在饱和层中，在通入氧气的情况下被降解。,生物翻耕法
19、对土壤进行翻耕，提高土壤通透性，创造被氧化的条件。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。,4、生物膜技术 生物膜法具有较高的处理效率：它的有机负荷较高, 接触停留时间短。近年来采用生物膜修复污染水体的工作取得了一定进展。如利用生物陶粒处理深圳水库水的现场试验表明, 在流速为4 m/h, 气水比为11 的条件下, NO2- N、NO3- -N、COD、浊度、色度、 和藻类的平均去除率分别为90.8% 、84% 、21.4%、62%、47%、89%和68%.,适用于城市中小河道及湖泊（缓流或静止的水）的原位修复。对航运、泄洪防洪的影响。修复剂流失的问题。,5、固定化微生物技术,
20、游离微生物修复技术的不足逐渐显现。如:单位体积内有效降解菌浓度低、反应器启动慢、菌体易流失、与土著菌竞争处于弱势、抗毒性侵害能力差、对激烈的水力条件变化敏感.固定化技术是指利用化学的或物理的方法,将游离的细胞(微生物) 或酶,定位于限定的空间区域内,并使其保持活性, 且能反复使用的基本技术 。,微生物固定化修复技术immobilized microbe remediation , IMR) 的主要特点是对完整的微生物细胞进行固定, 在稀释率高于微生物生长率的情况下,能够有效地解决污染环境修复问题;固定化后的微生物能长期保持活性,固定化颗粒可重复使用,节省投资;固定化细胞颗粒的微环境有利于屏蔽土
21、著菌、噬菌体和毒性物质对微生物体的恶性竞争、吞噬和毒害,二、异位生物修复,将被污染水或土壤输送至其他场所进行集中强化生物修复。构建污染物处理设施上海铁道大学在治理真如港、俞泾港等污染水体时，将黑臭河水用泵输入到河边的类似于接触氧化池的生物反应器中，其内接种高效降解菌群。效果好，成本高。适用于治理小范围的水体,污染土壤的异位生物修复1、泥浆反应器法2、预制床法3、堆制法4、生物堆层修复技术,1、泥浆反应器法将污染的土壤与液体混合起来形成泥浆，引入反应器进行处理。2、预制床法包括供水及营养物喷淋系统、土壤底部防渗衬层、渗滤液收集系统及供气系统等。3、堆制法将污染物与容易分解的有机物混合堆放，并加入
22、氮磷及其他无机营养物质，辅助简单的搅拌、通气等装置，使污染物发生稳定作用。,4、生物堆层修复技术下铺设不透水的衬层，堆放的土壤中设置通气管道，通入空气或氧气，喷洒营养液体，渗滤液收集并循环用于堆积土壤中。,三、原位-异位联合生物修复,将小部分污染介质（浓度高）引出，转移到净化设施中处理，但保证原位修复的基本特征。,土壤的原位异位生物修复1.冲洗生物反应器用水冲洗土壤中的污染物，将废水回收引入反应器，供给营养物氧气和降解菌，清除污染物。2、土壤通气堆制法采用生物通气法驱除污染土壤中易挥发的有机物，然后再进行堆制式处理，清除难挥发的有机物,第三节 生物修复的应用一、农药污染土壤的生物修复原位修复采
23、用添加降解菌降解2,4-D、甲胺磷、对硫磷等。易位修复较多采用堆制法，添加调节剂，好氧微生物活动耗氧、堆料覆盖造成厌氧环境，还原脱氯，继而注入压缩空气，进行好氧降解。这一过程反复进行，使DDT、DDF、DDE、2,4-D、2,4,5-T、毒杀酚、氯丹等去除率高达99%以上。,石油污染土壤的生物修复：投加降解菌补加N、P营养,二、地表水生物修复技术,微生物修复针对流动的河道水体，可采用直接曝气、生物膜法等；对于浅水湖泊，可添加营养盐、采用曝气机搅拌混合；投加菌种大型水生植物对水体的净化,富营养化水体的生物修复大面积富营养化水体中氮的去除通常采用原位修复技术。利用生物强化手段, 向水中投加高效的具
24、有硝化和反硝化作用的功能菌或是投加具有综合修复功的复合菌, 如EM菌群。EM中含有光合细菌、乳酸菌、酵母菌、芽孢杆菌、醋酸菌、双歧杆菌、放线菌7 大类微生物内的10 属80 种, 各司其职, 去除氮、磷，丰富水中微生物种群的多样性, 改善水体的微生态平衡。,三、污染地下水的生物修复利用注射井投加营养物、空气、微生物等。使用注射井和生产井系统使氧和营养物质在污染水体中循环,井的布置由该地区的污染情况和孔隙性质决定,但通常距离不会超过30 m ,补充的营养物质包括氮、磷和其它无机盐。 P278图10-4,四、海水石油污染的生物修复1989年美国Alaska的Prince William海湾石油污染
25、利用亲脂性的肥料。N源是含尿素的油酸载体，P源是月桂酸磷脂。,美国AlkerrMurry公司研究的ClearFlo系列菌剂修复技术，专门用于湖泊和池塘生物清淤、养殖水体净化、河流修复及污泥去除，效果很好，可阻止藻类生长、“水华”出现，污染因子大幅下降，满足治理效果的要求,一、植物修复技术植物修复过程包括植物对污染物质的吸收及植物根际微生物对污染物的降解。植物降解高分子有毒化合物的基础是根际环境及根际微生物，与无植物土壤不同，对根际区微生物降解和转化有机化合物的研究除了涉及到石油产品、高分子化合物等的降解外，更多的集中于植物对杀虫剂和除草剂的降解。,第四节 生态修复技术,水生植物修复是生物方法和
26、生态方法中的通用技术 。水生植物按生态类型，可分为沉水植物、飘浮植物、浮叶植物、挺水植物。国际上公认的淡水水生修复植物有宽叶香蒲、芦苇、苦草、凤眼莲、软水草和狐尾草等，对水中的营养物质和污染物均具有很好的吸收作用。,重庆市渝北区双龙湖水体因长期受纳城市污水，水质恶化。重庆大学城市建设与环境工程学院进行了水面种植高等植物净化双龙湖富营养化水体的动态和静态试验研究。结果表明： 3种植物对富营养化水体均有较好的修复作用，其中风车草对修复营养化水体的作用应予重视。,在“十二五”期间，四大措施治理滇池：一是在滇池湖滨种植万亩中山杉；二在滇池控制性圈养水葫芦10平方公里，机械化采收、脱水，发酵后制成有机肥
27、，实现治污及资源化利用。三是增加3台（套）蓝藻处置设施。机械除藻是减轻滇池蓝藻危害、降低生物污染最直接、最有效和最安全的重要手段。在改善水体景观的同时，达到清除内源污染的目的。四是底泥疏挖。昆明滇池水污染防治“十二五”规划89个项目，估算总投资400亿元。,生态浮床技术,生态浮床技术是按照自然规律，运用无土栽培技术，以高分子材料为载体和基质，采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术 。,该技术具有如下几个特点： 可将原来只能在陆地上种植的草本陆生植物种植到自然水域水面；生态浮床通常采用废弃塑料泡沫板作为浮体的载体；生态浮床不受光照等条件限制，可避免沉水植物人工种植后，由于受光照
28、等生境条件的影响而无法正常生长的现象发生 ；净化水质、经济效益、美化景观的作用。,生态浮床技术在我国许多河流、湖泊，如北京永定河引水渠罗道庄河道、杭州南应加河河道、上海华漕杨树湾河道、无锡五里湖工程、上海七宝宝华小区河道、上海青浦区府前河道等都已经得到验证.北京市最大面积的生物浮岛建在永定河引水渠罗道庄段。经过一段时间的治理，这些水域的水华现象已得到明显控制。,二、生物操纵技术,通过调整生物群落结构的方法控制水质。用于水体富营养化的防治，控制藻类过量繁殖。水生食物链模式：肉食性鱼类食浮游生物的鱼类浮游动物藻类 营养物质。,二、生物操纵技术,水体生态系统的结构与功能是该食物链的上行效应和下行效应
29、共同作用的结果。经典操纵：放养凶猛鱼类，降低食浮游动物的鱼类。非经典操纵：放养浮游植物食性的鱼类（鲢鱼、鳙鱼） 东湖的实验：控制凶猛鱼类，放养滤食性鱼类，消除蓝藻水华。,三、人工湿地,邓辅唐等在江川县渔村大街河建立人工湿地，河流全长13.5 km，流域面积32 km2，平均流量1.02 万m3/d，该工程建成后，经过对水生植物的栽培及养护，湿地工程运行了1 a，水处理效果较为明显，经有关部门监测，结果显示，其对主要污染物的去除取得了良好的效果。赵建等采用人工湿地系统净化镇江市内污染较为严重的古运河河水，结果表明，处理前河水中悬浮态污染物质含量较高，为劣V 类水体；当水力负荷为750 mm/d时，人工湿地系统对COD 去除率约为50%60%，TN 去除率约为40%50%，TP 去除率约为30%40%，能够将劣V 类水处理为类水甚至类水，表明其对污染河水的处理比较有效。,
