1、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 生态工程与污水处理系统 国家环境保护总局 新化学物质申报表 毒理学 项目 1. 急性毒性 2. 短期重复毒性 3. 亚慢性毒性 4. 慢性毒性 5. 生殖 /发育毒性 6. 神经毒性 7. 致突变性 8. 致畸性 9. 致癌性 10.毒代动力学 11.其他 生态毒理项目 1. 藻类生长抑制毒性 2. 溞类急性毒性 3. 鱼类急性毒性 4. 鸟类毒性 5. 高等植物种子发芽和生长毒性 6. 蚯蚓急性毒性 7. 活性污泥呼吸抑制毒性 8. 吸附 /解吸性 9. 降解性 10. 生物蓄积性 11.其他 第一节 生物修复的概念及其原理 一
2、生物修复的基本原理和特点 生物修复 （ Bioremediation）指利用生物将土壤、地表及地下水或海洋中的危险性污染物现场去除或降解的工程技术系统。 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 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
3、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区域的原位生物处理。 二 . 生物修复种主要生物种类及修复原理 1.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 微生物修复的生物类型 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） 微生物对物质降解与转化的特点 : 微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大； 种类繁多，分布广泛，代谢类型多样； 微生物具有多种降解酶； 微生物繁殖快，易变异，适应性强； 微生物具有巨大的降解能力； 质粒（ Plasmid）：染色体外遗传物质，是
4、在原核微生物中除染色体外，还存在的一种较小的携带少量遗传基因的环状 DNA分子。 质粒可用来培育优良菌种，或用作基因工程中基因转移的载体。 例如：多功能超级细菌的构建 A B B A C A B C 图 3 1 多质粒超级菌的构建示意简图 质粒 细胞的染色体 注： 共代谢（ Co Metabolism） 微生物在利用生长基质 A时（从中获得能量、碳源或其他任何营养），同时非生长基质 B（不能从中获得能量或营养）也伴随着发生氧化或其它反应。 在纯培养下，共代谢只是一种截止式转化，但在混合培养和自然环境条件下，转化可为其它微生物进行的共代谢或其他生物对某种物质的降解铺平道路，使其代谢产物可继续降解
5、，故污染物在有合适的底物和环境条件下可通过共代谢作用而降解。 A B C D E1 E2 E2 E1 微生物对污染物降解与转化的途径 自然界中化学物质的降解的 3种方式：这三种方式往往综合交叉进行。 光降解 化学降解 生物降解（ Biodegradation）：指由于生物的作用，把污染物大分子转会为小分子，实现污染物的分解或降解。其中微生物所起的降解作用最大，故也称为微生物降解。 微生物代谢活动中的化学作用（实质是酶反应） 氧化作用 还原作用 脱羧作用 水解作用 脱氨基作用等 影响微生物对物质降解转化作用的因素（ 1） 微生物的代谢活性 不同种类微生物对同一底物的反应不同； 微生物在不同的生长
6、时期的活性是不相同的，在对数期代谢最旺盛，活性最强。 微生物的种类组成决定化合物降解的方向和速度，同时微生物的种类组成又与环境中的化学物质有关。 微生物的适应性 驯化（ Domestication） ：是一种定向选育微生物的方法与过程，通过人工措施使微生物逐步适应某特定条件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性的菌株。 影响微生物对物质降解转化作用的因素（ 2） 化合物的结构 烃类：链烃的易降解性大于环烃，直链烃大于支链烃，不饱和烃大于饱和烃，支链烷基越多，越不易被降解 当主链上的 C被 S、 N、 O取代时，对生物氧化的阻抗上升 当 C原子上的 H被烷基或芳基取代时，会生成生物氧化的阻抗物。 官
7、能团的性质和数量 分子量大小 环境因素 温度 酸碱度 营养 氧 底物浓度 微生物分解有机物的作用 微生物分解有机物的作用可总括成如下图式： 复杂有机物 简单有机物 需氧微生物 胞内酶 厌氧微生物 胞内酶 微生物 胞外酶 CO2、 H2O CO2、 H2O、 H2、CH4、 H2S及有机酸、醇、酮、醛等未完全氧化产物 图 3 2 微生物分解有机物的作用示意图 微生物对常见污染物的降解与转化 生物大分子的降解 糖类：以纤维素和淀粉的分解为例，见图 5 4， 5 5 脂肪 蛋白质 脂肪 H2O 脂肪酶 甘油高级脂肪酸 蛋白质 肽 氨基酸 蛋白酶 肽酶 丁酸、 CO2、 H2等 CO2、 H2、有机酸
8、等 淀粉 葡萄糖 需氧微生物 胞内酶 厌氧微生物 胞内酶 微生物 淀粉酶 CO2、 H2O 图 3 5淀粉分解途径示意图 纤维素 葡萄糖 需氧微生物 胞内酶 厌氧微生物 胞内酶 H2O 纤维素酶 CO2、 H2O 图 3 4 纤维素分解途径示意图 纤维二糖 H2O 纤维素酶 烃类 石油类 人工合成有机物 农药 合成洗涤剂 增塑剂 多氯联苯 危险性化合物 危险性化合物（ Hazardous Chemicals）的概念 微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制，从而促使地球有机碳平衡，而在自然界具有新颖结构的合成化合物（异型生物质，又称非生物性物质，xenobiotics）往往对微生物的降解
9、表现出抗逆性，其原因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，微生物界还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。这些化合物大多数对环境具有毒害作用，故称之 危险性化合物 。 危险性化合物来源 人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、增塑剂等 危险性化合物的降解特点和研究 尽管其在自然界可能会有部分缓慢降解，微生物有可能通过多种途径来改变自身的结构信息以获得对这类化合物的降解能力，但这需要一个漫长的过程来实现，依靠微生物的自然进化过程远不能满足要求，而且长此以往将会造成生态系统的失衡。因此，研究一些可以使微生物群体在较短时间内获得最大的降解该物质能力的方法显得愈加重要和迫切。 危险性化合物的
10、降解特点和研究 近年来科学工作者做了大量工作，包括：通过长时间的驯化来得到具有一定降解能力的微生物群体；通过基因工程手段来改造微生物使其具有特定的降解能力； 此外在对危险性化合物的降解研究中发现，混合培养比纯培养具有潜在的优势，彻底矿化往往需要一个或一个以上的营养菌群（如发酵水解菌群、产硫菌群、产乙酸菌群、产甲烷菌群等）通过多步反应将有毒化合物转化为矿化最终产物。 研究人员依据不同的代谢作用至少可以将微生物群落中的微生物分为 7种类型：提供特殊营养物；去除生长抑制产物；改善单个微生物的基本生长参数；对底物协调攻击；共代谢；氢（电子）转移；提供一种以上初级底物利用者。 有机污染物的生物可降解性及
11、其评价方法 什么是生物可降解性？ 所有化合物根据微生物对它们的降解性可分成可生物降解、难生物降解和不可生物降解。 评价生物可降解性的方法： 测定生物氧化率 测呼吸线 测定相对耗氧速度曲线 测 BOD5与 COD Cr之比 测 COD30 培养法 时间（ h） 耗氧量（mg/g）内呼吸线 生化呼吸线 生化呼吸线 时间（ h） 耗氧量（mg/g）内呼吸线 图 3 6 生化呼吸线与内呼吸线比较 时间（ h） 耗氧量（mg/g）内呼吸线 生化呼吸线 t a b c 底物浓度 D、有毒，不能被利用 C、有毒，能被利用 A、无毒，不能被利用 B、无毒，能被利用 相对耗氧速度（以内呼吸的表示）100 图 3
12、 7 相对耗氧速率曲线 基因工程在环境生物处理中的应用 应用基因工程菌处理污染物的主要优势： 集中与创造与目的基因，提供综合性代谢新污染的通路和杂种细胞。 提高代谢通路结构基因的表达，针对新的污染物，改变表达的调节方式。 控制降解途径的限制性步骤，提高分解代谢酶的合成或其他生化反应过程效率 防止有毒中污染物的产生，防止非需要产品的出现，用确定的基因实现最初的目的。 主要应用： 降解卤代芳烃的基因工程菌 分解尼龙寡聚物的基因工程菌 分解多糖的基因工程菌 抗金属基因工程菌 除草剂降解基因工程菌 杀虫剂降解基因工程菌 转基因植物 ? 小结 :微生物修复的影响因素 营养盐： 需添加氮、磷营养元素 电子
13、受体： 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 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 微生物菌株 (基因工程菌 ) 案例 : 废水生物处理 作用机理 : 废水生物处理实际是水体的自净原理在水污染治理中的应用，即模拟天然水体自净作用的生物过程。在特定构筑物中人工创造适宜条件，充分发挥微生物的作用以高速度、高效率净化污水，通过微生物代谢产生的酶来降解转化有机物，将有机物最终转化为无害的二氧化碳和水，从而使废水得到净化。
