環(huán)境修復(fù)技術(shù)-第二章原理

1、污染環(huán)境的生物修復(fù)原理1、什么是生物修復(fù)一、基本知識(shí) 生物修復(fù)技術(shù)主要是利用生物特有的分解有毒有害物質(zhì)的能力，去除污染環(huán)境如土壤中的污染物，達(dá)到清除環(huán)境污染的目的。 狹義的生物修復(fù)通常是指在自然或人工控制的條件下，利用特定的微生物降解、清除環(huán)境中污染物的技術(shù)。 廣義的生物修復(fù)通常是指利用各種生物（包括微生物，動(dòng)物和植物）的特性，吸收、降解、轉(zhuǎn)化環(huán)境中的污染物，使受污染的環(huán)境得到改善的治理技術(shù)。廣義的生物修復(fù)可以分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)和生態(tài)修復(fù)四大類(lèi)。 2、生物修復(fù)的類(lèi)型 按修復(fù)主體可分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)、生態(tài)修復(fù)。 按修復(fù)受體可分為土壤生物修復(fù)、地下水生物修復(fù)、河流生

2、物修復(fù)、湖泊水庫(kù)生物修復(fù)、海洋生物修復(fù)、大氣生物修復(fù)、礦區(qū)生物修復(fù)、垃圾場(chǎng)生物修復(fù)等。 按修復(fù)場(chǎng)所可分為原位生物修復(fù)、異位生物修復(fù)和原位-異位聯(lián)合生物修復(fù)?；局R(shí)3、生物修復(fù)的產(chǎn)生與發(fā)展 生物修復(fù)起源于有機(jī)污染物的治理，利用好氧或厭氧微生物處理污水已有l(wèi)00多年的歷史，但是利用生物修復(fù)技術(shù)處理現(xiàn)場(chǎng)有機(jī)污染物才有30年的歷史。1972年美國(guó)清除賓夕法尼亞州的Ambler管線(xiàn)泄漏的汽油是史料所記載的首次應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)。 20世紀(jì)80年代以后基礎(chǔ)研究的成果被應(yīng)用于大范圍的污染環(huán)境治理，并取得了相當(dāng)?shù)某晒?，從而發(fā)展成為一種新的生物治理技術(shù)。 1989年，美國(guó)阿拉斯加海域受到大面積石油污染，生物修復(fù)

3、技術(shù)首次大規(guī)模應(yīng)用，取得了很好的效果。阿拉斯加溢油生物修復(fù)成為生物修復(fù)史上的里程碑，至此，生物修復(fù)技術(shù)成為一種可被人們接受的油泄漏治理方法。 我國(guó)關(guān)于生物修復(fù)的研究起步較晚，目前尚處于小試與中試階段，還需進(jìn)一步發(fā)展。 4、生物修復(fù)的特點(diǎn) 與化學(xué)、物理處理方法相比，生物修復(fù)技術(shù)具有下列的優(yōu)點(diǎn)： 費(fèi)用少，僅為傳統(tǒng)化學(xué)、物理修復(fù)經(jīng)費(fèi)的3050； 操作簡(jiǎn)便，環(huán)境影響小； 最大限度地降低污染物的濃度； 可應(yīng)用于其它技術(shù)難以應(yīng)用的場(chǎng)地； 可以同時(shí)處理受污染的土壤和地下水，與其它技術(shù)結(jié)合彈性大。 同時(shí)有以下缺點(diǎn)： 耗時(shí)長(zhǎng)； 運(yùn)行條件苛刻； 對(duì)污染物有選擇性，低生物有效性、難降解性常使生物修復(fù)不能進(jìn)行。 基本

4、知識(shí)5、生物修復(fù)的原則 生物修復(fù)必須遵循的四項(xiàng)原則是使用適合的生物、在適合的場(chǎng)所、適合的環(huán)境條件和適合的技術(shù)費(fèi)用下進(jìn)行。 適合的生物是生物修復(fù)的先決條件，它是指具有正常生理和代謝能力，并能以較大的速率降解或轉(zhuǎn)化污染物，并在修復(fù)過(guò)程中不產(chǎn)生毒性產(chǎn)物的生物體系。 適合的場(chǎng)所是指要有污染物和合適的生物相接觸的地點(diǎn)，污染場(chǎng)地不含對(duì)降解菌種有抑制作用的物質(zhì)且目標(biāo)化合物能夠被降解。 適合的環(huán)境條件是指要控制或改變環(huán)境條件，使生物的代謝與生長(zhǎng)活動(dòng)處于最佳狀態(tài)。環(huán)境因子包括溫度、濕度、O2、pH值、無(wú)機(jī)養(yǎng)分、電子受體等。 適合的技術(shù)費(fèi)用是指生物修復(fù)技術(shù)費(fèi)用必須盡可能低，至少低于同樣可以消除該污染物的其他技術(shù)。

5、 二、環(huán)境微生物修復(fù)機(jī)理1、用于生物修復(fù)的微生物土著微生物 污染環(huán)境中的原有微生物，種類(lèi)多、代謝類(lèi)型多樣，“食譜”廣。據(jù)報(bào)道，能夠降解烴類(lèi)的微生物有70多個(gè)屬、200余種；其中細(xì)菌約有40個(gè)屬。外來(lái)微生物 人為富集和培養(yǎng)的高效菌，一般為復(fù)合菌群。基因工程菌 采用基因工程技術(shù)，將降解性質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌體內(nèi)定向地構(gòu)建高效降解難降解污染物的工程菌。用于生物修復(fù)的其他微生物 包括藻類(lèi)和微型動(dòng)物。微生物產(chǎn)品和酶環(huán)境微生物修復(fù)機(jī)理表2 難降解有機(jī)物和重金屬及其相應(yīng)的降解轉(zhuǎn)化微生物污染物的生物遷移轉(zhuǎn)化途徑污染物的擴(kuò)散遷移環(huán)境微生物修復(fù)機(jī)理污染物的吸附與沉積微生物對(duì)污染物的吸收污染

6、物的降解與累積污染物的富集污染物的生物轉(zhuǎn)化2、有機(jī)污染物進(jìn)入微生物體的過(guò)程主動(dòng)運(yùn)輸 需要消耗能量，可以逆物質(zhì)濃度梯度進(jìn)行，需要載體蛋白的參與，對(duì)被運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)有高度的立體專(zhuān)一性，為主要方式被動(dòng)擴(kuò)散 微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物各種方式中最簡(jiǎn)單的一種，不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分子通過(guò)細(xì)胞膜中的含水小孔，由高濃度的胞外向低濃度的胞內(nèi)擴(kuò)散，具有非特異性。促進(jìn)擴(kuò)散 在運(yùn)輸過(guò)程中不需要消耗能量，物質(zhì)本身在分子結(jié)構(gòu)上也不會(huì)發(fā)生變化，同樣不能進(jìn)行逆濃度運(yùn)輸需要借助于位于細(xì)胞膜上的一種載體蛋白參與物質(zhì)運(yùn)輸?；鶊F(tuán)轉(zhuǎn)位 另一類(lèi)類(lèi)型的主動(dòng)運(yùn)輸，在物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程中，除了物質(zhì)分子發(fā)生化學(xué)變化外，其他特點(diǎn)都與主動(dòng)運(yùn)輸相同。厭氧微生物中發(fā)生。

7、胞飲作用 假絲酵母攝取烷烴的一類(lèi)途徑。胞飲作用（pinocytosis）：也叫內(nèi)吞作用，是指物質(zhì)吸附在質(zhì)膜上，然后通過(guò)膜的內(nèi)折而轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)的攫取物質(zhì)及液體的過(guò)程。胞飲作用是植物細(xì)胞吸收水分、礦質(zhì)元素和其他物質(zhì)的方式之一。胞飲作用是非選擇性吸收，它在吸收水分的同時(shí)，把水分中的物質(zhì)一起吸收進(jìn)來(lái)，如各種鹽類(lèi)和大分子物質(zhì)甚至病毒。這為細(xì)胞如何吸收大分子物質(zhì)提供了一個(gè)可能的機(jī)理。 胞飲作用的過(guò)程：當(dāng)物質(zhì)吸附在質(zhì)膜時(shí)，質(zhì)膜內(nèi)陷，液體和物質(zhì)便進(jìn)入，然后質(zhì)膜內(nèi)折，逐漸包圍著液體和物質(zhì)，形成小囊泡，并向細(xì)胞內(nèi)部移動(dòng)。 囊泡把物質(zhì)轉(zhuǎn)移給細(xì)胞的方式有兩種： 1）囊泡在移動(dòng)過(guò)程中，其本身在細(xì)胞內(nèi)溶解消失，把物質(zhì)留在

8、細(xì)胞質(zhì)內(nèi) ；2）囊泡一直向內(nèi)移動(dòng)，到液泡膜后將物質(zhì)交給液泡 。3、污染物降解的基本反應(yīng)氧化作用 包括Fe、S等單質(zhì)的氧化，NH3、N02-等化合物的氧化，以及一些如甲基、醛有機(jī)物基團(tuán)的氧化。還原作用 包括高價(jià)鐵和硫酸鹽的還原、NO3-的還原等，還原作用需要缺氧或者厭氧(無(wú)氧)的環(huán)境?；鶊F(tuán)轉(zhuǎn)移作用 如脫羧、脫氨、脫鹵等。水解作用 使大分子轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿?，如纖維素降解。此外還有酯化作用、縮合作用、氨化作用、乙?；饔?、雙鍵斷裂反應(yīng)、鹵原子移動(dòng)、共代謝作用等。微生物對(duì)重金屬離子的吸附與吸收 微生物對(duì)重金屬吸附的機(jī)理主要有靜電吸附、共價(jià)吸附、絡(luò)合整合、離子交換和無(wú)機(jī)微沉淀等，重金屬有可能通過(guò)沉淀或晶體化

9、作用沉積于細(xì)胞表面，某些難溶性重金屬也可能被胞外分泌物或是細(xì)胞壁的腔洞捕獲而沉積。 微生物吸收主要是利用生物新陳代謝作用產(chǎn)生能量，通過(guò)單價(jià)或二價(jià)離子的轉(zhuǎn)移系統(tǒng)把重金屬離子輸送到細(xì)胞內(nèi)部。由于有細(xì)胞內(nèi)的累積，去除效果可能比單純的生物吸附好。但是，由于環(huán)境中要去除的重金屬離子大多有毒有害，抑制生物活性，甚至使其中毒死亡，并且生物的新陳代謝作用受溫度、pH值、能源等諸多因素的影響，因此微生物累積在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制。微生物對(duì)重金屬離子的轉(zhuǎn)化 外境中重金屬離子的長(zhǎng)期存在使自然界中形成一些特殊微生物，它們對(duì)有毒重金屬離子具有抗性，可以使金屬離子發(fā)生轉(zhuǎn)化。對(duì)微生物而言，這是一種很好的解毒作用；對(duì)環(huán)境

10、而言則是一種很好的修復(fù)作用，汞、鉛、錫、砷等金屬或類(lèi)金屬離子都能在微生物的作用下通過(guò)氧化還原作用而失去毒性。主要包括甲基化作用、氧化作用和還原作用。4、微生物修復(fù)的影響因素營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 在營(yíng)養(yǎng)缺乏的環(huán)境中，為了使污染物達(dá)到完全降解，添加適當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物比接種特殊微生物更加重要，例如N、P營(yíng)養(yǎng)鹽電子受體 土壤中污染物氧化分解的最終電子受體的種類(lèi)和濃度也極大地影響著污染物生物降解的速度和程度。微生物氧化還原反應(yīng)的最終電子受體主要包括溶解氧、有機(jī)物分解的中間產(chǎn)物和無(wú)機(jī)酸根(如硝酸根和硫酸根)。共代謝基質(zhì) 微生物的共代謝對(duì)一些頑固污染物的降解起著重要作用，因此共代謝基質(zhì)對(duì)生物修復(fù)有重要影響有毒有害污染物的物理化

11、學(xué)性質(zhì) 如有機(jī)污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、毒性、生物可利用性污染現(xiàn)場(chǎng)和土壤的特性 5、微生物修復(fù)技術(shù)與方法 微生物修復(fù)技術(shù)是在人為強(qiáng)化的條件下，用自然環(huán)境中的土著微生物或人為投加外源微生物的代謝活動(dòng)，對(duì)環(huán)境中的污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化、降解與去除的方法。 環(huán)境微生物修復(fù)技術(shù)主要由三方面的內(nèi)容組成： 利用土著微生物代謝能力的技術(shù)； 活化土著微生物分解能力的方法； 添加具有高速分解難降解化合物能力的特定微生物(群)的方法。圖8 微 生物修復(fù)工藝實(shí)施程序圖微生物修復(fù)技術(shù)與方法作業(yè)一：1、什么是環(huán)境、什么是環(huán)境?如何分類(lèi)？如何分類(lèi)？3、什么是物理修復(fù)？特點(diǎn)是什么，有哪幾種類(lèi)型？、什么是物理修復(fù)？特點(diǎn)是什么，有哪幾種類(lèi)型？4、什么是化學(xué)修復(fù)？特點(diǎn)是什么，有哪幾種類(lèi)型？、什么是化學(xué)修復(fù)？特點(diǎn)是什么，有哪幾種類(lèi)型？2、環(huán)境修復(fù)按照修復(fù)對(duì)象和修復(fù)方法分有哪幾種類(lèi)型？、環(huán)境修復(fù)按照修復(fù)對(duì)象和修復(fù)方法分有哪幾種類(lèi)型？作業(yè)二：1、什么是環(huán)境修復(fù)，狹義、廣義如何理解？、什