第五章 污染土壤的生物修复

第五章污染土壤的生物（微生物）修复生物修复是通过利用营养和其他化学品来激活微生物，使它们能够快速分解和破坏污染物。作用的原理是通过土著微生物或外源微生物提供最佳的营养条件及必需的化学物质，保持其代谢活动的良好状态。生物修复技术的分类异位生物修复(Ex-situbioremediation)原位生物修复(Insitubioremediation)异位生物修复异位生物修复是指将被污染介质(土壤、水体)搬动或输送到它处进行的生物修复处理，但这里的搬动和输送是低限底的、而且更强调人为控制和创造更加优化的降解环境此方法有更多的人为调控和优化处理堆肥法(Composting)包括：风道式堆肥处理(Windrowcomposting)：堆肥料置于称为风道的平行排列的长通道上，靠机械翻动来控制温度．好气静态堆肥处理(Aeratedstaticpilescomposting)：堆肥料被置于有鼓风机和管道的好气系统上，通过管道供氧和控制湿度。机械堆肥处理(Mechanicalcomposting)：堆肥在密封的容器中进行，过程易于得到控制，间歇或连续运行。例如：将污染土壤与水(达到至少35％含水量)、营养物、泥炭、稻草和动物粪便混合后，使用机械或压气系统充氧，同时加石灰以调节pH。经过一段时间的发酵处理，大部分污染物被降解，标志着堆肥完成．经处理消除污染的土壤可返回原地或用于农业生产。TanksatHanfordBiopilewithvacuumManifold就地耕作法(InSituLandfarming)该方法是指在被污染的土壤范围内,通过有规律地把污染土壤和肥料、木屑、锯末、牛粪、剁碎的稻草或向日葵壳等进行机械的混合,从而使土壤中的污染物有效降解。由于该方法是在被污染地进行的就地处理,而无需将污染土壤挖出,这样大大降低了处理费用,即使在城区人口、建筑密集区也可使用该方法,并且可同时处理包气带和地下水的污染。所以就地耕作法是处理污染物的应用较广的一种生物恢复技术。LandfarmstyleSoilBiotreatment原位生物修复的基本条件碳源及能源能高效降解污染物的微生物种群提供微生物代谢所需的无机营养物环境介质中合适可利用的水量适宜的温度适宜的pH值细菌真菌藻类微生物真细菌蓝细菌古菌酵母霉菌大型真菌菌根生物修复可能利用到的微生物微生物对污染物的简单代谢的生理过程向基质接近对固体基质的吸附分泌胞外酶污染物质的吸收胞内代谢污染物透过细胞膜的方式1.被动转运：主要包括简单扩散和滤过两种方式。简单扩散：任何溶解的化学物质若浓集于溶液的某一部分，它必将逐渐扩展，直到其分子均匀分布在整个溶液中，此过程称为扩散。简单扩散中化学物不与生物膜起反应，也不需要细胞提供能量。扩散的速度与生物膜的厚度、扩散的范围、生物膜两侧该物质分子的浓度差别，扩散常数以及该物质在脂质中的溶解度等有关。滤过是化学物质通过生物膜上的亲水性孔道的转运过程污染物透过细胞膜的方式2.特殊转运，可分为主动转运和易化扩散。特殊运转的特点是被运转的污染物必须与生物膜组成成分发生可逆性结合，并形成复合物。参加形成复合物的生物膜组成成份可认为一种载体，载体将被运转的化合物从膜一侧移向另一侧，然后将被运转的化合物释放，完成化合物透过生物膜的过程。载体本身又将回到膜的另一侧，继续其载体作用。主动运转：是指化合物透过生物膜由低浓度处向高浓度处移动并消耗能量的过程。其最主要特点是逆浓度梯度进行，并消耗一定的代谢能量。另外还有以下几点：需要有载体参加。载体既然是生物膜组成成分，所以有一定的容量；当化合物浓度达到一定程度时，载体可以饱和，转运即达到极限。主动转运系统有一定选择性，两种基本相似化合物在生物转运过程中需要同一转运系统，可出现竞争，并可出现竞争性抑制。主动转运的最主要特点是在转运过程中化合物可逆浓度梯度而转运，即可由浓度低的部位向浓度高的部位转运，并因此需要消耗一定的能量。易化扩散：指某些不易溶于脂质的亲水化合物，透过生物膜从高浓度向低浓度移动的过程，也称之为促进扩散。其特点为：顺浓度梯度进行，即从高浓度处向低浓度处，不需要能量同简易扩散；有载体参加，同主动扩散例葡萄糖在体内即通过此途径转运。3.胞饮作用：由于生物膜具有可塑性和流动性，因此，对颗粒状物质和液粒，细胞可通过细胞膜的变形移动和收缩，把它们包围起来最后摄入细胞内。这就是胞饮作用和蚕噬作用。污染物以何种方式通过细胞膜，主要取决于污染物本身的化学结构、理化性质及各种组织细胞膜的结构特征。污染物透过细胞膜的方式去毒作用：微生物使污染物的分子结构发生变化，从而降低或去除其对敏感物种的有害性。敏感物种包括动物、植物、微生物和人。有毒物质结构变化彻底分解为CO2＋H2O毒性增加毒性不变毒性降低激活作用去毒作用微生物的生物化学降解转化作用去毒作用的产物去毒作用的产物去向：直接分泌到细胞外。经过几步代谢，以有机废物的形式排除。经过代谢，以CO2的形式释放。去毒作用—水解作用在微生物的作用下，酯键和酰胺键水解，使有机物的毒性减小。羧酸酯酶水解的通式酰胺酯酶水解的通式除草剂敌稗的水解酰胺类除草剂由美国孟山都公司开发：防治禾本科杂草的效果好以土壤处理为主持效期长植物体内分解快利用吸收和传导差异、体内降解差异等方式的选择作用去毒作用—羟基化作用苯环或脂肪链上发生羟基化，使OH取代H而使毒物失去毒性。RH→ROH去毒作用—脱卤作用氢代脱卤羟代脱卤氢卤同时通过脱卤素酶的作用，卤原子被其他的元素或基团取代，降低污染物的毒性还原脱卤氧化脱卤脱氢脱卤代表性脱卤去毒作用去毒作用—去烃基作用有的农药含有和S、N、O等原子相连的烃基，微生物能脱去这些烃基，使其毒性下降。去甲基或去烷基作用许多杀虫剂含有甲基或烷基,这些烷基与N、O、S相连，在微生物的作用下，会脱去这些集团，变为无毒去毒作用—甲基化作用对一些酚类加入甲基，可以使其钝化。ROH→ROCH3OCH3五氯酚的甲基化去毒作用—硝基还原作用一些硝基化合物都具有生物毒性，将硝基还原为氨基能降低其生物毒性。RNO2→RNH2去毒作用—去氨基作用某些有机化合物的生物活性位点是氨基，去氨基作用则能使其失去生物活性。去毒作用—醚键断裂作用苯氧羧酸类除草剂含有醚键，醚键断裂能消除其植物毒性。去毒作用—腈转化为酰胺苯氧羧酸类除草剂含有醚键，醚键断裂能消除其植物毒性。去毒作用—轭合作用有毒物质和生物体内的一些代谢产物和小分子物质发生合成反应，使以有毒物质毒性降低的现象为轭合作用。动物产生金属硫蛋白与重金属结合植物产生植物络合素合重金属结合一些微生物体内葡萄糖和芘结合生物体内的有毒物质的解毒和排泄的过程是一个非常复杂的过程，是多种酶和多种反应机制共同作用的结果，往往是在不同的酶和不同的反应过程共同作用下，生物体将有毒物质排泄初体外或使其变为无毒的形式在体内进一步利用。微生物激活作用有毒物质结构变化彻底分解为CO2＋H2O毒性增加毒性不变毒性降低激活作用去毒作用无毒化合物致癌物致畸物致突变物急性毒物毒植物素抗菌素激活作用及其特点迅速矿化缓慢矿化持久性活化激活作用可以发生在微生物活跃的土壤、水和其他任何环境。产生的产物可能是短暂的，是矿化过程的中间产物，也可能持续时间很长，甚至引起环境问题激活作用的结果是生物合成致癌物、致畸物、致突变物、神经毒物、毒植物素、抗菌素等激活反应—脱卤作用三氯乙烯（TCE）在微生物的作用下能脱卤生成氯乙烯，氯乙烯是强致癌物质；TCE在甲烷营养的培养物中不进行脱卤反应，不形成氯乙烯，而是形成氯乙醛，氯乙醛既是强致癌物质，又有急性毒性，如果和乙醇等饮料一起摄入会立即失去知觉。Cl3C＝CHO←Cl2C＝CHCl→ClHC＝CH2激活反应—形成亚硝胺亚硝胺是很强的致癌、致畸和致突变物，亚硝胺的形成是仲胺的N－亚硝化作用，形成高毒性的N－亚硝基化合物。激活反应—环氧化作用微生物能使一些带双键的化合物形成环氧化物，使其毒性增加，如一些农药的产物比母体的动物毒性更大。激活反应—硫代磷酸酯转为磷酸酯激活反应—硫醚的氧化涕灭威甲拌磷乙拌磷激活反应—酯的水解一些除草剂被植物吸收后进入植物体内，在水解酶的作用下，生成游离酸，才能发挥作用。如禾草灵和新燕灵等。激活反应—甲基化一些无机物能在微生物的作用下发生甲基化，其脂溶性增加，引起毒性增加，而且更易于在生物体内积累。如Hg、As、Sn等。激活反应—去甲基化一些真菌能使双苯酰草胺（N，N－二甲基－2，2－二苯基乙酰胺）脱去甲基生成无甲基的二苯基乙酰胺，是一种植物毒素。激活反应的类型缓解：有时一种化合物A会有两种前途，它可以转化为更有毒化合物B，即激活；也可以转化为无毒化合物C，由于A向C转化，避免了A向B的激活，因此成为缓解。典型激活：主要是前面提到的一些激活反应，也是严格意义上的激活，其产物往往毒性更强，而且持久性和迁移性也往往会加强，引起的环境毒性更大。生物毒性谱的变化：对一类生物有毒的化合物，在分子结构改变以后会对完全不同的另一类生物有害，这就是毒性谱发生了改变。它不是严格意义上的激活，而是对另一类生物为激活。1、氧化作用（1）醇：如乙醇—乙酸，可由醋化醋杆菌（Acetobacteraceti）进行此反应；丙二醇到乳酸可有氧化节杆菌（Arthrobacteroxydans）进行（2）醛：乙醛—乙酸，可由铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginoas）（3）甲基：甲苯—安息香酸，由Pseudomonasaeruginoas进行有机物变化（4）氨：NH3—NO2-（5）亚硝酸：NO2-—NO3-（6）硫：氧化硫硫杆菌（Thiobacillusthiooxidans）（7）铁：氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillusferrooxidans）2、还原作用（1）乙烯基：延胡索酸—琥珀酸，大肠杆菌（Escherichiacoli）（2）醇：乳酸—丙酸丙酸梭菌（Clostridiumpropionicum）（3）硝酸根：NO3-—NH3许多土壤微生物可进行（4）硫酸：H2SO4—H2S脱硫弧菌（Desulfovibriodesulfuricans）3、脱羧作用-CH2-COOH—-CH3，琥珀酸—丙酸戊糖丙酸杆菌（Propionibacteriumpentosaceum）4、脱氨基作用-CH-NH2—-CH2+NH3，丙氨酸—丙酸腐败芽孢杆菌（Bacillusputrificus）5、水解作用酯类的水解6、酯化作用R-COOH+R‘-COOH—R-COOR‘+H2O乳酸—乳酸酯，异常汉逊酵母（Hansenulaanomola）7、脱水作用-CH2-CHOH—-CH=CH-+H2O甘油—丙烯醛，芽孢杆菌（Bacillus）8、缩合作用CHO+CH3CHO——CHOH-CO-CH3乙醛可在某些微生物作用下缩合成3-羟基丙酮9、氨化反应CO—CH-NH2丙酮酸在一些酵母菌作用下发生氨化反应，生成丙氨酸10、乙酰化反应-NH2—NH-CO-CH3克氏梭菌（Clostridiumkluyveri）共代谢途径一般是指原本不能被代谢的物质在外界提供碳源和能源的情况下被代谢的现象。其中外界提供的碳源称为一级基质，用于微生物细胞增长并为微生物细胞活动提供能量。被共代谢的物质称为二级基质，不用于微生物细胞增长，也不能为微生物细胞活动提供能量。也就是说，有些不能作为唯一碳源与能源被微生物降解的有机物。当提供给其它有机物作为碳源或能源时，这一有机物就有可能因共代谢而被降解。微生物的共代谢作用可能存在以下几种情况：靠降解其它有机物提供能源或碳源通过与其它微生物的协同作用，发生共代谢，降解污染物由其它物质的诱导产生相应的酶系，发生共代谢作用牝牛分枝杆菌（Mycobacteriumvaccea）在丙烷上生长的同时，有能力共代谢环己烷，将环己烷氧化成能被假单胞菌种群利用的环己酮，而这些假单胞菌没有能力直接利用环己烷。假单胞菌环己烷牝牛分枝杆菌×环己醇环己酮能量＋CO2＋H2O共代谢丙烷能量＋CO2＋H2O环己烷的共代谢分解