第三章-土壤中有机污染物的微生物修复

第三章土壤中有机污染物的微生物修复土壤中有机污染物的微生物修复•微生物修复的发展历史•微生物修复概述•影响因素•原（异）位强化微生物修复技术•微生物修复的优缺点•研究趋势及发展微生物修复的发展历史•微生物降解有机污染物的技术在废水处理中的应用已有几十年的历史，而将微生物降解技术有意识地大规模地应用于受污染的土壤治理仅仅是十几年的事。•美国、日本、欧洲等发达国家对微生物修复技术进行研究，并完成了一些实际的处理工程,结果表明这种技术是有效的、可行的。•80年代以后基础研究的成果被应用于大范围的污染治理，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。•美国环境保护局在阿拉斯加ExxonVadez石油泄漏的生物修复项目中，短时间内消除了污染，改善了环境，为生物修复提供了一个成功的例证。微生物修复的发展历史微生物修复概述环境微生物修复•是指通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过程。•它包括自然和人为控制条件下的污染物降解或无害化过程。微生物修复的分类•按场址：原位生物修复和异位生物修复•按条件：自然修复（土著微生物）人工控制修复（外源微生物）•人工控制修复也称强化生物修复（enhancedbioremediation）或工程化的生物修复（engineeredbioremediation）•强化生物修复：生物刺激（biostimulation）生物强化（bioaugmentation）微生物修复微生物修复概述微生物修复自然修复（利用土著微生物）的环境条件•有微生物可利用的营养物质•有缓冲pH的能力•有使代谢能够进行的电子受体•如果缺少一项条件，将会影响微生物修复的速率和程度。特别是对于外来化合物，如果污染新进发生，很少会有土著微生物能降解它们，所需要加入有降解能力的外源微生物。微生物修复概述微生物修复生物修复中的基本概念•生物刺激（biostimulation）•满足土著微生物生长所必需的环境条件，诸如提供电子受体、供体，氧以及营养物质等。•生物强化（bioaugmentation）•需要不断地向污染环境投入外源微生物、酶、其他生长基质或氮、磷无机盐。微生物修复概述微生物修复•原位生物修复（in-situbioremediation）•污染在原地点进行，不挖出或抽取需要修复的土壤及地下水，采用一定的工程措施，利用生物通气、生物冲淋等一些方式进行。•异位生物修复（ex-situbioremedation）•需要挖掘土壤或抽取地下水，将污染物移动到邻近地点或反应器内进行。显然，这用处理更好控制，结果容易预料，技术难度较低，但投资成本较大。•可以通过土壤堆、泥浆反应器和厌氧处理。微生物修复概述微生物修复微生物修复机理•共代谢（co-metabolism）•对于一些污染物，微生物虽然可以降解他们，但却不能利用该污染物作为碳源合成自身生长所需要的有机质，因此需要另外的生长基质维持自身的生长。微生物修复概述•矿化作用（mineralization）•指有机物在微生物的作用下彻底分解为H2O、CO2和简单的无机化合物的过程，是彻底的生物降解（终极降解)，可从根本上清除有毒物质的环境污染。实质都是酶促反应。微生物修复修复中的微生物•细菌：好氧细菌、厌氧细菌、兼氧细菌•细菌可以在污染条件下，不断适应环境，产生降解能力。如通过特定酶的诱导和抑制产生基因突变，通过质粒转移获得利用特定污染物的能力。•真菌：软腐菌、褐色菌、白腐菌•真菌对于一些大分子化合物表现出很强的降解能力，它们都以降解木质素而著称。微生物修复概述微生物修复Pseudomonasputida恶臭假单胞菌KT2440有机污染物的生物修复中潜力巨大，该菌株甚至还能促进植物生长并具有抗植物病害作用Dehalococcoidesethenogenes清除有机溶剂造成的污染Alcanivoraxborkumensis应用于海洋石油消除Caulobactercrescentus新月柄杆菌应用于低营养水环境的生物修复微生物修复概述微生物修复Geobactersulfurreducens帮助转化铀和其它一些放射性金属物质Shewanellaoneidensis去除铬、铀等环境有毒金属Desulfovibriovulgaris帮助修复铀和铬等重金属污染Deinococcusradiodurans地球上最耐辐射的的生物，耐受的辐射剂量150万拉德，是人类耐受1000-3000倍微生物修复概述影响因素营养物质•微生物分解有机污染物一般利用有机污染物做为碳源，但是微生物将有机污染物转化为其自身增长的生物质，还需要其他营养元素。•典型的细菌细胞组成为：50%C、14%N、3%P、2%K、1%S、0.2%Fe、0.5%Ca、Mg、Cl。•确定添加营养盐的形式、合适的浓度以及适当的比列，才能更好地大搞效果。影响因素电子受体（主要为种类和浓度）•微生物氧化还原反应的最终电子受体分为三大类，包括溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根（如NO3-、SO42-、CO32-），第一种为有氧过程，而后两种为无氧过程。•可以将压缩空气送入土壤，添加过氧化物及其它产氧剂等。厌氧环境中CH4、NO3-、SO42-和Fe3+子等都可以作为有机物降解的电子受体。•当所加H2O2的量适当时，土壤样品中烃类污染物的生物降解速率较加入前增加3倍。这是因为H2O2不仅能直接降解部分有机污染物，还能为生物降解提供所需的电子受体。影响因素污染物的性质•对于微生物修复技术，污染物的可降解性是关键。•污染物对生物的毒性以及其降解中间产物的毒性，也是决定微生物修复技术是否适用的关键。•污染物的其它性质，也很重要。如污染物的挥发性，如果一个化学物质挥发性太高，往往挥发部分就大于降解部分，造成污染从土壤迁移到大气中，而并非降解。•另外，微生物往往只能利用土壤溶液溶解态的污染物。影响因素环境条件•土壤颗粒物的性质：有机质及粘土含量等。•有机质含量及结构决定着微生物的吸附特性，从而决定生物降解的可利用性。•介质条件：酸碱度、温度、湿度、孔隙率等。•生物降解必须在一定的湿度条件下进行，湿度过大或过小都会影响生物降解的进程，于酸碱度和温度相比，具有较大的可调性。影响因素微生物的协同作用•一种或多种微生物为其他微生物提供B族维生素、氨基酸及其它生长因素。•一种微生物将目标化合物分解成一种或几种中间有机物，第二种微生物继续分解中间产物。•一种微生物通过共代谢作用对目标化合物进行转化，形成中间产物不能被其进一步降解，只有在其他微生物的作用下才能得到彻底分解。•一种微生物分解目标化合物形成有毒中间产物，使分解率下降，其他微生物则可能以这种有毒中间产物作为碳源加以利用。影响因素其他影响因素•修复工程的现场气象因素，如风速、常年风向、大气湿度和降水情况等。•水文地质因素，如不渗水层与含水层的深度、地下水位(要考虑季节因素)和地下水流类型与特点、地面冻土深度以及洪水频度等等，都对一个修复工程起着重要的作用。原位强化微生物修复技术生物强化法•生物强化（bioaugmentation）•指在生物处理体系中投加具体有特定功能的微生物来改善原有处理体系的处理效果，如对难降解有机物的除去。•微生物的来源：原有体系的生物强化、外源微生物•前提：获得高效作用于目标降解物的菌种。•微生物强化的方法•用目标降解物驯化、诱导、富集、筛选和培养达到一定数量。原位强化微生物修复技术•基因工程菌•利用降解质粒的相容性，把能够降解不同有害的质粒组合到1个菌种中，组建一个多质粒的新菌种。•可采用质粒分子育种，即在选择压力的条件下，在恒化器内混合培养，使微生物发生质粒相互作用和传递，缩短了自然进化所需的时间，以达到加速培养新菌种的目的。•降解性质粒DNA体外重组，是再体外对生物大分子DNA进行剪切加工，将不同来源的DNA重新接连，转移到受体细胞中，通过表达复制，是细胞获得新的遗传性状。•原生质体融合技术。原位强化微生物修复技术•生物强化的影响因素•驯化过程中的底物浓度往往过高，微生物投加之后是否能够降解低浓度的底物是必须要考虑的问题。•投加后的微生物面临的是一个复杂的生态环境，有竞争也有捕食的可能。因此，投加的微生物必须在处理构筑物中保持一定的代谢活力，维持一定的数量。原位强化微生物修复技术生物培养法（bioculture）•定期的向污染环境投加H2O2和营养物，以满足污染环境中已经存在的降解菌的需要，使微生物把污染环境中的污染物彻底矿化成CO2和H2O。投菌法（landingfarming）•直接向污染的环境中接入外源的污染降解菌，同时提供这些细菌生长所需的营养。原位强化微生物修复技术原位强化微生物修复技术原位强化微生物修复技术生物通气法（bioventing）•主要用于修复挥发性有机污染的地下水水层上部通气层的土壤。•这种处理要求土壤具有多孔结构以利于微生物的快速生长。另外，污染物应具有一定的挥发性才适合于通过真空抽提加以去除。•生物通气法的主要制约因素是影响氧和营养物迁移的土壤结构，不适的土壤结构会使氧和营养物在到达污染区之前被消耗。原位强化微生物修复技术原位强化微生物修复技术回收气处理回收井石油污染生物通风原位强化微生物修复技术化合物评价1三氯乙烯中2甲苯好3苯好4PCBs差5氯仿中6四氯乙烯差7酚好8三氯乙烷中化合物评价9乙苯好10二甲苯好11二氯甲烷中12二氯乙烯中13氯乙烯中14二氯乙烷中15氯苯中•有机污染物生物通气的应用性原位强化微生物修复技术•基本生物通气中去除效果与气流速率的关系原位强化微生物修复技术生物注射法（biosparging）•该方法适用于处理受挥发性有机物污染的地下水及上部土壤。处理设施采用类似生物通气法的系统。•这里的空气是经过加压后注射到污染地下水的下部，气流加速地下水和土壤有机物的挥发和降解。•也有人把生物注射法归于生物通气法。原位强化微生物修复技术原位强化微生物修复技术生物冲淋法（bioflooding）•该方法大多用在各种石油烃类污染的治理中使用，改进后也能用于处理氯代脂肪烃溶剂，如加入甲烷和氧，促进甲烷营养菌降解三氯乙烯和少量的氯乙烯。•将含有氧和营养物的水补充到亚表层，促进土壤和地下水中的污染物的生物降解。原位强化微生物修复技术土地耕作法（landfarming）•是对污染土壤进行生物耕犁处理。•在处理过程中施加肥料、灌溉、石灰，从而尽可能的为微生物代谢提供一个良好的环境。使其有充足的营养、水分和适宜的pH，保证生物降解在土壤的各个层面上都能发生。石油污染土地耕作法异位强化微生物修复技术堆肥法（composting）•是处理固体废弃物的传统技术，同于受石油、洗涤剂、多氯烃、农药等污染土壤的修复处理。•将污染土壤和水（达到至少35%含水量）、营养物、泥炭、稻草和动物肥料混合后，使用机械或压气系统充氧，同时以石灰调节pH。堆肥法（composting）异位强化微生物修复技术生物反应器法（bioreactor）•把污染物转移到反应器中完成微生物代谢过程。•使用于地表土和水体的污染。•类型：土壤泥浆生物反应器（soilslurrybioreactor）预制床反应器（preparedbedreactor）异位强化微生物修复技术厌氧处理•对某些具有高氧化状态的污染物的降解，比好氧处理更为有效。（如三硝基甲苯、PCB等）•总体来说，好氧处理在生物修复中使用比厌氧处理广泛。•严格的厌氧条件难于达到，厌氧过程中会产生一些毒性更大、难降解的中间产物，厌氧发酵的最终产物是H2S和CH4也存在毒性和风险。微生物修复的优缺点微生物修复的优点•生物修复可以现场进行，可以减少了运势费用和人类直接接触污染物的机会。•生物修复经常以原位方式进行，这样可以使对污染位点的干扰或破坏达到最小。•生物修复有机物分解为CO2和H2O,可以永久性的消除污染物和长期的隐患，无二次污染物，不会使污染转移。•生物修复可于其他技术结合使用，处理复合污染。微生物修复的优缺点微生物修复的局限性和缺点•不是所有的污染物都适合于生物修复。•有些化学品经微生物降解后，其产物的毒性和迁移