生物修复技术作用机理及其运用

生物修复技术作用机理及其运用生物修复(Bioremediation)：广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术，一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下，利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。用于生物修复的生物微生物在环境污染治理中的作用植物在环境污染治理中的作用水环境污染控制中的生物修复技术提纲用于生物修复的生物•土著微生物•外来微生物•基因工程菌采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌。•用于生物修复的其他生物这些生物包括藻类、微型动物、植物等。难降解有机污染物和重金属及其相应的降解转化微生物适宜的环境条件•营养微生物的生长需要维持一定量的C:N:P营养物质及某些微量营养元素。•电子受体环境中的有机污染物在微生物的作用下被氧化分解时需耗氧。•有毒有害有机污染物的化学性质•污染现场和土壤的特性微生物在环境污染治理中的作用•微生物对有机污染物的降解与转化微生物是自然界中的分解者，在好氧条件下，它能将有机污染物彻底氧化，分解成CO2、H2O、SO42-、PO43-、NO2-、NO3-等无机物。在厌氧条件下，能将有机物降解，转化成小分子有机酸、CO2、H2、CH4等。因此，微生物是生物修复中污染物降解的主力军。•微生物对重金属的转化与固定微生物虽然不能降解重金属，但是可以降低其毒性，并可将其累积在菌体内使之固定。①汞的去甲基化及还原例如：蓝绿色假单胞菌、变形杆菌可使汞离子转化成元素汞，经10小时后挥发掉的汞可达75%。假单胞菌K62能使无机汞和有机汞形成元素汞。②累积及固定重金属在微生物累积重金属方面，已阐明同细胞内金属硫蛋白(Metalothioneins)简称MT有关，MT是一种低分子量的细胞质蛋白，同Hg,Zn、Cd、Cu、Ag等重金属有强烈的亲和性，结果使重金属富集并抑制其毒性。植物在环境污染治理中的作用•植物修复的概念利用绿色植物清除环境中的污染物，使其去除降低或消失称作植物修复(phytore-mediation)(Raskin等.1994)。植物修复的主要对象是有毒重金属和有机污染物。研究表明，许多细菌、真菌、藻类和植物都有从周围环境富集重金属的能力，然而至今仍没有一种经济有效的方法从土壤中回收富集了重金属的微生物。相比较而言，回收富集了重金属的植物则较容易。尤其是那些将重金属吸收到地上部的植物的回收更加简便易行。•植物固定(Phytostabilization)•根系降解(Rhizodegradation)•植物促进(Phytoaccumulation)•植物降解(Phytodegradation)•植物挥发(Phytovolatilization)•挥发转移(Evapotranspiration)一、植物修复的类型•植物固定(Phytostabilization)利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在根系地带,降低其活动性,阻止其向深层土壤或地下水中扩散,但并不为植物利用,即根系对污染物起固定作用。•根系降解(Rhizodegradation)植物中超过20%的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部,因此会生长很多微生物,尤其在根表面向外1-3mm的地方,这些微生物是没有种植过植物的土壤的3-4倍。一些微生物可以同植物相结合促进重金属的降解,也可以矿化某些有机污染物如PAHs、PCBs。•植物促进(Phytoaccumulation)也称之为植物提取(phytoextraction),植物根系将土壤中重金属或有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上部分。一般指那些能累积超过叶子干重1.0%的Mn，或者0.1%的Co、Cu、Pb、Ni、Zn，或者0.01%的Cd的植物。目前世界上有500多种这样的植物。•植物降解(Phytodegradation)植物的根、茎、叶吸收或降解污染物,主要是有机污染物如PAHs、TPHs、PCBs,无机污染物如氮氧化物、硫氧化物。判断这些污染物能否进入植物体内的指标是该物质在辛醇—水中的分配系数(logKOW)。logKOW在1-3.5之间的物质可以被植物吸收降解。•植物挥发(Phytovolatilization)某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空隙中挥发。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出的物质可能被空气中的活性羟基分解。如有毒的Hg2+经植物挥发后变成了低毒的Hg，高毒的硒变成了低毒的硒化物气体等。•挥发转移(Evapotranspiration)植物通过叶表孔隙挥发水分的形式转移在水系中的污染物。如白杨、桉树、河香柏等树木具有很深的根系,每天可以蒸腾大量的水,将水中某些污染物转移至植物体内。•植物修复在空气污染中的应用•植物在水环境污染中的应用•植物在土壤污染中的应用二、植物修复在环境污染中的应用•植物修复在空气污染中的应用氮氧化物NxOy是污染空气的一类主要化合物，NO2同O3在光照的条件下容易形成光化学烟雾，N2O是一种能引起温室效应的气体，它可以辐射传热,破坏同温层的O3。某些植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用,利用这些植物去除空气中的氮氧化物无疑是环保节能的好方法。HiromichiMorikawa等人详细研究了NO2被217种高等植物、50种野生草本植物、60种人工培育的草本植物和107种木本植物吸收和还原为N2的情况，结果表明辛荑对NO2吸收最高，达12.7mg/g(干重)；菊科、桃金娘科、茄科和杨柳科有较高的还原N2的能力。•植物在水环境污染中的应用水环境中的污染大致可分为三类:（1）无机营养元素如氮、磷等；（2）有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAHs、炸药等；（3）重金属的污染。（1）无机营养元素如氮、磷等去除利用水生植物去除由氮、磷等无机营养元素引起的水体富营养化问题已有大量研究。种植莲藕、水稻既可以去除氮、磷,又有很好的经济价值；被制成浮床的大椿草、水芹、水荣草、多花黑麦草等对去除水体中的氮、磷和抑制藻类滋生均有明显的作用。这些植物发达的根系及与根系共生或混生的微生物往往共同对水环境起着净化作用。（2）有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAHs、炸药等去除利用某些植物降解、矿化污染物为毒性弱的小分子、具有无机物的特性,修复受污染的水体。水葫芦可以去除水体中的有机磷农药、染料、酚、多环芳烃、甲基对硫磷等有机污染物；浮萍、伊乐藻对杀虫剂DDT降解有明显的作用,金鱼藻、伊乐藻或浮萍可以显著降低地表水中异丙甲草胺浓度;长春花可用于修复受炸药TNT污染的地表水;龙葵能有效地降解PCBs。。（3）重金属去除植物通过根系吸收、浓缩和沉淀水体中有毒有害重金属是非常具有吸引力的一种含重金属废水的处理方法,是目前研究的热点问题。用于修复水体污染物的植物大多是沉水和水面漂浮植物,其中如绿藻对Cd、Hg、Cu、Pb的去除率可达80%-90%;黑麦草对黄金废水不仅有很强的净化能力,而且也具有很高的富集功能,其根部的含金量最高可达784g/t(干重)。植物种苗对水中重金属的去除作用比植物根的去除作用更强，利用植物种苗去除水中重金属被称为种苗过滤，是修复含重金属废水发展的新方向。渠荣遴等人研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等作物种苗对水体中Zn、Pb、Cu的去除作用，结果表明:蓖麻对Zn的积累最高，达30.0mg/g；向日葵对Pb的积累最高,达91.6mg/g；向日葵对Cu的积累最高,达24.3mg/g，其茎、叶中也有一定量的铜积累。•植物在土壤污染中的应用土壤中的污染物主要为：（1）有机物如有机农药、石油类(TPH)、酚类、氯溴代有机化合物等；（2）重金属等。（1）植物修复有机污染物植物修复有机污染物的方式主要以植物固定、植物降解为主。紫花苜蓿,黑麦草,小蓝茎草已成功地用于土壤中PAHs的修复,在6个月内可以将PAHs总量降低57%；银合欢可以吸收和代谢二溴甲烷、三氯乙烯；转基因胡萝卜根须中聚集的苯酚浓度可达1000mmol/L，氯酚50mmol/L，在120h内可降解90%以上的苯酚类化合物,研究表明根须中的过氧化酶可以促进这些物质的代谢;在黑麦与大豆轮作的地块上TPH消失量显著高于无植被的地块；植物还能降解杀虫剂和除草剂，桑科植物及蔷薇科植物的根系分泌物能促进PCB降解菌的生长。柳树、鹅掌揪、落羽松、掸木及栋属植物都能有效地降解除草剂灭草松。（2）植物修复土壤中重金属污染植物修复主要是选用超富集植物通过根系吸收固定这些重金属,并转移到地面部分,可采用收割的方式去除土壤中重金属。宝山堇菜是一种Cd超富集植物,它不仅可以超量吸收Cd，而且可以从地下向地上部位有效输送。蜈蚣草不仅有较强的耐受和富集Sn的能力,同时也具有较强的耐Pb、Zn的能力,具有生长速度快和生物量大的特点,通过改善植物生长条件等措施可以大幅度提高其富集能力,是有潜力的Zn、Cd污染土壤的修复植物。•总结——优点与传统的修复技术相比,植物修复是一种容易接受、成本低、技术要求低的修复方法,它可应用于空气、地表水、地下水、土壤中污染物的修复。植物修复技术可清除的污染物包括无机污染物如氮、磷、重金属等;有机污染物如农药、炸药、有机氯化物、杀虫剂、除草剂等。•总结——缺点要求植株具有高的生物量；对污染物的耐受性要高;受植物根系分布的限制;受气候、土质等的影响;清除污染物所需的时间长;转基因技术的应用可能会造成潜在的环境污染等等。但随着各方面研究和实践的深入,它必将得到广泛推广与应用,并为环境保护和治理工作带来新的前景与希望。氧化塘、人工湿地等水污染预处理技术生物氧化塘是一种利用生物天然净化能力净化污水的处理系统，可辅以人工曝气、投加污染物和底泥高效降解菌剂、放养适生水生生物等强化措施，污水经过氧化塘处理，可形成多级食物链组成的复合生态系统，这对城市水环境的生物修复极为有利。人工湿地利用基质微生物，水生植物，动物符合生态系统的物理、化学吸收、动物消费和微生物分解来实现对污水的高效净化。水污染控制中的生物修复技术河道和湖泊人工增氧技术通过一定的增氧设备，增加水体中溶解氧，能加速河湖水体和底泥微生物对污染物的分解，为水体中各种水生生物呼吸提供氧气，促进系统生物多样性。生物强化技术实际上是外源微生物投放技术。在我国城市水环境治理中，应用的微生物制剂主要包括美国的Clear—Flo、CBS、日本EM、我国的光合细菌(PSB)、硝化细菌等，并取得了一定的治理效果。生物促生技术生物促生技术是通过对自然界中污染物降解者（土著微生物）的促生作用，为之创造一个能顺利完成自然降解功能的环境，强化污染环境的自净能力，加速对有机污染物的分解。生态混凝土技术所谓生态混凝土是一类混凝土介质，具有特殊的结构与表面特性，其上可附着生长适生生物，过滤净化入流的污染物。它能减轻环境负荷，与生态环境相协调。底泥生物氧化技术通过把药物注射到河道底泥表面，对河道黑臭泥进行生物氧化，可有效降低底泥有机物含量和耗氧速率，提高底泥对上覆水体的生物降解能力，促进底泥微量营养释放和藻类生长。生物操纵技术生物操纵就是利用调整生物群落结构的方法控制水质。其主要原理是调整鱼群结构，保护和发展滤食性的浮游动物，从而控制藻类的过量生长。其核心是利用浮游动物滤食浮游藻类，增加水体透明度。水生植被恢复技术水生植被主要是指大型挺水植物，沉水植物、浮叶植物、漂浮植物等。水生植被恢复是城市水环境生物修复十分重要的环节，同时也是城市水质污染重要的指标生物。水生生态恢复技术水生生态恢复是提高城市水环境自净能力，维护生物修复治理成果的必要措施，是生物修复的最高形式。通过生态恢复，使黑臭或富营养化水体向洁净好氧生态系统转化，提高水环境生物多样性和自净能力。1、重水体生物修复而忽视底泥生物修复目前我国城市水环境生物修复存在的问题2、重外源微