微生物在污染土壤修复中的应用与展望

微生物在污染土壤修复中的应用与展望主讲：马佳伟土壤微生物是土壤生态系统的重要生命体，具有巨大的、潜在的环境修复功能。污染土壤的微生物修复是指利用土壤中天然存在或人工培养的功能微生物群，在适宜条件下，通过促进或强化微生物的代谢功能，从而达到降低有毒污染物活性或将其降解成无毒物质的生物修复技术，已成为污染土壤修复技术的一个重要组成部分前言Introduction目录/CONTENTS01020304重金属污染土壤的微生物修复有机污染土壤的微生物修复污染土壤的微生物修复技术与应用污染土壤的微生物修复问题与展望01重金属污染土壤的微生物修复重金属污染土壤的修复土壤重金属污染治理途径主要有两种：•一是改变重金属在土壤中的存在状态，使其由活化态转为稳定态•二是从土壤中除去重金属重金属污染土壤的微生物修复微生物治理是利用土壤中的某些微生物等对重金属具有吸收、溶解、沉淀、氧化和还原等作用,降低土壤中重金属的毒性。原核生物(细菌、放线菌)比真核生物(真菌)对重金属更敏感，柠檬酸杆菌产生的酶能使Cu、Pb、Cd形成难溶磷酸盐;,格兰氏阳性菌可吸收Cd、Cu、Pb等生物富集生物转化污染土壤的原位微生物修复技术微生物对重金属的生物富集微生物对重金属的生物富集（如生物积累和生物吸着等）主要表现在胞外络合、胞外沉淀以及胞内积累等3种形式，其作用方式有以下几种：①金属磷酸盐、金属硫化物沉淀；②细菌胞外多聚体；③金属硫蛋白、植物螯合肽和其他金属结合蛋白；④铁载体；⑤真菌来源物质及其分泌物对重金属的去除一些微生物如蓝细菌、假单胞杆菌、硫酸盐还原菌以及其它的某些藻类，能够产生如多糖、糖蛋白等含有大量阴离子基团的胞外聚合物，与重金属离子反应形成络合物胞外络合在微生物分泌的氧化还原酶作用下金属元素发生氧化还原反应，或某些微生物的代谢产物（S2-、CO32-、OH-和HPO42-）与金属离子发生沉淀反应，以硫化物、磷酸盐或碳酸盐形式沉淀，直接或间接使有毒有害重金属元素转化为低毒或无毒金属沉淀物胞外沉淀微生物细胞表面载有负电荷，且存在氨基、羧基和醛基等多种官能团，可与带正电的重金属离子通过静电吸附、络合、螯合、离子交换和共价吸附等方式结合，或摄取必要的营养元素主动吸收重金属离子，将其富集在细胞表面或内部胞内积累微生物对重金属的生物转化重金属污染土壤中存在一类特殊的微生物，它们对有毒重金属离子不仅具有抗性，同时也可以使重金属进行生物转化。主要作用机理包括微生物对重金属的•氧化和还原作用，•沉淀和溶解作用，•甲基化与去甲基化，降解转化重金属，改变其溶解性、移动性以及生态毒性，从而达到对重金属污染的修复的目的土壤中一些重金属元素（如铜、汞、铬、硒等）可呈现多种价态，不同价态的溶解性不同，当其以低价离子形态存在时溶解度较大，易迁移，而当其呈高价离子化合物存在时溶解度较小，不易迁移。微生物可以通过改变重金属的氧化还原状态，使其离子化合价变化，影响其溶解性和流动性，从而转化重金属，最终将有毒物质转化成低毒或无毒物质氧化还原作用土壤中分布着多种可以使铬酸盐和重铬酸盐还原的微生物，如产碱菌属、芽孢杆菌属、棒杆菌属、肠杆菌属、假单胞菌属和微球菌属等，这些菌能将高毒性的Cr6+，还原为低毒性的Cr3+氧化还原作用微生物对重金属的溶解主要是微生物利用有效的能源和营养，通过代谢活动产生多种低分子量的有机酸来溶解土壤中的重金属化合物，增强其有效性，有利于植物的吸收和利用重金属的溶解沉淀02有机污染土壤的微生物修复环境中有机污染物可以通过各种途径进入土壤，日渐积累并恶化。目前，国内外对有机物污染土壤的修复较多关注于多环芳烃、多氯联苯和农药等，这类污染物具有高毒、生物积累和亲脂憎水等特性，一旦污染土壤，修复困难，并且对人类健康和环境安全造成不利影响。土壤中微生物可以直接转化、降解大部分有机污染物，将其矿化，从而达到修复效果有机污染土壤的微生物修复有机污染物进入微生物细胞的过程微生物降解有机污染物主要依靠两种作用方式：•通过微生物分泌的胞外酶降解；•污染物被微生物吸收至其细胞内后，由胞内酶降解；微生物从胞外环境中吸收摄取物质的方式主要有主动运输、被动扩散、促进扩散、基团转位及胞饮作用等降解有机污染物的主要反应类型微生物降解和转化土壤中有机污染物，通常依靠以下基本反应模式来实现：1.氧化作用；2.还原作用；3.基团转移作用；4.水解作用；5.酯化、缩合、氨化、乙酰化等其他类型；03污染土壤的微生物修复技术与应用土壤微生物修复技术是在适宜条件下利用土著微生物或外源微生物的代谢活动，对土壤中污染物进行转化、降解与去除的方法。从修复场地来分，土壤微生物修复技术主要分为两类，即原位微生物修复和异位微生物修复污染土壤的微生物修复技术与应用污染土壤的原位微生物修复技术原位修复生物通风法生物强化法土地耕作法原位微生物修复不需将污染土壤搬离现场，直接向污染土壤投放氮磷等营养物质和供氧，促进土壤中土著微生物或特异功能微生物的代谢活性，降解污染物生物通风法生物通风又称土壤曝气，是基于改变生物降解环境条件(如通气状况等)而设计的，是一种强迫氧化的生物降解方法。其操作原理是在污染的土壤上至少打2口井，安装鼓风机和抽空机，将空气强制注入土壤中，然后抽出土壤中的挥发性有机毒物。在通入空气时，可以加入一定量的氧气和营养液，改善土壤中降解菌的营养条件，提高土著微生物的降解活性，从而达到污染物降解的目的生物强化法生物强化是基于改变生物降解中微生物的活性和强度而设计的，可分为土著菌培养法和投菌法。1.土著菌培养法是定期向污染土壤投加H202和营养，以满足土著降解菌的需要，提高土著微生物的代谢活性，将污染物充分矿化成C02和H20的方法。2.投菌法是直接向污染土壤中接入高效降解菌，同时提供给这些微生物生长所需营养的过程。土地耕作法土地耕作法也称农耕法，是以就地污染土壤作为接种物的好氧生物过程。其简要操作规程是：首先对污染土壤进行耕耙，同时施入肥料等养分，进行灌溉，加入石灰，从而尽可能地为微生物降解提供一个良好的环境，以便土壤中发生污染物的降解过程污染土壤的异位微生物修复技术异位修复预制床法堆制法泥浆生物反应器法异位微生物修复是把污染土壤挖出进行集中生物降解的方法预制床法预制床修复是农耕法的延续，它可以使污染物的迁移量减至最低。其简要操作规程为：在不泄露的平台上铺上沙子和石子，将污染土壤平铺(15～30cm厚度)于平台上，并加入营养液和水，必要时加入表面活性剂，定期翻动供氧，以满足土壤微生物的生长需要，处理过程中流出的渗滤液，及时回灌于土层，以彻底清除污染物堆制法堆制法是利用传统的堆肥方法，将污染土壤与有机废弃物质(如木屑、秸秆、树叶等)、粪便等混合起来，使用机械或压气系统充氧同时加入石灰以调节pH值，经过一段时间依靠堆肥过程中微生物作用来降解土壤中有机污染物泥浆生物反应器法泥浆生物反应器法是将污染土壤转移至生物反应器，加水混合成泥浆，调节适宜的pH，同时加入一定量的营养物质和表面活性剂，底部鼓入空气充氧，满足微生物所需氧气的同时，使微生物与污染物充分接触，加速污染物的降解，降解完成后，过滤脱水微生物处理技术对重金属污染物微生物只能固定改变存在形式以减少其危害，而不能做到将之从土壤中彻底去除04污染土壤的微生物修复问题与展望污染土壤微生物修复中存在的问题环境对微生物的变异作用01修复过程中产生的次生污染02引入外源微生物的原则与条件03研究报道较多，实际应用较少微生物代谢活动易受复杂多变土壤环境的影响，特定微生物只能降解一种或几种特定类型的污染物，使得目前微生物技术仍处实验室研究和田间试验阶段，在实际应用中受限污染土壤微生物修复的研究与展望筛选和驯化具有广谱性的多功能降解菌，构建新型高效降解菌菌种库010203加强微生物降解酶的研究，推进降解酶的工业化生产及应用污染土壤修复过程与生态风险评估，微生物修复的联合化或组合式修复技术研发等联合化或组合式修复技术复合污染土壤的修复不可能单独依靠一种修复措施就能彻底解决问题，即使是单一污染土壤，我们也可以采用多途径、多方式强化微生物修复效果•微生物一土壤物理改良•微生物一化学活化•微生物一动物•微生物一植物•微生物一植物一动物根际促生菌一植物修复物修复和微生物修复均属于生物修复的范畴，二者均具有环境友好、运行成本低等优点。将两种方法结合使用时，将会大大提高重金属污染土壤的修复效率。在众多微生物一植物修复方案中，根际促生菌一植物修复由于其独特的优势，受到广泛关注激动人心的提问环节微生物降解有机污染物主要依靠哪两种作用方式010203污染土壤的原位微生物修复技术主要有哪几种方法简述异位微生物修复技术中泥浆生物反应器法的原理感谢聆听