生物修复-第一二章资料

环境修复工程授课教师：郭伟总学时：32环境科学、环境工程专业拓展性、提高性课程、研究性教学拓展性、提高性课程、研究性教学各学院要有计划的组织教师开设多种形式的讨论课、专题课、研究性学习课程。各学院要有计划地组织选派教师指导学生学习小组，开展自主性、合作性学习，引导学生了解多种学术观点，扩大学术视野，接触学术前沿领域，追踪学科发展趋势，提高学生自主学习和独立研究能力，培养学生学术写作及学术报告能力。第一章绪论第二章生物修复的机理第三章影响生物修复的受体特性第四章影响生物修复的污染物特性第五章影响生物修复的环境条件第六章污染土壤的生物修复第七章污染河流的生物修复第八章污染湖泊的生物修复第九章污染地下水的生物修复第十章污染海洋的生物修复第十一章污染大气的生物修复第十二章固体废物污染的生物修复书名:污染环境生物修复工程出版社:化学工业出版社作者:陈玉成绪论生物修复的概念与类型1生物修复的特点与应用2生物修复的原则与可处理性试验3生物修复工程设计4第一节环境生物修复的概念和类型环境生物修复的概念修复（remediation）指借助外界作用力使某个受损的特定对象部分或全部恢复到原初状态的过程，包括恢复、重建、改建等三个方面的活动repair环境生物修复的概念环境修复•环境意义上的修复是指对被污染的环境采取物理、化学与生物学技术措施，使存在于环境中的污染物浓度减少或毒性降低或完全无害化•界定三组概念污染环境与健康环境环境修复与环境净化环境修复与三废治理污染环境与健康环境所谓环境污染，指任何物质或能量因子的过分集中，超过了环境的承载能力，从而对环境表现出有害的现象污染环境：任何物质过度聚集而产生的质量下降、功能衰退了的环境健康的环境，是具有原始背景值的环境相对的，特指存在于其中的各种物质或能量都低于有关环境质量标准环境修复与环境净化环境净化（environmentalremediation）•强调环境中内源因子对污染物质或能量的清除过程•是一种自然的、被动的过程环境修复（environmentalself-purification）•强调人类有意识的外源活动对污染物质或能量的清除过程•是一种人为的、主动的过程两者目的都是使进入环境中的污染因子的总量减少或强度降低或毒性下降环境修复与三废治理三废治理•是环境工程的核心内容，强调点源治理，即工厂排污口的治理•建造成套的处理设施，在最短时间内，以最快速度与最低成本，将污染物净化去除环境修复•强调面源治理，即对人类活动的环境进行治理，不可能建造把整个修复对象包容进去的处理系统。相同点•两者都是控制环境污染•前者属于污染因子的产中控制，后者属产后控制，污染预防属于产前控制，三者共同构成污染控制的全过程体系环境修复技术的类型修复技术是人类修复环境时采用的手段环境修复的对象是自然界技术的基本作用在于改变自然界的运动形式和状态，由此形成四类基本技术：•工程技术---工程修复河底清淤•物理技术---物理修复电修复•化学技术---化学修复化学试剂•生物技术---生物修复生物试剂生物修复（bioremediation）的概念利用生物的生命代谢活动减少存在于环境中的有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程强调人有意识的利用生物体进行环境无害化生物净化（biopurification）•强调的是自然环境系统利用本身固有的生物体进行的环境无害化过程，是一种自发的过程生物修复的产生与发展起源于有机污染物的治理，最初从微生物利用开始（发酵食品几千年，处理污水100多年，生物修复30年）1972年美国宾夕法尼亚清除管线泄漏的汽油（试验阶段）1989年美国阿拉斯加原油泄漏•ExxonValdz超级油轮触礁，4.2*104m3原油在5h内泄露，污染了1300英里的海岸线•是阿拉斯加最大也是美国历史上最大的一次石油泄漏事故•投放亲油性微生物肥料1991年美国开始实施对土壤、地下水、海滩等环境危险污染物的治理，法、荷发展迅速英国BP公司墨西哥湾漏油事件2010年4月20日钻井平台爆炸4月24日起漏油不止并引发了大规模原油污染油井日漏油量5000桶，不断发现新的漏油点，不到十天，浮油抵达路易斯安那州海岸。BP采用“灭顶法”封堵漏油，一个月后宣布失败6月，BP采用“盖帽法”终于取得了一定的成效目前BP事故支出费用高达400亿美元BP堵漏方案一览钢筋水泥控油罩：5月7日，BP将一重达125吨的大型钢筋水泥控油罩沉入海底，希望用它罩住泄漏点。但由于泄漏点喷出的天然气遇到冷水形成甲烷结晶，堵住控油罩顶部开口，使得这一装置无法发挥作用吸油管：5月14日，BP将一根4英寸吸油管插入发生泄漏的21英寸油管中。3天后，这根管道发挥了一定作用，共吸走2.2万桶原油，但数量太少“灭顶法”：用泵将较重的液体打入油井，使其压力大于油井外泄的压力，从而减缓漏油速度，然后再向油井漏油处注入水泥封闭油井，但由于油井压力太大，“灭顶法”宣告失败“盖帽法”：工程师将遥控深海机器人，将漏油处受损油管剪断并盖上防堵装置。防堵装置与油管相连，以把漏出的油气吸至油管内，再输送到海面上的油轮里。6月4日，BP“切管”成功，“盖帽”也获成功，控漏终现积极进展生物修复的类型修复主体（参与生物修复的生物类群）微生物修复（狭义生物修复）植物修复动物修复和生态修复修复受体（生物修复的对象）土壤生物修复河流水生物修复湖泊水库生物修复海洋生物修复地下水生物修复大气生物修复矿区生物修复垃圾场生物修复修复场所（修复实施的场所或形式）原位生物修复、异位生物修复和联合生物修复原位生物修复（in-siteremediation）又称就地生物修复，是指在基本不破坏土壤和地下水自然环境的条件下，对受污染的环境对象不作搬运或输送，而在原场所进行生物修复原位工程生物修复•采取工程措施，有目的操作生物过程，加快环境修复•一种是提供微生物生长所需的营养，提高其降解污染物的能力，这种称为生物强化修复•另一种是投加实验室培养的微生物，使其能够降解土壤和地下水中原有的污染物，又称生物接种修复原位自然生物修复•利用环境中原有的微生物，在自然条件下进行自然修复异位生物修复（ex-siteremediation）是指将受污染的环境对象搬运或输送到其他场所，进行集中修复原位成本低廉但修复效果差，适合于大面积、低污染负荷的环境对象异位修复效果好但成本高昂，适合于小范围、高污染负荷联合生物修复（combinedremediation）原位异位相结合，扬长避短第二节生物修复的特点与应用生物修复的特点优点现场进行，节省治理费用（传统物理、化学方法的30-50%）环境影响小，不会形成二次污染或导致污染的转移，永久消除污染物的长期隐患最大限度的降低污染物的浓度，有时甚至会低于检测限在其他技术难以使用的场地（如建筑物或公路下不能挖掘搬出）可以采用就地生物修复技术--独到优势可以同时处理受污染的土壤和地下水，也可以与其他处理技术结合使用，处理复合污染生物修复的特点局限性耗时长机理在于生命体的新陈代谢，完成一定的生命周期需花费较长时间条件苛刻生物修复是一种科技含量较高的处理方法，易受场地和环境的影响并非所有进入环境的污染物都能被生物利用专一性强特定的生物只能吸收、利用、降解、转化特定类型的化学物质生物修复的应用前景具有广阔的市场前景，但必然受到某些条件限制只有与物理、化学修复组成统一修复技术，才能为真正解决人类目前面临的最困难的环境问题—有机污染物和重金属污染—提供一种可能某些情况下最经济的组合是先用生物修复将污染物处理到较低水平，再采用物理、化学方法处理残余污染物第三节生物修复的原则及可处理性试验生物修复的三原则适合的生物•指具有正常生理和代谢能力，并能降解或转化污染物的生物体系，包括微生物、植物、动物等•是生物修复的先决条件适合的场所•指要有污染物和合适的生物相接触的地点适合的环境•指要控制或改变环境条件，使生物的代谢与生长活动处于最佳状态•包括温度、pH，无机养分、电子受体等可处理性试验可处理性试验目的环境中的污染物一般是混合性化合物，在某一现场起作用的生物修复技术在另一现场并不一定有效对每个现场都需要进行可处理性试验研究，提供污染物在生物修复过程中的行为和归宿的数据，用以评估生物修复技术的可行性和局限性，规划保持生物修复系统中生物活性最大的策略根据可处理性试验得到的净化时间、净化所能达到的水平以及处理费用等，结合具体受污染现场的处理要求，就能决定生物修复技术是否能够在该地应用可处理性试验结果：为实际工程回答几个问题污染物进一步扩散的可能性以及防治措施提高生物活性的技术手段评价生物修复效果所需的检测手段规模：实验室小试、中试和现场试验监测：污染物的降解过程和最终产物的毒性化学分析（液相色谱、气相色谱、原子吸收等）生物监测（Ames试验检测遗传毒性，发光菌毒性试验）污染物半衰期：浓度变化表述污染物降解程度可处理性试验设定非生物因素对照测定物理和化学过程引起的污染物的减少，从而能够真实的评价生物修复技术对污染物消减的贡献物料衡算和矿化计算物料衡算：测定目标污染物及其转化产物矿化计算：测定二氧化碳（或甲烷）或氯、溴基团的释放方法土壤灭菌试验土壤柱试验摇瓶试验和反应器试验第四节生物修复工程设计场地信息收集污染物的种类和化学性质，在土壤中的分布和浓度，受污染的时间当地正常情况下和受污染后的微生物的种类，数量和活性以及在土壤中的分布，从而确定该地是否存在完成生物修复的微生物种群土壤特性，如温度、孔隙度、渗透率等受污染现场的地理、水力地质和气象条件以及空间因素有关的管理法规工程设计技术查询向有关单位咨询是否在相似情况下进行过生物修复处理，以便采用或移植他人经验技术路线选择根据场地信息，对各种生物修复技术以及它们可能的组合进行客观评价，确定最佳技术路线可处理性试验设计小试或中试，提供基本工艺参数实验室或现场都可以进行，选择先进的取样方法和分析手段，中试注意规模问题工程设计修复效果评价技术评价原生污染物去除率=[(原有浓度-现存浓度)/原有浓度]*100%次生污染物增加率=[(现存浓度-原有浓度)/原有浓度]*100%污染物毒性增加率=[(原有毒性水平-现有毒性水平)/原有毒性水平]*100%经济效果评价包括修复的一次性基建投资与服役期的运行成本实验工程设计如果可处理性试验表明生物修复技术可行，开始具体设计包括处理设备、井位井深、营养物和氧源或其他电子受体等第二章生物修复的机理微生物对有机污染物的修复1微生物对重金属污染物的修复2植物对有机污染物的修复3植物对重金属污染物的修复4水生生物对富营养化物的修复5第一节微生物对有机污染物的修复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的作用方式•通过微生物分泌的胞外酶降解•污染物被微生物吸收到细胞内后，由胞内酶降解微生物从胞外环境吸收摄取物质的四种方式•主动运输•被动扩散•促进扩散•基团转位•胞饮作用主动运输（activetransport）微生物所需各种营养物质进入体内的主要方式特点需要消耗能量可以逆物质浓度梯度进行需要载体蛋白的参与，对被运输的物质有高度的立体专一性被运输物质与相应载体蛋白之间存在亲和力，膜外亲和力大于膜内，这样通过亲和力大小的改变使他们直接发生可逆的结合和分离，从而完成物质的运输。载体蛋白的构型变化需要能量，如好氧微生物来自呼吸，厌氧微生物来自化学能ATP，光合微生物来自光能主动运输被动扩散（passivetransport）最为简单的一种不规则运动的营养物质分子通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外向低浓度的胞内扩散特点：扩散是非特异性的，物质在扩散运输过程中既不与膜上的分子发生反应，本身的分子结构也无变化不消耗能量，不能逆浓度被动扩散扩散速度取决于细胞膜两边该物质的浓度差，浓度差