1、第十章第十章 污染环境的生物修复污染环境的生物修复第一节第一节 生物修复概论生物修复概论生物修复的基本概念生物修复（bioremediation）生物恢复（biorestoration）、生物清除（bioelimination）、生物再生（bioreclamation）或生物净化（biopurification）。生物修复是生物特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中的污染物的过程。以生物修复为核心的生物治理技术种类以生物修复为核心的生物治理技术种类异位生物修复（异位生物修复（ex situex situ）原位生物修复（原位生物修复（in situin situ）采取就地
2、解决问题的技术方案，即在污染区域直接使用修复技术而无需将其转移。需要通过某种途径将被污染物从污染现场运到一指定地点进行集中处理。成功的成功的生物修复生物修复需具备需具备的前提条件的前提条件 污染场地或生物反应器的环境条件必须污染场地或生物反应器的环境条件必须 有利于微生物生长或保持活性；有利于微生物生长或保持活性；必须存在具代谢活性的必须存在具代谢活性的微生物微生物，这些微生物在降解或转化化合物，这些微生物在降解或转化化合物时必须达到一定的速率，且不会产生有毒物质；时必须达到一定的速率，且不会产生有毒物质；目标化合物必须能够被微生物目标化合物必须能够被微生物利用利用，污染场地不含对降解菌，污染
3、场地不含对降解菌种有抑制作用的物质，否则需先行稀释或将该抑制剂无害化；种有抑制作用的物质，否则需先行稀释或将该抑制剂无害化；技术费用必须尽可能低。技术费用必须尽可能低。生物修复主要生物种类及其修复原理生物修复主要生物种类及其修复原理有机污染物有机污染物无害的小分子化合物和二氧化碳与水无害的小分子化合物和二氧化碳与水微生物的降解和转化微生物的降解和转化土著微生物：环境中固有的微生物土著微生物：环境中固有的微生物外来微生物：需大量接种的高效菌外来微生物：需大量接种的高效菌基因工程菌（基因工程菌（GEMGEM）共代谢基质共代谢基质:电子受体种类和浓度直接影响微生物降解的速度和程度。对于好氧生长的微生
4、物，通过不同方式增加氧的供给，加速污染物的清除。常见方法有翻耕土壤、直接充氧和加入氧发生剂供氧。表面活性剂：表面活性剂：有助于对亲水性差的污染物质的降解。微生物可通过共代谢加速降解一些难降解有机物。需添加氮、磷营养元素营养盐：营养盐：电子受体：电子受体：可同时去除有机污染物和重金属、放射性核素，适用可同时去除有机污染物和重金属、放射性核素，适用于大面积、低污染的区域。于大面积、低污染的区域。1)植物对有机污染物的直接吸收作用植物对有机污染物的直接吸收作用2)植物释放分泌物和酶植物释放分泌物和酶3)根区的矿化作用根区的矿化作用 有机物的降解与去除有机物的降解与去除矿化作用是在土壤微生物作用下，土
5、壤中有机态化合物转化为无机态化合物过程的总称。1 1、土壤环境中金属、土壤环境中金属污染生物修复污染生物修复我国每年因重金属污我国每年因重金属污染的粮食达染的粮食达12001200万吨！万吨！直接经济损失超过直接经济损失超过200200亿元，而这些粮食可亿元，而这些粮食可养活养活40004000多万人。多万人。广东最著名的广东最著名的“癌症村癌症村”上坝村重金属污染上坝村重金属污染 下游的水田被严重污染，无法种植农作物该村18年间有250多人死于癌症，祸起矿山剥采污染水源，央视曾称其为“死亡村庄”横石水稀释10000倍，水生物还是不能在里面存活24小时。其毒性可顺延下游50公里。上坝村民生存在
6、一个重金属污染到处存在的环境中，当地种出来的香蕉，镉超标187倍运用植物去除有毒重金属的新型态植物修复技术运用植物去除有毒重金属的新型态植物修复技术植物修复技术是透过植物体本身植物修复技术是透过植物体本身吸收吸收并并累积累积重重金属的过程来移除土壤中的重金属。金属的过程来移除土壤中的重金属。金属螯合肽主要由谷胱苷肽金属螯合肽主要由谷胱苷肽(glutathione,glutathione,GSH)GSH)所组成，所组成，其结构为谷氨酸其结构为谷氨酸-半胱氨酸半胱氨酸-甘氨酸甘氨酸(r-Glu-Cys-Gly)r-Glu-Cys-Gly)。GSHGSH能够缓解重金属对植物细胞的毒害作用能够缓解重金
7、属对植物细胞的毒害作用.植物去除有毒重金属植物去除有毒重金属机制机制典型的金属硫蛋白具有典型的金属硫蛋白具有61-7461-74个氨基酸，其中含有个氨基酸，其中含有2020个半胱氨酸个半胱氨酸(cysteine)cysteine)，每一个金属硫蛋白就可结合七每一个金属硫蛋白就可结合七个二价重金属离子如镉、铬、锌等个二价重金属离子如镉、铬、锌等.金属硫蛋白金属硫蛋白(Metallothionein)与金属螯合素与金属螯合素(Phytochelatins)是担负重金属处理机制中最重要的角色。是担负重金属处理机制中最重要的角色。变叶木经常被作为吸收重金属试验的植物经常被作为吸收重金属试验的植物仙丹花
8、鹅掌藤马齿苋美人蕉孔雀草适应适应重金属重金属胁迫的植物胁迫的植物不吸收或少吸收重金属不吸收或少吸收重金属将吸收的金属钝化在将吸收的金属钝化在植物的地下部分植物的地下部分大量吸收金属的同时正常生长大量吸收金属的同时正常生长在金属污染土壤中生产在金属污染土壤中生产符合环境标准的农产品符合环境标准的农产品通过栽种植物积累金属，通过栽种植物积累金属，收获后进行植物提取收获后进行植物提取适应重金属胁迫的植物适应重金属胁迫的植物已有的方法：将土壤从污染点搬移，然后用分散已有的方法：将土壤从污染点搬移，然后用分散剂或鳌合剂进行处理。剂或鳌合剂进行处理。植物可从污染的土壤中吸收并累积大量的放射性植物可从污染的
9、土壤中吸收并累积大量的放射性核素，因此植物去除是一个值得研究的方法。核素，因此植物去除是一个值得研究的方法。植物对放射性核素的吸收与植物种类及土壤的性植物对放射性核素的吸收与植物种类及土壤的性质有关。土壤的粒子交换能力越强，植物吸收放质有关。土壤的粒子交换能力越强，植物吸收放射性核素的能力越大。射性核素的能力越大。环境中放射性核素的去除环境中放射性核素的去除 富营养化水体富营养化水体水华和赤潮水华和赤潮防治水体富营养化的对策：防治水体富营养化的对策：控制外源性营养物质的输入；控制外源性营养物质的输入；减少内源性营养物质的负荷。减少内源性营养物质的负荷。防治水体富营养化的措施：防治水体富营养化的
10、措施：工程性措施：挖走底泥、水底深层曝气等；工程性措施：挖走底泥、水底深层曝气等；化学法：凝聚沉降、化学药剂杀藻等；化学法：凝聚沉降、化学药剂杀藻等；生物法：即生物修复，利用水生生物吸收氮、磷生物法：即生物修复，利用水生生物吸收氮、磷 进行代谢活动从而除去水体中的营养物质。进行代谢活动从而除去水体中的营养物质。以大型植物为主体，植物和根区微生物共生，产生协以大型植物为主体，植物和根区微生物共生，产生协同效应，经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附同效应，经过植物直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和悬浮颗粒，同时对重金属元和沉降作用除去氮、磷和悬浮颗粒，同时对重金属元素也有去除效
11、果。素也有去除效果。高等水生植物净化水体的特点高等水生植物净化水体的特点第二节第二节 农田土壤污染的生物修复农田土壤污染的生物修复土壤生态系统-高效的“活过滤器”土壤微生物无机营养物质土壤形成的基础土壤净化的原因绿色植物的光合作用植物生长、发育的需要植物生长、发育的需要净化大气中的尘埃、气溶胶、重金属和有机污染物净化大气中的尘埃、气溶胶、重金属和有机污染物有机废物有机废物土壤净化功能主要组成要素土壤净化功能主要组成要素 1、绿色植物根系的吸收、转化、降解和生物合成作用 2、土壤中的细菌、真菌和放线菌等微生物的降解、转 化和生物固定化作用 3、土壤的有机、无机胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用
12、 4、土壤的离子交换作用5、土壤和植物的机械阻留作用 6、土壤的气体扩散作用1 1、土壤农药残留污染的控制与生物修复、土壤农药残留污染的控制与生物修复 大部分直接落入土壤植物吸收飞扬到大气中随水流走防治农田病虫害、杂草、保证农作物高产的重要手段；又是控制某些传染性疾病如疟疾、黄热病、脑炎、丝虫病以及登革热等的重要药剂。土壤农药污染生物修复机理土壤农药污染生物修复机理主要主要通过通过微生物的转化作用。微生物的转化作用。农药土壤微生物农药被土壤微生物降解的基本机理农药被土壤微生物降解的基本机理脱卤作用和脱烃作用（假单细胞菌属、诺卡氏菌属和曲霉菌属）降解农药污染土壤的微生物修复手段农药污染土壤的微生
13、物修复手段将受污染土壤在原地处理。处理期间,土壤基本不被搅动。最常见的是土壤的水饱和区进行生物降解。除了要加入营养盐,氧源外，还需引入微生物以提高生物降解的能力。这种方法因受温度和土壤类型的影响而具有一定的局限性。原位生物修复技术 异位生物修复技术堆制处理法生物反应器厌氧生物处理法2 2、农田土壤的重金属污染植物修复、农田土壤的重金属污染植物修复*植物萃取技术*植物固化技术*根际过滤技术利用植物清洁土壤中的重金属，主要有三部分内容：利用植物萃取技术治理土壤的重金属污染利用植物萃取技术治理土壤的重金属污染原理：利用重金属超积累植物从土壤中吸取金属污染物，随后收割地上部并进行集中处理，连续种植该植
14、物，达到降低或去除土壤重金属污染的目的。1 1）污染浓度低时也有较高的积累速率；）污染浓度低时也有较高的积累速率；2 2）能在体内积累高浓度污染物；）能在体内积累高浓度污染物；3 3）同时积累几种金属；）同时积累几种金属；4 4）植物在野外条件下生长速度快、生长周）植物在野外条件下生长速度快、生长周 期短、生物量高、个体高大、向上垂直期短、生物量高、个体高大、向上垂直 生长以利于机械化作业生长以利于机械化作业.对对植物萃取植物萃取特性要求特性要求遏蓝菜属是一种已被鉴定的锌和镉超积累植物柳属的某些物种能大量富集镉印度芥菜对镉、镍、锌、铜富集可分别达到58、52、31、17和7倍利用植物根际过滤技
15、术治理重金属污染利用植物根际过滤技术治理重金属污染具有发达的纤维状根系和很高生物产量的水生植物，能够在水中有效地去除重金属和放射性核素，尤其适合根际过滤技术的要求.理想的用于根际过滤的植物，应该具有迅速生长的根系。理想的用于根际过滤的植物，应该具有迅速生长的根系。凤眼莲机理：植物根际存在大量的根际微生物。在植物修复中，根际微生物与植物可以形成联合(共)修复体系。微生物的存在能够降解有机污染物或改变污染物的存在形态，提高污染物的生物有效性，利于植物对污染物质的吸收，或者使有机污染物的植物毒性减小。破铜钱治理重金属污染的最新技术治理重金属污染的最新技术利用“铜草”吸收超标铜元素制成肥料，可解决另一
16、些缺铜的土壤问题。海洲香薷（铜草）人与自然和谐相处的范例根、茎、叶、花可以用来炼铜铜草吸收土铜草吸收土壤中过多的壤中过多的铜元素铜元素中国科学家利用蜈蚣草大规模修复污染土壤中国科学家利用蜈蚣草大规模修复污染土壤作用机理：蜈蚣草的毛状体对砷具有特殊的富集能力，羽片胞液是砷的主要储存部位，对砷具有明显的区隔化作用，砷毒因此被“密封”在蜈蚣草体内的安全部位，不会影响植物的整体生长发育。蜈蚣草富集砷的能力随着生长发育不断增强，且这种超富集特性可以遗传给下一代。蕨类植物蜈蚣草对重金属砷具有超常规吸收和富集能力吸收土壤中的重金属收获植物中的重金属元素提纯为有用的工业原料转基因技术治理土壤重金属污染转基因技
17、术治理土壤重金属污染原理：通过转金属硫蛋白基因植物治理被原理：通过转金属硫蛋白基因植物治理被 重金属尤其是被铅污染的土壤重金属尤其是被铅污染的土壤转基因烟草利用根部吸咐大量重金属（包括铅）而达到土壤净化的目的，且无二次污染。矮牵牛可吸附除去土壤中的重金属，又可美化周围环境或道路植物修复土壤重金属污染优点植物修复土壤重金属污染优点植物修复有两个特点：植物既可以从污染比较严重的土壤中萃取重金属，也植物修复有两个特点：植物既可以从污染比较严重的土壤中萃取重金属，也可以从轻度污染的土壤中吸收重金属；植物吸收具有选择性，能够直接针对可以从轻度污染的土壤中吸收重金属；植物吸收具有选择性，能够直接针对目标污
18、染物进行吸收；目标污染物进行吸收；植物修复技术通过萃取和浓集作用可极大地减少污染物的体积；植物修复技术通过萃取和浓集作用可极大地减少污染物的体积；适用植物修复的污染物范围广，如重金属、放射性核素、石油碳氢合物、爆适用植物修复的污染物范围广，如重金属、放射性核素、石油碳氢合物、爆炸物炸物成本低；成本低；较高的环境美学价值，易为社会接受；较高的环境美学价值，易为社会接受；增加土壤有机质含量，被植物修复过的干净土壤适合于多种农作物生长；增加土壤有机质含量，被植物修复过的干净土壤适合于多种农作物生长；能使地表长期稳定，有利于污染物的固定、生态环境改善和野生生物繁衍；能使地表长期稳定，有利于污染物的固定
19、、生态环境改善和野生生物繁衍；从超积累植物中可回收重金属。从超积累植物中可回收重金属。对于植物修复用作微肥的金属如铜、锌来说，富集重金属的植物在收割对于植物修复用作微肥的金属如铜、锌来说，富集重金属的植物在收割后可用作制作成微肥的原材料；后可用作制作成微肥的原材料；能永久性解决土壤中的重金属污染问题；能永久性解决土壤中的重金属污染问题；1）需针对不同的目标污染选用不同的生态型植物;2）对土壤肥力、地理气候、水分、盐度、酸碱度、排水 与灌溉系统等自然和人为的条件有一定的要求；3）一种植物往往只能吸收一种或两种重金属元素，对土 壤中其他浓度较高的重金属则表现为某些中毒症状；4）用于清理污染土壤的超
20、积累植物通常矮小、生物量低 生长缓慢、生长周期长，因而修复率低，不易于机械 化作业；5）用于清洁污染物的植物器官往往通过腐烂、落叶等途 径使污染物重返土壤；6）修复时间长（通常需要一个生长季节以上）7）土壤的处理一般只局限在地表1米以内；地下水的处 理只局限在地表的3米内。植物修复的不足之处植物修复的不足之处利用生物有机肥控制农田土壤污染利用生物有机肥控制农田土壤污染施用生物有机肥能够增加土壤有机质、土壤微生物，改善土壤结构，提高土壤的吸收容量。传统的有机肥：秸秆、动物粪便、绿肥等。益处益处新型生物有机肥：蚯蚓粪、微生物菌肥、海藻菌肥 第三节第三节 污染水体的生物修复污染水体的生物修复湖泊水体
21、富营养化的生物治理湖泊水体富营养化的生物治理富营养化（eutrophication）一词来源于希腊文，意为“富裕”。湖泊演化过程中的一种自然现象，在无人干扰的情况下，该过程十分缓慢，但是生态系统的破坏加快了它的进程。水体营养化天然富营养化：几千年甚至几万年人为富营养化：短短几年富营养化1）藻类增生 2）降低水体的透明度3）影响水体的溶解氧4）藻类的过度繁殖使水体产生腥臭味5）向水体释放有毒物质富营养化的危害富营养化的危害富营养化水体底层堆积的有机富营养化水体底层堆积的有机物质在厌氧条件下分解产生的物质在厌氧条件下分解产生的有害气体，以及一些浮游生物有害气体，以及一些浮游生物产生的生物毒素会伤害
22、水生动产生的生物毒素会伤害水生动物。物。富营养化水中含有亚硝酸盐富营养化水中含有亚硝酸盐和硝酸盐，人畜长期饮用这和硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的些物质含量超过一定标准的水，会中毒致病。水，会中毒致病。水体富营养化的产生原因水体富营养化的产生原因 农田化肥农田化肥牲畜粪便牲畜粪便污水灌溉污水灌溉城镇地表径流城镇地表径流 矿区地表径流矿区地表径流大气沉降大气沉降水体人工养殖水体人工养殖消除湖泊富营养化的关键问题在于削减湖泊水体的氮、磷以及底泥有机碳和氮、磷的负荷，消除水体中藻类疯长的基础，达到降低水体藻类生物量、提高水体透明度的目的。富营养化的控制富营养化的控制1）除磷脱氮削减有机
23、碳 2）化学除藻：硫酸铜3）生物除藻：利用植物净化系统、食物链、微生物4）源头控制原理：浮岛上植物的根系扎在水中，借用植物生长来吸收水体中的氮、磷等营养物质，从根本上解决水污染问题。采用采用“生物浮岛改善水质技术生物浮岛改善水质技术”来治来治“水华水华”苏州河的“水上花园”生物浮岛宁波城区内河营建“水上生态公园”湖北“月湖生态修复工程”基地的人工浮岛利用大型海藻治理海水富营养化新技术利用大型海藻治理海水富营养化新技术大型海藻在生长过程中可大量吸收C、N、P 等植物营养元素,有效促进水生态系统碳循环和减缓富营养化。条斑紫菜海带龙须菜大型海藻治理海洋富营养化优势大型海藻治理海洋富营养化优势人工栽培
24、海藻的生长速度快,单位面积产量很高,且海藻产品容易收获。大型海藻的生理特点是通过光能进行光合作用。海洋赤潮的生物防治海洋赤潮的生物防治赤潮的成因 携带大量无机营养盐和有机 物的工业废水和生活污水排入大海。排入大海中的污水所含的氮和磷较高，是赤潮产生的主要原因。重金属的铁和锰等微量元素以及一些特殊的有机物质，如维生素B1、B2、叶绿素a等也是赤潮发生的刺激因素。赤潮发生时，大量赤潮生物覆盖水面，空气的氧气不易进入，而且死亡的赤潮生物极易被生物分解，从而耗尽海水中的溶解氧，使得海水呈缺氧甚至无氧状态，导致海洋生物大量死亡。赤潮的危害赤潮的危害赤潮严重威胁人类的生命安全。赤潮生物富集的有毒物质通过食
25、物链传递到人体。地下水污染的生物治理地下水污染的生物治理 污染地下水的生物修复污染地下水的生物修复生物注射法有机粘土法抽提地下水系统和回注系统相结合法生物反应器法将加压后的空气通过空气井注射污将加压后的空气通过空气井注射污染地下水，气流加速地下水中有机染地下水，气流加速地下水中有机物的挥发和降解物的挥发和降解,同时增加水中溶解同时增加水中溶解氧的含量，为工程菌分解有机污染氧的含量，为工程菌分解有机污染物创造了良好的生态环境。物创造了良好的生态环境。将抽提地下水系统和回注系统（注入空气将抽提地下水系统和回注系统（注入空气、营养营养物和己驯化的微生物）结合起来，促进有机物的物和己驯化的微生物）结合
26、起来，促进有机物的生物降解。这种处理方法费用较低、时间短，是生物降解。这种处理方法费用较低、时间短，是修复污染地下水有效方法。修复污染地下水有效方法。是抽提和回注地下水系统相结合方法的是抽提和回注地下水系统相结合方法的强化。从地下抽出的受污染的地下水被强化。从地下抽出的受污染的地下水被送入建立在地面的污水处理系统之中；送入建立在地面的污水处理系统之中；经处理后的地下水通过修灌系统回到土经处理后的地下水通过修灌系统回到土壤内，同时将营养物、溶解氧和已驯化壤内，同时将营养物、溶解氧和已驯化的工程菌带入地层，使生物降解过程在的工程菌带入地层，使生物降解过程在土壤及地下水层得到加速进行。土壤及地下水层得到加速进行。化学吸附和生物降解有机结化学吸附和生物降解有机结合的原位处理方法。向地下合的原位处理方法。向地下水中注入季铵盐阳离子表面水中注入季铵盐阳离子表面活性剂；可在现场形成有效活性剂；可在现场形成有效的吸附区，控制污染物在地的吸附区，控制污染物在地下水中的迁移，同时工程菌下水中的迁移，同时工程菌降解富集在吸附区的有机污降解富集在吸附区的有机污染物，从而彻底消除地下水染物，从而彻底消除地下水的有机污染。的有机污染。
