1、9 污染环境微生物修复的生物化学原理环境生物化学环境生物化学 9.19.1污染环境微生物污染环境微生物修复概念修复概念 微生物修复是利用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一个受控或自发进行的过程，这是狭义的定义。也可以表述为：微生物修复是利用土著的、引入的微生物和微生物制剂及其代谢过程，或其产物进行的消除或富集有毒物的生物学过程。环境生物化学环境生物化学 环境微生物修复技术主要由三方面的内容组成：利用土著微生物代谢能力的技术；活化土著微生物分解能力的方法；添加具有高速分解难降解化合物能力的特定微生 物(群)的方法。环境生物化学环境生物化学 9.29.2污染环境微
2、生物污染环境微生物修复的机理修复的机理 受污染的环境中有机物主要是通过微生物的代谢活动将其降解转化。因此，在微生物修复中首先需考虑适宜微生物的来源及其应用技术。其次，微生物的代谢活动需在适宜的环境条件下才能进行，因此我们必须人为提供适于微生物起作用的条件，以强化微生物对污染环境的修复作用。环境生物化学环境生物化学 9.2.1 9.2.1 用于生物修复的微生物用于生物修复的微生物（1）土著微生物（2）外来微生物（3）基因工程菌环境生物化学环境生物化学 9.2.2 9.2.2 微生物对有机污染微生物对有机污染物的修复机理物的修复机理 9.2.2.1 9.2.2.1 微生物基质代谢的生理过程微生物基
3、质代谢的生理过程 异生素作为基质的代谢基本过程和其他化合物的代谢相似，可能包括如下过程：(1)向基质接近 (2)对固体基质的吸附 (3)胞外酶的分泌 (4)基质的跨膜运输过程 环境生物化学环境生物化学 微生物降解有机物有两种方式：第一，通过微生物分泌的胞外酶降解；第二，污染物被微生物吸收到微生物细胞内后，由胞内降解。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，基团扩散，基团转位，胞饮作用等。主动运输:微生物在生长过程中所需要的各种营养物质主要以主动运输的方式进入细胞内部。主动运输需要消耗能量，也需要载体蛋白的参与。被动扩散:扩散的速度取决于细胞膜两边该物质浓度差,不
4、消耗能量。环境生物化学环境生物化学 促进扩散:在运输过程中不需要消耗能量,运输速度取决于细胞膜内外两边的浓度差，但促进扩散需要借助于位于细胞膜上的一种载体蛋白参与物质运输。基团转位:是另一类类型的主动运输，在物质运输过程中，除了物质分子发生化学变化外，其他特点都与主动运输相同。胞饮作用:其可能机制包括:第一,通过疏水表面突出物的作用把烷烃吸附到细胞表面;第二,烷烃通过孔和沟穿透坚硬的酵母细胞壁,而聚集在细胞质表面;第三,通过未修饰烷烃的胞饮作用把烷烃转移到细胞内的烷烃氧化部位。环境生物化学环境生物化学 9.2.2.2 9.2.2.2 污染物质的污染物质的生物迁移转化途径生物迁移转化途径 污染物
5、进人环境中会通过各种途径发生迁移与转化，自然力与生物的作用是污染物发生迁移转化的最重要的力量，而稀释扩散、降解、沉积、生物富集等是转化的最主要的途径。转化可以发生在某个环境中，或者不同的环境之间，或者生物体内，或者在生物体与环境之间。总之，是在环境、污染物与生物三者构成的复合系统中的多向转化。环境生物化学环境生物化学 (1)污染物质的扩散迁移 污染物质从污染源排放进人环境中，由于存在的浓度梯度，污染物质必然在环境中发生扩散，从污染源的高浓度区域向周围的低浓度区域扩散。在不受任何其他环境因子影响的条件下，扩散过程依赖于污染物质的分压差或者浓度差.污染物进人环境后,作用于污染物的环境因素很多,影响
6、污染物扩散的因素主要是环境介质的运动。污染物质在不同类型的介质中扩散度有显著的差别,一般而言,在空气中扩散度比水中的扩散度大得多，在固体中的扩散则更难，扩散度以扩散系数表示。环境生物化学环境生物化学 (2)吸附与沉积 吸附就是在两相介质的界面上发生的沉淀，包括吸持和吸收。吸持是指污染物从一种介质向固体介质表面的迁移运动，吸收是指污染物质到达固相表面后，由于静电、络合、化学键或沉淀作用等与表面的粘着作用。污染物质的沉积主要是指污染物质从液相中转移至沉积物固相中。环境生物化学环境生物化学 (3)微生物对污染物质的吸收 吸收是生物的主动过程，当生物与污染物质同处某一介质中，互相具有接触的机会。生物体
7、在与污染物质接触的过程中，主动以某种方式获取该物质。一般而言，污染物质必须通过细胞膜方能被微生物细胞吸收。大部分被吸收的物质可以在微生物细胞体内进行代谢，吸收、代谢与排泄构成一个完整的代谢过程，大多数时候污染物质就在这个过程中被降解。环境生物化学环境生物化学 (4)污染物质的降解与累积 污染物的生物降解途径是因生物活动对污染物质的代谢所引起的污染物质分子结构的变化，微生物通过吸收污染物质进人细胞体内，在一系列酶促反应的作用下进人某个代谢过程，从而转化为另一种物质或者某种中间产物，然后再释放到细胞体外，使污染物质获得某种程度的降解。环境生物化学环境生物化学 影响生物降解的因素主要有如下几个方面:
8、脂肪族和环状化合物较芳香族化合物容易被生物降解。不饱和脂肪族化合物一般是可生物降解的，但有些不饱和矜肪族化合物（如苯代亚乙基化合物）有相对不溶性，影响生物降解的程度。如果有机化合物分子的主链上除碳元素外还有其他元素粉，就会增加对生物降解的抵抗力。环境生物化学环境生物化学 有机化合物分子的大小对生物降解能力有重要影响。聚合物和复合物的分子能抵抗生物降解。具有取代基团的有机化合物，其异构体的多样性可能影响生物降解能力。增加或去除某一功能团会影响有机化合物的生物降解程度，如卤代作用能抵抗生物降解。环境生物化学环境生物化学 （5）污染物质的生物富集 污染物质在生物体内可以造成积累，通过污染物质在食物链
9、上的浓缩而引起的生物体内的污染物质的高浓度积累。生物富集常用浓缩系数或者富集系数来描述，即指生物体内某种污染物质的浓度与它所生存的环境中该物质的浓度的比值。描述某种生物对某种污染物质的浓缩系数时，应该采用达到动态平衡时的浓缩系数。该系数能表明这类生物对某污染物质的生理代谢能力。环境生物化学环境生物化学 （6）污染物质的生物转化 污染物质在环境中的转化是污染物质降解的关键过程，特别是一些大分子难降解有机物，要经过一系列的转化过程方可达到降解。生物转化是大分子难降解有机物在环境中发生转化的最重要的过程。环境生物化学环境生物化学 9.39.3污染环境微生物修复中污染环境微生物修复中的生物化学原理的生
10、物化学原理1 2 3 4土土壤壤污污染染微微生生物物修修复复地地下下水水污污染染修修复复大大气气污污染染微微生生物物修修复复固固体体废废弃弃物物生生物物处处理理环境生物化学环境生物化学 9.3.1土壤污染微生物修土壤污染微生物修 复中的生物化学原理复中的生物化学原理 通过利用营养和其他化学品来激活微生物，使它们能够快速分解和破坏污染物。其作用原理是通过为土著微生物提供最佳的营养条件及必需的化学物质，保持其代谢活动的良好状态，实现微生物修复。环境生物化学环境生物化学 （1）污染物的微生物）污染物的微生物分解与固定分解与固定 污染物的微生物分解污染物的微生物分解 微生物可以利用污染物进行生长与繁衍
11、，从而将污染物降解转化为毒性小的产物以及彻底氧化为二氧化碳和水。有机污染物对微生物生长有两个基本的用途：a.为微生物提供碳源，这些碳源是新生细胞组分的基本构建单元；b.为微生物提供电子，获得生长所必需的能量。环境生物化学环境生物化学 微生物通过氧化还原反应获取能量，在反应过程中有机污染物被氧化，是电子的丢失者（或电子捐献者），获得电子的化学品被还原，是电子的接受者（图9-1）。图9-1 微生物在降解污染物过程中获得它们自身生长和繁殖的能量环境生物化学环境生物化学 微生物对污染物的固定微生物对污染物的固定 微生物除将污染物降解转化外，还可改变污染物的移动性，即将其固定，最基本方法有：a.生物屏障
12、法 微生物可以吸收疏水性有机分子，可以使微生物在污染物迁移过程中阻止或减慢污染物的运移。环境生物化学环境生物化学 b.氧化还原沉淀法 具有还原或氧化金属能力的微生物种属，通过微生物的氧化-还原作用使金属产生沉淀。c.键合法 微生物可降解键合在金属上并与金属保持在溶液中的有机化合物，被释放的键合金属可产生沉淀而固定下来。环境生物化学环境生物化学 （2）微生物基础代谢）微生物基础代谢活动的变异活动的变异 变异允许微生物在异常环境（如地下水）下繁衍并降解有毒物质或降解对其他微生物无益的化合物。厌氧呼吸作用无机化合物作为电子给予体发酵共代谢与二次利用 还原脱卤作用环境生物化学环境生物化学 微生物的营养
13、需求微生物的营养需求 微生物细胞是由相对固定的元素组成。典型的细菌细胞组成为 50碳，14%氮，3磷，2钾，1硫，0.2铁，0.5钙，镁和氯。微生物所需要的营养可以分为两大类：大量营养元素，如氮、磷、钾等；无机盐及微量元素，如微量金属（铁、镁、锌、铜、钻、镍和硼）以及维生素等。环境生物化学环境生物化学 9.3.2地下水污染修复中地下水污染修复中的生物化学原理的生物化学原理 在地下水微生物修复中，可以采用的微生物从其来源可分为土著微生物、外来微生物和基因工程菌。在地下水微生物修复过程中，微生物利用污染物质作为自身生长繁殖的基质。在微生物的代谢过程中，大多数污染物被微生物利用来获得生长、繁殖所需的
14、碳源及能量，从而达到去除污染物的目的。环境生物化学环境生物化学 影响微生物修复的因素：影响微生物修复的因素：a.电子受体的可获得性。电子受体不同，微生物的代谢方式也不同，如右表所示：类型类型电子供体电子供体电子受体电子受体最终产物最终产物好氧呼吸厌氧呼吸发酵有机物NH4+Fe2+S2-有机物有机物H2H2有机物O2O2O2O2NO3-SO42-SO42-CO2有机物CO2、H2ONO2-、NO3-、H2OFe3+SO42-N2、CO2、H2O、Cl-S2-、H2O、CO2、Cl-S2-、H2OCH4、H2O简单有机物、CO2、CH4环境生物化学环境生物化学 不同类型的电子受体参与生物降解反应需
15、要相应的氧化还原电位，如图：环境生物化学环境生物化学 b.土壤结构对于微生物修复技术应用的可行性和效率的影响最大。c.污染物在土壤和地下水中以不同形态存在，其对微生物的影响也各不相同。d.微生物修复在很大程度上还取决于地下水的环境因素，主要包括温度、pH值、盐度等。环境生物化学环境生物化学 9.3.3 大气污染的微生物大气污染的微生物修复原理修复原理9.3.3.1无机废气的生物修复无机废气的生物修复 煤的微生物脱硫煤的微生物脱硫 煤炭中的硫分主要包括有机硫、无机单质硫、黄铁矿（FeS2）以及少量的硫酸盐硫。煤的生物脱硫原理是：利用某些嗜酸耐热菌在生长过程中消化吸收Fe3+、S等的作用，从而促进
16、黄铁矿硫的氧化分解与脱除。煤的微生物脱硫总反应可以用下式描述：2FeS2+7.5O2+H2O2Fe3+SO42-+2H+环境生物化学环境生物化学 微生物法脱氮微生物法脱氮 微生物净化NOx过程。原理：适宜的脱氮菌在有外加碳源的情况下，利用NOx作为氮源，将NOx还原为最基本无害的N2，而脱氮菌本身获得生长繁殖。脱氮菌及菌种培养。各种脱氮菌的最初培养一般都是用含硝酸盐、有机碳基质的培养基在厌氧或缺氧、并保证合适的温度和酸碱条件下培养3周至1个月，然后用于下一步的挂膜或用NOx进行驯化。微生物的存在形式可分为悬浮生长系统和附着生长系统两种。环境生物化学环境生物化学 9.3.3.2有机废气的微生有机
17、废气的微生物修复原理物修复原理 有机废气微生物修复是利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能源或其他养分，经代谢降解，转化为简单的无机物及细胞组成物质。用生物反应器处理有机废气，一般主要经历如下几个步骤：a.废气中的有机物同水接触并溶于水中，使气相中的分子转移到水中；b.溶于水中的有机物被微生物吸收，吸收剂被再生复原，继而再用以溶解新的有机物；c.被微生物细胞所吸收的有机物，在微生物的代谢过程中被降解、转换成为微生物生长所需的养分或CO2和H2O。环境生物化学环境生物化学 根据微生物在工业废气处理过程中存在的形式，可将其处理方法分为生物洗涤法（悬浮态）和生物过滤法（固着态）两类，其中生物
18、过滤法中包括生物滴滤池法。生物洗涤法生物洗涤法 生物洗涤法是利用微生物、营养物和水组成的微生物吸收液处理废气，适合于吸收可溶性气态物。环境生物化学环境生物化学 生物洗涤法的反应装置由一个吸收室和一个再生池构成，如图：环境生物化学环境生物化学 生物过滤法生物过滤法生物过滤法修复废气装置如下图：环境生物化学环境生物化学 9.3.4固体废弃物生物处固体废弃物生物处理中的生物化学原理理中的生物化学原理 城市垃圾、城市污水处理厂产生的干污泥和农业废弃物三大类固体废弃物都含有大量的有机物，通过微生物的活动，可以使之稳定化、无害化、减量化和资源化，其主要的处理方法有卫生填埋、堆肥、沼气发酵和纤维素废物的糖化
19、、蛋白质化、产乙醇等等。环境生物化学环境生物化学 9.3.4.1堆肥堆肥好氧堆肥法好氧堆肥法。在有氧的条件下，通过好氧微生物的作用使有机废弃物达到稳定化、转变为有利于作物吸收生长的有机物的方法，本质上是基质微生物的发酵过程，可以用下式表示：C、O、H、N、S、P+O2好氧微生物细菌、真菌、放线菌CO2+N2O+NO3+SO42-+简单有机物+更多的微生物+热量环境生物化学环境生物化学 堆肥的微生物学过程：a.发热阶段；b.高温阶段；c.降温和腐熟保肥阶段 堆肥中微生物的种类和数量，往往因堆肥的原料来源不同而有很大不同。对于农业废弃物，以一年生植物残体为主要原料的堆肥中，常见到以下微生物相变化特
20、征：细菌、真菌纤维分解菌放线菌能分解木质素的菌类。在以城市污水处理厂剩余污泥为原料的堆肥中，可见如下表所示的微生物相变化：环境生物化学环境生物化学 污泥堆肥中的微生物相（污泥堆肥中的微生物相（105/g干土）干土）微生物种类 堆制天数（d）03060好气性细菌厌气性细菌放线菌真菌类氨化细菌氨氧化细菌亚硝酸氧化菌 脱氮菌 好气性细菌/放线菌 80113610.28.434430.081300 78.51921.85.516.5240140.00399003491130.973.70.36440.370.00320030环境生物化学环境生物化学 厌氧推肥法厌氧推肥法。在不通气条件下，将有机废弃物(
21、包括城市垃圾、植物秸杆、污水处理厂的剩余污泥等)进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。影响堆肥效果的因素：影响堆肥效果的因素：a.微生物的种类 b.堆料中要有足够的有机物 c.保持适当通风和水分 d.保持适宜的PH值 e.堆面泥封 环境生物化学环境生物化学 9.3.4.2卫生填埋卫生填埋（1）填埋坑中微生物的活动过程）填埋坑中微生物的活动过程 a好氧分解阶段 b厌氧分解不产甲烷阶段 d稳定产气阶段 c厌氧分解产甲烷阶段 环境生物化学环境生物化学 （2）填埋场渗沥水）填埋场渗沥水 垃圾分解过程中产生的液体以及渗出的地下水和渗入的地表水，统称为填埋场渗沥水。渗沥水的性质主要取决于所
22、埋垃圾的种类。渗沥水的数量取决于填埋场渗沥水的来源、填埋场的面积、垃圾状况和下层土壤等等。为了防止渗沥水对地下水的污染，需在填埋场底部构筑不透水的防水层、集水管、集水井等设施将产生的渗沥水不断收集排出。环境生物化学环境生物化学 （3）填埋场气体收集）填埋场气体收集 垃圾填埋以后，由于微生物的厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢气、硫化氢、氯气等气体。填埋场的产气量和成分与被分解的固体废物的种类有关，并随填埋年限而变化。由于填埋场中存在着许多不能控制因素，所以用各种方式进行估算的结果与实际情况偏离很大。环境生物化学环境生物化学 9.3.4.3厌氧发酵（消化）厌氧发酵（消化）不管是作物秸秆、树干茎叶、人畜粪便、城市垃圾，还是污水处理厂的污泥，都是厌氧发酵的原料。在发酵过程中，废物得到处理，同时获得能源。固体废弃物的厌氧发酵(消化)过程影响因素如下：有机物投入量 营养 粒度环境生物化学环境生物化学 发酵温度 发酵槽的搅拌 厌氧状态 加温 平均滞留时间 pH的影响
