第十章 污染环境的微生物净化与修复

第十章污染环境的微生物净化与修复第一节有机污染物的微生物降解与转化自然界中化学物质的降解方式有：光降解化学降解生物降解：指微生物对有机物的破坏与矿化作用，包括生物的降解能力、有机物降解的难易程度以及有机物的降解途径等生物转化：指各种有机物通过生物的吸收和代谢而改变形成或转变成另一种物质的过程。

一、微生物降解有机污染物的潜力微生物个体微小，比表面积大，代谢速率快微生物种类繁多，分布广泛，代谢类型多样微生物降解酶微生物繁殖快，易变异，适应性强微生物体内的调控系统——质粒二、工程菌的构建质粒分子育种o降解性质粒：编码某些有机化合物代谢途径的质粒。

通过接合、转化或转导，降解性质粒可由一个菌株转移至另一个菌株。

美国生物学家查克拉巴蒂用连续融合法构建了“多质粒超级菌株”解芳烃、解多环芳烃、解萜烃、解脂肪烃o质粒分子育种（PAMB）：是美国Chakrabarty等人提出的一种培育新功能菌株的方法。

在施加选择性压力的条件下，将多种微生物置于恒化器中长期混合培养，通过微生物之间质粒的自然传递，使某些菌株获得外来降解性质粒而具有新的代谢功能。

基因工程育种o基因工程：指把外源DNA通过具有复制能力的载体分子（如质粒、噬菌体、病毒等）形成重组DNA分子，导入到不具有这种重组分子的受体细胞内，进行稳定的复制和表达，使受体产生新的生物性状的操作过程。

o基因工程操作步骤：▪基因分离▪基因提取▪酶促合成▪化学合成▪DNA体外重组▪载体传递▪复制与表达▪筛选与繁殖三、有机污染物的可生物降解性可生物降解性可生物降解性：在微生物作用下大分子有机物转变成小分子化合物的可能性，包括降解转化历程、终产物的稳定性、矿化程度、毒性等。

研究可生物降解性的意义：1. 可预测环境行为2. 指导工作3. 源控制：清洁生产；废物回收利用；改进工艺，杜绝污染；为产品设计提供依据等根据微生物的降解能力，有机污染物的分类：1. 可生物降解性物质2. 难生物降解性物质3. 不可生物降解性物质∙可生物降解性的评定∙基质可生物氧化率用活性污泥作为测定用的微生物，单一的被测的有机物作为底物，在瓦氏呼吸仪上检测其耗氧量，与该底物完全氧化的理论需氧量相比，即求得被测化合物的生物氧化率。

不同有机物的生物氧化率∙基质生化呼吸线内源呼吸线：当活性污泥微生物处于内源呼吸时，利用的基质是微生物自身的细胞物质，其呼吸速率是恒定的，耗氧量与时间的变化呈直线关系，称为内源呼吸线。

生化呼吸线：也称基质耗氧线，是指微生物分解基质的耗氧量随时间的变化曲线。

把各种有机物的生化呼吸线与内源呼吸线加以比较，可出现如下三种情况：o（1）生化呼吸线位于内源呼吸线之上。

说明该有机物或废水可被微生物氧化分解。

两条呼吸线之间的距离越大，说明该有机物或废水的生物降解性越好。

o（2）生化呼吸线与内源呼吸线之间几乎重合，表明该有机物不能被活性污泥微生物氧化分解，但对微生物的生命活动无抑制作用。

o（3）生化呼吸线位于内源呼吸线之下，说明该有机物对微生物产生了抑制作用，生化呼吸线越接近横座标，则抑制作用就越大。

测BOD5与CODcr之比BOD：是废水中可生物降解的那部分有机物在微生物作用下，氧化分解所需的氧量。

BOD5：五日生化需氧量，它相当于比较容易被异养微生物分解利用的有机物量。

COD：是有机物在化学氧化剂作用下，氧化分解所需的氧量。

当采用重铬酸钾作氧化剂时，除一部分长链脂肪族化合物、芳香族化合物和吡啶等含氮杂环化合物不能氧化外，大部分有机物（约80－100％）能被氧化。

所以CODcr常被近似地当作废水中全部有机物。

根据BOD5/CODcr比值的大小，可推测废水的可生物降解性。

一般认为：BOD5/CODcr ＞0.4，生化性较好，降解速率较快＞0.30，可生化，降解速率一般0.2＜0.30，较难生化，降解速率较慢＜0.20，不宜生化，降解速率很慢测定相对耗氧速率曲线耗氧速率：单位生物量在单位时间内的耗氧量。

生物量可用活性污泥的重量、浓度或含氮量来表示。

如果测定时生物量不变，改变底物浓度，便可测得某种有机物在不同浓度下的耗氧速率，把它们与内呼吸耗氧速率去比，就可得出相应浓度下的相对耗氧速率，据此可作出相对耗氧速率曲线。

以有机物或废水浓度为横座标，以相对耗氧速率为纵坐标，所作的不同物质（或废水）的相对耗氧速率曲线可能有如下几种情况：oa.表明基质无毒，但不能被活性污泥微生物所利用；o b.基质无毒无害，可被活性污泥微生物降解，在一定范围内相对耗氧速率随基质浓度增加而增加；o c.表明基质有毒，但在低浓度时可生物降解，并随基质浓度的增加，相对耗氧速率可逐渐增加，超过一定浓度后相对耗氧速率降到100%时，便到了活性污泥微生物忍受的限界浓度，这时，对外源底物的生物降解已完全被抑制。

o d.表明基质有毒，不能被微生物利用。

∙动态模型法：采用生物处理模型∙厌氧生物降解：产甲烷活性的测定∙可生物降解性与化学结构的关系有机污染物生物降解的难易程度不仅与生物特性不关，同时也与有机污染物的特性有关。

污染物的化学结构对生物降解性的影响作用规律如下：o对于烃类化合物，一般链烃比环烃易降解，直链烃比支链烃易降解，不饱和烃比饱和烃易降解。

o当有机化合物主要分子链上的碳被其他元素取代时，对生物降解的阻抗性加强，其中以氧的影响最为显著（醚很难被生物降解），其次为硫和氮。

o每个碳原子上至少保持一个氢碳键的有机物，其支链对生物降解的阻抗较弱。

相反，当碳原子上的氢全部被烷基或芳基取代时，就会产生很强的阻抗作用。

o相对分子质量的大小是影响有机物生物降解的重要因素。

对聚合和复合而成的高分子化合物，由于微生物及其酶系统不能触及化合物铁内部，袭击其敏感的化学键，可生物降解性降低。

o官能团的性质、多少以及有机物的同分异构作用，对可生物降解性影响很大。

当苯环上的氢被羟基或胺基取代而形成酸和苯胺时，可生物降解性提高。

卤代作用则降低苯的可生物降解性。

伯、仲醇易被微生物降解，而叔醇却对生物降解有很强的阻抗作用。

o有机化合物与其他成分混合，可改变生物降解的性能。

很多不饱和有机物，可发生聚合作用而降低生物降解性能。

两种或两种以上的化合物形成的复合物，也可降低生物降解性能。

具有被取代基团的有机化合物，其异构体的多样性可影响生物降解能力。

一般情况下，有机物的支链愈多，愈难降解。

取代基的数量不同，其降解性也不同。

降解速度（QSBR）＝a lg空间参数＋b lg基团的理化结构参数第二节污染环境的自净作用污染水体的自净o水体污染：由于人类活动排放的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，水和水体底泥的物理、化学性质或生物群落组成发生变化从而降低了水体的使用价值的现象。

▪病原体污染▪需氧物质污染▪植物营养物质污染▪石油污染▪有毒化学物质污染o水体自净水体自净作用（water self-purification）：水体受到污染后，在物理、化学和生物的作用下，逐步消除污染物达到自然净化的过程。

▪有机污染物的浓度逐渐由高变低。

▪生物相发生一系列演变。

首先，异养型细菌迅速氧化分解有机污染物而大量增殖，直至达到峰值；然后，原生动物出现，它们以细菌为食而旺盛生长，数量渐达高峰；最后，由于有机物被矿化，稀放的营养物质促进了藻类的生长，使藻类得以生长并出现高峰。

▪随着需氧微生物对有机物氧化分解，溶解氧被大量消耗，很快降到低谷；随后，由于有机污染物的彻底矿化，耗氧能力减弱；另外，由于藻类光合放氧和空气氧的扩散补充，溶解氧渐渐恢复到原来的水平。

在这自净过程中有物理、化学和生物学的作用：▪物理作用－河流自身的稀释作用和有机颗粒的下沉作用，▪化学作用－氧化还原反应、酸碱中和等，▪生物作用－生物有机体对无机物和有机化合物的同化和异化作用。

其中，最主要最活跃的生物是细菌。

捕食细菌的原生动物及其他微型动物也起很大作用。

水体自净过程的标志：▪氧垂曲线：水体中存在的生物群如果把天然水体的自净原理应用到水污染治理的实际中去，即通过人工强化的方法就可形成废水生物处理的工艺过程。

∙污染土壤的自净o土壤污染o植物残毒o土壤自净第三节污染环境的生物修复∙生物修复概述生物修复：指人为利用微生物和其他生物的代谢活动，现场将污染环境（如土壤、地下水和海洋）中的污染物（如有毒有机污染物）现场降解成CO2和水或转化成无害物质，使环境恢复到受污染前的状态的过程。

o生物修复的优点▪费用省▪副作用少▪残留浓度低▪独特的应用场合▪生物修复技术可以同时处理受污染的土壤和地下水o生物修复的局限性▪必须存在具有代谢活性的微生物▪这些微生物必须有一定的降解速率，并能使污染物浓度降低到环保标准▪这些微生物必须没有毒性产物▪污染场地必须不含降解菌的抑制剂，否则需预处理▪污染场地必须有足够的营养物质、氧气和其他电子受体，适宜的温度和温度▪处理费用必须低于其他技术o生物修复存在的主要问题▪微生物不能降解进入环境的所有污染物▪微生物会阻塞生物修复所需的构筑物▪微生物活性受当地温度和其他条件的影响生物修复的技术要点o营养物质：N、Po电子受体：溶解氧、硝酸盐、硫酸盐、高价铁、有机物分解的中单产物。

o共代谢基质o有机污染物的理化特性：化学品的类型、化学品的性质、化学反应、环境介质吸附参数、降解性等提高生物修复效果的综合对策障碍因子对策实例1.微生物无降解性种群降解菌数量低外源接种补充N,P原地富集固定化降解菌的生物强化(PU微胶丸)采用白腐菌增强油污染土壤PHA降解，Brokkord(1992)微胶丸包埋Flavobacterium降解PCP，Crawford(1992)2.污染物低生物利用率非微生物生长基质降解酶合成受抑制改变污染物物性投加共基质用污染物类似物诱导加亲油剂增加油-细胞接触面(Atlas1992)用苯甲酸作为降解PCBs菌株Acinetobacter的共基质代谢PCBs(Adrient 1992)加联苯诱导强化土壤PCBs降解(Brauner 1985)3.环境因子极端物理条件(缺乏电子供体) 改变条件使之适宜微生物生长和代谢投加产氧剂，建立丙(撑)二酸降解所需的好氧环境(Hoover，1995)。

投加磷酸盐缓冲液和淀粉，建立TNT降解所需的厌氧环境 (Funk，1995)。

投加短链脂肪酸，强化2,4-D还原脱氯降解速率 (Gibson，1990)∙∙生物修复工艺o原位生物修复工艺：向污染点直接提供接种物、氧气、营养物，从而使污染物降解的生物修复方法。

主要包括P/T法、渗滤法、生物通气法和空气扩散法等。

o非原位固相生物修复工艺：将受污染的土壤和沉积物移离原地，在异地进行处理的生物修复方法。

主要有土地耕作法、堆肥法和生物堆层法。

o非原位液相生物修复工艺：主要包括生物反应器法、土壤泥浆反应器法和稳定塘处理法。