第五章_受污染环境的修复

异位生物修复
(3)厌氧处理
厌氧处理对于某些具有高氧化状态的污染物 的降解，如三硝基甲苯，多氯取代化合物 （PCB等），比耗氧处理更为有效。
四、生物修复的优缺点
• • 优点：现场、原位、彻底、低耗 缺点：
1. 有的不能修复 2. 有的降解后毒性更大 3. 前期费用较高
第二节 植物修复技术 • 一、概述
pGEX 4T digested BamHI and EcoRI by
EcoRI
pT-fpg vector digested by BamHI/ EcoRI and fpg gene was recovered
RecoHale Waihona Puke Baidubinant pGEX-fpg
构建结果
2000bp 1000bp
750bp 500bp 250bp
亚铁离子（ Fe2+）时，与过氧化氢发生作用，
能够产生高反应活性的羟基自由基（ OH ·）
的试剂。
Fenton反应体系中，过氧化氢产生羟基自由 基的总反应方程为： 酸性条件下 Fe2++H2O2——Fe3++O2+OH· Fenton反应生成的OH · 能快速降解多种有机 化合物：
RH+ OH · ——H2O + R ·
（2）植物分泌物的降解作用
植物的根系可向土壤环境释放大量分泌物，
其数量约占植物年光合作用的10％－20％。
植物产生的各种天然有机物或酶类，可以促进
有机污染物在植物体外发生生物降解。 酶对污染物的降解起到关键作用。
（3）增强根际微生物降解 直接围绕在植物根周围的土壤环境，一般 称作根际。植物根系分泌一些物质及酶进入土 壤，不但可以降解有机污染物，还向生活在根 际的微生物提供营养和能量，支持根际微生物 的生长和活性，使根际环境的微生物数量明显 高于非根际土壤，生物降解作用增强。 根冠细胞和分泌物是根区微生物生长的重 要营养源。
第三节 化学氧化技术
一、概述
化学氧化修复技术是利用氧化剂的氧化性
能，使污染物氧化分解，转变成无毒或毒性较
小的物质，从而消除土壤和水环境中的污染。
深度氧化技术，是相对于常规氧化
技术而言的，指在体系中能产生具有高
度反应活性的自由基（如羟基自由基），
充分利用自由基的活性，快速彻底地氧 化有机污染物的处理技术。
100bp
1
2
M
1
2
3
M
4
5
6
fpg 融合基因克隆与构建结果
PCR products of TP-PCR method
表达载体构建结果
116.0kD 66.2 kD 45.0 kD 35.0 kD 25.0 kD 18.4 kD 14.4 kD
1 2 3 4 5 6 7 8
M1 2 3 4 5 6 7 8 M
第五章 受污染环境的修复
第一节 微生物修复技术
• 一、概述
微生物修复技术是指通过微生物的作用清
除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害
化的过程，包括自然和人为控制条件下的污染 物降解或无害化过程。
微生物修复（源分类）
• 自然修复过程 利用土著微生物的条件：
1. 2. 3. 4. 充分和稳定的地下水流 有微生物可利用的营养物 有缓冲pH的能力 有使代谢能够进行的电子受体
Trafficking and sequestration
三、植物修复有机污染物的过程 和机理
（1）直接吸收 有机污染物被植物吸收以后，可直接以 母体化合物或以不具有植物毒性的代谢产物的 形态，通过木质化作用在植物组织中贮藏，也 可代谢或矿化为水和CO2等，或随植物的蒸腾 （呼吸）作用排除植物体。
二、高锰酸钾氧化法
（1）高锰酸钾在酸性溶液中有很强的氧化性 MnO4-+8H++5e-——Mn2++4H2O 标准氧化还原电位为E＝1.51V （2）高锰酸钾在中性溶液中氧化性要低得多 MnO4-+2H2O+3e-——MnO2+4OH标准氧化还原电位为E=0.588V (3)高锰酸钾在碱性溶液中的氧化性也较弱 E＝0.564V (4)高锰酸钾氧化有机污染物的机理——在酸性条件下， 它是通过提供氧原子而不是通过生成羟基自由基进行 氧化反应
三、强化生物修复的主要类型
• 原位强化修复技术
1. 生物强化法 2. 生物通气法 3. 生物注射法 4. 生物冲淋法 5. 土地耕作法
原位强化修复技术
（1）生物强化法
在生物处理体系中投加具有特定功能的微 生物来改善原有处理体系的处理效果。
芳香烃降解fpg 基因的
构建与表达策略
BamHI Fgp gene
重组pGEX4T-fpg 载体构建及fpg基因的表达结果 Construction of pGEX4T-fpg and fpg expression results
质粒转化
携带有fpg融合基因表达蛋白的大肠杆菌（左）和野生菌 （右）荧光显微镜下形态
原位强化修复技术
（2）生物通气法
用于修复受挥发性有机物污染的地
植物修复技术直接利用各种活体植物，通 过提取，降解和固定等过程清除环境中的污染 物，或消减污染物的毒性，可以用于受污染的
地下水，沉积物和土壤的原位处理。
二、植物修复重金属污染的过程和 机理
（1）植物提取 植物提取是利用重金属超积累植物从土壤 中吸取一种或几种重金属，并将其转移，储存 到地上部分，随后收割地上部分并集中处理，
R ·+Fe3+——Fe2+ + 产物
Fenton试剂反应需在酸性条件才能进行， 对环境条件的要求比较苛刻：
1 PH的影响——酸性条件 2 H2O2浓度的影响——随着浓度的增大，COD 的去除首先增大，而后出现下降 3 催化剂(Fe2+)浓度的影响——适量
4 反应温度——适当的温度激活自由基
第四节 电动力学修复
重金属吸收、累积和存在形态
重金属的主动吸收和被动吸收机理
重金属吸收的离子通道和转运蛋白
重金属在植物体内的分布定位 重金属在植物体内累积的分子形态
根系吸收
主动与被动吸收
在重金属污染土壤上，植物对重金 属的吸收由于环境浓度差异大而存在被 动吸收；Knight 等认为超积累植物对 土壤溶液中Zn可能存在主动吸收过程。
一些超积累植物和累积金属的最大含量
Metals Cu Cd Pb Zn Mn Co Ni As Plants Ipomoea alpina Thlaspi caerulenscens Thlaspi caerulenscens Thlaspi caerulenscens Macadamia neurophylla Haumaniastrum robertii Berkheya coddii Pteris vittata Maxium contents 12300 1800 8200 51600 51800 10200 7880 5000
国内一些学者发现的超积累植物
重金属名称 Zn As Mn Cd 植物名称 东南景天 大叶井口边草 商陆 宝山堇菜 发现者 杨肖娥 陈同斌 陈英旭 束文圣
我们发现的锰超积累植物——商陆
（2）植物稳定 植物稳定是利用耐重金属植物的根际 的一些分泌物，增加土壤中有毒金属的 稳定性，从而减少金属向作物的迁移， 以及被淋滤到地下水或通过空气扩散进 一步污染环境的可能性。
影响微生物修复效率的因素
（3）污染物的性质
可降解性是关键；另外还包括毒性，挥
发性和锁定
锁定：污染物与土壤颗粒物相互作用，生物
有效性下降。
影响微生物修复效率的因素
（4）环境条件
土壤颗粒的性质（有机质及黏土含量等及 介质条件（酸碱度、温度、湿度和孔隙率等）
（5）微生物的协同作用
微生物降解过程需要两种或更多种类微生 物的协同作用才能够完成。
连续种植这种植物，即可使土壤中重金属含量
降低到可接受的水平。
超积累植物的筛选
世界上发现的超积累植物种类
Metals
Number of species Number of families
As Cd Co Cu Pb Mn Ni Zn
3 2 26 24 5 12 318 18
2 2 12 11 3 6 36 5
一、基本原理
利用电动力学原理对受污染土壤进行修复的方法 称为电动力学修复技术。电动力学修复是将电极插入 受污染的地下水及土壤区域，施加直流电，形成直流 电场。由于土壤颗粒表面双电层，孔隙水中带有电荷 的离子或颗粒，在电场作用下通过电迁移、电渗析流 或电泳的方式沿电场方向迁移，这些统称为电动效应。 这样，污染物离开土壤向两极迁移，最终富集在电极 区得到集中处理或分离。
• 游船海难事故造成的原油泄漏；污染
海面和海滩进行生物修复
1. 投表面活性剂
2. 投微生物菌剂
3. 投营养物
二、影响微生物修复效率的因素
（1）营养物质
污染物主要提供碳源， 而N,P是限制微生物活 动的重要因素
典型的细菌细胞组成
碳 氮 磷 钾 硫 铁 其它
影响微生物修复效率的因素
（2）电子受体
土壤中污染物氧化分解的最终电子受体 种类和浓度极大影响着污染物降解的速率和 程度，微生物氧化还原反应的最终电子受体 分为： 1.溶解氧 2.有机物分解的中间产物 3.无机酸根
三、臭氧氧化技术
臭氧在酸性介质中氧化还原电位为2.07V, 在碱性介质中为1.27V，其氧化能力仅次于氟， 高于氯和高锰酸钾。 （1）臭氧分子的直接氧化反应 1 打开双键发生加成反应 2 亲电反应－发生在分子中电子云密度高的 点 3亲核反应－只发生在带有吸电子基团的碳原 子上，限于同不饱和芳香族或脂肪族化合物或 某些特殊基团发生反应
Xylem transport
卸载与组织分布
从木质部卸载到叶细胞(跨叶细胞膜运输) 在组织水平上,重金属主要分布在表皮细 胞、亚表皮细胞和表皮毛中
Unloading and tissue distribution
细胞分布定位
细胞壁 液泡 线粒体 叶绿体 高尔基体 其他
细胞壁是重金属离子进入的第一道屏障,它的 金属沉淀作用是一些植物耐重金属的原因。 蹄盖蕨属（Athyrium yokoscense)植物吸收的 Cu大约有70-90%位于细胞壁。 液泡常被认为是重金属 贮存的主要场所,用电子 探针观察了遏蓝菜属 T.caerulenscens观察到根 中的Zn大部分分布在液 泡中。
下水水层上部通气层土壤。
原位强化修复技术
（3）生物注射法 适用于处理受挥发性有机物污染的地下 水及上部土壤。 （4）生物冲淋法 将含氧和营养物的水补充到亚表层，促 进土壤和地下水中的污染物的生物降解。 （5) 土地耕作法 对污染土壤进行耕梨处理。
异位生物修复
(1)堆肥法
处理固体废弃物的传统技术，用于受石油， 洗涤剂，多氯烃，农药等污染土壤的修复处理。 (2)生物反应器处理 把污染物移到反应器中完成微生物移到反 应器中完成微生物的代谢过程，生物反应器包 括土壤泥浆生物反应器和预制床反应器
（2）自由基的反应
臭氧在碱性环境等因素作用下，产生活
泼的自由基，主要是羟基自由基，与污染物反
应，臭氧在催化条件下易于分解形成OH自由
基，土壤中天然存在的金属氧化物如αFe2O3,MnO2和Al2O3通常可以作为这种催化 反应的活性位点。
四、过氧化氢及FENTON氧化技术
Fenton试剂是指在天然或人为添加的
Uptake and sequestration
离子通道或转运蛋白
锌转运蛋白(ZIP)和铁转运蛋白 (ITR1)对根吸收土壤中Zn和Fe起重要作 用； ZIP和ITR1也具有吸收转运Mn(II), Co(II), Cd(II)或Cu(II)等重金属离子的潜 力。
木质部运输
木质部薄壁细胞转载到导管的能量可能来自木质部薄壁细 胞膜上的H-ATPase产生的负性跨膜电势 在导管中运输的能量主要来自根压和蒸腾拉力 有机分子在超积累植物体内重金属运输中有重要作用，用 X-射线吸收精细结构分析法( EXAFS) 研究,发现印度芥菜 伤流液中有机酸参与了Cd 在木质部的运输
（3）植物挥发 植物挥发是利用植物的吸收，积累和 挥发而减少土壤中一些挥发性污染物，即 植物将污染物吸收到体内后将其转化为气 态物质，释放到大气中，多用于吸收金属 元素汞和非金属元素硒。
• 植物耐受重金属毒害的机制
植物耐金属毒害的机制复杂多样， 包括细胞壁钝化，跨膜运输减少，主动 外排，区域化分布，鳌合，合成逆境蛋 白，产生乙烯。其中最主要的，最普遍 的机制是通过诱导金属配体的合成，形 成金属配体复合物，并在器官，细胞和 亚细胞水平呈区域化分布。
微生物修复（源分类）
• 人为修复工程：采用外源微生物
1. 生物刺激技术：满足微生物生长环境条件 2. 生物强化技术：投入外源微生物等
又称强化生物修复或工程化的生物修复手段：
生物修复（场址分类）
• 原位生物修复：污染的原地点
• 异位生物修复：将污染物移动到邻近点 或反应器内进行。
海洋污染的生物修复