第三章 土壤中有机污染物的微生物修复

影响因素
污染物的性质
• 对于微生物修复技术，污染物的可降解性是关键。 • 污染物对生物的毒性以及其降解中间产物的毒性，也是决 定微生物修复技术是否适用的关键。 • 污染物的其它性质，也很重要。如污染物的挥发性，如果 一个化学物质挥发性太高，往往挥发部分就大于降解部分， 造成污染从土壤迁移到大气中，而并非降解。 • 另外，微生物往往只能利用土壤溶液溶解态的污染物。
微生物修复 微生物修复概述
• 原位生物修复（in-situ bioremediation） • 污染在原地点进行，不挖出或抽取需要修复的土壤及地
下水，采用一定的工程措施，利用生物通气、生物冲淋等
一些方式进行。 • 异位生物修复（ex-situ bioremedation） • 需要挖掘土壤或抽取地下水，将污染物移动到邻近地点 或反应器内进行。显然，这用处理更好控制，结果容易预 料，技术难度较低，但投资成本较大。 • 可以通过土壤堆、泥浆反应器和厌氧处理。
• 确定添加营养盐的形式、合适的浓度以及适当的比列，才 能更好地大搞效果。
影响因素
电子受体（主要为种类和浓度）
• 微生物氧化还原反应的最终电子受体分为三大类，包括溶 解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根（如NO3-、SO42-、 CO32-），第一种为有氧过程，而后两种为无氧过程。 • 可以将压缩空气送入土壤，添加过氧化物及其它产氧剂等。 厌氧环境中CH4、NO3-、SO42-和Fe3+子等都可以作为有机物 降解的电子受体。 • 当所加H2O2的量适当时，土壤样品中烃类污染物的生物降 解速率较加入前增加3倍。这是因为H2O2不仅能直接降解部 分有机污染物，还能为生物降解提供所需的电子受体。
影响因素
其他影响因素
• 修复工程的现场气象因素，如风速、常年风向、大气湿度 和降水情况等。 • 水文地质因素，如不渗水层与含水层的深度、地下水位 (要考虑季节因素)和地下水流类型与特点、地面冻土深度以 及洪水频度等等，都对一个修复工程起着重要的作用。
原位强化微生物修复技术
生物强化法
• 生物强化（bioaugmentation）
影响因素
微生物的协同作用
• 一种或多种微生物为其他微生物提供B族维生素、氨基酸 及其它生长因素。 • 一种微生物将目标化合物分解成一种或几种中间有机物， 第二种微生物继续分解中间产物。 • 一种微生物通过共代谢作用对目标化合物进行转化，形 成中间产物不能被其进一步降解，只有在其他微生物的作 用下才能得到彻底分解。 • 一种微生物分解目标化合物形成有毒中间产物，使分解 率下降，其他微生物则可能以这种有毒中间产物作为碳源 加以利用。
原位强化微生物修复技术
土地耕作法（land farming）
• 是对污染土壤进行生物耕犁处理。
• 在处理过程中施加肥料、灌溉、石灰，从而尽可能的为
微生物代谢提供一个良好的环境。使其有充足的营养、水
分和适宜的pH，保证生物降解在土壤的各个层面上都能发 生。
石油污染土地耕作法
异位强化微生物修复技术
原位强化微生物修复技术
原位强化微生物修复技术
生物冲淋法（bioflooding）
• 该方法大多用在各种石油烃类污染的治理中使用，改进
后也能用于处理氯代脂肪烃溶剂，如加入甲烷和氧，促进 甲烷营养菌降解三氯乙烯和少量的氯乙烯。 • 将含有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。
微生物修复 微生物修复概述
自然修复（利用土著微生物）的环境条件
•有微生物可利用的营养物质 • 有缓冲pH的能力 • 有使代谢能够进行的电子受体 • 如果缺少一项条件，将会影响微生物修复的速率和程度。 特别是对于外来化合物，如果污染新进发生，很少会有土著 微生物能降解它们，所需要加入有降解能力的外源微生物。
微生物修复 微生物修复概述
微生物修复机理
• 共代谢（co-metabolism）
• 对于一些污染物，微生物虽然可以降解他们，但却不能 利用该污染物作为碳源合成自身生长所需要的有机质，因 此需要另外的生长基质维持自身的生长。
• 矿化作用（mineralization） • 指有机物在微生物的作用下彻底分解为H2O、CO2和简单 的无机化合物的过程，是彻底的生物降解（终极降解)，可 从根本上清除有毒物质的环境污染。实质都是酶促反应。
微生物修复概述
环境微生物修复
• 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。 • 它包括自然和人为控制条件下的污染物降解或无害化过 程。
微生物修复概述 微生物修复
微生物修复的分类
• 按场址：原位生物修复和异位生物修复 • 按条件：自然修复（土著微生物） 人工控制修复（外源微生物） • 人工控制修复也称强化生物修复（enhanced bioremediation） 或工程化的生物修复（engineered bioremediation） • 强化生物修复：生物刺激（biostimulation） 生物强化（bioaugmentation）
原位强化微生物修复技术
• 基本生物通气中去除效果与气流速率的关系
原位强化微生物修复技术
生物注射法（biosparging）
• 该方法适用于处理受挥发性有机物污染的地下水及上部
土壤。处理设施采用类似生物通气法的系统。 • 这里的空气是经过加压后注射到污染地下水的下部，气 流加速地下水和土壤有机物的挥发和降解。 • 也有人把生物注射法归于生物通气法。
Deinococcus radiodurans 地球上最耐辐射的 的生物，耐受的辐 射剂量150万拉德， 是人类耐受10003000倍
影响因素
营养物质
• 微生物分解有机污染物一般利用有机污染物做为碳源，但 是微生物将有机污染物转化为其自身增长的生物质，还需要 其他营养元素。 • 典型的细菌细胞组成为：50%C、14%N、3%P、2%K、 1%S、0.2%Fe、0.5%Ca、Mg、Cl。
微生物修复 微生物修复概述
Pseudomonas putida 恶臭假单胞菌 KT2440 有机污染物的生物 修复中潜力巨大， 该菌株甚至还能促 进植物生长并具有 抗植物病害作用 Dehalococcoides ethenogenes 清除有机溶剂造 成的污染
Alcanivorax borkumensis 应用于海洋 石油消除
• 指在生物处理体系中投加具体有特定功能的微生物来改 善原有处理体系的处理效果，如对难降解有机物的除去。
• 微生物的来源：原有体系的生物强化、外源微生物
• 前提：获得高效作用于目标降解物的菌种。 • 微生物强化的方法
• 用目标降解物驯化、诱导、富集、筛选和培养达到一定 数量。
原位强化微生物修复技术
微生物修复 微生物修复概述
生物修复中的基本概念
• 生物刺激（biostimulation） • 满足土著微生物生长所必需的环境条件，诸如提供电子受 体、供体，氧以及营养物质等。 • 生物强化（bioaugmentation） • 需要不断地向污染环境投入外源微生物、酶、其他生长基 质或氮、磷无机盐。
原位强化微生物修复技术
原位强化微生物修复技术
回收气处理
回收井
石油污染生物通风
原位强化微生物修复技术
• 有机污染物生物通气的应用性
化合物 源自文库 2 3 4 5 6 7 8 三氯乙烯 甲苯 苯 PCBs 氯仿 四氯乙烯 酚 三氯乙烷 评价 中 好 好 差 中 差 好 中 9 10 11 12 13 14 15 化合物 乙苯 二甲苯 二氯甲烷 二氯乙烯 氯乙烯 二氯乙烷 氯苯 评价 好 好 中 中 中 中 中
影响因素
环境条件
• 土壤颗粒物的性质：有机质及粘土含量等。 • 有机质含量及结构决定着微生物的吸附特性，从而决定生 物降解的可利用性。 • 介质条件：酸碱度、温度、湿度、孔隙率等。 • 生物降解必须在一定的湿度条件下进行，湿度过大或过小 都会影响生物降解的进程，于酸碱度和温度相比，具有较大 的可调性。
微生物修复 微生物修复概述
修复中的微生物
• 细菌：好氧细菌、厌氧细菌、兼氧细菌 • 细菌可以在污染条件下，不断适应环境，产生降解能力。 如通过特定酶的诱导和抑制产生基因突变，通过质粒转移 获得利用特定污染物的能力。 • 真菌：软腐菌、褐色菌、白腐菌 • 真菌对于一些大分子化合物表现出很强的降解能力，它 们都以降解木质素而著称。
原位强化微生物修复技术
生物培养法（bioculture）
• 定期的向污染环境投加H2O2和营养物，以满足污染环境 中已经存在的降解菌的需要，使微生物把污染环境中的污 染物彻底矿化成CO2和H2O。
投菌法（landing farming）
• 直接向污染的环境中接入外源的污染降解菌，同时提供 这些细菌生长所需的营养。
堆肥法（composting）
• 是处理固体废弃物的传统技术，同于受石油、洗涤剂、多 氯烃、农药等污染土壤的修复处理。 • 将污染土壤和水（达到至少35%含水量）、营养物、泥炭、 稻草和动物肥料混合后，使用机械或压气系统充氧，同时以 石灰调节pH。
堆肥法（composting）
异位强化微生物修复技术
第三章 土壤中有机污染物的微生物修复
土壤中有机污染物的微生物修复
• 微生物修复的发展历史
• 微生物修复概述 • 影响因素 • 原（异）位强化微生物修复技术 • 微生物修复的优缺点 • 研究趋势及发展
微生物修复的发展历史
• 微生物降解有机污染物的技术在废水处理中的应用已有几 十年的历史，而将微生物降解技术有意识地大规模地应用于 受污染的土壤治理仅仅是十几年的事。
生物反应器法（bioreactor）
• 把污染物转移到反应器中完成微生物代谢过程。
• 使用于地表土和水体的污染。 • 类型：土壤泥浆生物反应器（soil slurry bioreactor）
预制床反应器（prepared bed reactor）
异位强化微生物修复技术
厌氧处理
• 对某些具有高氧化状态的污染物的降解，比好氧处理更为
• 基因工程菌 • 利用降解质粒的相容性，把能够降解不同有害的质粒组 合到1个菌种中，组建一个多质粒的新菌种。 • 可采用质粒分子育种，即在选择压力的条件下，在恒化 器内混合培养，使微生物发生质粒相互作用和传递，缩短 了自然进化所需的时间，以达到加速培养新菌种的目的。
• 降解性质粒DNA体外重组，是再体外对生物大分子DNA 进行剪切加工，将不同来源的DNA重新接连，转移到受体 细胞中，通过表达复制，是细胞获得新的遗传性状。
Caulobacter crescentus新月柄杆
菌
应用于低营养水 环境的生物修复
微生物修复 微生物修复概述
Geobacter sulfurreducens 帮助转化铀和其 它一些放射性金 属物质
Desulfovibrio vulgaris 帮助修复铀和铬 等重金属污染
Shewanella oneidensis 去除铬、铀等环 境有毒金属
• 美国、日本、欧洲等发达国家对微生物修复技术进行研究， 并完成了一些实际的处理工程,结果表明这种技术是有效的、 可行的。
• 80年代以后基础研究的成果被应用于大范围的污染治理， 并取得了相当的成功，从而发展成为一种新的生物治理技术。
微生物修复的发展历史
• 美国环境保护局在阿拉斯加Exxon Vadez 石油泄漏的生物 修复项目中，短时间内消除了污染，改善了环境，为生物修 复提供了一个成功的例证。
原位强化微生物修复技术
原位强化微生物修复技术
原位强化微生物修复技术
生物通气法（bioventing）
• 主要用于修复挥发性有机污染的地下水水层上部通气层 的土壤。
• 这种处理要求土壤具有多孔结构以利于微生物的快速生 长。另外，污染物应具有一定的挥发性才适合于通过真空 抽提加以去除。 • 生物通气法的主要制约因素是影响氧和营养物迁移的土 壤结构，不适的土壤结构会使氧和营养物在到达污染区之 前被消耗。
• 原生质体融合技术。
原位强化微生物修复技术
• 生物强化的影响因素
• 驯化过程中的底物浓度往往过高，微生物投加之后是否能 够降解低浓度的底物是必须要考虑的问题。
• 投加后的微生物面临的是一个复杂的生态环境，有竞争也 有捕食的可能。因此，投加的微生物必须在处理构筑物中保 持一定的代谢活力，维持一定的数量。