8第八章生物修复

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、低污染的位点。其 费用与其他生物处理技术相比较低。但通常速率较低，需要时间较长。且对于吸附力 较强或已经老化或处于螯合状态的有机物不宜用此技术。
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植物修复有机污染物的方式主要以植物固定、植物降解为主。 紫花苜蓿, 黑麦草, 小蓝茎草已成功地用于土壤中PAHs的修复，在6个月 内可以将PAHs总量降低57%；银合欢可以吸收和代谢二溴甲烷、三氯乙 烯；转基因胡萝卜根须中聚集的苯酚浓度可达1000mmol/L，氯酚 50mmol/L，在120h内可降解90% 以上的苯酚类化合物,研究表明根须中 的过氧化酶可以促进这些物质的代谢; 在黑麦与大豆轮作的地块上TPH 消失量显著高于无植被的地块；植物还能降解杀虫剂和除草剂，桑科植 物及蔷薇科植物的根系分泌物能促进PCB降解菌的生长。柳树、鹅掌揪、 落羽松、掸木及栋属植物都能有效地降解除草剂灭草松。
第8章 环境污染生物修复技术
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8.1 生物修复的基本内容与原理
➢ 广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生物，动物 和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受 污染的环境得到改善的治理技术，一般分为植物修复、动物 修复和微生物修复三种类型。
➢ 狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下，利用 特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。
平均值 33.3 110.3 43.4 0.194 54.6
土壤背景值 21.1
88.2
26.7 0.100 55.0
引自：陆正松等，土壤环境、施肥与农产品品质的关系
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蔬菜重金属污染面积占调 查数的%
90
80
70
wenku.baidu.com60 50
轻污染 中污染 重污染
40
30
20
10
0
铜
锌
铅
镉
铬
重金属
宁波市部分蔬菜基地蔬菜重金属污染情况调查
进行降解的基体常是多相的非 在精心设计的工程系统中进行 均质的环境
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8.6生物修复技术的应用
1 土壤的生物修复
土壤污染的概念
土壤污染是指进入土壤中的有害、有毒物质超出土壤的自净 能力，导致土壤的物理、化学和生物学性质发生改变，降低农 作物的产量和质量，并危害人体健康的现象。
土壤污染直接的影响是土地生产力的下降；通过土壤-植物 -动物-人体食物链的污染，危害人体健康、威胁人类生存；土 壤污染还危害其他环境要素如水体，大气等。
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2 地下水污染的生物修复
2.1、地下水流动系统概述 在天然条件下，地下水在三维空间内从补给区向排泄区流动，地下水
由大气降水获得补给，通过非饱和带渗入地下饱和带；地下水的补给也可 以通过地表水体获得。饱和带的地下水以泉、溪流、湖泊、湿地和植物蒸 发蒸腾等形式进行排泄。这样，地下水从补给区到排泄区的三维流动水体 就组成了地下水流动系统（图1）。地下水流动系统的面积从几平方米到上 万平方米不等，地下水径流通道从几米到几百米不等。地下水流动系统的 补给区和排泄区之间具有一定的水力联系。
（陆正松等，2000年，内部资料）
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温州市城郊兴通桥等六个蔬菜基地 土壤的重金属含量（mg/kg)
元素
铜
含量范围 29.5-64.1
平均值
41.5
锌
215.31552.4
575.6
铅
镉
55.9-411.6 1.08-15.6
143.6
4.1
土壤背景值
土壤环境质 量标准（II
级）
22.4 50
91.1 200
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杭州市城郊转塘等十一个蔬菜基地 土壤的重金属含量（mg/kg)
元素
铜
含量范围 18.5-55.2
平均值
33.8
土壤背景值
土壤环境质 量标准（II
级）
18.52 50
锌 56.3-177.0
107.8 76.91
200
铅 18.9-52.3
33.8 16.83
250
引自：谢正苗等，杭州市郊菜园土部分重金属污染状况的调查研究
38.8 250
0.14 0．3
引自：王亮等，温州市城郊污灌对土壤和蔬菜品质的影响
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蔬菜重金属含量(mg/kg)
0.9
0.8
0.7
铅
0.6
镉
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 莴苣 小青菜 大白菜 甘蓝
葫芦
0.2 0.05
标准
蔬菜品种(春季)
温州市部分蔬菜基地蔬菜重金属污染情况调查
（王亮等，2000年，内部资料）
➢ 生物修复的目的是将污染物浓度降低到低于检测限或低于环 境标准规定的安全浓度。
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8.3 生物修复的影响因素与基本措施
1.用于生物修复的生物种类
土著微生物 外来微生物 基因工程菌
采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些能在污水和受污染 土壤中生存的菌体内定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌。 植物及超积累植物 特性：即使在污染物浓度较高时，也具有较高的积累速率；能在 体内积累高浓度的污染物；生长快、生物量大；能同时积累多种污 染物；具有抗虫抗病能力。
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3.生物修复的基本措施
➢ 接种微生物或引种超积累植物 ➢ 添加营养物 ➢ 提供电子受体 ➢ 提供共代谢底物以诱导共代谢酶产生 ➢ 添加表面活性剂
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8.4 生物修复三原则
什么原因使自然净化速度变慢？
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自然条件下
由于三方 面的原因
DO不足 营养盐缺乏
缺乏合适的降解 微生物或微生物 数量（浓度）过 低
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土壤污染的原因
• 土壤自净作用：指进入土壤的污染物，在土壤矿物质、 有机质和土壤微生物的作用下，经过一系列的物理、 化学及生物化学反应过程，降低其浓度或改变其形态， 从而消除或降低污染物毒性的现象。
土壤发生污染是由于进入土壤的污染物净积累。
人类活动向土壤施加有害物质，是加速土壤污 染，引起土壤环境质量恶化加剧的主要原因。
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使用适合的地点 ➢ 适合的地点：要有污染物和合适的微生物相接 触的地点。
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使用适合的环境条件 ➢ 适合的环境条件：要控制或改变环境条件，使 微生物的代谢和生长活动处于最佳状态。
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8.5 生物修复和生物处理
不同之处
生物修复
生物处理
主要控制环境中的污染物
控制排放口污染物
降解的化学品多是比较难降解 多是比较容易降解的有机物 的有毒化学品的复杂混合物
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➢ b生物强化法
生物强化法是指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，如对难降解有机物的去除等。投加的微 生物可以来源于原来的处理体系，经过驯化、富集、筛选、培养达到 一定数量后投加，也可以是原来不存在的外源微生物。在生物强化技 术的实际应用中这两种方法都有采用，这取决于原有处理体系中的微 生物组成及所处的环境。
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➢ D生物反应器处理 生物反应器处理（bioreactor）是把污染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（soil slurry bioreactor）和预制床反应器（prepared bed reactor）。对污染土壤 的修复而言，土壤泥浆生物反应器能起重要作用。
在堆放的土壤中设置通气管道，通入空气或O2或抽真空以 促进污染物的好氧降解。含有营养物质的液体施用于土壤 表面，以促进微生物活性，渗滤液被收集并循环于堆积土 壤中。
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➢ C堆肥法 堆肥法（composting）是处理固体废弃物的传统技术，被用于受石油、
洗涤剂、多氯烃、农药等污染土壤的修复处理，取得了很好的处理效果。 堆肥过程中，将受污染土壤与水（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，同时加石灰以 调节pH。经过一段时间的发酵处理，大部分污染物被降解，标志着堆肥 完成。经处理消除污染的土壤可返回原地或用于农业生产。堆肥法包括 风道式堆肥处理、好气静态堆肥处理和机械堆肥处理。
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➢ e生物冲淋法
生物冲淋法（bioflooding）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。 生物冲淋法大多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。
氧可以用空气或纯氧经喷射供给，也可以加入过氧 化氢，也可以供应硝酸盐、硫酸盐、三价铁盐等作为电 子受体。
物分解有机物的技术。光修复过程可能包括植物对污染物 质的吸收及植物根部及根部附件土壤中微生物对污染物的 分解。
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植物—微生物联合修复
利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中有机污染物 。 大部分植物根上都有菌根菌生长，菌根菌和植物共生具有独 特的代谢途径，可代谢自生菌不能降解的有机物。
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光修复的特点
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土壤异位生物修复
➢ A.异位土地耕作 将污泥或污染土壤均匀撒到土地表面，然后用拖拉
机作业使之与土壤混合，必要时加入营养物，以后不必 每年都加。但是耕翻需要根据土壤的通气情况反复进行。
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➢ B土壤堆积（soil piles/biopiles） 将含污染物的土壤挖掘处理，堆放在不透水的衬层上。
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➢ C.生物通气法（bioventing） 生物通气法（bioventing）是向土壤亚表层供给空气或O2，促进不饱 和层中污染物生物降解的技术。这项技术只能用于不饱和层土壤。
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▪ 生物通风技术一般流程：
生物通风原位处理方式示意图
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➢ D.光修复（photoremediation） 光修复（photoremediation）是直接或间接利用高等植
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生物修复
植物修复
植物萃取、植物稳定、根 基修复、植物转化、根际 过滤、植物挥发等
利用植物去治理水体、土壤和底泥 等介质中的污染的技术
微生物修复
利用微生物将环境中的污染物 降解或转化为其他无害物质的过程
动物修复
通过土壤动物群的直接或间接作用 而修复土壤污染的过程
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生物修复的基本定义
➢ 生物修复是针对受污染场地（面源污染，污染物已进入环境） 利用生物自净功能或强化生物净化功能对污染物进行降解的 过程。
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土壤污染的危害 • 造成减产、导致严重的直接经济损失 • 导致食物品质下降 • 通过食物链危害人体健康 • 导致其他环境（大气、地表水、地下水污染， 生态系统退化等）问题
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典型修复技术的流程及原理
污染土壤修复工作流程
可处理计划
应急对策 净化处理
系统分析 长期对策
稳定处理
原位修复
异位修复
原位稳定
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据报道 中国重金属污染耕地总计：2000万公顷 中国有机物污染农田总计：6000万公顷
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全国土壤污染状况调查
《国民经济和社会发展第十一个五年计划纲要》决定从 2006年起“开展全国土壤污染现状调查，综合治理土壤污染”。
2006年7月18日，国家环保总局组织召开全国土壤污染状况 调查视频会议，全国土壤污染状况调查7月18日在北京启动。
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2.生物修复的影响因素
➢ 非生物因素 温度、pH值、湿度水平、盐度、有毒物质、
静水压力
➢ 营养物质：需添加氮、磷营养元素 ➢ 电子受体：环境中的有机污染物在微生物的作用下被氧
化分解时需耗氧。
➢ 复合基质 ➢ 微生物的协同作用：多数生物降解过程需要两种或更多
种类微生物的协同作用。
➢ 捕食作用 ➢ 种植植物
异位稳定
原位分解
原位提取
分离分解净化
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土壤原位生物处理
➢ a土地耕作法 土地耕作法（land farming）就是对污染土壤进行耕犁处理。
在处理过程中施加肥料，进行灌溉，施加石灰，从而尽可能为 微生物代谢污染物提供一个良好环境，使其有充足的营养、水 分和适宜的pH 值，保证生物降解在土壤的各个层面上都能发生。
导致土壤污染人类活动：工农业生产、生活废弃物 排放，如开矿、冶炼、化工生产、施肥等等。
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土壤的组成和性质决定土壤具有一定的净化能力。
土壤的净化能力是指污染物进入土壤后，经生物 和化学降解成为无毒物质；通过化学沉淀、络合和螯 合、氧化还原等作用转化为其它物质，被土壤牢固吸 附，不被植物利用。
土壤的净化能力是有限的，当进入土壤的污染物质 数量和速度超过了土壤的净化能力时，污染物在土壤中 积累，危害作物的正常生长发育，通过食物链会直接影 响人类健康。
净化速度缓慢
生物修复技术系统中 供氧
添加氮、磷等营养盐 接种、驯化高效菌
快速去除污染物
微生物修复的基本原理：调节污染地的环境条件以促使 原有微生物或接种微生物的降解作用迅速完全进行。
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使用适合的微生物 ➢ 适合的微生物：具有生理和代谢能力并能降解 污染物的细菌和真菌。 ➢ 在许多情况下，则要加入外源微生物。
全国土壤现状调查及污染防治项目由环保总局和国土资源 部共同承担，包括八个专题，总经费预算约为10亿元，将在除 台湾省和港澳地区以外的各省、自治区、直辖市所辖全部陆地 国土展开，计划在三年半左右的时间完成。
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宁波市江东等五个蔬菜基地 土壤的重金属含量（mg/kg)
元素
铜
锌
铅
镉
铬
含量范围 17.3-50.7 59.5-194.3 19.0-63.5 0.035-0.298 47.3-68.4