污染环境的生物修复

图3－2 微生物分解有机物的作用示意图
微生物对常见污染物的降解与转化
• 生物大分子的降解
– 糖类：以纤维素和淀粉的分解为例，见图5－4，5－5 – 脂肪 – 蛋白质
脂肪＋H2O 脂肪酶 甘油＋高级脂肪酸
蛋白质
蛋白酶
肽
肽酶
氨基酸
需氧微生物 胞内酶 纤维素 ＋ H2O 纤维二糖 ＋ H2O 纤维素酶 厌氧微生物 胞内酶 丁酸、CO2、H2等 葡萄糖 CO2、H2O
污水处理中的生化过程
合成
细胞构成物
C、H、O、N、 维生素等 微生物 能 源 受氢体 O2、CO2、SO42－、NO3－等 分解
微生物细胞 生物污泥 内 源 呼 吸 代谢产物
能量
＋
CO2、H2O、SO42－、 NO3－、NH4＋、PO43－、 H2S、CH4、有机酸、醇 等
热能
排水 排出 不可降解 残留物
污染环境的生物修复
生物修复的概念及其原理
生物修复工程技术
生态工程与污水处理系统
国家环境保护总局 新化学物质申报表 毒理学项目 1. 急性毒性
2. 短期重复毒性 3. 亚慢性毒性 4. 慢性毒性 5. 生殖/发育毒性 6. 神经毒性 7. 致突变性 8. 致畸性 9. 致癌性 10.毒代动力学 11.其他
主要应用：
降解卤代芳烃的基因工程菌 分解尼龙寡聚物的基因工程菌 分解多糖的基因工程菌 抗金属基因工程菌 除草剂降解基因工程菌 杀虫剂降解基因工程菌
转基因植物???
小结:微生物修复的影响因素
营养盐：需添加氮、磷营养元素 电子受体： 可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供 DO作为有机物降解的电子受体；此外，硝酸根、 硫酸根、铁离子也可作为有机物降解的电子受 体。 共代谢基质
有机污染物的生物可降解性及其评价方法
• 什么是生物可降解性？ • 所有化合物根据微生物对它们的降解性可分成可 生物降解、难生物降解和不可生物降解。 • 评价生物可降解性的方法：
– – – – – – 测定生物氧化率 测呼吸线 测定相对耗氧速度曲线 测BOD5与COD Cr之比 测COD30 培养法
– 微生物具有降解自然界产生的有机化合物的代谢机制， 从而促使地球有机碳平衡，而在自然界具有新颖结构 的合成化合物（异型生物质，又称非生物性物质， xenobiotics）往往对微生物的降解表现出抗逆性，其原 因可能是这些化合物进入自然界的时间比较短，微生 物界还未进化出降解此类难降解化合物的代谢机制。 这些化合物大多数对环境具有毒害作用，故称之危险
• 微生物的适应性
– 驯化（Domestication）：是一种定向选育微生物的方 法与过程，通过人工措施使微生物逐步适应某特定条 件，最后获得具有较高耐受力和代谢活性的菌株。
影响微生物对物质降解转化作用的因素（2）
• 化合物的结构
– 烃类：链烃的易降解性大于环烃，直链烃大于支链烃，不饱 和烃大于饱和烃，支链烷基越多，越不易被降解 – 当主链上的C被S、N、O取代时，对生物氧化的阻抗上升 – 当C原子上的H被烷基或芳基取代时，会生成生物氧化的阻 抗物。 – 官能团的性质和数量 – 分子量大小
纤维素酶
图3－4 纤维素分解途径示意图
需氧微生物 胞内酶 微生物 淀粉 葡萄糖 CO2、H2O
淀粉酶
厌氧微生物 胞内酶 图3－5淀粉分解途径示意图 CO2、H2、有机酸等
• 烃类 • 石油类 • 人工合成有机物
– – – – 农药 合成洗涤剂 增塑剂 多氯联苯
危险性化合物
• 危险性化合物（Hazardous Chemicals）的概念
2. 环境污染的植物修复
植物的生态功能? 植物修复的特点 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。
蜈蚣草（Pteris vittata Linn.）
东南景天 宝山堇菜（Viola baoshanensis）
植物组织积累
植物挥发
植物降解
植物排斥
植物固定
植物修复重金属污染土壤的机理示意图
• 环境因素
– – – – – 温度 酸碱度 营养 氧 底物浓度
微生物分解有机物的作用
• 微生物分解有机物的作用可总括成如下图式：
需氧微生物 微生物 复杂有机物 胞外酶 厌氧微生物 胞内酶 简单有机物 CO2、H2O、H2、 CH4、H2S及有机 酸、醇、酮、醛等 未完全氧化产物
胞内酶
CO2、H2O
耗氧量（mg/g）
a 生化呼吸线 b c t 内呼吸线 时间（h）
耗氧量（mg/g）
生化呼吸线
耗氧量（mg/g）
内呼吸线 生化呼吸线源自文库时间（h） ③
内呼吸线
时间（h） ②
图3－6 生化呼吸线与内呼吸线比较
相对耗氧速度 （以内呼吸的％表示）
B、无毒，能被利用
100％
A、无毒，不能被利用 C、有毒，能被利用
废水生物处理的类型
• 按所利用的微生物种类
– 好氧处理：活性污泥法 – 厌氧处理：污泥消化 – 兼性处理：生物膜法
• 按处理系统中微生物存在的状态
– 悬浮生长系统 – 固定膜系统
• 按反应器的形式
– – – – – 完全混合式反应器 间歇式反应器 完全推流式反应器 固定填充床式反应器 流化床式反应器
生物修复技术的特点
优点：投资费用省，对环境影响小，能有效降低 污染物浓度，适用于在其他技术难以应用的场地， 而且能同时处理受污染的土壤和地下水。 局限性：需对具体地点的状况和污染物进行详细 而昂贵的考察，微生物活性受温度和其他环境条 件的影响，某些情况下，生物修复不能去除全部 的污染物。 与生物处理的区别：两者原理一致，但生物修复 侧重于受污区域的原位生物处理。
生物修复（Bioremediation）指利用生物将土壤、地 表及地下水或海洋中的危险性污染物现场去除或降解 的工程技术系统。 生物修复的基本指导思想
自然条件下 DO不足 生物修复技术系统中 供氧
由于三方 面的原因
营养盐缺乏 高效菌生长缓慢
添加氮、磷等营养盐
接种、驯化高效菌
净化速度缓慢
快速去除污染物
二. 生物修复种主要生物种类及修复原 理
1.环境污染的微生物修复
通过微生物的降解和转化，将有机污染物转化为无害的 小分子化合物和二氧化碳与水
微生物修复的生物类型
土著微生物：环境中固有的微生物
外来微生物：需大量接种的高效菌
基因工程菌（GEM）
微生物对物质降解与转化的特点:
• 微生物个体微小，比表面积大，代谢速率大； • 种类繁多，分布广泛，代谢类型多样； • 微生物具有多种降解酶； • 微生物繁殖快，易变异，适应性强；
A B E1 E1 E2 E2
C D
微生物对污染物降解与转化的途径
• 自然界中化学物质的降解的3种方式：这三种方式往往综 合交叉进行。
– 光降解 – 化学降解 – 生物降解（Biodegradation）：指由于生物的作用，把污染 物大分子转会为小分子，实现污染物的分解或降解。其中微 生物所起的降解作用最大，故也称为微生物降解。
图3－8 污水处理中的生化过程
活性污泥法和生物膜法
• 目前最常用的生物处理方法是活性污泥法和生物 膜法。 • 活性污泥和生物膜的概念
– 活性污泥是由细菌、原生动物等微生物与悬浮物质、
胶体物质混杂在一起形成的具有吸附分解有机物能力 的絮状体。活性污泥是具有很强的吸附分解有机物能 力的、充满微生物的污泥； – 生物膜是附着在填料上呈薄膜状的活性污泥。
• 微生物具有巨大的降解能力；
– 质粒（Plasmid）：染色体外遗传物质，是在原核微生物中 除染色体外，还存在的一种较小的携带少量遗传基因的环 状DNA分子。 – 质粒可用来培育优良菌种，或用作基因工程中基因转移的 载体。
– 例如：多功能超级细菌的构建
A
B
A
B
C 注： A B C 细胞的染色体 质粒
生态毒理项目
1. 藻类生长抑制毒性 2. 溞类急性毒性 3. 鱼类急性毒性 4. 鸟类毒性 5. 高等植物种子发芽和生长毒性 6. 蚯蚓急性毒性 7. 活性污泥呼吸抑制毒性 8. 吸附/解吸性 9. 降解性 10. 生物蓄积性 11. 其他
第一节 生物修复的概念及其原理
一 生物修复的基本原理和特点
性化合物。
• 危险性化合物来源
– 人工合成的农药、杀虫剂、除草剂、防腐剂、溶剂、 增塑剂等
• 危险性化合物的降解特点和研究
– 尽管其在自然界可能会有部分缓慢降解， 微生物有可能通过多种途径来改变自身 的结构信息以获得对这类化合物的降解 能力，但这需要一个漫长的过程来实现， 依靠微生物的自然进化过程远不能满足 要求，而且长此以往将会造成生态系统 的失衡。因此，研究一些可以使微生物 群体在较短时间内获得最大的降解该物 质能力的方法显得愈加重要和迫切。
污染现场和土壤特性：
土壤特性影响污染物和微生物的相对活性，最 终影响生物修复的速度和程度。
有毒有机污染物的物理化学性质
微生物菌株(基因工程菌)
案例: 废水生物处理
• 作用机理:
• 废水生物处理实际是水体的自净原理在水污染治理中的
应用，即模拟天然水体自净作用的生物过程。在特定构筑
物中人工创造适宜条件，充分发挥微生物的作用以高速度、 高效率净化污水，通过微生物代谢产生的酶来降解转化有 机物，将有机物最终转化为无害的二氧化碳和水，从而使 废水得到净化。
活性污泥和生物膜的特点
• 具有很强的吸附能力 • 具有很强的分解、氧化有机物的能力
– 图
• 具有较强的食物链
– 食物链越长，作为能量消耗的比例就越大，在系统中 存在的生物量就比较少，所剩余的污泥量就相应较少， 可减轻生物处理后污泥处理的负担。
• 具有良好的沉降性能
– 处理水易与污泥分离，最终达到废水净化的目的。
• 危险性化合物的降解特点和研究
– 近年来科学工作者做了大量工作，包括：通过长时 间的驯化来得到具有一定降解能力的微生物群体； 通过基因工程手段来改造微生物使其具有特定的降 解能力； – 此外在对危险性化合物的降解研究中发现，混合培 养比纯培养具有潜在的优势，彻底矿化往往需要一 个或一个以上的营养菌群（如发酵－水解菌群、产 硫菌群、产乙酸菌群、产甲烷菌群等）通过多步反 应将有毒化合物转化为矿化最终产物。 – 研究人员依据不同的代谢作用至少可以将微生物群 落中的微生物分为7种类型：①提供特殊营养物； ②去除生长抑制产物；③改善单个微生物的基本生 长参数；④对底物协调攻击；⑤共代谢；⑥氢（电 子）转移；⑦提供一种以上初级底物利用者。
D、有毒，不能被利用 底物浓度
图3－7 相对耗氧速率曲线
基因工程在环境生物处理中的应用
应用基因工程菌处理污染物的主要优势：
集中与创造与目的基因，提供综合性代谢新污染的通 路和杂种细胞。 提高代谢通路结构基因的表达，针对新的污染物，改 变表达的调节方式。 控制降解途径的限制性步骤，提高分解代谢酶的合成 或其他生化反应过程效率 防止有毒中污染物的产生，防止非需要产品的出现， 用确定的基因实现最初的目的。
植物在土壤修复中的应用
A。环境中金属污染的去除
已有方案：场外修复，先将土壤挖掘、转移，再 去除金属离子； 微生物修复：生物量小，从而吸收量小，同时生 物体过小难以进行后处理； 植物修复特点：生物量大，从而吸收量大，同时 易于进行后处理。
不吸收或少吸收重金 属 适应重金 属胁迫的 植物 将吸收的金属钝化在 植物的地下部分 大量吸收金属的同时正常 生长
• 微生物代谢活动中的化学作用（实质是酶反应）
– – – – – 氧化作用 还原作用 脱羧作用 水解作用 脱氨基作用等
影响微生物对物质降解转化作用的因素（1）
• 微生物的代谢活性
– 不同种类微生物对同一底物的反应不同；
– 微生物在不同的生长时期的活性是不相同的，在对数 期代谢最旺盛，活性最强。 – 微生物的种类组成决定化合物降解的方向和速度，同 时微生物的种类组成又与环境中的化学物质有关。
图3－1 多质粒超级菌的构建示意简图
• 共代谢（Co－Metabolism）
– 微生物在利用生长基质A时（从中获得能量、碳源或其 他任何营养），同时非生长基质B（不能从中获得能量 或营养）也伴随着发生氧化或其它反应。 – 在纯培养下，共代谢只是一种截止式转化，但在混合 培养和自然环境条件下，转化可为其它微生物进行的 共代谢或其他生物对某种物质的降解铺平道路，使其 代谢产物可继续降解，故污染物在有合适的底物和环 境条件下可通过共代谢作用而降解。