污染生态修复微生物技术第一节 微生物修复技术微生物修复是指微生物将土壤、水和大 气中的有毒有害物质“就地”降解成二 氧化碳和水，转化为无毒、无害物质的 方法。实际上，大多数环境中都存在着 天然微生物降解净化有毒有害污染物质 的过程，只是自然条件下的微生物净化 速度比较慢。微生物修复大多都是在人为的条件 下进行的，通过提供氧气，添加各 类营养物质，接种经过驯化培养的 高效菌株等强化修复过程，迅速去 除污染物质，这就是微生物修复的 基本原理。与化学、物理修复相比，生物修复具有 下列优点： （1）可使污染物在原地被降解清除，可使 污染场所的干扰和破坏达到最小； （2）操作简便，对周围环境干扰较小； （3）二次污染少，永久性的消除污染物 和长期的隐患。 生物修复被认为是最有发展前景的技术。生物修复技术也存在不足： （1）条件苛刻，生物修复是一种科技含量较高的处理方法，其处理方法必须符合污染场地的特殊条件.（2）有些污染物经微生物降解后其产物的毒性和移动性均比原化合物有所增加. 一、微生物修复技术的分类污染地区的微生物修复技术一般分为原位生物修复、异位生物修复、原位异位联合的生物修复技术。 1. 原位生物修复技术原位生物修复是指对受污染的介质不进行搬运或输送，而在原位或易残留的部位进行的生物修复处理。原位修复技术主要取决于被污染介质自身微生物的自然降解能力、人为创造的降解条件、促进微生物生长繁殖的条件，如提供N、P等营养物、氧气、菌株等。为了加速降解进程有时也加入经驯化和培养的微生物。原位生物修复包括以下几种方法:（1）投菌法（2）地耕法 （3）生物通风法（4）生物注气法 （5）生物扩增法 （6）生物冲淋法 （1）投菌法直接向受到污染的土壤或水域介入经过 人为驯化和培养的微生物以及商品化的 适宜微生物菌剂，同时提供这些微生物 生长所需的营养，包括大量元素(氮、磷 、硫、钙、钾、镁、铁、锰等)和微量元 素。（2）地耕法地耕法 (land farming)就是通过翻耕土壤，在土壤中混匀并且充入氧气，提高土壤的通透性，创造污染物被氧化的条件，投加肥料、调节土壤湿度及酸碱度等，从而为微生物的生存提供良好环境条件，并确保生物降解在不同土壤层面上都能发生，使污染物能较好的清除的方法。（2）地耕法这种方法的优点是结合农业措施，操作简单，经济易行，但污染物有可能从处理地被转移。一般在污染土层较浅、通透性较差、污染物较易被降解的情况下可以采用这种方法。（3）生物通风法 生物通气法（bioventing) 是一种强迫氧化的生 物降解方法。是指向土壤含水层以上的土层中 通入空气或氧气，为好氧微生物提供最终电子 受体，促进污染物生物降解的技术。 生物通气法的具体措施是向地下水位以上的土 层中打两口以上的通气井，用鼓风机和抽真空 机将空气强行排入土壤中，然后抽出，土壤中 挥发性的污染物也随之去除。在通入空气时， 通过加入适量的氨气为土壤中的降解菌提供氮 素营养，可以促进微生物降解活力的提高。（3）生物通风法 土壤的结构和类型直接影响着生物通气法的修复效率，不合适的土壤结构会使氧气和营养元素在到达污染区域之前就被消耗。因此生物通气法只适用于具有多孔结构的土壤污染修复。生物通风法设备费用低，运行维护费用也低，是一种很好的生物修复方法。（4）生物注气法 生物注气法（biosparging)是指将加压后的空 气压入地下水位以下土层中，气流使化合物 进入水分不饱和层并进行挥发和降解，同时 水分饱和层也得到氧气，有利于污染物降解 的一种生物降解方法。这种方法提供了充足 的溶解氧，扩大了生物降解的面积，使水分 饱和层和不饱和层的土著微生物均能发挥作 用。生物注气法适于处理受挥发性有机物污染的地下水及上层土壤，在常温下空气注入可溶解的氧质量浓度达到812mg/L，是最简单、最经济的形式。纯氧和臭氧注入可使溶解氧浓度达到4050mg/L，但成本很高，一般较少采用。（5）生物扩增法生物扩增法(bioaugmentation)是指通过改 变微生物及营养状态（N、P）等，提高土 著或外源微生物的代谢能力，进而使有机 污染物的降解效率显著提高的一种降解方 法。对于一些不易降解的有机污染物，通 常需要引入具有高效分解和利用能力的特 定微生物。构建遗传工程菌可能是处理这 类有机物的一种有效手段。 （6）生物冲淋法 生物冲淋法（bioflooding) 是指通 过注入井和注入沟将含有营养物和 氧的水补充到亚表层，促进污染物 降解的过程。生物冲淋法主要应用 于各种石油烃类污染的修复中其具体工程主要包括两组水井，一组是 注水井，它的作用是将各类接种的微生 物、水、营养物和电子受体等物质注入 土壤；另一组是抽水井，通过液体流动 促进营养物质的运输，保证充足的氧气生物冲淋法处理方法简单，费用相对较 低，其不足之处是处理时间较长，而且 在微生物的修复过程中，污染物可能会 进一步扩散到较深层的土壤和地下水中2. 异位生物修复技术异位生物修复是指被污染介质(土壤、水体) 搬动或输送至它处进行的生物修复过程。 相对于原位生物修复而言，更强调人为的 控制和创造更适宜的生物降解环境。 异位生物修复的工程措施和根本方法一般 可以采用土著微生物，也可以利用外加的 降解微生物，这种处理方法能更好的被控 制、技术难度低，但成本较大。异位修复技术涵盖广泛，应用较多的为以下几种 方法（1）堆层处理（2）堆肥法（3）预制床法（4）厌氧反应器（5）生物反应器（1） 堆层处理是一种复杂的生物修复技术，将受污 染的土壤从污染地挖掘出来，防止污 染物向地下水或更大的地域扩散，运 输到一个经过处理的地点堆积在不透 水的衬层上，在堆放的土壤中设置通 气管道，通入氧气或空气，以促进污 染物的好氧降解。 （2）堆肥式处理 在人工控制条件下，使有机废物发生生物稳 定作用的过程。处理时直接掺入了能提高处 理效果的支撑材料，如木屑、稻草、粪肥、 泥炭、树皮等易堆腐物质，使用机械翻动或 压气系统充氧，并补充氮和磷以及其他无机 盐，同时调节好pH值和通气条件，使微生物 的降解活性大大提高。经过一段时间的发酵 处理，大部分污染物被降解，标志着堆肥的 完成，经处理消除污染后的土壤可返回原地 或用于农业生产。 （3）预制床法是一种用于土壤修复的特制生物床反应器 ，包括水及营养物的喷淋系统、土壤底部 的防渗衬层、渗滤液收集系统及供气系统 等。在不泄漏的平台上，铺上石子与沙子 ，将污染土壤以1530cm的厚度平铺其上 ，并加入适当的营养液和水，定期通入氧 气并翻动土壤，以保证土壤中微生物生长 的合适条件。处理过程中流出的渗滤液， 回灌于该土层上，以便彻底清除污染物。 （4）好氧生物反应器 生物反应器是一种处理污染土壤的特 殊反应器。反应器可建在污染现场或 异地处理场地。通常为卧室鼓状、气 提式，可分批培养或连续培养。处理 时将污染土壤转移到生物反应器中， 加入39倍的水充分混合使其呈泥浆 状，同时加入各类营养物质，并在氧 气存在的条件下剧烈搅拌，使微生物 与底物充分接触，完成处理过程。 （5）厌氧反应器大多数生物修复的方法都是在好氧的 环境中进行的，事实上在厌氧的环境 中进行的生物修复也是有很大潜力的 。大量实验表明，厌氧处理对某些污 染物如三硝基甲苯、多氯联苯(PCB) 等的降解比好氧处理效果更好。（5）厌氧反应器现在已经有许多如厌氧生物反应器类的厌氧生物技术，但厌氧修复条件不太好控制，且厌氧修复过程中会产生一些毒性更大、更难降解的中间代谢产物。此外，厌氧发酵的终产物(H2S和CH4)也存在一些风险和毒性，因此其应用少于好氧处理。 3. 原位异位联合生物修复技术 原位异位联合的生物修复是指在实行 原位生物修复时，若使用原位修复存在 较大的困难，或者污染物的浓度过高， 甚至可能对生物产生毒害作用时，可采 用一些辅助手段，即将修复场所中的一 部分污染物引出，然后将其移至到生物 反应器或其它净化设施中进行净化的技 术，但是整个过程必须保证原位修复的 基本特性。 （1）冲洗-生物反应器法：用水充分 的冲洗土壤中的污染物，并将含有该 污染物的废水经回收系统转移至生物 反应器中，同时连续供给氧气、各类 营养 和降解菌等以清除污染物。（2）土壤通气-堆制法：采用生物通 气法去除污染土壤中易挥发的有机污 染物，然后再进行堆肥式处 理，清除 难挥发的污染物。 二、微生物修复技术的影响因素1. 微生物种群2. 污染物特性3. 氮源和磷源4. 其他影响因素1. 微生物的种群污染地的微生物种群对生物修复技术起到了关键性的作用，在应用高效降解菌修复污染土壤时，修复的效果要取决于微生物在不同污染生态系统中的存活能力，其生长限制因素包括与其它微生物的竟争、土壤的营养条件等。 2. 污染物特性污染物的化学性质和污染源的存在形式直接影响生物修复的效率。对于水中溶解度小或疏水性强的污染物，其表面活性剂可以促进污染物和微生物的接触机会，从而提高污染物的微生物修复效率。 3. 氮源和磷源适当添加各类营养物或改变污染土壤的C：N：P值对污染物的生物降解有很大的帮助。 4. 其他影响因素大量研究表明，土壤湿度越大，其污染物的转化效率越高。但也有研究表明，实际修复中，土壤湿度不宜太大，这是由于土壤湿度增加会使土壤空隙减少，进而阻止氧气的传递。增加土壤湿度可以提高生物修复的活性，加快降解速度。4. 其他影响因素土壤通气量对降解也有一定影响。通气可为烃污染土壤中的微生物提供充足的电子受体，可保持土壤pH值稳定，从而促进了微生物的生物活性，强化了它们对污染物的氧化降解作用。 第二节 微生物的定义及特点一、微生物的定义一般指体形在0.1毫米以下的小 生物。包括病毒、原核和真核生物 ；单细胞、简单的多细胞、甚至无 细胞结构 必须借助于光学甚至电子显微 镜才能看见动动物植物生 物菌病毒细细菌真菌藻微型动动物“微型植物”虫二、微生物的特点、微生物的特点 （一）个体极小，比表面积大 （二）食谱广，代谢类型多、 速率快 （三）种类多，分布广 （四）繁殖速度快，易变异 例如例如 杆菌的长度约杆菌的长度约2um2um，故，故15001500个杆菌头尾衔接个杆菌头尾衔接 起来仅有起来仅有一颗芝麻一颗芝麻长长( (3mm3mm) )。 。 ( (一一) )个体极小，比表面积大个体极小，比表面积大z 光学显显微镜镜的分辨率为为 0.2um，可以看见大部分 微生物的轮廓艾滋病毒攻击人体淋巴细胞 电子显微镜放大十万倍 4mm:40nm4mm:40nm病毒小于02um，在光 学显微镜可视范围外， 需通过电子显微镜才可 看见，电子显微镜的分 辨率为0.20.4nm,利用 电子显微镜可以是清晰 地看见各种微生物的结 构。比表面积30万倍对微生物生存有何好处？对微生物生存有何好处？z z有利于细胞吸收营养物质和加快新陈代谢有利于细胞吸收营养物质和加快新陈代谢。z有人计计算，乳酸杆菌一小时时内生成的乳酸约为约为 其体重的 100010000倍；但一个人如要产产生相当于其体重1000倍的 代谢谢物则则需要40多年。(二)食谱广、代谢类型多速度快理论上讲地球上所有的污染物都可 以进入微生物的食谱，成为微生物的 营养；核心是如何搭配，作到微生物既 爱吃还容易消化；代谢（metabolism）：细胞内发生的各种化学反应的总称代谢分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)复杂分子 (有机物)分解代谢合成代谢简单小分子ATPH根据微生物代谢有机物的过程中脱 氢、递氢和受氢体的不同微生物的呼吸指微生物获取能量的生理功能好氧呼吸厌氧呼吸根据氧化的底物、氧化产物的不同 按反应过程中的最终受氢体的不同 自养型微生物 无氧呼吸异养型微生物发 酵根据受氢体的不同分为代谢是可以调控的微生物的代谢可通过酶的合成/ 活性；底物和产物进行调控。（三）数量多、分布广因为繁殖速度快，所以数量多 凡有