環(huán)境微生物學(xué)

EnvironmentalMicrobiology鄭州大學(xué)生物工程系

席宇第五章污染環(huán)境的生物修復(fù)主要內(nèi)容一、生物修復(fù)的概念、原理及發(fā)展二、生物修復(fù)的類型三、生物修復(fù)的應(yīng)用Bioremediation:Nature'sWaytoaCleanerEnvironment一、生物修復(fù)的概念第一節(jié)生物修復(fù)的概念、原理及發(fā)展利用生物特別是微生物，將存在于土壤、地下水和海洋等環(huán)境中有毒有害的危險(xiǎn)性污染物（現(xiàn)場(chǎng)）降解成CO2和H2O或轉(zhuǎn)化成為無害物質(zhì)，從而使污染生態(tài)環(huán)境修復(fù)為正常生態(tài)環(huán)境的工程技術(shù)體系稱為生物修復(fù)(bioremediation)。Bioremediationisatreatmentprocessthatusesmicroorganisms(yeast,fungi,orbacteria)tobreakdown,ordegrade,hazardoussubstancesintolesstoxicornontoxicsubstances(mainlycarbondioxideandwater).

Microorganisms,justlikehumans,eatanddigestorganicsubstancesfornutrientsandenergy.嚴(yán)格意義的生物修復(fù)是指目標(biāo)化合物在不受人為干擾的自然情況下被降解。只要存在合適的環(huán)境條件，營養(yǎng)條件和微生物，就可以發(fā)生嚴(yán)格意義上的生物修復(fù)。嚴(yán)格意義上的生物修復(fù)發(fā)展很慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到生產(chǎn)實(shí)踐的要求生產(chǎn)上一般采用工程化手段來加速生物修復(fù)的進(jìn)程，這種在受控條件下進(jìn)行的生物修復(fù)又稱強(qiáng)化的生物修復(fù)或工程化的生物修復(fù)強(qiáng)化的生物修復(fù)（enhancedbioremediation）工程化的生物修復(fù)(engineeredbioremediation)Enhancedbioremediationisaprocessinwhichindigenousorinoculatedmicroorganismsdegradeorganiccontaminantsfoundinsoiland/orgroundwater,convertingthemtoinnocuousendproducts.Nutrients,oxygen,orotheramendmentsmaybeusedtoenhancebioremediationandcontaminantdesorptionfromsubsurfacematerials.生物修復(fù)的基本指導(dǎo)思想:凈化速度緩慢由于三方面的原因生物修復(fù)技術(shù)系統(tǒng)中添加氮、磷等營養(yǎng)鹽接種、馴化高效菌自然條件下DO不足營養(yǎng)鹽缺乏高效菌生長緩慢供氧快速去除污染物工程化的生物修復(fù)一般采用下列手段：（1）生物刺激（biostimulation）：滿足土著微生物生長所需的環(huán)境條件，如提供電子受體，供體、氧及營養(yǎng)物Biostimulationreferstotheadditionofoxygenand/orinorganicnutrientstoindigenousmicrobialpopulationsinsoilsandgroundwater（2）通過各種手段誘導(dǎo)參與降解污染物的微生物菌群的產(chǎn)生和擴(kuò)增（bioaugmentation）Bioaugmentationreferstotheintroductionofspeciallyselectedorgeneticallyengineeredstrainsofmicrobestoacontaminatedsite.IfsiteassessmentsrevealthatspeciesofindigenousmicroorganismsareunabletodegradetargetcontaminantsExogenousmicroorganismswiththerequiredbiochemicalcapabilitiescanbeintroducedtosuccessfullydegradespecificwastecompounds.生物修復(fù)是指生物特別是微生物催化降解有機(jī)污染物，從而去除或消除環(huán)境污染的一個(gè)受控或自發(fā)進(jìn)行的過程相同的表達(dá)有生物再生(bioreclamation)、生物恢復(fù)(Biorestoration),也可譯為生物清除或生物清消；相近的表達(dá)生物凈化(biopurification)目前對(duì)于生物修復(fù)的概念尚無統(tǒng)一認(rèn)識(shí),Hamer將生物修復(fù)的概念定義為“對(duì)環(huán)境肆虐的生物反應(yīng)”（Biologicalresponsetoenvironmentalabuse）。生物修復(fù)技術(shù)英文刊物常用的Bioremediation，BioremediationTechniques,BioremediationEngineering.最初的生物修復(fù)主要是利用細(xì)菌治理石油、農(nóng)藥之類的有機(jī)污染.隨著研究的不斷深入,生物修復(fù)又應(yīng)用在地下水、土壤等環(huán)境的污染治理上.生物修復(fù)已由細(xì)菌修復(fù)拓展到真菌修復(fù)、植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù),由有機(jī)污染物的生物修復(fù)拓展到無機(jī)污染物的生物修復(fù).二、生物修復(fù)的背景和發(fā)展1972年美國清除賓夕法尼亞州的Ambler管線泄漏的汽油是史料所記載的首次應(yīng)用生物修復(fù)1989年美國阿拉斯加海域受到大面積石油污染以后,才首次大規(guī)模應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)美國從1991年開始實(shí)施龐大的土壤、地下水、海灘等環(huán)境危險(xiǎn)污染物的治理項(xiàng)目,并稱之為“超基金項(xiàng)目(superfund)”美國政府制定有利于綠色技術(shù)的政策法規(guī)是推動(dòng)生物修復(fù)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，其聯(lián)邦政府和州政府已通過法律，要求生物修復(fù)許多極嚴(yán)重污染的場(chǎng)地。歐洲各國從20世紀(jì)80年代中期就對(duì)生物修復(fù)進(jìn)行了初步研究,并完成了一些實(shí)際的處理工程.其生物修復(fù)技術(shù)可與美國并駕齊驅(qū)美國一些州也對(duì)生物修復(fù)技術(shù)持積極的態(tài)度新澤西州在其政策中將生物修復(fù)治理技術(shù)列為經(jīng)改進(jìn)的主要現(xiàn)場(chǎng)治理方法之一；威斯康星州明確規(guī)定將生物修復(fù)技術(shù)列為凈化受地下儲(chǔ)油罐泄漏污染的土壤的三種治理方法之一，而且如果生物處理適用于某一污染地點(diǎn)的治理，就不再要求使用其他方法美國環(huán)保局（EPA）還制定了90年代土壤和地下水的生物修復(fù)計(jì)劃，并組織了一個(gè)由聯(lián)邦政府、學(xué)術(shù)和實(shí)業(yè)界人員組成的“生物修復(fù)行動(dòng)委員會(huì)“(BioremediationActionCommittee)來負(fù)責(zé)生物修復(fù)技術(shù)的研究和具體應(yīng)用實(shí)施。1991年3月，在美國圣地亞哥舉行了第一屆原位生物修復(fù)國際研討會(huì)，會(huì)議有來北美、歐洲、澳洲和亞洲20個(gè)國家的700名學(xué)者參加。1993年4月在美國圣地亞哥舉行的第二屆國際討論會(huì)，有26個(gè)國家的1100多位代表參加.2001年6月在美國圣地亞哥舉行的第六屆原位及現(xiàn)場(chǎng)生物修復(fù)專題討論會(huì)

目前已有的研究結(jié)果表明，生物修復(fù)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：費(fèi)用省，生物修復(fù)技術(shù)是所有處理技術(shù)中最便宜。操作簡(jiǎn)單，環(huán)境影響小，修復(fù)時(shí)間較短最大限度地降低污染物濃度因此，在環(huán)境科學(xué)界，生物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為比物理和化學(xué)處理技術(shù)更具發(fā)展前途，它已經(jīng)發(fā)展成為一種新的可靠的環(huán)保技術(shù)，并得到廣泛的應(yīng)用，有人稱之為生物處理技術(shù)的一個(gè)里程碑。生物修復(fù)技術(shù)可以同時(shí)處理受污染的土壤和地下水。人類直接暴露在污染物下的機(jī)會(huì)減少生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用范圍有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。三、生物修復(fù)的原理與影響因素（一）、用于生物修復(fù)的微生物可以用來作為生物修復(fù)菌種的微生物分為三大類型：土著微生物、外來微生物和基因工程菌。（1）土著微生物（indigenousmicroorganisms）微生物降解有機(jī)化合物的巨大潛力，是生物修復(fù)的基礎(chǔ)。生物修復(fù)中微生物的作用原理和方式與污染物的生物降解和轉(zhuǎn)化是一致的，即通過微生物的降解與轉(zhuǎn)化將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無害的小分子化合物和二氧化碳與水。目前，在大多數(shù)生物修復(fù)工程中實(shí)際應(yīng)用的都是土著微生物A.由于土著微生物降解污染物的潛力巨大；在污染物的實(shí)際處理中，必須考慮要接種多種微生物或者激發(fā)當(dāng)?shù)囟鄻拥耐林⑸铩.接種的微生物在環(huán)境中難以保持較高的活性以及工程菌的應(yīng)用受到較嚴(yán)格的限制；（2）外來微生物（exogenousmicroorganisms）土著微生物生長速度太慢、代謝活性不高，或者由于污染物的存在而造成土著微生物數(shù)量下降，因此需要接種一些降解污染物的高效菌。采用外來微生物接種時(shí)，會(huì)受到土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)，需要用大量的接種微生物形成優(yōu)勢(shì)，以便迅速開始生物降解過程。（3）基因工程菌(geneticalengineeringmicrobes)基因工程菌引入現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境后會(huì)與土著微生物菌群發(fā)生激烈競(jìng)爭(zhēng)，基因工程菌必須有足夠的存活時(shí)間，其目的基因方能穩(wěn)定地表達(dá)出特定的基因產(chǎn)物—特異的酶。（二）、影響生物修復(fù)的因素生物修復(fù)過程中主要涉及到微生物、有機(jī)有害污染物和土壤，因此可將影響生物修復(fù)的因素分為三個(gè)方面，即微生物活性、污染物特性和土壤性質(zhì)，在研究和選擇生物修復(fù)技術(shù)時(shí)均應(yīng)加以考慮。

1．微生物營養(yǎng)鹽

2．電子受體

3．共代謝基質(zhì)4．有毒有害有機(jī)污染物的物理化學(xué)性質(zhì)5．污染現(xiàn)場(chǎng)和土壤的特性總之，發(fā)展成功的生物修復(fù)技術(shù)，需要多方面研究人員的合作，不僅需要有關(guān)微生物學(xué)的知識(shí)，還需要對(duì)工程科學(xué)、化學(xué)測(cè)試分析方法和污染物(包括其代謝產(chǎn)物)生物毒性等技術(shù)了解。因此美國國家環(huán)保局下屬五個(gè)實(shí)驗(yàn)室確定了四個(gè)主要的研究領(lǐng)域以深化對(duì)生物修復(fù)技術(shù)的研究。1.工程科學(xué)：工程科學(xué)研究的目標(biāo)就是要為生物修復(fù)技術(shù)中的微生物提供最合適的微環(huán)境，并促進(jìn)污染物與微生物細(xì)胞間的相互接觸2.微生物學(xué)

3.測(cè)試和分析方法：只有適當(dāng)?shù)牟蓸雍头治鍪侄尾拍芫_地判斷是否發(fā)生了生物修復(fù)過程和生物修復(fù)進(jìn)行的程度。4.生物毒性：為了保證受到公眾關(guān)注的生物修復(fù)技術(shù)的安全性，評(píng)價(jià)接種微生物和分解產(chǎn)物對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)的衛(wèi)生效應(yīng)和毒性效應(yīng)也是必要的。第二節(jié)生物修復(fù)的類型根據(jù)被修復(fù)的污染環(huán)境土壤生物修復(fù)水體生物修復(fù)海洋生物修復(fù)湖泊生物修復(fù)地下水生物修復(fù)微生物修復(fù)根據(jù)生物修復(fù)所利用的生物類群植物修復(fù)動(dòng)物修復(fù)根據(jù)生物修復(fù)中人工干預(yù)的程度自然生物修復(fù)人工生物修復(fù)原位生物修復(fù)易位生物修復(fù)原位生物修復(fù)（insitubioremediation）易位生物修復(fù)（exsitubioremediation）不需要移動(dòng)污染物而進(jìn)行的生物修復(fù)污染的土壤從污染環(huán)境挖出，通過采用固相法或泥漿反應(yīng)器處理原位生物修復(fù)運(yùn)行成本低，操作較難維持，一般為優(yōu)先采用的方法在許多情況下,尤其是污染程度較高時(shí),單純采用原位生物修復(fù)往往達(dá)不到預(yù)定要求,這時(shí)可采用易位生物修復(fù)一、原位生物修復(fù)（一）生物擴(kuò)增（bioaugmentation）在添加營養(yǎng)物條件下，用土著或者接種菌來降解環(huán)境中的有機(jī)污染物。（二）、培養(yǎng)法（culture）向污染生境添加外源生物活性物質(zhì)，可以大大促進(jìn)生物修復(fù)的進(jìn)行。可添加N、P營養(yǎng)，表面活性劑、電子受體等。目前已經(jīng)開發(fā)一種親油肥料，不僅含有N、P，而且還有許多易降解的碳源，能夠加快烴的降解速率和程度。又稱為生物培養(yǎng)法（bioculture）（三）生物通氣法（bioventing）指在土壤的含水層之上，既不飽和層通入空氣，為好氧微生物提供最終電子受體。通常的工藝是在污染現(xiàn)場(chǎng)打井，通入空氣或抽真空。生物通氣法已經(jīng)成功的應(yīng)用于污染土壤的生物修復(fù)生物注氣法（biosparge）:將空氣通入地下水位以下，即在飽和層通入空氣，從而使飽和層的揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)移到不飽和層內(nèi)被微生物降解。不利于采用生物通風(fēng)法的幾種情況：1.被處理的污染物蒸汽壓太高，揮發(fā)太快.2.滲透性太差的土壤對(duì)氧的擴(kuò)散阻力大，不能保障好氧微生物對(duì)氧的需求.（四）、生物翻耕法（biofarming;landfarming）指通過對(duì)污染土壤進(jìn)行翻耕，提高土壤的通透性，創(chuàng)造污染物被氧化的條件。同時(shí)施入肥料，調(diào)整污染區(qū)域的酸堿度，改良微生物的生存環(huán)境，確保不同深度的土壤中污染物均能被較好的清除。Landfarmingisabioremediationtreatmentprocessthatisperformedintheuppersoilzoneorinbiotreatmentcells.Contaminatedsoils,sediments,orsludgesareincorporatedintothesoilsurfaceandperiodicallyturnedoverortilledtoaeratethemixture（五）、植物修復(fù)（phytoremediation）直接或間接利用高等植物去除污染物的技術(shù)稱為植物修復(fù)。植物修復(fù)過程主要包括植物對(duì)污染物的吸收和植物根際附近土壤中微生物對(duì)污染物的降解。根際是植物修復(fù)的主要部位，包括根及其附近的土壤。植物修復(fù)通過4種機(jī)制去除環(huán)境中的污染物:Vegetation-enhancedbioremediation2)根際過濾技術(shù)(rhizofiltration):1)植物萃取技術(shù)(phytoextration):利用金屬積累植物或超積累植物將土壤中的金屬萃取出來,富集并搬運(yùn)到植物根部可收割部分和植物地上的枝條部位;利用超積累植物或耐重金屬植物根孔通過水流移出土壤重金屬.3)植物固化技術(shù)(phytostabilization):4)植物蒸發(fā)技術(shù)(phytovolatilization)即利用植物將土壤重金屬轉(zhuǎn)變成無毒或毒性較低的形態(tài)(生物無效態(tài)),但并未從土壤中真正去除它(又稱作原位改良)。指植物吸收和釋放揮發(fā)性化合物到大氣圈中的修復(fù)過程植物修復(fù)對(duì)土壤和水體中的重金屬污染治理具有特殊的優(yōu)勢(shì)。植物修復(fù)的主要優(yōu)勢(shì)是費(fèi)用低廉，缺點(diǎn)在于效率較低，修復(fù)時(shí)間較長。植物修復(fù)的效率很大程度上由與根接觸的土量決定,而非禾本科植物根際土量的比例是很小的。菌根的外延菌絲能解決以上問題（六）菌根根際生物修復(fù)菌根是土壤中的真菌菌絲與高等植物營養(yǎng)根系形成的一種聯(lián)合體。菌根能有效降解和轉(zhuǎn)移環(huán)境污染物,將其應(yīng)用到生物修復(fù)中能解決植物修復(fù)的一些問題。目前菌根生物修復(fù)技術(shù)用于污水污泥、固體垃圾、有機(jī)污染物(如石油、多環(huán)芳烴和酞酸酯、農(nóng)藥、殺蟲劑和除草劑)污染土壤的治理。菌根根際既包括菌根的根—真菌菌絲表面,也包括從菌根發(fā)出侵染周圍土壤的外延菌絲的菌絲表面。后者主要與土壤中營養(yǎng)的固定、吸收、轉(zhuǎn)移和植物傳遞有關(guān)。延伸的根際成分支持了數(shù)量龐大的細(xì)菌。人工濕地（wetland）處理城市污水二、易位生物修復(fù)（一）、泥漿反應(yīng)器法（slurrybioreactor）為通常采用的一種異地生物修復(fù)技術(shù)，是將污染土壤與液體混合起來形成泥漿，引入反應(yīng)器進(jìn)行處理。泥漿反應(yīng)器可以在控制溶氧、pH、溫度和混合狀態(tài)等參數(shù)的情況下進(jìn)行處理泥漿反應(yīng)器能夠處理相對(duì)低分子質(zhì)量的多環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物、酚等處理過程中可添加一些表面活性劑，促進(jìn)微生物與污染物的接觸，加速降解過程簡(jiǎn)單的泥漿反應(yīng)器可以用低洼地和小池塘代替(二)預(yù)制床法(preparedbedreactor)是一種用于土壤修復(fù)的特制生物床反應(yīng)器，包括供水及營養(yǎng)物噴淋系統(tǒng)、土壤底部的防滲襯層、滲濾液收集系統(tǒng)及供氣系統(tǒng)。美國的超級(jí)基金(superfund)污染土壤生物修復(fù)計(jì)劃中就使用了許多這樣的反應(yīng)器（三）堆制法（composting）堆制是在人工控制條件下，使有機(jī)廢物發(fā)生生物穩(wěn)定作用（biostablization)的過程。一般是將污染物與容易分解的有機(jī)物混合堆放，并加以氮、磷及其他無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)，輔助一些簡(jiǎn)單的攪拌、通氣裝置污染物經(jīng)過穩(wěn)定化作用形成堆肥，是一種腐殖質(zhì)含量很高的疏松物質(zhì)厭氧堆制空氣與發(fā)酵原料不接觸，堆制溫度低，周期長，污染物分解不充分，有異味。好氧堆制是目前通常采用的堆制工藝。堆制有厭氧堆制和好氧堆制兩種：microbesoxygenwaterorganicwasteheathumuswatercarbondioxide（四）生物堆層修復(fù)技術(shù)（biopiles）又稱土壤堆積，是一種較為復(fù)雜的土壤修復(fù)技術(shù)。將含有污染物的土壤挖掘出來，堆積在不透水的襯層上，在堆放的土壤中設(shè)置許多通氣管道，通入空氣和氧氣，或者抽真空以促進(jìn)污染物的好氧降解，含有營養(yǎng)物的液體噴淋在土壤表面，以促進(jìn)微生物的活性，滲濾液被收集并循環(huán)到堆積土壤中。如果處理的化合物或代謝產(chǎn)物具有揮發(fā)性，則需要收集處理氣體生物堆層修復(fù)技術(shù)有許多成功的應(yīng)用實(shí)例，效果較好三、原位—易位聯(lián)合生物修復(fù)聯(lián)合使用原位生物修復(fù)技術(shù)和易位生物修復(fù)技術(shù)，可充分發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，更高效的去除環(huán)境中的污染。目前研究較多的主要有以下兩種方法：（一）沖洗—生物反應(yīng)器法（washing-bioreactor）用水沖洗土壤中的污染物，將含有該污染物的廢水經(jīng)回收系統(tǒng)引入生物反應(yīng)器，同時(shí)供給營養(yǎng)、氧氣和降解菌以清除污染物(二)土壤通氣-堆制法（bioventing-composting）采用生物通氣法驅(qū)除土壤中易揮發(fā)的有機(jī)污染物，然后在進(jìn)行堆制式處理，清除難揮發(fā)的有機(jī)物。a)Afterbioaugmentation,someofthepollutantremainsunavailableforbacterialmineralisationduetoitspositionwithinoradsorptiontosoilparticles.b)Electrokineticsinducesthemovementofapollutantasaresultoftheirchargeandorientationwithintheelectricfield,allowingbacterialdegradation.四、電化學(xué)強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)第三節(jié)生物修復(fù)的應(yīng)用1.農(nóng)藥污染的生物修復(fù)2.石油污染的生物修復(fù)3.富營養(yǎng)化水體的生物修復(fù)4.污染地下水的生物修復(fù)阿拉斯加石油污染的生物修復(fù)為了盡可能減少對(duì)該區(qū)野生動(dòng)物和漁業(yè)資源的危害以及向其他海岸線遷移,迫切需要清除這些高濃度的原油。1989年3月24日,美國的ExxonValdez號(hào)油船觸礁,41000t原油在阿拉斯加的WilliamSound王子島泄漏。隨水漂移后2100km的海岸線(占阿拉斯加灣總海岸線的15%)遭受污染。美國政府1989年曾調(diào)動(dòng)人員11000名,派出1400艘船只和84架直升機(jī)來盡快解決這一問題但難度很大