污染環(huán)境的生物修復(fù)課件

1、第十章 污染環(huán)境的生物修復(fù)第一節(jié) 生物修復(fù)概論生物修復(fù)的基本概念生物修復(fù)（bioremediation）生物恢復(fù)（biorestoration）、生物清除（bioelimination）、生物再生（bioreclamation）或生物凈化（biopurification）。生物修復(fù)是生物特別是微生物催化降解有機(jī)污染物，從而修復(fù)被污染環(huán)境或消除環(huán)境中的污染物的過程。以生物修復(fù)為核心的生物治理技術(shù)種類異位生物修復(fù)（ex situ）原位生物修復(fù)（in situ）采取就地解決問題的技術(shù)方案，即在污染區(qū)域直接使用修復(fù)技術(shù)而無需將其轉(zhuǎn)移。需要通過某種途徑將被污染物從污染現(xiàn)場運(yùn)到一指定地點(diǎn)進(jìn)行集中處理。成功

2、的生物修復(fù)需具備的前提條件 污染場地或生物反應(yīng)器的環(huán)境條件必須 有利于微生物生長或保持活性； 必須存在具代謝活性的微生物，這些微生物在降解或轉(zhuǎn)化化合物時(shí)必須達(dá)到一定的速率，且不會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)； 目標(biāo)化合物必須能夠被微生物利用，污染場地不含對降解菌種有抑制作用的物質(zhì)，否則需先行稀釋或?qū)⒃撘种苿o害化； 技術(shù)費(fèi)用必須盡可能低。生物修復(fù)主要生物種類及其修復(fù)原理有機(jī)污染物無害的小分子化合物和二氧化碳與水微生物的降解和轉(zhuǎn)化微生物修復(fù)的生物類型土著微生物：環(huán)境中固有的微生物外來微生物：需大量接種的高效菌基因工程菌（GEM）一、環(huán)境污染的微生物修復(fù)影響微生物修復(fù)的因素共代謝基質(zhì):電子受體種類和濃度直接影響微

3、生物降解的速度和程度。對于好氧生長的微生物，通過不同方式增加氧的供給，加速污染物的清除。常見方法有翻耕土壤、直接充氧和加入氧發(fā)生劑供氧。表面活性劑：有助于對親水性差的污染物質(zhì)的降解。微生物可通過共代謝加速降解一些難降解有機(jī)物。需添加氮、磷營養(yǎng)元素營養(yǎng)鹽：電子受體：可同時(shí)去除有機(jī)污染物和重金屬、放射性核素，適用于大面積、低污染的區(qū)域。二、環(huán)境污染的植物修復(fù)植物修復(fù)的特點(diǎn) 植物對有機(jī)污染物的直接吸收作用 植物釋放分泌物和酶 根區(qū)的礦化作用環(huán)境污染的植物修復(fù)機(jī)理 有機(jī)物的降解與去除礦化作用是在土壤微生物作用下 ，土壤中有機(jī)態(tài)化合物轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)化合物過程的總稱。1、土壤環(huán)境中金屬污染生物修復(fù)植物在土壤

4、修復(fù)中的應(yīng)用我國每年因重金屬污染的糧食達(dá)1200萬噸！直接經(jīng)濟(jì)損失超過200億元，而這些糧食可養(yǎng)活4000多萬人。廣東最著名的“癌癥村”上壩村重金屬污染 下游的水田被嚴(yán)重污染，無法種植農(nóng)作物該村18年間有250多人死于癌癥，禍起礦山剝采污染水源，央視曾稱其為“死亡村莊” 橫石水稀釋10000倍，水生物還是不能在里面存活24小時(shí)。其毒性可順延下游50公里。上壩村民生存在一個(gè)重金屬污染到處存在的環(huán)境中，當(dāng)?shù)胤N出來的香蕉，鎘超標(biāo)187倍運(yùn)用植物去除有毒重金屬的新型態(tài)植物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)技術(shù)是透過植物體本身吸收并累積重金屬的過程來移除土壤中的重金屬。金屬螯合肽主要由谷胱苷肽(glutathione,G

5、SH)所組成，其結(jié)構(gòu)為谷氨酸-半胱氨酸-甘氨酸(r-Glu-Cys-Gly)。GSH能夠緩解重金屬對植物細(xì)胞的毒害作用.植物去除有毒重金屬機(jī)制典型的金屬硫蛋白具有61-74個(gè)氨基酸，其中含有20個(gè)半胱氨酸(cysteine)，每一個(gè)金屬硫蛋白就可結(jié)合七個(gè)二價(jià)重金屬離子如鎘、鉻、鋅等.金屬硫蛋白(Metallothionein)與金屬螯合素(Phytochelatins)是擔(dān)負(fù)重金屬處理機(jī)制中最重要的角色。變?nèi)~木經(jīng)常被作為吸收重金屬試驗(yàn)的植物仙丹花鵝掌藤馬齒莧美人蕉孔雀草適應(yīng)重金屬脅迫的植物不吸收或少吸收重金屬將吸收的金屬鈍化在植物的地下部分大量吸收金屬的同時(shí)正常生長在金屬污染土壤中生產(chǎn)符合環(huán)境

6、標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)產(chǎn)品通過栽種植物積累金屬，收獲后進(jìn)行植物提取適應(yīng)重金屬脅迫的植物已有的方法：將土壤從污染點(diǎn)搬移，然后用分散劑或鰲合劑進(jìn)行處理。植物可從污染的土壤中吸收并累積大量的放射性核素，因此植物去除是一個(gè)值得研究的方法。植物對放射性核素的吸收與植物種類及土壤的性質(zhì)有關(guān)。土壤的粒子交換能力越強(qiáng)，植物吸收放射性核素的能力越大。 環(huán)境中放射性核素的去除 富營養(yǎng)化水體水華和赤潮防治水體富營養(yǎng)化的對策：控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)的輸入；減少內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)的負(fù)荷。防治水體富營養(yǎng)化的措施：工程性措施：挖走底泥、水底深層曝氣等；化學(xué)法：凝聚沉降、化學(xué)藥劑殺藻等；植物在富營養(yǎng)化水體的水質(zhì)凈化中的應(yīng)用 生物法：即生物修復(fù)，利

7、用水生生物吸收氮、磷 進(jìn)行代謝活動(dòng)從而除去水體中的營養(yǎng)物質(zhì)。以大型植物為主體，植物和根區(qū)微生物共生，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，經(jīng)過植物直接吸收、微生物轉(zhuǎn)化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和懸浮顆粒，同時(shí)對重金屬元素也有去除效果。 高等水生植物凈化水體的特點(diǎn)第二節(jié) 農(nóng)田土壤污染的生物修復(fù)土壤生態(tài)系統(tǒng)-高效的“活過濾器”土壤微生物無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)土壤形成的基礎(chǔ)土壤凈化的原因綠色植物的光合作用植物生長、發(fā)育的需要凈化大氣中的塵埃、氣溶膠、重金屬和有機(jī)污染物有機(jī)廢物土壤凈化功能主要組成要素 1、綠色植物根系的吸收、轉(zhuǎn)化、降解和生物合成作用 2、土壤中的細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物的降解、轉(zhuǎn) 化和生物固定化作用 3、土壤的

8、有機(jī)、無機(jī)膠體及其復(fù)合體的吸收、絡(luò)合和沉淀作用 4、土壤的離子交換作用5、土壤和植物的機(jī)械阻留作用 6、土壤的氣體擴(kuò)散作用1、土壤農(nóng)藥殘留污染的控制與生物修復(fù)大部分直接落入土壤植物吸收飛揚(yáng)到大氣中隨水流走防治農(nóng)田病蟲害、雜草、保證農(nóng)作物高產(chǎn)的重要手段；又是控制某些傳染性疾病如瘧疾、黃熱病、腦炎、絲蟲病以及登革熱等的重要藥劑。土壤農(nóng)藥污染生物修復(fù)機(jī)理主要通過微生物的轉(zhuǎn)化作用。農(nóng)藥土壤微生物農(nóng)藥被土壤微生物降解的基本機(jī)理脫鹵作用和脫烴作用（假單細(xì)胞菌屬、諾卡氏菌屬和曲霉菌屬）降解農(nóng)藥污染土壤的微生物修復(fù)手段將受污染土壤在原地處理。處理期間, 土壤基本不被攪動(dòng)。最常見的是土壤的水飽和區(qū)進(jìn)行生物降解。

9、除了要加入營養(yǎng)鹽,氧源外，還需引入微生物以提高生物降解的能力。這種方法因受溫度和土壤類型的影響而具有一定的局限性。原位生物修復(fù)技術(shù) 異位生物修復(fù)技術(shù)堆制處理法生物反應(yīng)器厭氧生物處理法2、農(nóng)田土壤的重金屬污染植物修復(fù)* 植物萃取技術(shù) * 植物固化技術(shù)* 根際過濾技術(shù)利用植物清潔土壤中的重金屬，主要有三部分內(nèi)容：利用植物萃取技術(shù)治理土壤的重金屬污染原理：利用重金屬超積累植物從土壤中吸取金屬污染物，隨后收割地上部并進(jìn)行集中處理，連續(xù)種植該植物，達(dá)到降低或去除土壤重金屬污染的目的。目前已發(fā)現(xiàn)有700多種超積累重金屬植物，積累Cr、Co、Ni、Cu、Pb的量一般在0.1%以上，Mn、Zn可達(dá)到1%以上。

10、1）污染濃度低時(shí)也有較高的積累速率；2）能在體內(nèi)積累高濃度污染物；3）同時(shí)積累幾種金屬；4）植物在野外條件下生長速度快、生長周 期短、生物量高、個(gè)體高大、向上垂直 生長以利于機(jī)械化作業(yè).對植物萃取特性要求遏藍(lán)菜屬是一種已被鑒定的鋅和鎘超積累植物柳屬的某些物種能大量富集鎘印度芥菜對鎘、鎳、鋅、銅富集可分別達(dá)到58、52、31、17和7倍利用植物根際過濾技術(shù)治理重金屬污染具有發(fā)達(dá)的纖維狀根系和很高生物產(chǎn)量的水生植物，能夠在水中有效地去除重金屬和放射性核素，尤其適合根際過濾技術(shù)的要求.理想的用于根際過濾的植物，應(yīng)該具有迅速生長的根系。鳳眼蓮機(jī)理：植物根際存在大量的根際微生物。在植物修復(fù)中，根際微生物

11、與植物可以形成聯(lián)合(共)修復(fù)體系。微生物的存在能夠降解有機(jī)污染物或改變污染物的存在形態(tài)，提高污染物的生物有效性，利于植物對污染物質(zhì)的吸收，或者使有機(jī)污染物的植物毒性減小。破銅錢治理重金屬污染的最新技術(shù)利用“銅草”吸收超標(biāo)銅元素制成肥料，可解決另一些缺銅的土壤問題。海洲香薷（銅草）人與自然和諧相處的范例根、莖、葉、花可以用來煉銅銅草吸收土壤中過多的銅元素中國科學(xué)家利用蜈蚣草大規(guī)模修復(fù)污染土壤作用機(jī)理：蜈蚣草的毛狀體對砷具有特殊的富集能力，羽片胞液是砷的主要儲(chǔ)存部位，對砷具有明顯的區(qū)隔化作用，砷毒因此被“密封”在蜈蚣草體內(nèi)的安全部位，不會(huì)影響植物的整體生長發(fā)育。蜈蚣草富集砷的能力隨著生長發(fā)育不斷增

12、強(qiáng)，且這種超富集特性可以遺傳給下一代。蕨類植物蜈蚣草對重金屬砷具有超常規(guī)吸收和富集能力吸收土壤中的重金屬收獲植物中的重金屬元素提純?yōu)橛杏玫墓I(yè)原料轉(zhuǎn)基因技術(shù)治理土壤重金屬污染原理：通過轉(zhuǎn)金屬硫蛋白基因植物治理被 重金屬尤其是被鉛污染的土壤轉(zhuǎn)基因煙草利用根部吸咐大量重金屬（包括鉛）而達(dá)到土壤凈化的目的，且無二次污染。矮牽牛可吸附除去土壤中的重金屬，又可美化周圍環(huán)境或道路植物修復(fù)土壤重金屬污染優(yōu)點(diǎn)植物修復(fù)有兩個(gè)特點(diǎn)：植物既可以從污染比較嚴(yán)重的土壤中萃取重金屬，也可以從輕度污染的土壤中吸收重金屬；植物吸收具有選擇性，能夠直接針對目標(biāo)污染物進(jìn)行吸收；植物修復(fù)技術(shù)通過萃取和濃集作用可極大地減少污染物的體

13、積；適用植物修復(fù)的污染物范圍廣，如重金屬、放射性核素、石油碳?xì)浜衔?、爆炸物成本低；較高的環(huán)境美學(xué)價(jià)值，易為社會(huì)接受；增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，被植物修復(fù)過的干凈土壤適合于多種農(nóng)作物生長；能使地表長期穩(wěn)定，有利于污染物的固定、生態(tài)環(huán)境改善和野生生物繁衍；從超積累植物中可回收重金屬。對于植物修復(fù)用作微肥的金屬如銅、鋅來說，富集重金屬的植物在收割后可用作制作成微肥的原材料；能永久性解決土壤中的重金屬污染問題；1） 需針對不同的目標(biāo)污染選用不同的生態(tài)型植物;2） 對土壤肥力、地理氣候、水分、鹽度、酸堿度、排水 與灌溉系統(tǒng)等自然和人為的條件有一定的要求；3） 一種植物往往只能吸收一種或兩種重金屬元素，對土 壤

14、中其他濃度較高的重金屬則表現(xiàn)為某些中毒癥狀；4） 用于清理污染土壤的超積累植物通常矮小、生物量低 生長緩慢、生長周期長，因而修復(fù)率低，不易于機(jī)械 化作業(yè)；5） 用于清潔污染物的植物器官往往通過腐爛、落葉等途 徑使污染物重返土壤；6） 修復(fù)時(shí)間長（通常需要一個(gè)生長季節(jié)以上）7） 土壤的處理一般只局限在地表1米以內(nèi)；地下水的處 理只局限在地表的3米內(nèi)。植物修復(fù)的不足之處利用生物有機(jī)肥控制農(nóng)田土壤污染施用生物有機(jī)肥能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的吸收容量。傳統(tǒng)的有機(jī)肥：秸稈、動(dòng)物糞便、綠肥等。 益處新型生物有機(jī)肥：蚯蚓糞、微生物菌肥、海藻菌肥 第三節(jié) 污染水體的生物修復(fù)湖泊水

15、體富營養(yǎng)化的生物治理富營養(yǎng)化（eutrophication）一詞來源于希臘文，意為“富?！薄：囱莼^程中的一種自然現(xiàn)象，在無人干擾的情況下，該過程十分緩慢，但是生態(tài)系統(tǒng)的破壞加快了它的進(jìn)程。水體營養(yǎng)化天然富營養(yǎng)化：幾千年甚至幾萬年人為富營養(yǎng)化：短短幾年富營養(yǎng)化1） 藻類增生 2） 降低水體的透明度3） 影響水體的溶解氧4） 藻類的過度繁殖使水體產(chǎn)生腥臭味5） 向水體釋放有毒物質(zhì)富營養(yǎng)化的危害富營養(yǎng)化水體底層堆積的有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下分解產(chǎn)生的有害氣體，以及一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素會(huì)傷害水生動(dòng)物。富營養(yǎng)化水中含有亞硝酸鹽和硝酸鹽，人畜長期飲用這些物質(zhì)含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)的水，會(huì)中毒致病。水體富營

16、養(yǎng)化的產(chǎn)生原因 農(nóng)田化肥牲畜糞便污水灌溉城鎮(zhèn)地表徑流 礦區(qū)地表徑流大氣沉降水體人工養(yǎng)殖消除湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵問題在于削減湖泊水體的氮、磷以及底泥有機(jī)碳和氮、磷的負(fù)荷，消除水體中藻類瘋長的基礎(chǔ)，達(dá)到降低水體藻類生物量、提高水體透明度的目的。富營養(yǎng)化的控制1） 除磷脫氮削減有機(jī)碳2） 化學(xué)除藻：硫酸銅3） 生物除藻：利用植物凈化系統(tǒng)、食物鏈、微生物4） 源頭控制原理：浮島上植物的根系扎在水中，借用植物生長來吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，從根本上解決水污染問題。采用“生物浮島改善水質(zhì)技術(shù)”來治“水華”蘇州河的“水上花園”生物浮島寧波城區(qū)內(nèi)河營建“水上生態(tài)公園”湖北“月湖生態(tài)修復(fù)工程”基地的人工浮島利

17、用大型海藻治理海水富營養(yǎng)化新技術(shù)大型海藻在生長過程中可大量吸收C、N、P 等植物營養(yǎng)元素, 有效促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和減緩富營養(yǎng)化。條斑紫菜海帶龍須菜大型海藻治理海洋富營養(yǎng)化優(yōu)勢人工栽培海藻的生長速度快, 單位面積產(chǎn)量很高, 且海藻產(chǎn)品容易收獲。大型海藻的生理特點(diǎn)是通過光能進(jìn)行光合作用。海洋赤潮的生物防治赤潮的成因 攜帶大量無機(jī)營養(yǎng)鹽和有機(jī) 物的工業(yè)廢水和生活污水排入大海。排入大海中的污水所含的氮和磷較高，是赤潮產(chǎn)生的主要原因。 重金屬的鐵和錳等微量元素以及一些特殊的有機(jī)物質(zhì)，如維生素B1、B2、葉綠素a等也是赤潮發(fā)生的刺激因素。赤潮發(fā)生時(shí)，大量赤潮生物覆蓋水面，空氣的氧氣不易進(jìn)入，而且死亡的赤潮生物極易被生物分解，從而耗盡海水中的溶解氧，使得海水呈缺氧甚至無氧狀態(tài)，導(dǎo)致海洋生物大量死亡。 赤潮的危害赤潮嚴(yán)重威脅人類的生命安全。赤潮生物富集的有毒物質(zhì)通過食物鏈傳遞到人體。地下水污染的生物治理 污染地下水的生物修復(fù)生物注射法有機(jī)粘土法抽提地下水系統(tǒng)和回注系統(tǒng)相結(jié)合法生物反應(yīng)器法將加壓后的空氣通過空氣井注射污染地下水，氣流加速地下水中有機(jī)物的揮發(fā)和降解,同時(shí)增加水中溶解氧的含量，為工程菌分解有機(jī)污染物創(chuàng)造了良好的生態(tài)環(huán)境。將抽提地下水系統(tǒng)和回注系統(tǒng)