生物修復技術作用機理及其運用市公開課金獎市賽課一等獎課件

生物修復技術作用機理及其利用第1頁第1頁

生物修復(Bioremediation)：

廣義生物修復通常是指利用各種生物（包括微生物，動物和植物）特性，吸取、降解、轉化環(huán)境中污染物，使受污染環(huán)境得到改進治理技術，普通分為植物修復、動物修復和微生物修復三種類型。狹義生物修復通常是指在自然或人工控制條件下，利用特定微生物降解、清除環(huán)境中污染物技術。第2頁第2頁用于生物修復生物微生物在環(huán)境污染治理中作用植物在環(huán)境污染治理中作用水環(huán)境污染控制中生物修復技術

提綱第3頁第3頁

用于生物修復生物土著微生物外來微生物基因工程菌采用基因工程技術，將降解性質粒轉移到一些能在污水和受污染土壤中生存菌體內定向地構建高效降解難降解污染物工程菌。用于生物修復其它生物這些生物包括藻類、微型動物、植物等。第4頁第4頁難降解有機污染物和重金屬及其相應降解轉化微生物第5頁第5頁第6頁第6頁適宜環(huán)境條件營養(yǎng)微生物生長需要維持一定量C:N:P營養(yǎng)物質及一些微量營養(yǎng)元素。電子受體環(huán)境中有機污染物在微生物作用下被氧化分解時需耗氧。有毒有害有機污染物化學性質污染現場和土壤特性第7頁第7頁微生物在環(huán)境污染治理中作用微生物對有機污染物降解與轉化微生物是自然界中分解者，在好氧條件下，它能將有機污染物徹底氧化，分解成CO2、H2O、SO42-、PO43-、NO2-、NO3-等無機物。在厭氧條件下，能將有機物降解，轉化成小分子有機酸、CO2、H2、CH4等。因此，微生物是生物修復中污染物降解主力軍。第8頁第8頁微生物對重金屬轉化與固定微生物即使不能降解重金屬，但是能夠減少其毒性，并可將其累積在菌體內使之固定。①汞去甲基化及還原比如：藍綠色假單胞菌、變形桿菌可使汞離子轉化成元素汞，經10小時后揮發(fā)掉汞可達75%。假單胞菌K62能使無機汞和有機汞形成元素汞。

第9頁第9頁②累積及固定重金屬在微生物累積重金屬方面，已闡明同細胞內金屬硫蛋白(Metalothioneins)簡稱MT相關，MT是一個低分子量細胞質蛋白，同Hg,Zn、Cd、Cu、Ag等重金屬有強烈親和性，結果使重金屬富集并克制其毒性。第10頁第10頁植物在環(huán)境污染治理中作用植物修復概念利用綠色植物清除環(huán)境中污染物，使其清除減少或消失稱作植物修復(phytore-mediation)(Raskin等.1994)。植物修復主要對象是有毒重金屬和有機污染物。第11頁第11頁研究表明，許多細菌、真菌、藻類和植物都有從周圍環(huán)境富集重金屬能力，然而至今仍沒有一個經濟有效辦法從土壤中回收富集了重金屬微生物。相比較而言，回收富集了重金屬植物則較容易。尤其是那些將重金屬吸取到地上部植物回收愈加簡便易行。第12頁第12頁植物固定(Phytostabilization)根系降解(Rhizodegradation)植物增進(Phytoaccumulation)植物降解(Phytodegradation)植物揮發(fā)(Phytovolatilization)揮發(fā)轉移(Evapotranspiration)一、植物修復類型

第13頁第13頁植物固定(Phytostabilization)利用植物將有毒有害污染物如重金屬匯集在根系地帶,減少其活動性,制止其向深層土壤或地下水中擴散,但并不為植物利用,即根系對污染物起固定作用。第14頁第14頁根系降解(Rhizodegradation)植物中超出20%營養(yǎng)成份如糖分、氨基酸、有機酸等都匯集在根部,因此會生長諸多微生物,尤其在根表面向外1-3mm地方,這些微生物是沒有種植過植物土壤3-4倍。一些微生物能夠同植物相結合增進重金屬降解,也能夠礦化一些有機污染物如PAHs、PCBs。第15頁第15頁植物增進(Phytoaccumulation)也稱之為植物提取(phytoextraction),植物根系將土壤中重金屬或有機污染物從污染土壤中轉移到植物地上部分。普通指那些能累積超出葉子干重1.0%Mn，或者0.1%Co、Cu、Pb、Ni、Zn，或者0.01%Cd植物。當前世界上有500各種這樣植物。第16頁第16頁植物降解(Phytodegradation)植物根、莖、葉吸取或降解污染物,主要是有機污染物如PAHs、TPHs、PCBs,無機污染物如氮氧化物、硫氧化物。判斷這些污染物能否進入植物體內指標是該物質在辛醇—水中分派系數(logKOW)。logKOW在1-3.5之間物質能夠被植物吸取降解。第17頁第17頁植物揮發(fā)(Phytovolatilization)一些易揮發(fā)污染物被植物吸取后從植物表面組織空隙中揮發(fā)。如桉樹降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；煙草揮發(fā)甲基汞。從植物莖葉揮發(fā)出物質也許被空氣中活性羥基分解。如有毒Hg2+經植物揮發(fā)后變成了低毒Hg，高毒硒變成了低毒硒化物氣體等。第18頁第18頁揮發(fā)轉移(Evapotranspiration)植物通過葉表孔隙揮發(fā)水分形式轉移在水系中污染物。如白楊、桉樹、河香柏等樹木含有很深根系,天天能夠蒸騰大量水,將水中一些污染物轉移至植物體內。第19頁第19頁植物修復在空氣污染中應用植物在水環(huán)境污染中應用植物在土壤污染中應用二、植物修復在環(huán)境污染中應用

第20頁第20頁植物修復在空氣污染中應用氮氧化物NxOy是污染空氣一類主要化合物，NO2同O3在光照條件下容易形成光化學煙霧，N2O是一個能引起溫室效應氣體，它能夠輻射傳熱,破壞同溫層O3。一些植物將氮氧化物轉化為氨基酸或以其為氮源加以利用,利用這些植物清除空氣中氮氧化物無疑是環(huán)境保護節(jié)能好辦法。第21頁第21頁HiromichiMorikawa等人詳細研究了NO2被217種高等植物、50種野生草本植物、60種人工哺育草本植物和107種木本植物吸取和還原為N2情況，結果表明辛荑對NO2吸取最高，達12.7mg/g(干重)；菊科、桃金娘科、茄科和楊柳科有較高還原N2能力。第22頁第22頁植物在水環(huán)境污染中應用水環(huán)境中污染大體可分為三類:（1）無機營養(yǎng)元素如氮、磷等；（2）有機污染物如農藥、殺蟲劑、多環(huán)芳烴PAHs、炸藥等；（3）重金屬污染。

第23頁第23頁（1）無機營養(yǎng)元素如氮、磷等清除利用水生植物清除由氮、磷等無機營養(yǎng)元素引起水體富營養(yǎng)化問題已有大量研究。種植蓮藕、水稻既能夠清除氮、磷,又有較好經濟價值；被制成浮床大椿草、水芹、水榮草、多花黑麥草等對清除水體中氮、磷和克制藻類滋生都有明顯作用。這些植物發(fā)達根系及與根系共生或混生微生物往往共同對水環(huán)境起著凈化作用。第24頁第24頁（2）有機污染物如農藥、殺蟲劑、多環(huán)芳烴PAHs、炸藥等清除利用一些植物降解、礦化污染物為毒性弱小分子、含有無機物特性,修復受污染水體。

水葫蘆能夠清除水體中有機磷農藥、染料、酚、多環(huán)芳烴、甲基對硫磷等有機污染物；浮萍、伊樂藻對殺蟲劑DDT降解有明顯作用,金魚藻、伊樂藻或浮萍能夠明顯減少地表水中異丙甲草胺濃度;長春花可用于修復受炸藥TNT污染地表水;龍葵能有效地降解PCBs。。第25頁第25頁（3）重金屬清除植物通過根系吸取、濃縮和沉淀水體中有毒有害重金屬是非常含有吸引力一個含重金屬廢水處理辦法,是當前研究熱點問題。用于修復水體污染物植物大多是沉水和水面漂浮植物,其中如綠藻對Cd、Hg、Cu、Pb清除率可達80%-90%;黑麥草對黃金廢水不但有很強凈化能力,并且也含有很高富集功效,其根部含金量最高可達784g/t(干重)。第26頁第26頁

植物種苗對水中重金屬清除作用比植物根清除作用更強，利用植物種苗清除水中重金屬被稱為種苗過濾，是修復含重金屬廢水發(fā)展新方向。渠榮遴等人研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等作物種苗對水體中Zn、Pb、Cu清除作用，結果表明:蓖麻對Zn積累最高，達30.0mg/g；向日葵對Pb積累最高,達91.6mg/g；向日葵對Cu積累最高,達24.3mg/g，其莖、葉中也有一定量銅積累。第27頁第27頁植物在土壤污染中應用土壤中污染物主要為：（1）有機物如有機農藥、石油類(TPH)、酚類、氯溴代有機化合物等；（2）重金屬等。第28頁第28頁（1）植物修復有機污染物植物修復有機污染物方式主要以植物固定、植物降解為主。

紫花苜蓿,黑麥草,小藍莖草已成功地用于土壤中PAHs修復,在6個月內能夠將PAHs總量減少57%；銀合歡能夠吸取和代謝二溴甲烷、三氯乙烯；轉基因胡蘿卜根須中匯集苯酚濃度可達1000mmol/L，氯酚50mmol/L，在120h內可降解90%以上苯酚類化合物,研究表明根須中過氧化酶第29頁第29頁能夠增進這些物質代謝;在黑麥與大豆輪作地塊上TPH消失量明顯高于無植被地塊；植物還能降解殺蟲劑和除草劑，桑科植物及薔薇科植物根系分泌物能增進PCB降解菌生長。柳樹、鵝掌揪、落羽松、撣木及棟屬植物都能有效地降解除草劑滅草松。第30頁第30頁（2）植物修復土壤中重金屬污染植物修復主要是選取超富集植物通過根系吸取固定這些重金屬,并轉移到地面部分,可采用收割方式清除土壤中重金屬。寶山堇菜是一個Cd超富集植物,它不但能夠超量吸取Cd，并且能夠從地下向地上部位有效輸送。蜈蚣草不但有較強耐受和富集Sn能力,同時也含有較強耐Pb、Zn能力,含有生長速度快和生物量大特點,通過改進植物生長條件等辦法能夠大幅度提升其富集能力,是有潛力Zn、Cd污染土壤修復植物。第31頁第31頁總結——長處與老式修復技術相比,植物修復是一個容易接受、成本低、技術要求低修復辦法,它可應用于空氣、地表水、地下水、土壤中污染物修復。植物修復技術可清除污染物包括無機污染物如氮、磷、重金屬等;有機污染物如農藥、炸藥、有機氯化物、殺蟲劑、除草劑等。第32頁第32頁總結——缺點要求植株含有高生物量；對污染物耐受性要高;受植物根系分布限制;受氣候、土質等影響;清除污染物所需時間長;轉基因技術應用也許會造成潛在環(huán)境污染等等。但伴隨各方面研究和實踐進一步,它必將得到廣泛推廣與應用,并為環(huán)境保護和治理工作帶來新前景與希望。第33頁第33頁氧化塘、人工濕地等水污染預處理技術

生物氧化塘是一個利用生物天然凈化能力凈化污水處理系統(tǒng)，可輔以人工曝氣、投加污染物和底泥高效降解菌劑、放養(yǎng)適生水生生物等強化辦法，污水通過氧化塘處理，可形成多級食物鏈構成復合生態(tài)系統(tǒng)，這對都市水環(huán)境生物修復極為有利。

人工濕地利用基質微生物，水生植物，動物符合生態(tài)系統(tǒng)物理、化學吸取、動物消費和微生物分解來實現對污水高效凈化。水污染控制中生物修復技術第34頁第34頁河道和湖泊人工增氧技術

通過一定增氧設備，增長水體中溶解氧，能加速河湖水體和底泥微生物對污染物分解，為水體中各種水生生物呼吸提供氧氣，增進系統(tǒng)生物多樣性。第35頁第35頁生物強化技術

事實上是外源微生物投放技術。在我國都市水環(huán)境治理中，應用微生物制劑主要包括美國Clear—Flo、CBS、日本EM、我國光合細菌(PSB)、硝化細菌等，并取得了一定治理效果。第36頁第36頁生物促生技術

生物促生技術是通過對自然界中污染物降解者（土著微生物）促生作用，為之創(chuàng)造一個能順利完畢自然降解功效環(huán)境，強化污染環(huán)境自凈能力，加速對有機污染物分解。

第37頁第37頁生態(tài)混凝土技術

所謂生態(tài)混凝土是一類混凝土介質，含有特殊結構與表面特性，其上可附著生長適生生物，過濾凈化入流污染物。它能減輕環(huán)境負荷，與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調。

第38頁第38頁底泥生物氧化技術

通過把藥物注射到河道底泥表面，對河道黑臭泥進行生物氧化，可有效減少底泥有機物含量和耗氧速率，提升底泥對上覆水體生物降解能力，增進底泥微量營養(yǎng)釋放和藻類生長。第39頁第39頁生物操縱技術

生物操縱就是利用調整生物群落結構辦法控制水質。其主要原理是調整魚群結構，保護和發(fā)展濾食性浮游動物，從而控制藻類過量生長。其關鍵是利用浮游動物濾食浮游藻類，增長水體透明度。第40頁第40頁水生植被恢復技術

水生植被主要是指