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1、污染環(huán)境的生物修復(fù),生物修復(fù)的概念及其原理生物修復(fù)工程技術(shù)生態(tài)工程與污水處理系統(tǒng),1,國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局新化學(xué)物質(zhì)申報(bào)表毒理學(xué)項(xiàng)目,急性毒性短期重復(fù)毒性 亞慢性毒性 慢性毒性生殖/發(fā)育毒性神經(jīng)毒性致突變性 致畸性致癌性毒代動(dòng)力學(xué)其他,2,生態(tài)毒理項(xiàng)目,藻類(lèi)生長(zhǎng)抑制毒性溞類(lèi)急性毒性魚(yú)類(lèi)急性毒性鳥(niǎo)類(lèi)毒性高等植物種子發(fā)芽和生長(zhǎng)毒性 蚯蚓急性毒性 活性污泥呼吸抑制毒性 吸附/解吸性降解性 生物蓄積性其他,3,4,5,第一節(jié) 生物修復(fù)的概念及其原理,6,一 生物修復(fù)的基本原理和特點(diǎn),生物修復(fù)（Bioremediation）指利用生物將土壤、地表及地下水或海洋中的危險(xiǎn)性污染物現(xiàn)場(chǎng)去除或降解的工程技術(shù)系統(tǒng)。生

2、物修復(fù)的基本指導(dǎo)思想,7,生物修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：投資費(fèi)用省，對(duì)環(huán)境影響小，能有效降低污染物濃度，適用于在其他技術(shù)難以應(yīng)用的場(chǎng)地，而且能同時(shí)處理受污染的土壤和地下水。局限性：需對(duì)具體地點(diǎn)的狀況和污染物進(jìn)行詳細(xì)而昂貴的考察，微生物活性受溫度和其他環(huán)境條件的影響，某些情況下，生物修復(fù)不能去除全部的污染物。與生物處理的區(qū)別：兩者原理一致，但生物修復(fù)側(cè)重于受污區(qū)域的原位生物處理。,8,二. 生物修復(fù)種主要生物種類(lèi)及修復(fù)原理,1.環(huán)境污染的微生物修復(fù)通過(guò)微生物的降解和轉(zhuǎn)化，將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的小分子化合物和二氧化碳與水微生物修復(fù)的生物類(lèi)型土著微生物：環(huán)境中固有的微生物外來(lái)微生物：需大量接種的高效菌基

3、因工程菌（GEM）,9,微生物對(duì)物質(zhì)降解與轉(zhuǎn)化的特點(diǎn):,微生物個(gè)體微小，比表面積大，代謝速率大；種類(lèi)繁多，分布廣泛，代謝類(lèi)型多樣；微生物具有多種降解酶；微生物繁殖快，易變異，適應(yīng)性強(qiáng)；微生物具有巨大的降解能力；質(zhì)粒（Plasmid）：染色體外遺傳物質(zhì)，是在原核微生物中除染色體外，還存在的一種較小的攜帶少量遺傳基因的環(huán)狀DNA分子。質(zhì)?？捎脕?lái)培育優(yōu)良菌種，或用作基因工程中基因轉(zhuǎn)移的載體。例如：多功能超級(jí)細(xì)菌的構(gòu)建,10,11,共代謝（CoMetabolism）微生物在利用生長(zhǎng)基質(zhì)A時(shí)（從中獲得能量、碳源或其他任何營(yíng)養(yǎng)），同時(shí)非生長(zhǎng)基質(zhì)B（不能從中獲得能量或營(yíng)養(yǎng)）也伴隨著發(fā)生氧化或其它反應(yīng)。在純培

4、養(yǎng)下，共代謝只是一種截止式轉(zhuǎn)化，但在混合培養(yǎng)和自然環(huán)境條件下，轉(zhuǎn)化可為其它微生物進(jìn)行的共代謝或其他生物對(duì)某種物質(zhì)的降解鋪平道路，使其代謝產(chǎn)物可繼續(xù)降解，故污染物在有合適的底物和環(huán)境條件下可通過(guò)共代謝作用而降解。,12,微生物對(duì)污染物降解與轉(zhuǎn)化的途徑,自然界中化學(xué)物質(zhì)的降解的3種方式：這三種方式往往綜合交叉進(jìn)行。光降解化學(xué)降解生物降解（Biodegradation）：指由于生物的作用，把污染物大分子轉(zhuǎn)會(huì)為小分子，實(shí)現(xiàn)污染物的分解或降解。其中微生物所起的降解作用最大，故也稱(chēng)為微生物降解。微生物代謝活動(dòng)中的化學(xué)作用（實(shí)質(zhì)是酶反應(yīng)）氧化作用還原作用脫羧作用水解作用脫氨基作用等,13,影響微生物對(duì)物質(zhì)降

5、解轉(zhuǎn)化作用的因素（1）,微生物的代謝活性不同種類(lèi)微生物對(duì)同一底物的反應(yīng)不同；微生物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期的活性是不相同的，在對(duì)數(shù)期代謝最旺盛，活性最強(qiáng)。微生物的種類(lèi)組成決定化合物降解的方向和速度，同時(shí)微生物的種類(lèi)組成又與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)有關(guān)。微生物的適應(yīng)性馴化（Domestication）：是一種定向選育微生物的方法與過(guò)程，通過(guò)人工措施使微生物逐步適應(yīng)某特定條件，最后獲得具有較高耐受力和代謝活性的菌株。,14,影響微生物對(duì)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)化作用的因素（2）,化合物的結(jié)構(gòu)烴類(lèi)：鏈烴的易降解性大于環(huán)烴，直鏈烴大于支鏈烴，不飽和烴大于飽和烴，支鏈烷基越多，越不易被降解當(dāng)主鏈上的C被S、N、O取代時(shí)，對(duì)生物氧化的

6、阻抗上升當(dāng)C原子上的H被烷基或芳基取代時(shí)，會(huì)生成生物氧化的阻抗物。官能團(tuán)的性質(zhì)和數(shù)量分子量大小環(huán)境因素溫度酸堿度營(yíng)養(yǎng)氧底物濃度,15,微生物分解有機(jī)物的作用,微生物分解有機(jī)物的作用可總括成如下圖式：,16,微生物對(duì)常見(jiàn)污染物的降解與轉(zhuǎn)化,生物大分子的降解糖類(lèi)：以纖維素和淀粉的分解為例，見(jiàn)圖54，55脂肪蛋白質(zhì),17,丁酸、CO2、H2等,18,烴類(lèi)石油類(lèi)人工合成有機(jī)物農(nóng)藥合成洗滌劑增塑劑多氯聯(lián)苯,19,危險(xiǎn)性化合物,危險(xiǎn)性化合物（Hazardous Chemicals）的概念微生物具有降解自然界產(chǎn)生的有機(jī)化合物的代謝機(jī)制，從而促使地球有機(jī)碳平衡，而在自然界具有新穎結(jié)構(gòu)的合成化合物（異型生物質(zhì)，

7、又稱(chēng)非生物性物質(zhì)，xenobiotics）往往對(duì)微生物的降解表現(xiàn)出抗逆性，其原因可能是這些化合物進(jìn)入自然界的時(shí)間比較短，微生物界還未進(jìn)化出降解此類(lèi)難降解化合物的代謝機(jī)制。這些化合物大多數(shù)對(duì)環(huán)境具有毒害作用，故稱(chēng)之危險(xiǎn)性化合物。危險(xiǎn)性化合物來(lái)源人工合成的農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑、除草劑、防腐劑、溶劑、增塑劑等,20,危險(xiǎn)性化合物的降解特點(diǎn)和研究盡管其在自然界可能會(huì)有部分緩慢降解，微生物有可能通過(guò)多種途徑來(lái)改變自身的結(jié)構(gòu)信息以獲得對(duì)這類(lèi)化合物的降解能力，但這需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，依靠微生物的自然進(jìn)化過(guò)程遠(yuǎn)不能滿足要求，而且長(zhǎng)此以往將會(huì)造成生態(tài)系統(tǒng)的失衡。因此，研究一些可以使微生物群體在較短時(shí)間內(nèi)獲得最大的

8、降解該物質(zhì)能力的方法顯得愈加重要和迫切。,21,危險(xiǎn)性化合物的降解特點(diǎn)和研究近年來(lái)科學(xué)工作者做了大量工作，包括：通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的馴化來(lái)得到具有一定降解能力的微生物群體；通過(guò)基因工程手段來(lái)改造微生物使其具有特定的降解能力；此外在對(duì)危險(xiǎn)性化合物的降解研究中發(fā)現(xiàn)，混合培養(yǎng)比純培養(yǎng)具有潛在的優(yōu)勢(shì)，徹底礦化往往需要一個(gè)或一個(gè)以上的營(yíng)養(yǎng)菌群（如發(fā)酵水解菌群、產(chǎn)硫菌群、產(chǎn)乙酸菌群、產(chǎn)甲烷菌群等）通過(guò)多步反應(yīng)將有毒化合物轉(zhuǎn)化為礦化最終產(chǎn)物。研究人員依據(jù)不同的代謝作用至少可以將微生物群落中的微生物分為7種類(lèi)型：提供特殊營(yíng)養(yǎng)物；去除生長(zhǎng)抑制產(chǎn)物；改善單個(gè)微生物的基本生長(zhǎng)參數(shù)；對(duì)底物協(xié)調(diào)攻擊；共代謝；氫（電子）轉(zhuǎn)移；提

9、供一種以上初級(jí)底物利用者。,22,有機(jī)污染物的生物可降解性及其評(píng)價(jià)方法,什么是生物可降解性？所有化合物根據(jù)微生物對(duì)它們的降解性可分成可生物降解、難生物降解和不可生物降解。評(píng)價(jià)生物可降解性的方法：測(cè)定生物氧化率測(cè)呼吸線測(cè)定相對(duì)耗氧速度曲線測(cè)BOD5與COD Cr之比測(cè)COD30培養(yǎng)法,23,24,25,基因工程在環(huán)境生物處理中的應(yīng)用,應(yīng)用基因工程菌處理污染物的主要優(yōu)勢(shì)：集中與創(chuàng)造與目的基因，提供綜合性代謝新污染的通路和雜種細(xì)胞。提高代謝通路結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，針對(duì)新的污染物，改變表達(dá)的調(diào)節(jié)方式?？刂平到馔緩降南拗菩圆襟E，提高分解代謝酶的合成或其他生化反應(yīng)過(guò)程效率防止有毒中污染物的產(chǎn)生，防止非需要產(chǎn)品

10、的出現(xiàn)，用確定的基因?qū)崿F(xiàn)最初的目的。,26,主要應(yīng)用：降解鹵代芳烴的基因工程菌分解尼龍寡聚物的基因工程菌分解多糖的基因工程菌抗金屬基因工程菌除草劑降解基因工程菌殺蟲(chóng)劑降解基因工程菌轉(zhuǎn)基因植物?,27,小結(jié):微生物修復(fù)的影響因素營(yíng)養(yǎng)鹽：需添加氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素電子受體：可通過(guò)對(duì)土壤鼓氣或添加產(chǎn)氧劑的方式來(lái)提供DO作為有機(jī)物降解的電子受體；此外，硝酸根、硫酸根、鐵離子也可作為有機(jī)物降解的電子受體。共代謝基質(zhì),28,污染現(xiàn)場(chǎng)和土壤特性：土壤特性影響污染物和微生物的相對(duì)活性，最終影響生物修復(fù)的速度和程度。有毒有機(jī)污染物的物理化學(xué)性質(zhì)微生物菌株(基因工程菌),29,案例: 廢水生物處理,作用機(jī)理: 廢水生物

11、處理實(shí)際是水體的自?xún)粼碓谒廴局卫碇械膽?yīng)用，即模擬天然水體自?xún)糇饔玫纳镞^(guò)程。在特定構(gòu)筑物中人工創(chuàng)造適宜條件，充分發(fā)揮微生物的作用以高速度、高效率凈化污水，通過(guò)微生物代謝產(chǎn)生的酶來(lái)降解轉(zhuǎn)化有機(jī)物，將有機(jī)物最終轉(zhuǎn)化為無(wú)害的二氧化碳和水，從而使廢水得到凈化。,30,污水處理中的生化過(guò)程,30,活性污泥法和生物膜法,目前最常用的生物處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細(xì)菌、原生動(dòng)物等微生物與懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)混雜在一起形成的具有吸附分解有機(jī)物能力的絮狀體?；钚晕勰嗍蔷哂泻軓?qiáng)的吸附分解有機(jī)物能力的、充滿微生物的污泥；生物膜是附著在填料上呈薄膜狀的活性污泥。,30,30,

12、活性污泥和生物膜的特點(diǎn),具有很強(qiáng)的吸附能力具有很強(qiáng)的分解、氧化有機(jī)物的能力圖具有較強(qiáng)的食物鏈?zhǔn)澄镦溤介L(zhǎng)，作為能量消耗的比例就越大，在系統(tǒng)中存在的生物量就比較少，所剩余的污泥量就相應(yīng)較少，可減輕生物處理后污泥處理的負(fù)擔(dān)。具有良好的沉降性能處理水易與污泥分離，最終達(dá)到廢水凈化的目的。,30,廢水生物處理的類(lèi)型,按所利用的微生物種類(lèi)好氧處理：活性污泥法厭氧處理：污泥消化兼性處理：生物膜法按處理系統(tǒng)中微生物存在的狀態(tài)懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)固定膜系統(tǒng)按反應(yīng)器的形式完全混合式反應(yīng)器間歇式反應(yīng)器完全推流式反應(yīng)器固定填充床式反應(yīng)器流化床式反應(yīng)器,30,2. 環(huán)境污染的植物修復(fù)植物的生態(tài)功能?植物修復(fù)的特點(diǎn) 可同時(shí)去除有

13、機(jī)污染物和重金屬、放射性核素，適用于大面積、低污染的位點(diǎn)。,30,蜈蚣草（Pteris vittata Linn.）,東南景天,寶山堇菜（Viola baoshanensis）,30,30,植物在土壤修復(fù)中的應(yīng)用A。環(huán)境中金屬污染的去除已有方案：場(chǎng)外修復(fù)，先將土壤挖掘、轉(zhuǎn)移，再去除金屬離子；微生物修復(fù)：生物量小，從而吸收量小，同時(shí)生物體過(guò)小難以進(jìn)行后處理；植物修復(fù)特點(diǎn)：生物量大，從而吸收量大，同時(shí)易于進(jìn)行后處理。,30,植物修復(fù)金屬污染的方式1）植物固定,30,指利用植物和其他一些添加物使環(huán)境中的金屬流動(dòng)性降低，生物可利用性下降，降低金屬對(duì)生物的毒性。該法只是暫時(shí)將金屬固定，并沒(méi)有徹底去除環(huán)境

14、中的金屬。2）植物揮發(fā)指植物將污染物吸收到體內(nèi)后又將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中。該法只適用于揮發(fā)性污染物。,30,3）植物吸收指利用能耐受并可過(guò)量積累金屬的植物吸收環(huán)境中的金屬離子，將它們輸送并貯存在植物體的地上部分。需要選擇能耐受并可過(guò)量積累金屬的植物種類(lèi)。B 環(huán)境中有機(jī)物的降解與去除去除機(jī)理植物對(duì)有機(jī)污染物的直接吸收作用植物釋放分泌物和酶強(qiáng)化根區(qū)的礦化作用,30,C、環(huán)境中放射性核素的去除已有的方法：將土壤從污染未點(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(duì)放射性核素的吸收與植物種類(lèi)及土壤的性質(zhì)有關(guān)。土壤

15、的粒子交換能力越強(qiáng)，植物吸收放射性核素的能力越大。,30,植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體的水質(zhì)凈化中的應(yīng)用（1）富營(yíng)養(yǎng)化水體水華和赤潮防治水體富營(yíng)養(yǎng)化的對(duì)策：控制外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入；減少內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的負(fù)荷。防治水體富營(yíng)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；,30,生物法：即生物修復(fù)，利用水生生物吸收氮、磷進(jìn)行代謝活動(dòng)從而除去水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。（2）高等水生植物凈化水體的特點(diǎn)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(guò)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(duì)重金屬元素也有去除效果。,30,第二節(jié) 生物修復(fù)工程技術(shù)

16、,30,一、 生物修復(fù)工程技術(shù)可行性研究,數(shù)據(jù)調(diào)查技術(shù)查詢(xún)選擇技術(shù)路線可處理性試驗(yàn)實(shí)際工程設(shè)計(jì),30,二、 地表水生物修復(fù)技術(shù),微生物修復(fù)針對(duì)流動(dòng)的河道水體，可采用直接曝氣、生物膜法等；對(duì)于淺水湖泊，可添加營(yíng)養(yǎng)鹽、采用曝氣機(jī)攪拌混合等法；大型水生植物對(duì)水體的凈化,30,30,30,三、 土壤的污染修復(fù) （一）土壤自?xún)糇饔?污染物進(jìn)入土壤后，通過(guò)在土壤環(huán)境中發(fā)生的物理、物理化學(xué)、化學(xué)和生物化學(xué)等一系列反應(yīng)過(guò)程，土壤使污染物分解和消失的能力。 污染物進(jìn)入土壤后，其自?xún)暨^(guò)程大致為：污染物在土壤內(nèi)經(jīng)擴(kuò)散、稀釋、揮發(fā)等物理過(guò)程降低其濃度；經(jīng)生物和化學(xué)降解為無(wú)毒或低毒物質(zhì)，或通過(guò)化學(xué)沉淀、配合或螯合作用、氧化還原作用轉(zhuǎn)化為不溶性化合物。,30,1. 影響凈化作用的因素 土壤的組成、土壤環(huán)境、污染物種類(lèi)和性質(zhì)2. 土壤自?xún)糇饔玫膽?yīng)用如土壤處理槽裝置，如用于廢水處理 設(shè)法使 土壤中異養(yǎng)微生物有機(jī)碳污染物 降解為CO2、H2O、CH4 氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌有機(jī)氮污染物 N2（逸散至空氣中） 脫氮菌等作用,和CH4細(xì)菌作用,30,土壤污染的治理方法,制定相應(yīng)的政策法令，使土壤降低污染外：常用方法：1. 沉淀

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