第五章污染土壤生物修复课件

第五章第五章 污染土壤的生物（微生物）修复污染土壤的生物（微生物）修复第五章 污染土壤的生物（微生物）修复1 生物修复(bioremediation)是通过利用营养和其他化学品来激活微生物，使它们能够快速分解和破坏污染物。作用的原理是通过土著微生物或外源微生物提供最佳的营养条件及必需的化学物质，保持其代谢活动的良好状态。生物修复(bioremediatio2生物修复的类型生物修复的类型In situ Bioremediation 原位生物修复Bioventing 生物通风In situ biodegradation 原位生物降解Biostimulation 生物刺激Biosparging 生物注射Bioaugmentation 生物强化Natural Attenuation 自然衰减Ex situ Bioremediation 异位生物修复Land farming 土地整理/土地耕作Composting 堆肥Biopiles 生物堆肥Bioreactors 生物反应器生物修复的类型In situ Bioremediation 3异位生物修复异位生物修复异位生物修复是指将被污染介质(土壤、水体)搬动或输送到它处进行的生物修复处理，但这里的搬动和输送是低限底的、而且更强调人为控制和创造更加优化的降解环境此方法有更多的人为调控和优化处理异位生物修复异位生物修复是指将被污染介质(土壤、水体)搬动4Land farmingLand farmingContaminated soil is excavated and spread over landSoil is periodically tilled to improve aerationRemediation due to indigenous microorganisms,as well as chemical and physical processesGenerally limited to the superficial 1035 cm of soilCan reduce monitoring and maintenance costs 散播污染的土壤 定期翻耕土壤提高曝气 依靠土著微生物以及相关的化学和物理过程 通常仅限于10-35厘米土壤 可以减少监控和维护成本Land farmingLand farming5 堆肥法堆肥法(Composting)风道式堆肥处理(Windrow composting)：堆肥料置于称为风道的平行排列的长通道上，靠机械翻动来控制温度好气静态堆肥处理(Aerated static piles composting)：堆肥料被置于有鼓风机和管道的好气系统上，通过管道供氧和控制湿度。机械堆肥处理(Mechanical composting)：堆肥在密封的容器中进行，过程易于得到控制，间歇或连续运行。堆肥法(Composting)6生物堆肥（生物堆肥（Biopiles）Biopiles,also known as biocells,bioheaps,biomounds,and compost piles,are used to reduce concentrations of petroleum constituents in excavated soils through the use of biodegradation.This technology involves heaping contaminated soils into piles(or“cells”)and stimulating aerobic microbial activity within the soils through the aeration and/or addition of minerals,nutrients,and moisture.Combination of landfarming and composting 图来自江苏麦可博生物环保工程技术有限公司网站生物堆肥（Biopiles）Biopiles,also k7Biopile with vacuum ManifoldBiopile with vacuum Manifold8生物反应器生物反应器 BioreactorsSoil and water pumped up from a contaminated plume and processed through an engineered containment systemDegradation in a bioreactor is generally greater than in situ because the contained environment is more controllable and predictableVesselHead Plate生物反应器 BioreactorsVesselHead Pl9第五章污染土壤生物修复课件10原位生物修复原位生物修复Bioventing 生物通风In situ biodegradation 原位生物降解Biosparging 生物注射Biostimulation 生物刺激Bioaugmentation 生物强化Natural Attenuation 自然衰减原位生物修复11Addition of pre-grown microbial cultures to enhance the degradation of unwanted compounds(bioaugmentation)and/or injection of nutrients and other supplementary components to the native microbial population to induce propagation at a hastened rate(biostimulation)生物刺激：通过采用一些可促进微生物繁殖与生长的手段，如营养物或通气等，来增加本土微生物活动从而增强土壤对污染物降解能力的一种技术。生物强化：主要是应用一种有高效降解能力的菌株或由几种菌株组成的有降解能力的微生物组群来增强土壤污染物降解能力的技术。Addition of pre-grown microbia12第五章污染土壤生物修复课件13第五章污染土壤生物修复课件14Using the biodegradative capacity of indigenous microbes without additional enhancementRelies on combined biological(i.e.,biodegradation),physical(i.e.,volatilization,dispersion,sorption),and chemical processes(e.g.,hydrolysis,oxidation,reduction)Natural Attenuation 自然衰减Using the biodegradative capac15原位生物修复的基本条件 碳源及能源 能高效降解污染物的微生物种群 提供微生物代谢所需的无机营养物 环境介质中合适可利用的水量适宜的温度 适宜的pH值 原位生物修复的基本条件 碳源及能源 16第五章污染土壤生物修复课件17细菌真菌藻类微生物真细菌蓝细菌古菌酵母霉菌大型真菌菌根生物修复可能利用到的微生物细菌真菌藻类微生物真细菌蓝细菌古菌酵母霉菌大型真菌菌根生物修18微生物对污染物的简单代谢的生理过程向基质接近对固体基质的吸附分泌胞外酶污染物质的吸收胞内代谢微生物对污染物的简单代谢的生理过程向基质接近对固体基质的吸附19第五章污染土壤生物修复课件20污染物透过细胞膜的方式1.被动转运：主要包括简单扩散和滤过两种方式。简单扩散：任何溶解的化学物质若浓集于溶液的某一部分，它必将逐渐扩展，直到其分子均匀分布在整个溶液中，此过程称为扩散。简单扩散中化学物不与生物膜起反应，也不需要细胞提供能量。扩散的速度与生物膜的厚度、扩散的范围、生物膜两侧该物质分子的浓度差别，扩散常数以及该物质在脂质中的溶解度等有关。滤过是化学物质通过生物膜上的亲水性孔道的转运过程污染物透过细胞膜的方式1.被动转运：主要包括简单扩散和滤过两21污染物透过细胞膜的方式2.特殊转运，可分为主动转运和易化扩散。特殊运转的特点是被运转的污染物必须与生物膜组成成分发生可逆性结合，并形成复合物。参加形成复合物的生物膜组成成份可认为一种载体，载体将被运转的化合物从膜一侧移向另一侧，然后将被运转的化合物释放，完成化合物透过生物膜的过程。载体本身又将回到膜的另一侧，继续其载体作用。污染物透过细胞膜的方式2.特殊转运，可分为主动转运和易化扩散22主动运转：是指化合物透过生物膜由低浓度处向高浓度处移动并消耗能量的过程。其最主要特点是逆浓度梯度进行，并消耗一定的代谢能量。另外还有以下几点：需要有载体参加。载体既然是生物膜组成成分，所以有一定的容量；当化合物浓度达到一定程度时，载体可以饱和，转运即达到极限。主动转运系统有一定选择性，两种基本相似化合物在生物转运过程中需要同一转运系统，可出现竞争，并可出现竞争性抑制。主动转运的最主要特点是在转运过程中化合物可逆浓度梯度而转运，即可由浓度低的部位向浓度高的部位转运，并因此需要消耗一定的能量。主动运转：是指化合物透过生物膜由低浓度处向高浓度处移动并消耗23易化扩散：指某些不易溶于脂质的亲水化合物，透过生物膜从高浓度向低浓度移动的过程，也称之为促进扩散。其特点为：顺浓度梯度进行，即从高浓度处向低浓度处，不需要能量同简易扩散；有载体参加，同主动扩散例葡萄糖在体内即通过此途径转运。易化扩散：指某些不易溶于脂质的亲水化合物，透过生物膜从高浓度243.胞饮作用：由于生物膜具有可塑性和流动性，因此，对颗粒状物质和液粒，细胞可通过细胞膜的变形移动和收缩，把它们包围起来最后摄入细胞内。这就是胞饮作用和吞噬作用。污染物以何种方式通过细胞膜，主要取决于污染物本身的化学结构、理化性质及各种组织细胞膜的结构特征。污染物透过细胞膜的方式3.胞饮作用：由于生物膜具有可塑性和流动性，因此，对颗粒状25去毒作用：微生物使污染物的分子结构发生变化，从而降低或去除其对敏感物种的有害性。敏感物种包括动物、植物、微生物和人。有毒物质结构变化彻底分解为CO2H2O毒性增加毒性不变毒性降低激活作用去毒作用微生物的生物化学降解转化作用微生物的生物化学降解转化作用去毒作用：微生物使污染物的分子结构发生变化，从而降低或去除其26去毒作用的产物去毒作用的产物去向：直接分泌到细胞外。经过几步代谢，以有机废物的形式排除。经过代谢，以CO2的形式释放。去毒作用的产物去毒作用的产物去向：2728去毒作用机制：1)水解作用（hudrolysis）2)羟基化作用（hyolroxylation）3)脱卤作用（dehalogenation）4)甲基化（methylation）5)去甲基（demethylation）6)硝基还原（nitro reduction）7)去氨基（deamination）8)醚键断裂（ether cleavage）9)腈转化为酰胺第二节 有机物的生物分解性28去毒作用机制：水解作用（hudrolysis）第二节 28去毒作用水解作用在微生物的作用下，酯键和酰胺键水解，使有机物的毒性减小。羧酸酯酶水解的通式去毒作用水解作用在微生物的作用下，酯键和酰胺键水解，使有机29酰胺酯酶水解的通式除草剂敌稗的水解酰胺类除草剂由美国孟山都公司开发：防治禾本科杂草的效果好以土壤处理为主持效期长植物体内分解快利用吸收和传导差异、体内降解差异等方式的选择作用酰胺酯酶水解的通式除草剂敌稗的水解酰胺类除草剂由美国孟山都公30去毒作用羟基化作用苯环或脂肪链上发生羟基化，使OH取代H而使毒物失去毒性。RHROH去毒作用羟基化作用苯环或脂肪链上发生羟基化，使OH取代H而31去毒作用脱卤作用氢代脱卤羟代脱卤氢卤同时通过脱卤素酶的作用，卤原子被其他的元素或基团取代，降低污染物的毒性还原脱卤氧化脱卤脱氢脱卤去毒作用脱卤作用氢代脱卤羟代脱卤氢卤同时通过脱卤素酶的作用32代表性脱卤去毒作用代表性脱卤去毒作用33去毒作用去烃基作用有的农药含有和S、N、O等原子相连的烃基，微生物能脱去这些烃基，使其毒性下降。去毒作用去烃基作用有的农药含有和S、N、O等原子相连的烃基34去甲基或去烷基作用许多杀虫剂含有甲基或烷基许多杀虫剂含有甲基或烷基,这些烷基与这些烷基与N N、O O、S S相连，在微生物的作用下，相连，在微生物的作用下，会脱去这些基团，变为无毒会脱去这些基团，变为无毒去甲基或去烷基作用许多杀虫剂含有甲基或烷基,这些烷基与N、O35去毒作用甲基化作用对一些酚类加入甲基，可以使其钝化。ROH ROCH3OCH3五氯酚的甲基化去毒作用甲基化作用对一些酚类加入甲基，可以使其钝化。OCH36去毒作用硝基还原作用一些硝基化合物都具有生物毒性，将硝基还原为氨基能降低其生物毒性。RNO2 RNH2去毒作用硝基还原作用一些硝基化合物都具有生物毒性，将硝基还37去毒作用去氨基作用某些有机化合物的生物活性位点是氨基，去氨基作用则能使其失去生物活性。去毒作用去氨基作用某些有机化合物的生物活性位点是氨基，去氨38去毒作用醚键断裂作用苯氧羧酸类除草剂含有醚键，醚键断裂能消除其植物毒性。去毒作用醚键断裂作用苯氧羧酸类除草剂含有醚键，醚键断裂能消39去毒作用腈转化为酰胺苯氧羧酸类除草剂含有醚键，醚键断裂能消除其植物毒性。去毒作用腈转化为酰胺苯氧羧酸类除草剂含有醚键，醚键断裂能消40去毒作用轭合作用有毒物质和生物体内的一些代谢产物和小分子物质发生合成反应，使以有毒物质毒性降低的现象为轭合作用。动物产生金属硫蛋白与重金属结合植物产生植物络合素合重金属结合一些微生物体内葡萄糖和芘结合去毒作用轭合作用有毒物质和生物体内的一些代谢产物和小分子物41微生物激活作用有毒物质结构变化彻底分解为CO2H2O毒性增加毒性不变毒性降低激活作用去毒作用微生物激活作用有毒物质结构变化彻底分解为CO2H2O毒性增42无毒化合物致癌物致畸物致突变物急性毒物毒植物素抗菌素激活作用及其特点迅速矿化缓慢矿化持久性活化活化无毒化合物致癌物激活作用及其特点迅速矿化缓慢矿化持久性活化43激活作用可以发生在微生物活跃的土壤、水和其他任何环境。产生的产物可能是短暂的，是矿化过程的中间产物，也可能持续时间很长，甚至引起环境问题激活作用的结果是生物合成致癌物、致畸物、致突变物、神经毒物、毒植物素、抗菌素等激活作用可以发生在微生物活跃的土壤、水和其他任何环境。产生的44激活反应脱卤作用三氯乙烯（TCE）在微生物的作用下能脱卤生成氯乙烯，氯乙烯是强致癌物质；TCE在甲烷营养的培养物中不进行脱卤反应，不形成氯乙烯，而是形成氯乙醛，氯乙醛既是强致癌物质，又有急性毒性，如果和乙醇等饮料一起摄入会立即失去知觉。Cl3CCHO Cl2CCHCl ClHCCH2激活反应脱卤作用三氯乙烯（TCE）在微生物的作用下能脱卤生45激活反应形成亚硝胺亚硝胺是很强的致癌、致畸和致突变物，亚硝胺的形成是仲胺的N亚硝化作用，形成高毒性的N亚硝基化合物。激活反应形成亚硝胺亚硝胺是很强的致癌、致畸和致突变物，亚硝46激活反应环氧化作用微生物能使一些带双键的化合物形成环氧化物，使其毒性增加，如一些农药的产物比母体的动物毒性更大。激活反应环氧化作用微生物能使一些带双键的化合物形成环氧化物47激活反应硫代磷酸酯转为磷酸酯激活反应硫代磷酸酯转为磷酸酯48激活反应硫醚的氧化激活反应硫醚的氧化49涕灭威甲拌磷乙拌磷涕灭威甲拌磷乙拌磷50激活反应酯的水解一些除草剂被植物吸收后进入植物体内，在水解酶的作用下，生成游离酸，才能发挥作用。如禾草灵和新燕灵等。激活反应酯的水解一些除草剂被植物吸收后进入植物体内，在水解51激活反应甲基化一些无机物能在微生物的作用下发生甲基化，其脂溶性增加，引起毒性增加，而且更易于在生物体内积累。如Hg、As、Sn等。激活反应甲基化一些无机物能在微生物的作用下发生甲基化，其脂52激活反应去甲基化一些真菌能使双苯酰草胺（N，N二甲基2，2二苯基乙酰胺）脱去甲基生成无甲基的二苯基乙酰胺，是一种植物毒素。激活反应去甲基化一些真菌能使双苯酰草胺（N，N二甲基253激活反应的类型缓解：缓解：有时一种化合物A会有两种前途，它可以转化为更有毒化合物B，即激活；也可以转化为无毒化合物C，由于A向C转化，避免了A向B的激活，因此成为缓解。典型激活：典型激活：主要是前面提到的一些激活反应，也是严格意义上的激活，其产物往往毒性更强，而且持久性和迁移性也往往会加强，引起的环境毒性更大。生物毒性谱的变化：生物毒性谱的变化：对一类生物有毒的化合物，在分子结构改变以后会对完全不同的另一类生物有害，这就是毒性谱发生了改变。它不是严格意义上的激活，而是对另一类生物它不是严格意义上的激活，而是对另一类生物为激活。为激活。激活反应的类型缓解：有时一种化合物A会有两种前途，它可以转化541、氧化作用、氧化作用（1）醇：如 乙 醇 乙 酸，可 由 醋 化 醋 杆 菌（Acetobacter aceti）进行此反应；丙二醇到乳酸可有氧化节杆菌（Arthrobacter oxydans）进行 （2）醛：乙 醛 乙 酸，可 由 铜 绿 假 单 胞 菌（Pseudomonas aeruginoas）（3）甲 基：甲 苯 安 息 香 酸，由 Pseudomonas aeruginoas进行 有机物变化有机物变化1、氧化作用有机物变化55（4）氨：NH3NO2-（5）亚硝酸：NO2-NO3-（6）硫：氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）（7）铁：氧 化 亚 铁 硫 杆 菌（Thiobacillus ferrooxidans）（4）氨：NH3NO2-562、还原作用、还原作用（1）乙 烯 基：延 胡 索 酸 琥 珀 酸，大 肠 杆 菌（Escherichiacoli）（2）醇：乳 酸 丙 酸 丙 酸 梭 菌（Clostridium propionicum）（3）硝酸根：NO3-NH3 许多土壤微生物可进行（4）硫酸：H2SO4H2S 脱硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans）2、还原作用573、脱羧作用、脱羧作用-CH2-COOH-CH3，琥 珀 酸 丙 酸 戊 糖 丙 酸 杆 菌（Propionibacterium pentosaceum）4、脱氨基作用、脱氨基作用 -CH-NH2-CH2+NH3，丙氨酸丙酸 腐败芽孢杆菌（Bacillus putrificus）5、水解作用水解作用 酯类的水解3、脱羧作用586、酯化作用、酯化作用 R-COOH+R-COOHR-COOR+H2O乳酸乳酸酯，异常汉逊酵母（Hansenula anomola）7、脱水作用、脱水作用 -CH2-CHOH-CH=CH-+H2O甘油丙烯醛，芽孢杆菌（Bacillus）8、缩合作用缩合作用 CHO+CH3CHOCHOH-CO-CH3 乙醛可在某些微生物作用下缩合成3-羟基丙酮9、氨化反应氨化反应 COCH-NH2丙酮酸在一些酵母菌作用下发生氨化反应，生成丙氨酸6、酯化作用5910、乙酰化反应乙酰化反应-NH2NH-CO-CH3 克 氏 梭 菌（Clostridium kluyveri）10、乙酰化反应6061不含氮有机物质的生物分解纤维素、半纤维素、木质素的生物分解淀粉的生物分解脂肪的生物分解芳香族化合物的生物分解烃类化合物的生物分解合成洗涤剂的生物分解有机物质的生物分解有机物质的生物分解61不含氮有机物质的生物分解纤维素、半纤维素、木质素的生物分6162含氮有机物的生物分解氨化、硝化与反硝化蛋白质的生物分解尿素的转化有机物质的生物分解有机物质的生物分解微生物对无机元素的转化作用硫的生物转化磷的生物转化金属的生物转化62含氮有机物的生物分解氨化、硝化与反硝化有机物质的生物分解62共代谢途径共代谢途径一般是指原本不能被代谢的物质在外界提供碳源和能源的情况下被代谢的现象。其中外界提供的碳源称为一级基质，用于微生物细胞增长并为微生物细胞活动提供能量。被共代谢的物质称为二级基质，不用于微生物细胞增长，也不能为微生物细胞活动提供能量。也就是说，有些不能作为唯一碳源与能源被微生物降解的有机物。当提供给其它有机物作为碳源或能源时，这一有机物就有可能因共代谢而被降解。共代谢途径63微生物的共代谢作用可能存在以下几种情况：微生物的共代谢作用可能存在以下几种情况：靠降解其它有机物提供能源或碳源通过与其它微生物的协同作用，发生共代谢，降解污染物由其它物质的诱导产生相应的酶系，发生共代谢作用微生物的共代谢作用可能存在以下几种情况：64牝牛分枝杆菌（Mycobacterium vaccea）在丙烷上生长的同时，有能力共代谢环己烷，将环己烷氧化成能被假单胞菌种群利用的环己酮，而这些假单胞菌没有能力直接利用环己烷。环己烷的共代谢分解 牝牛分枝杆菌（Mycobacterium vaccea）在丙65缺少进一步降解的酶系中间产物的抑制作用需要另外的基质，或必须和其它微生物联合作用共代谢的原因缺少进一步降解的酶系共代谢的原因66共代谢微生物生长缓慢，物质转化效率低共代谢微生物生长缓慢，物质转化效率低容易引起一些有毒物质的积累容易引起一些有毒物质的积累共代谢机制的存在，大大拓展了微生物对难降解有机污染物的作用范围共代谢机制的存在，大大拓展了微生物对难降解有机污染物的作用范围环境修复或筛选高效微生物的过程中要考虑共代谢的影响环境修复或筛选高效微生物的过程中要考虑共代谢的影响有有些些不不易易降降解解的的农农药药，它它们们并并不不能能支支持持微微生生物物的的生生长长，但但它它们们有有可可能能通通过过几几种种微微生生物物的的共共代代谢谢作作用用而而得得到到部部分分的的或或全全部部的的降降解解。例例如如，通通过过产产气气气气杆杆菌菌（Aerobacter Aerobacter aerogenesaerogenes）和和氢氢单单胞胞菌菌（Hydrogenomonas Hydrogenomonas sp.sp.）的的共共代代谢谢作作用用，可可将将DDTDDT转转变变成成对对氯氯苯苯乙乙酸酸，后后者者可可由由其其他他微微生生物物进进一一步步分分解解。可可见见微微生生物物的的共共代谢作用在自然界难降解物质的分解中具有极其重要的意义。代谢作用在自然界难降解物质的分解中具有极其重要的意义。共代谢的环境意义共代谢微生物生长缓慢，物质转化效率低有些不易降解的农药，它们67docin/sanshengshiyuandoc88/sanshenglu 更多精品资源请访问更多精品资源请访问docin/sanshengshiyuan 更多精品68