生物修复-第一二章解析课件

环境修复工程环境修复工程环境修复工程环境修复工程授课教师：郭伟授课教师：郭伟总总学时：学时：32 32 环境科学、环境工程环境科学、环境工程专业专业拓展性、提高性课程、研究性教学拓展性、提高性课程、研究性教学拓展性、提高性课程、研究性教学拓展性、提高性课程、研究性教学各学院要有计划的组织教师开设多种形式各学院要有计划的组织教师开设多种形式的讨论课、专题课、研究性学习课程。各学院的讨论课、专题课、研究性学习课程。各学院要有计划地组织选派教师指导学生学习小组，要有计划地组织选派教师指导学生学习小组，开展自主性、合作性学习，引导学生了解多种开展自主性、合作性学习，引导学生了解多种学术观点，扩大学术视野，接触学术前沿领域，学术观点，扩大学术视野，接触学术前沿领域，追踪学科发展趋势，提高学生自主学习和独立追踪学科发展趋势，提高学生自主学习和独立研究能力，培养学生学术写作及学术报告能力。研究能力，培养学生学术写作及学术报告能力。第一章第一章绪论绪论 第二章第二章生物修复的机理生物修复的机理第三章第三章影响生物修复的受体特性影响生物修复的受体特性 第四章第四章影响生物修复的污染物特性影响生物修复的污染物特性 第五章第五章影响生物修复的环境条件影响生物修复的环境条件第六章第六章污染土壤的生物修复污染土壤的生物修复 第七章第七章污染河流的生物修复污染河流的生物修复 第八章第八章污染湖泊的生物修复污染湖泊的生物修复 第九章第九章污染地下水的生物修复污染地下水的生物修复 第十章第十章污染海洋的生物修复污染海洋的生物修复 第十一章第十一章污染大气的生物修复污染大气的生物修复 第十二章第十二章固体废物污染的生物修复固体废物污染的生物修复 书名书名:污染环境生物修复工程污染环境生物修复工程出版社出版社:化学工业出版社化学工业出版社作者作者:陈玉成陈玉成 绪绪 论论生物修复的概念与类型生物修复的概念与类型1生物修复的特点与应用生物修复的特点与应用2生物修复的原则与可处理性试验生物修复的原则与可处理性试验3生物修复工程设计生物修复工程设计4第一节第一节 环境生物修复的概念和类型环境生物修复的概念和类型v环境生物修复的概念环境生物修复的概念修复修复（remediation）指借助外界作用力使某个受损的指借助外界作用力使某个受损的特定对象部分或全部恢复到原初状态的过程，包括恢特定对象部分或全部恢复到原初状态的过程，包括恢复、重建、改建等三个方面的活动复、重建、改建等三个方面的活动repair环境生物修复的概念环境生物修复的概念环境修复环境修复环境意义上的修复是指对被污染的环境采取物理、环境意义上的修复是指对被污染的环境采取物理、化学与生物学技术措施，使存在于环境中的污染物化学与生物学技术措施，使存在于环境中的污染物浓度减少或毒性降低或完全无害化浓度减少或毒性降低或完全无害化界定三组概念界定三组概念污染环境与健康环境污染环境与健康环境环境修复与环境净化环境修复与环境净化环境修复与三废治理环境修复与三废治理 污染环境与健康环境污染环境与健康环境所谓环境污染，指任何物质或能量因子的过分集中，所谓环境污染，指任何物质或能量因子的过分集中，超过了环境的承载能力，从而对环境表现出有害的现超过了环境的承载能力，从而对环境表现出有害的现象象污染环境：任何物质过度聚集而产生的质量下降、功污染环境：任何物质过度聚集而产生的质量下降、功能衰退了的环境能衰退了的环境健康的环境，是具有原始背景值的环境健康的环境，是具有原始背景值的环境相对的，特指存在于其中的各种物质或能量都低于有相对的，特指存在于其中的各种物质或能量都低于有关环境质量标准关环境质量标准环境修复与环境净化环境修复与环境净化环境净化环境净化（environmental remediation）强调环境中内源因子对污染物质或能量的清除过程强调环境中内源因子对污染物质或能量的清除过程是一种自然的、被动的过程是一种自然的、被动的过程环境修复环境修复（environmental self-purification）强调人类有意识的外源活动对污染物质或能量的清强调人类有意识的外源活动对污染物质或能量的清除过程除过程是一种人为的、主动的过程是一种人为的、主动的过程两者目的都是使进入环境中的污染因子的总量减少两者目的都是使进入环境中的污染因子的总量减少或强度降低或毒性下降或强度降低或毒性下降环境修复与三废治理环境修复与三废治理三废治理三废治理是环境工程的核心内容，强调点源治理，即工厂排污口的治理是环境工程的核心内容，强调点源治理，即工厂排污口的治理建造成套的处理设施，在最短时间内，以最快速度与最低成本，建造成套的处理设施，在最短时间内，以最快速度与最低成本，将污染物净化去除将污染物净化去除环境修复环境修复强调面源治理，即对人类活动的环境进行治理，不可能建造把整强调面源治理，即对人类活动的环境进行治理，不可能建造把整个修复对象包容进去的处理系统。个修复对象包容进去的处理系统。相同点相同点两者都是控制环境污染两者都是控制环境污染前者属于污染因子的产中控制，后者属产后控制，污染预防属于前者属于污染因子的产中控制，后者属产后控制，污染预防属于产前控制，三者共同构成污染控制的全过程体系产前控制，三者共同构成污染控制的全过程体系环境修复技术的类型环境修复技术的类型修复技术是人类修复环境时采用的手段修复技术是人类修复环境时采用的手段环境修复的对象是自然界环境修复的对象是自然界技术的基本作用在于改变自然界的运动形式和状态，技术的基本作用在于改变自然界的运动形式和状态，由此形成四类基本技术：由此形成四类基本技术：工程技术工程技术-工程修复工程修复 河底清淤河底清淤物理技术物理技术-物理修复物理修复 电修复电修复化学技术化学技术-化学修复化学修复 化学试剂化学试剂生物技术生物技术-生物修复生物修复 生物试剂生物试剂生物修复生物修复（bioremediation）的概念的概念利用生物的利用生物的生命代谢活动生命代谢活动减少存在于环境中的有毒减少存在于环境中的有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程的环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程强调人有意识的利用生物体进行环境无害化强调人有意识的利用生物体进行环境无害化生物净化生物净化（biopurification）强调的是自然环境系统利用本身固有的生物体进行的强调的是自然环境系统利用本身固有的生物体进行的环境无害化过程，是一种自发的过程环境无害化过程，是一种自发的过程v生物修复的产生与发展生物修复的产生与发展起源于有机污染物的治理，最初从微生物利用开始（发酵起源于有机污染物的治理，最初从微生物利用开始（发酵食品几千年，处理污水食品几千年，处理污水100100多年，生物修复多年，生物修复3030年）年）19721972年年 美国宾夕法尼亚美国宾夕法尼亚 清除管线泄漏的汽油（试验阶段）清除管线泄漏的汽油（试验阶段）19891989年年 美国阿拉斯加美国阿拉斯加 原油泄漏原油泄漏Exxon ValdzExxon Valdz超级油轮触礁，超级油轮触礁，4.2*104.2*104 4m m3 3原油在原油在5h5h内泄露，内泄露，污染了污染了13001300英里的海岸线英里的海岸线是阿拉斯加最大也是美国历史上最大的一次石油泄漏事故是阿拉斯加最大也是美国历史上最大的一次石油泄漏事故投放亲油性微生物肥料投放亲油性微生物肥料19911991年美国开始实施对土壤、地下水、海滩等环境危险污年美国开始实施对土壤、地下水、海滩等环境危险污染物的治理，法、荷发展迅速染物的治理，法、荷发展迅速英国英国BPBP公司墨西哥湾漏油事件公司墨西哥湾漏油事件v20102010年年4 4月月2020日日 钻井平台爆炸钻井平台爆炸v4 4月月2424日起漏油不止并引发了大日起漏油不止并引发了大规模原油污染规模原油污染v油井日漏油量油井日漏油量50005000桶，不断发桶，不断发现新的漏油点，不到十天，浮现新的漏油点，不到十天，浮油抵达路易斯安那州海岸。油抵达路易斯安那州海岸。vBPBP采用采用“灭顶法灭顶法”封堵漏油，封堵漏油，一个月后宣布失败一个月后宣布失败v6 6月，月，BPBP采用采用“盖帽法盖帽法”终于取终于取得了一定的成效得了一定的成效v目前目前BPBP事故支出费用高达事故支出费用高达400400亿亿美元美元 BPBP堵漏方案一览堵漏方案一览v钢筋水泥控油罩：钢筋水泥控油罩：5 5月月7 7日，日，BPBP将一重达将一重达125125吨的大型钢筋水泥控油罩吨的大型钢筋水泥控油罩沉入海底，希望用它罩住泄漏点。但由于泄漏点喷出的天然气遇到冷沉入海底，希望用它罩住泄漏点。但由于泄漏点喷出的天然气遇到冷水形成甲烷结晶，堵住控油罩顶部开口，使得这一装置无法发挥作用水形成甲烷结晶，堵住控油罩顶部开口，使得这一装置无法发挥作用v吸油管：吸油管：5 5月月1414日，日，BPBP将一根将一根4 4英寸吸油管插入发生泄漏的英寸吸油管插入发生泄漏的2121英寸油英寸油管中。管中。3 3天后，这根管道发挥了一定作用，共吸走天后，这根管道发挥了一定作用，共吸走2.22.2万桶原油，但数万桶原油，但数量太少量太少v“灭顶法灭顶法”：用泵将较重的液体打入油井，使其压力大于油井外泄用泵将较重的液体打入油井，使其压力大于油井外泄的压力，从而减缓漏油速度，然后再向油井漏油处注入水泥封闭油井，的压力，从而减缓漏油速度，然后再向油井漏油处注入水泥封闭油井，但由于油井压力太大，但由于油井压力太大，“灭顶法灭顶法”宣告失败宣告失败v“盖帽法盖帽法”：工程师将遥控深海机器人，将漏油处受损油管剪断并工程师将遥控深海机器人，将漏油处受损油管剪断并盖上防堵装置。防堵装置与油管相连，以把漏出的油气吸至油管内，盖上防堵装置。防堵装置与油管相连，以把漏出的油气吸至油管内，再输送到海面上的油轮里。再输送到海面上的油轮里。6 6月月4 4日，日，BPBP“切管切管”成功，成功，“盖帽盖帽”也获也获成功，控漏终现积极进展成功，控漏终现积极进展生物修复的类型生物修复的类型v修复主体（参与生物修复的生物类群）修复主体（参与生物修复的生物类群）微生物修复（狭义生物修复）微生物修复（狭义生物修复）植物修复植物修复 动物修复和生动物修复和生态修复态修复v修复受体（生物修复的对象）修复受体（生物修复的对象）土壤生物修复土壤生物修复 河流水生物修复河流水生物修复 湖泊水库生物修复湖泊水库生物修复 海洋海洋生物修复生物修复 地下水生物修复地下水生物修复 大气生物修复大气生物修复 矿区生物修复矿区生物修复 垃圾场生物修复垃圾场生物修复v修复场所（修复实施的场所或形式）修复场所（修复实施的场所或形式）原位生物修复、异位生物修复和联合生物修复原位生物修复、异位生物修复和联合生物修复原位生物修复原位生物修复（in-site remediation）v又称就地生物修复，是指在基本不破坏土壤和地下水又称就地生物修复，是指在基本不破坏土壤和地下水自然环境的条件下，对受污染的环境对象不作搬运或自然环境的条件下，对受污染的环境对象不作搬运或输送，而在原场所进行生物修复输送，而在原场所进行生物修复原位工程生物修复原位工程生物修复采取工程措施，有目的操作生物过程，加快环境修复采取工程措施，有目的操作生物过程，加快环境修复一种是提供微生物生长所需的营养，提高其降解污染物一种是提供微生物生长所需的营养，提高其降解污染物的能力，这种称为的能力，这种称为生物强化修复生物强化修复另一种是投加实验室培养的微生物，使其能够降解土壤另一种是投加实验室培养的微生物，使其能够降解土壤和地下水中原有的污染物，又称和地下水中原有的污染物，又称生物接种修复生物接种修复原位自然生物修复原位自然生物修复利用环境中原有的微生物，在自然条件下进行自然修复利用环境中原有的微生物，在自然条件下进行自然修复 异位生物修复异位生物修复（ex-site remediation）是指将受污染的环境对象搬运或输送到其他场所，进是指将受污染的环境对象搬运或输送到其他场所，进行集中修复行集中修复原位成本低廉但修复效果差，适合于大面积、低污染原位成本低廉但修复效果差，适合于大面积、低污染负荷的环境对象负荷的环境对象异位修复效果好但成本高昂，适合于小范围、高污染异位修复效果好但成本高昂，适合于小范围、高污染负荷负荷联合生物修复联合生物修复（combined remediation）原位异位相结合，扬长避短原位异位相结合，扬长避短第二节第二节 生物修复的特点与应用生物修复的特点与应用生物修复的特点生物修复的特点v优点优点现场进行，节省治理费用（传统物理、化学方法的现场进行，节省治理费用（传统物理、化学方法的30-50%30-50%）环境影响小，不会形成二次污染或导致污染的转移，永久消环境影响小，不会形成二次污染或导致污染的转移，永久消除污染物的长期隐患除污染物的长期隐患最大限度的降低污染物的浓度，有时甚至会低于检测限最大限度的降低污染物的浓度，有时甚至会低于检测限在其他技术难以使用的场地（如建筑物或公路下不能挖掘搬在其他技术难以使用的场地（如建筑物或公路下不能挖掘搬出）可以采用就地生物修复技术出）可以采用就地生物修复技术-独到优势独到优势可以同时处理受污染的土壤和地下水，也可以与其他处理技可以同时处理受污染的土壤和地下水，也可以与其他处理技术结合使用，处理复合污染术结合使用，处理复合污染生物修复的特点生物修复的特点v局限性局限性耗时长耗时长机理在于生命体的新陈代谢，完成一定的生机理在于生命体的新陈代谢，完成一定的生命周期需花费较长时间命周期需花费较长时间条件苛刻条件苛刻生物修复是一种科技含量较高的处理方法，生物修复是一种科技含量较高的处理方法，易受场地和环境的影响易受场地和环境的影响并非所有进入环境的污染物都能被生物利用并非所有进入环境的污染物都能被生物利用专一性强专一性强特定的生物只能吸收、利用、降解、转化特定的生物只能吸收、利用、降解、转化特定类型的化学物质特定类型的化学物质生物修复的应用前景生物修复的应用前景v具有广阔的市场前景，但必然受到某些条件限制具有广阔的市场前景，但必然受到某些条件限制v只有与物理、化学修复组成统一修复技术，才能只有与物理、化学修复组成统一修复技术，才能为真正解决人类目前面临的最困难的环境问题为真正解决人类目前面临的最困难的环境问题有机污染物和重金属污染有机污染物和重金属污染提供一种可能提供一种可能v某些情况下最经济的组合是先用生物修复将污染某些情况下最经济的组合是先用生物修复将污染物处理到较低水平，再采用物理、化学方法处理物处理到较低水平，再采用物理、化学方法处理残余污染物残余污染物第三节第三节 生物修复的原则及可处理性试验生物修复的原则及可处理性试验v生物修复的三原则生物修复的三原则适合的生物适合的生物指具有正常生理和代谢能力，并能降解或转化污染物的生物体指具有正常生理和代谢能力，并能降解或转化污染物的生物体系，包括系，包括微生物微生物、植物、动物等、植物、动物等是生物修复的先决条件是生物修复的先决条件适合的场所适合的场所指要有污染物和合适的生物相接触的地点指要有污染物和合适的生物相接触的地点适合的环境适合的环境指要控制或改变环境条件，使生物的代谢与生长活动处于最佳指要控制或改变环境条件，使生物的代谢与生长活动处于最佳状态状态包括温度、包括温度、pH，无机养分、电子受体等，无机养分、电子受体等可处理性试验可处理性试验v可处理性试验目的可处理性试验目的环境中的污染物一般是混合性化合物，在某一现场起作用的环境中的污染物一般是混合性化合物，在某一现场起作用的生物修复技术在另一现场并不一定有效生物修复技术在另一现场并不一定有效对每个现场都需要进行可处理性试验研究，提供污染物在生对每个现场都需要进行可处理性试验研究，提供污染物在生物修复过程中的行为和归宿的数据，用以评估生物修复技术物修复过程中的行为和归宿的数据，用以评估生物修复技术的可行性和局限性，规划保持生物修复系统中生物活性最大的可行性和局限性，规划保持生物修复系统中生物活性最大的策略的策略根据可处理性试验得到的净化时间、净化所能达到的水平以根据可处理性试验得到的净化时间、净化所能达到的水平以及处理费用等，结合具体受污染现场的处理要求，就能决定及处理费用等，结合具体受污染现场的处理要求，就能决定生物修复技术是否能够在该地应用生物修复技术是否能够在该地应用可处理性试验可处理性试验v结果：为实际工程回答几个问题结果：为实际工程回答几个问题污染物进一步扩散的可能性以及防治措施污染物进一步扩散的可能性以及防治措施提高生物活性的技术手段提高生物活性的技术手段评价生物修复效果所需的检测手段评价生物修复效果所需的检测手段v规模：实验室小试、中试和现场试验规模：实验室小试、中试和现场试验v监测：污染物的降解过程和最终产物的毒性监测：污染物的降解过程和最终产物的毒性化学分析（液相色谱、气相色谱、原子吸收等）化学分析（液相色谱、气相色谱、原子吸收等）生物监测（生物监测（AmesAmes试验检测遗传毒性，发光菌毒性试验）试验检测遗传毒性，发光菌毒性试验）v污染物半衰期：浓度变化表述污染物降解程度污染物半衰期：浓度变化表述污染物降解程度可处理性试验可处理性试验v设定非生物因素对照设定非生物因素对照测定物理和化学过程引起的污染物的减少，从而能够测定物理和化学过程引起的污染物的减少，从而能够真实的评价生物修复技术对污染物消减的贡献真实的评价生物修复技术对污染物消减的贡献v物料衡算和矿化计算物料衡算和矿化计算物料衡算：测定目标污染物及其转化产物物料衡算：测定目标污染物及其转化产物矿化计算：测定二氧化碳（或甲烷）或氯、溴基团的矿化计算：测定二氧化碳（或甲烷）或氯、溴基团的释放释放v方法方法土壤灭菌试验土壤灭菌试验土壤柱试验土壤柱试验摇瓶试验和反应器试验摇瓶试验和反应器试验第四节第四节 生物修复工程设计生物修复工程设计v场地信息收集场地信息收集污染物的种类和化学性质，在土壤中的分布和浓度，受污染物的种类和化学性质，在土壤中的分布和浓度，受污染的时间污染的时间当地正常情况下和受污染后的微生物的种类，数量和活当地正常情况下和受污染后的微生物的种类，数量和活性以及在土壤中的分布，从而确定该地是否存在完成生性以及在土壤中的分布，从而确定该地是否存在完成生物修复的微生物种群物修复的微生物种群土壤特性，如温度、孔隙度、渗透率等土壤特性，如温度、孔隙度、渗透率等受污染现场的地理、水力地质和气象条件以及空间因素受污染现场的地理、水力地质和气象条件以及空间因素有关的管理法规有关的管理法规工程设计工程设计v技术查询技术查询向有关单位咨询是否在相似情况下进行过生物修复处理，以向有关单位咨询是否在相似情况下进行过生物修复处理，以便采用或移植他人经验便采用或移植他人经验v技术路线选择技术路线选择根据场地信息，对各种生物修复技术以及它们可能的组合进根据场地信息，对各种生物修复技术以及它们可能的组合进行客观评价，确定最佳技术路线行客观评价，确定最佳技术路线v可处理性试验可处理性试验设计小试或中试，提供基本工艺参数设计小试或中试，提供基本工艺参数实验室或现场都可以进行，选择先进的取样方法和分析手段，实验室或现场都可以进行，选择先进的取样方法和分析手段，中试注意规模问题中试注意规模问题工程设计工程设计v修复效果评价修复效果评价技术评价技术评价原生污染物去除率原生污染物去除率=(=(原有浓度原有浓度-现存浓度现存浓度)/)/原有浓度原有浓度*100%*100%次生污染物增加率次生污染物增加率=(=(现存浓度现存浓度-原有浓度原有浓度)/)/原有浓度原有浓度*100%*100%污染物毒性增加率污染物毒性增加率=(=(原有毒性水平原有毒性水平-现有毒性水平现有毒性水平)/)/原有毒性水平原有毒性水平*100%*100%经济效果评价经济效果评价包括修复的一次性基建投资与服役期的运行成本包括修复的一次性基建投资与服役期的运行成本v实验工程设计实验工程设计如果可处理性试验表明生物修复技术可行，开始具体设计如果可处理性试验表明生物修复技术可行，开始具体设计包括处理设备、井位井深、营养物和氧源或其他电子受体等包括处理设备、井位井深、营养物和氧源或其他电子受体等第二章第二章 生物修复的机理生物修复的机理微生物对有机污染物的修复微生物对有机污染物的修复1微生物对重金属污染物的修复微生物对重金属污染物的修复2植物对有机污染物的修复植物对有机污染物的修复3植物对重金属污染物的修复植物对重金属污染物的修复4水生生物对富营养化物的修复水生生物对富营养化物的修复5第一节第一节 微生物对有机污染物的修复微生物对有机污染物的修复v有机污染物进入微生物细胞的过程有机污染物进入微生物细胞的过程微生物降解有机污染物的作用方式微生物降解有机污染物的作用方式通过微生物分泌的胞外酶降解通过微生物分泌的胞外酶降解污染物被微生物吸收到细胞内后，由胞内酶降解污染物被微生物吸收到细胞内后，由胞内酶降解微生物从胞外环境吸收摄取物质的四种方式微生物从胞外环境吸收摄取物质的四种方式主动运输主动运输被动扩散被动扩散促进扩散促进扩散基团转位基团转位胞饮作用胞饮作用主动运输主动运输（active transport）v微生物所需各种营养物质微生物所需各种营养物质进入体内的主要方式进入体内的主要方式v特点特点需要消耗能量需要消耗能量可以逆物质浓度梯度进行可以逆物质浓度梯度进行需要载体蛋白的参与，对需要载体蛋白的参与，对被运输的物质有高度的立被运输的物质有高度的立体专一性体专一性v被运输物质与相应载体蛋白被运输物质与相应载体蛋白之间存在亲和力，膜外亲和之间存在亲和力，膜外亲和力大于膜内，这样通过亲和力大于膜内，这样通过亲和力大小的改变使他们直接发力大小的改变使他们直接发生可逆的结合和分离，从而生可逆的结合和分离，从而完成物质的运输。完成物质的运输。v载体蛋白的构型变化需要能载体蛋白的构型变化需要能量，如好氧微生物来自呼吸，量，如好氧微生物来自呼吸，厌氧微生物来自化学能厌氧微生物来自化学能ATPATP，光合微生物来自光能光合微生物来自光能主动运输主动运输被动扩散被动扩散（passive transport）v最为简单的一种最为简单的一种v不规则运动的营养物质分子不规则运动的营养物质分子通过细胞膜中的含水小孔，通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外向低浓度的由高浓度的胞外向低浓度的胞内扩散胞内扩散v特点：特点：扩散是非特异性的，物质在扩散是非特异性的，物质在扩散运输过程中既不与膜上扩散运输过程中既不与膜上的分子发生反应，本身的分的分子发生反应，本身的分子结构也无变化子结构也无变化不消耗能量，不能逆浓度不消耗能量，不能逆浓度被动扩散被动扩散扩散速度取决于细胞膜两扩散速度取决于细胞膜两边该物质的浓度差，浓度边该物质的浓度差，浓度差大则速度大，反之则小差大则速度大，反之则小细胞膜的存在是物质运输细胞膜的存在是物质运输的前提的前提扩散不是微生物吸收物质扩散不是微生物吸收物质的主要方式，主要是水、的主要方式，主要是水、某些气体、甘油和某些离某些气体、甘油和某些离子等子等有机物低于有机物低于1212个碳原子的个碳原子的分子一般可以通过细胞壁分子一般可以通过细胞壁和细胞膜进入细胞和细胞膜进入细胞促进扩散促进扩散（accelerative diffusion）v特点：特点：不消耗能量，物质在分子结不消耗能量，物质在分子结构上不会发生变化构上不会发生变化不能进行逆浓度运输不能进行逆浓度运输运输速率比自由扩散速度高，运输速率比自由扩散速度高，在一定限度内同物质浓度成在一定限度内同物质浓度成正比正比需要借助载体蛋白，具有高需要借助载体蛋白，具有高度的立体结构专一性度的立体结构专一性v多见于真核微生物中，运输物多见于真核微生物中，运输物质一般是非脂溶性物质或亲水质一般是非脂溶性物质或亲水性物质，如氨基酸、糖等性物质，如氨基酸、糖等基团转位基团转位（functional groups transference）v另一种类型的主动运输另一种类型的主动运输有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运有一个复杂的运输系统来完成物质的运输，而物质在运输过程中发生化学变化输过程中发生化学变化主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，用于糖的运输主要存在于厌氧型和兼性厌氧型细菌中，用于糖的运输好氧型细菌及真核生物中未发现这种运输方式，也未发好氧型细菌及真核生物中未发现这种运输方式，也未发现氨基酸通过这种方式进行运输现氨基酸通过这种方式进行运输胞饮作用胞饮作用（pinocytosis）v也叫内吞作用，是指物质吸也叫内吞作用，是指物质吸附在质膜上，然后通过膜的附在质膜上，然后通过膜的内折而转移到细胞内的攫取内折而转移到细胞内的攫取物质及液体的过程物质及液体的过程v植物细胞吸收水分、矿质元植物细胞吸收水分、矿质元素和其他物质的方式之一素和其他物质的方式之一v特点：特点：非选择性吸收，它在吸收水非选择性吸收，它在吸收水分的同时，把水分中的物质分的同时，把水分中的物质一起吸收进来，如各种盐类一起吸收进来，如各种盐类和大分子物质甚至病毒和大分子物质甚至病毒 v过程过程当物质吸附在质膜时，质膜内陷，液体和物质便进入，然后当物质吸附在质膜时，质膜内陷，液体和物质便进入，然后质膜内折，逐渐包围着液体和物质，形成小囊泡，并向细胞质膜内折，逐渐包围着液体和物质，形成小囊泡，并向细胞内部移动内部移动v囊泡把物质转移给细胞的方式有两种囊泡把物质转移给细胞的方式有两种囊泡本身在细胞内溶解消失，把物质留在细胞质内囊泡本身在细胞内溶解消失，把物质留在细胞质内囊泡一直向内移动，到液泡膜后将物质交给液泡囊泡一直向内移动，到液泡膜后将物质交给液泡v胞饮作用必须在有些物质的诱导下才能发生，如蛋白质、胞饮作用必须在有些物质的诱导下才能发生，如蛋白质、氨基酸和盐类等就能发生胞饮作用氨基酸和盐类等就能发生胞饮作用胞饮作用胞饮作用微生物降解有机污染物的基本反应类型微生物降解有机污染物的基本反应类型v氧化作用氧化作用包括醇的氧化（包括醇的氧化（-CH-CH2 2OH-COOHOH-COOH）、醛的氧化、甲基）、醛的氧化、甲基的氧化等的氧化等v还原作用还原作用如乙烯基、醇的还原，双键、三键还原作用如乙烯基、醇的还原，双键、三键还原作用v基团转移作用基团转移作用 水解作用水解作用 酯化作用酯化作用 缩合反应缩合反应 氨化作用氨化作用 乙酰化作用乙酰化作用 双键断裂反应双键断裂反应 卤原子移动等卤原子移动等第二节第二节 微生物对重金属污染物的修复微生物对重金属污染物的修复 微生物对重金属离子的转化微生物对重金属离子的转化环境中重金属离子的长期存在使自然界中形成一些特殊微环境中重金属离子的长期存在使自然界中形成一些特殊微生物，它们对有毒重金属具有抗性，可以使金属离子发生生物，它们对有毒重金属具有抗性，可以使金属离子发生转化转化对微生物而言是一种解毒作用，对环境则是一种修复作用对微生物而言是一种解毒作用，对环境则是一种修复作用Hg、Pb、Sn、As、Se等金属或类金属离子都能在微生物等金属或类金属离子都能在微生物作用下失去毒性作用下失去毒性甲基化作用甲基化作用还原作用还原作用氧化作用氧化作用v甲基化作用甲基化作用Hg、Cd、Pb、As等离子能在微生物的作用下发生甲基化等离子能在微生物的作用下发生甲基化反应反应甲基传递体甲基传递体甲基钴胺素，它是一种活泼的，能够使金甲基钴胺素，它是一种活泼的，能够使金属离子甲基化的物质属离子甲基化的物质甲基供体甲基供体在在ATPATP及特定还原剂条件下，甲基钴胺素作为甲基供体，使及特定还原剂条件下，甲基钴胺素作为甲基供体，使金属离子与甲基结合而生成甲基汞、甲基砷等金属离子与甲基结合而生成甲基汞、甲基砷等假单胞菌属假单胞菌属 v还原作用还原作用将高价金属离子还原成低价态，有机态金属还原成单质将高价金属离子还原成低价态，有机态金属还原成单质有些金属在这个过程中毒性减小或消失，如有机汞还原成有些金属在这个过程中毒性减小或消失，如有机汞还原成单质汞，大肠杆菌还原单质汞，大肠杆菌还原Cr(VI)Cr(III)CH3Hg+2H Hg+CH4+H+v氧化作用氧化作用有些金属离子高价态毒性小有些金属离子高价态毒性小Mn4+和和Sn4+Mn2+和和Sn3+（毒性较小）（毒性较小）微生物对重金属离子的吸收与吸附微生物对重金属离子的吸收与吸附v微生物吸附与微生物累积微生物吸附与微生物累积微生物吸附微生物吸附仅指失活微生物的吸附作用，不包括生物的新陈代谢作用和物质仅指失活微生物的吸附作用，不包括生物的新陈代谢作用和物质的主动运输过程的主动运输过程微生物吸附能力与其细胞壁结构、成分密切相关；微生物吸附能力与其细胞壁结构、成分密切相关；可以将细胞杀死后，经过一定处理，使其具有一定粒度、硬度及可以将细胞杀死后，经过一定处理，使其具有一定粒度、硬度及稳定性，便于贮存、运输和实际应用稳定性，便于贮存、运输和实际应用微生物累积微生物累积主要利用生物新陈代谢作用产生的能量，通过单价或二价离子的主要利用生物新陈代谢作用产生的能量，通过单价或二价离子的转移系统把重金属离子输送到细胞内部转移系统把重金属离子输送到细胞内部效果较好，但实际应用中受限较多（中毒死亡，环境因素）效果较好，但实际应用中受限较多（中毒死亡，环境因素）微生物吸附重金属机理微生物吸附重金属机理v研究多处于实验室阶段，集中在细胞壁的研究研究多处于实验室阶段，集中在细胞壁的研究v微生物细胞壁的结构特征微生物细胞壁的结构特征细胞壁的特殊结构（如多孔结构），很大程度上决定着对重金属细胞壁的特殊结构（如多孔结构），很大程度上决定着对重金属的吸附的吸附细菌的细胞壁：共价结合了某些分子的肽聚糖构成细菌的细胞壁：共价结合了某些分子的肽聚糖构成真菌细胞壁：各种多糖构成，多层、微纤维化的结构真菌细胞壁：各种多糖构成，多层、微纤维化的结构海藻细胞壁：类似于真菌，由多层的微纤维素骨架构成，主要成海藻细胞壁：类似于真菌，由多层的微纤维素骨架构成，主要成分是纤维素，并夹杂些无定性物质分是纤维素，并夹杂些无定性物质v机理机理 静电吸附静电吸附 共价吸附共价吸附 离子交换离子交换 络合螯合络合螯合 无机微沉淀（重金属离子在细胞壁上形成无机沉淀物的过程）无机微沉淀（重金属离子在细胞壁上形成无机沉淀物的过程）第三节第三节 植物对有机污染物的修复植物对有机污染物的修复v植物对有机污染物的吸收植物对有机污染物的吸收植物对气态污染物的粘附和吸收植物对气态污染物的粘附和吸收植物能粘附吸收气态污染物，主要决定于植物表面积的大小和植物能粘附吸收气态污染物，主要决定于植物表面积的大小和粗糙程度等（如云杉分泌油脂，杨梅吸滞粉尘）粗糙程度等（如云杉分泌油脂，杨梅吸滞粉尘）气孔是叶片吸收污染物的主要部位（光化学烟雾）气孔是叶片吸收污染物的主要部位（光化学烟雾）植物对水溶态污染物的吸收植物对水溶态污染物的吸收主要器官是根，到达植物根表面的有两条途径主要器官是根，到达植物根表面的有两条途径质体流途径，即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一质体流途径，即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一起到达根部起到达根部扩散途径，即通过扩散到达根表面扩散途径，即通过扩散到达根表面叶片吸收农药：气孔吸收和角质层吸收叶片吸收农药：气孔吸收和角质层吸收v植物对有机污染物的修复机理植物对有机污染物的修复机理直接吸收直接吸收并在植物组织中积累非植物毒性的代谢物并在植物组织中积累非植物毒性的代谢物通过木质化作用在新的植物结构中贮藏污染物及其残片，使其代通过木质化作用在新的植物结构中贮藏污染物及其残片，使其代谢或矿化为水和谢或矿化为水和CO2，或使其挥发，或使其挥发植物吸收污染物与土壤水中浓度和植物吸收率、蒸腾率有关植物吸收污染物与土壤水中浓度和植物吸收率、蒸腾率有关释放释放促进生物化学反应的促进生物化学反应的酶酶一般与植物酶有关的有机物降解非常快，使化学污染物从土壤中一般与植物酶有关的有机物降解非常快，使化学污染物从土壤中的解吸和质量转移成为限速步骤的解吸和质量转移成为限速步骤植物死亡后，酶释放到环境中还可以继续发挥分解作用植物死亡后，酶释放到环境中还可以继续发挥分解作用游离的酶作用较小，需被保护在植物体内更好的发挥作用游离的酶作用较小，需被保护在植物体内更好的发挥作用强化强化根际根际的矿化作用的矿化作用根际环境根际环境v几类典型有机污染物的植物修复几类典型有机污染物的植物修复解毒作用解毒作用（antidotal effect）外来有毒物质通过机体内酶促反应，可以转化成低毒或无毒物质，外来有毒物质通过机体内酶促反应，可以转化成低毒或无毒物质，或转化为水溶性物质而利于排出体外，生物的这种防御机能称为或转化为水溶性物质而利于排出体外，生物的这种防御机能称为解毒作用解毒作用植物对农药的分解转化作用（耐药性植物）植物对农药的分解转化作用（耐药性植物）氧化作用：普遍，是导致农药毒性降低的主要反应，如芳香族羟氧化作用：普遍，是导致农药毒性降低的主要反应，如芳香族羟基化作用、烃基氧化作用等基化作用、烃基氧化作用等还原作用、水解作用（除草剂水解成游离酸）还原作用、水解作用（除草剂水解成游离酸）植物对其他有机污染物的分解转化作用植物对其他有机污染物的分解转化作用石油、洗涤剂、塑料及其他印染造纸带来的有毒物质石油、洗涤剂、塑料及其他印染造纸带来的有毒物质藻类和高等植物（凤眼莲）藻类和高等植物（凤眼莲）第四节第四节 植物对重金属污染物的修复植物对重金属污染物的修复v植物修复植物修复（phytoremediation）的概念的概念利用自然生长植物或者遗传工程培育植物修复金属污染环境的利用自然生长植物或者遗传工程培育植物修复金属污染环境的技术总称技术总称v植物修复的机理（分为植物稳定、植物吸收和植物挥发）植物修复的机理（分为植物稳定、植物吸收和植物挥发）植物稳定植物稳定（phytostabilzation）定义：利用植物吸收和沉淀来固定土壤中的大量有毒金属，以降低其定义：利用植物吸收和沉淀来固定土壤中的大量有毒金属，以降低其生物有效性和防止其进入地下水和食物链，从而减少其对环境和人类生物有效性和防止其进入地下水和食物链，从而减少其对环境和人类健康的污染健康的污染功能：保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏防止金属污染物淋移功能：保护污染土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏防止金属污染物淋移通过根部累积和沉淀或通过根表吸收金属来加强对污染物的固定通过根部累积和沉淀或通过根表吸收金属来加强对污染物的固定研究方向：促进植物发育使根系发达研究方向：促进植物发育使根系发达植物修复的机理植物修复的机理植物吸收植物吸收（phytoextraction）定义：利用专性植物根系吸收一种或几种污染物特别是有毒金定义：利用专性植物根系吸收一种或几种污染物特别是有毒金属，并将其转移，贮存到植物茎叶，然后收割茎叶，离地处理，属，并将其转移，贮存到植物茎叶，然后收割茎叶，离地处理，也称植物萃取、植物攫取也称植物萃取、植物攫取专性植物：通常指超积累植物，可以从土壤中吸收和积累超寻专性植物：通常指超积累植物，可以从土壤中吸收和积累超寻常水平的有毒金属常水平的有毒金属目前已发现超积累植物目前已发现超积累植物400余种余种研究前景研究前景植物挥发植物挥发（phytovolatilization）定义：利用植物的吸收、积累、挥发而减少土壤污染物，多为定义：利用植物的吸收、积累、挥发而减少土壤污染物，多为类金属类金属Hg和非金属和非金属Se仅是去除土壤中一些可挥发的污染物仅是去除土壤中一些可挥发的污染物前景：转基因技术前景：转基因技术植物对重金属的吸收运移植物对重金属的吸收运移v到达根表面到达根表面进入体内进入体内体内运移体内运移v重金属到达植物根（或叶）表面重金属到达植物根（或叶）表面两种途径：质体流途径和扩散途径两种途径：质体流途径和扩散途径重金属主要通过质体流途径到达根表面重金属主要通过质体流途径到达根表面v重金属跨根细胞膜运输重金属跨根细胞膜运输细胞壁等质外空间的吸收细胞壁等质外空间的吸收重金属透过细胞质膜进入细胞的生物过程重金属透过细胞质膜进入细胞的生物过程植物对重金属的吸收运移植物对重金属的吸收运移v重金属在植物体内的运移重金属在植物体内的运移重金属在根共质体内运输重金属在根共质体内运输植物内皮层有凯式带，金属离子只有转入共质体后，才能进入木植物内皮层有凯式带，金属离子只有转入共质体后，才能进入木质部导管质部导管限制性步骤限制性步骤重金属在木质部运输重金属在木质部运输从根系到地上部分，有两个过程，即从木质部薄壁细胞转载到导从根系到地上部分，有两个过程，即从木质部薄壁细胞转载到导管和在导管中运输，后者受根压和蒸腾流影响（超积累植物）管和在导管中运输，后者受根压和蒸腾流影响（超积累植物）重金属在叶细胞中运输及分室化重金属在叶细胞中运输及分室化组织水平上，重金属分布在表皮细胞、亚表皮细胞和表皮毛中组织水平上，重金属分布在表皮细胞、亚表皮细胞和表皮毛中细胞水平上，分布在质外体和液泡中细胞水平上，分布在质外体和液泡中叶片重金属的向下运移叶片重金属的向下运移v总之，超积累植物从根际吸收重金属，并将其转移和总之，超积累植物从根际吸收重金属，并将其转移和积累到地上部，此过程包括许多环节和调控位点积累到地上部，此过程包括许多环节和调控位点跨根细胞质膜运输跨根细胞质膜运输根皮层细胞中横向运输根皮层细胞中横向运输从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部导管从根系的中柱薄壁细胞装载到木质部导管木质部中长途运输木质部中长途运输从木质部卸载到叶细胞（跨叶细胞运输）从木质部卸载到叶细胞（跨叶细胞运输）跨叶细胞的液泡膜运输跨叶细胞的液泡膜运输第五节第五节 水生生物对富营养化物的修复水生生物对富营养化物的修复v微生物对氮磷富营养物的修复微生物对氮磷富营养物的修复与废水的生物脱氮除磷基本相似与废水的生物脱氮除磷基本相似微生物脱氮微生物脱氮氨化作用氨化作用含氮有机物经微生物降解释放出氮的过程含氮有机物经微生物降解释放出氮的过程好氧、厌氧，中性、碱性或酸性条件都可以进行好氧、厌氧，中性、碱性或酸性条件都可以进行硝化作用：硝化作用：指含指含NH3氧化成氧化成NO3-的过程，是生物脱氮的关键的过程，是生物脱氮的关键反硝化作用：反硝化作用：指硝酸盐和亚硝酸盐在反硝化菌的作用下被还原为气指硝酸盐和亚硝酸盐在反硝化菌的作用下被还原为气态氮和氧化亚氮的过程态氮和氧化亚氮的过程 氧影响酶系，工艺上好氧、缺氧应交替出现氧影响酶系，工艺上好氧、缺氧应交替出现微生物脱磷：微生物脱磷：“聚磷菌聚磷菌”v植物对氮磷富营养物的修复植物对氮磷富营养物的修复主要依靠植物的吸收、同化，转变为植物体，然后主要依靠植物的吸收、同化，转变为植物体，然后被直接收割或被草食动物进一步同化被直接收割或被草食动物进一步同化（风车草）（风车草）v生态系统对氮磷富营养物的修复生态系统对氮磷富营养物的修复依靠食物链依靠食物链以控制藻类为中心的生态关系示意图以控制藻类为中心的生态关系示意图