染土壤修复技术.ppt

第五章Ⅳ 污染土壤修复技术 土壤环境学 5.4 微生物修复技术 污染土壤的微生物修复技术是指利用天然存在的或特别培养的微生物在可调控的环境条件下将土壤中有毒污染物转化为无毒物质的处理技术。 微生物修复技术起源于有机污染物的治理，近年来也向无机污染物的治理扩展。 5.4.1微生物修复机理 微生物修复机理：①特定酶的产生；②基因突变产生新的代谢群体；③能够降解有机物烃的微生物富集。 通常在刚被有机物污染的土壤中的土著微生物并不能降解污染物，而是在一个相当长的暴露过程中培育自身的降解能力。污染点的细菌经过一段时间驯化后，才能产生降解代谢污染物的能力，这种现象称为适应性。微生物的适应性为有机物污染的修复提供了可能。适应性导致能够代谢污染物的细菌总数增加，或者个体细菌遗传性或生理特性发生改变。 各种不同的有机污染物能否被降解取决于微生物能否产生相应的酶系，酶的合成直接受基因控制。 有机物降解酶系的编码多在质粒上，携带某种特殊有机物基因的质粒称为降解质粒，而降解质粒的出现是适应难降解物质的一种反映。 微生物对有机物污染物的降解分为细胞内和细胞外两种方式。 1979年，Yonezawa等研究认为微生物对有机化合物的降解作用是由其细胞内酶引起的，微生物降解的整个过程可以分为3个步骤： 首先是化合物在微生物细胞膜表面的吸附，这是一个动态平衡； 其次是吸附在细胞表面的化合物进入细胞膜内，在生物量一定时，化合物对细胞膜的穿透率决定了化合物穿透细胞膜的量； 最后是化合物进入微生物细胞膜内与降解酶结合发生酶促反应，这是一个快速的过程。 物质进入细胞，有多种途径，主要有扩散、促进扩散、主动运输、基团移位4种方式。 扩散和促进扩散都是由于浓度梯度引起的物质运输，而主动运输的关键则在于能量的提供和载体蛋白的作用。 对主动运输的机理有多种解释，最主要的两种学说是化学渗透模型和氧化还原模型。 化学渗透模型 生物通过能量消耗，使细胞内质子(H+)排出胞外，形成膜内外质子的浓度差，由这个电位差又使H+由膜外侧进入膜内侧； H+作为耦合离子与营养物耦合，又有载体蛋白(渗透酶)参与作用，就将细胞外低浓度的营养物质带入了细胞内。 氧化还原模型： 细胞膜中的载体蛋白既能呈氧化态，也能呈还原态； 在膜外表面时呈氧化态，对被运输物质的亲和力大，而与被运输物质相结合； 进入膜内表面，呈还原态，对被运输物质的亲和力弱，被运输的物质被释放； 载体氧化态和还原态的转变是由于基质的氧化以及电子在传递链的传递而引起的。 在好氧条件下，有机物进入降解微生物的细胞后，通过同化作用被降解，这是一个非常复杂的过程。 简单地说，可用下式表示： 微生物对有机物中不同烃类化合物的代谢途径和机理不同。 通常，在微生物作用下，直链烷烃首先被氧化成醇，然后在醇脱氢酶的作用下被氧化为相应的醛，醛则通过醛脱氢酶的作用氧化成脂肪酸。 氧化途径有单末端氧化、双末端氧化和次末端氧化等。 脂环烃类的生物降解是环烷烃被氧化为一元醇，并在大多数研究的细菌中环烷烃醇和环烷酮通过内脂中间体的断裂而代谢，大多数利用环乙醇的微生物菌株，也能在一些脂环化合物中生长，包括环己酮、顺(反)一环己烷一1，2一二醇和2一羟基环己酮，环己烷分解代谢的可能途径如图5-12所示。 真菌和微生物都能氧化从苯到苯并葸范围内的芳烃底物。 细菌借助加双氧酶的催化作用把分子氧的两个氧原子结合到底物中，使芳烃氧化成具有顺式构型的二氢二酚类。顺式二氢二酚类进一步氧化裂解。 与细菌相反，真菌则借助于单加氧酶和环水解酶的催化作用，把芳烃氧化成反式二氢二酚类化合物。 5.4.2微生物修复技术分述 1．微生物修复技术的分类 根据修复过程中人工干预的程度 1)自然微生物修复技术 自然微生物修复技术指完全在自然条件下进行的微生物修复过程，在修复过程中不进行任何工程辅助措施，也不对生态系统进行调控，靠土著微生物发挥作用。 自然生物修复要求被修复土壤具有适合微生物活动的条件(如微生物必要的营养物、电子受体、一定的缓冲能力等)，否则将影响修复速度和修复效果。 2)人工微生物修复技术 当在自然条件下，微生物降解速度很低或不能发生时，可以通过补充营养盐、电子受体、改善其他限制因子或微生物菌体等方式，促进微生物修复，即人工微生物修复。人工微生物修复技术依其修复位置情况，又可分为原位微生物修复技术和异位微生物修复技术两种类型。 (1)原位微生物修复技术：不人为挖掘、移动污染土壤，直接在原污染场地通过工程措施向污染土壤提供氧气、营养物或接种，以达到降解污染物的目的。原位生物修复技术形式包括生物通气法、生物注气法、土地耕作法等。 (2)异位微生物修复技术：人为挖掘污染土壤，并将污染土壤转移到其他地点或反应器内进行修复。异位微生物修复更容易控制，技术难度较低，但