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土壤修复原理与技术,概念篇 环境修复的概念、对象和任务、类型、产生与发展 土壤的组成与作用、土壤的污染 原理篇 物理修复原理 化学修复原理 微生物修复原理 植物修复原理,提 纲,概念篇,修复（remediation）是一个工程上的概念，顾名思义，是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始状态的过程。环境修复（environmental remediation）就是研究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质浓度减少或毒性降低或完全无害化，使得环境能够部分或者全部的恢复到原始状态。环境污染健康环境 环境修复和环境净化 环境修复”三废”治理,环境修复的概念,根据环境修复的概念可知，其对象是自然界中各种各样因为环境污染和破坏等而形成的环境问题，如污染的大气、水体、土壤等 任务是即使得污染的环境能够部分或者全部恢复到原始状态。,环境修复的对象和任务,根据环境修复的对象，环境修复可分为土壤环境修复、水体环境修复、大气环境修复、固体废物环境修复等几个类型。根据环境修复的方法和技术手段，环境修复可分为工程修复、物理修复、化学修复、生物修复四大类型。根据修复的形式，环境修复可分为原位修复和异位修复两个类型。,环境修复的类型,人们对环境质量越来越高的要求与随工业文明而来的环境污染和生态破坏之间的矛盾促使了环境修复学科的产生。污染预防工程、传统的环境工程（即“三废”治理工程）和环境修复工程分别属于污染物控制的产前、产中和产后三个环节，它们共同构成污染控制的全过程体系。随着科学技术的发展，环境修复的理论研究不断深入，工程技术手段也不断更新，形成了目前物理、化学、生物多种方法共存的局面，并有由物理化学方法向生物方法发展的趋势。,环境修复的产生和发展,土壤环境,大 气(空气迁移),水 体(水过程),生 物(生物过程),岩 石(风化过程),物质的组成、性质、结构,物质的平衡和循环,物理的 化学的 生物的,（土壤胶体表面本质和特性）,（水、热、能量）,物质的能量流动和平衡,土壤环境的地位、内涵与功能,大气与痕量气体交换,放,吸,CO2CH4H2SN2O,O2,水平衡、循环、转化,土 壤（固、气、液、生）,原、次生矿物、无机物组成,生物养分物质循环,动植物区系及微生物组成、有机物,水分性质与组成,大气与土壤气体组成,水循环平衡,支调生物过程,提供生物水、养分,地质循环地球皮肤,土壤污染的概念,土壤污染是指，人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化、功能降低的现象。,1、有机物类：农药、除莠剂、酚、苯并芘、油类等。2、化学肥料：氮、磷、微量营养元素。3、重金属：镉、汞、铅、镍、铬、砷、铜、锌。4、放射性物质：铯-137、锶-90等。5、致病微生物：肠细菌、肠寄生虫、结核杆菌。,土壤污染物质,1）工业污染源：工业“三废”物质排放。2）农业污染源：化肥、农药、畜禽粪便。3）生活污染源：城乡生活废水、农家肥等。4）其它污染源（废弃物焚烧等）,土壤污染类型与来源,土壤污染的特点,1、隐蔽性和滞后性,2、累积性：持久性有机污染物（POPs）多氯联苯（PCBs）、多环芳烃（PAHs）、多氯代二苯并二噁英（PCDDs）和重金属等,3、不可逆性/持久性：难降解性污染物,4、环境迁移与扩散影响,5、食物链污染,原理篇,污染土壤的物理修复,物理分离修复 蒸气浸提修复 固定稳定化修复 电动力学修复 热力学修复,污染土壤的物理修复,物理分离修复,基本过程：,图1 物理分离修复的基本过程,物理分离修复,概念和原理,粒径分离（筛分）干筛分、湿筛分、摩擦洗涤等 水力学分离 淘选机、机械粒度分级机、水力旋风分离器 密度（重力）分离 振动筛、螺旋富集器、摇床 脱水分离 过滤、压滤、离心、沉淀 泡沫浮选分离 磁分离,图2 物理分离修复设备,物理分离修复,特点和应用,物理分离技术主要应用在污染土壤中无机污染物的修复技术上，它最适合用来处理小范内射击场污染的土壤，从土壤、沉积物、废渣中分离重金属、清洁土壤、恢复土壤正常功能。大多数物理分离修复技术都有设备简单、费用低廉、可持续高产出等优点，但是在具体分离过程中，其技术的可行性，要考虑各种因素的影响。例如：物理分离技术要求污染物具有较高的浓度并且存在于具有不同物理特征的相介质中；筛分干污染物时会产生粉尘；固体基质中的细粒径部分和废液中的污染物需要进行再处理。,蒸气浸提修复,概念和原理,图3 蒸气浸提修复原理,蒸气浸提技术是通过降低土壤空气蒸气压，把土壤中的污染物转化为蒸气的形式而加以去除，是通过物理方法去除不饱和土壤中挥发性有机组分（VOCs）污染的一种修复技术，适用于处理高挥发性的污染物。,蒸气浸提修复,特点和应用,蒸气浸提技术的主要优点包括：能够原位操作，比较简单，对周围的干扰能够限定在尽可能小的范围之内；非常有效地去除挥发性有机物；在可接受的成本范围之内能够处理尽可能多的受污染的土壤；系统容易安装和转移；容易与其他技术组合使用。浸提技术主要用于挥发性有机卤代物和非卤代物的修复，通常应用的污染物是那些亨利系数大于0.01或蒸气压大于66.7Pa的挥发性有机物，有时也应用于去除环境中的油类、重金属及其有机物、多环芳烃等污染物。在美国，蒸气浸提几乎已经成为修复受加油站污染的地下水和土壤的“标准技术。限制土壤蒸气浸提技术应用效果的因素主要有下层土壤的异质性、土壤的渗透性、地下水位、排出的气体需要进行进一步处理等。,固定/稳定化修复,概念和原理,固化/稳定化修复技术是指防止或者降低污染土壤释放有害化学物质过程的一组修复技术，它是用物理/化学方法将污染物固定或包封在密实的惰性基材中，使其稳定化的一种过程。固化过程有的是将污染物通过化学转变或引入某种稳定的晶格中的过程；有的是将污染物用惰性材料加以包容的过程；有的兼有上述两种过程。稳定和固定化技术处理的一般步骤包括：中和过量的酸度；破坏金属配合物；控制金属的氧化还原状态；转化为不溶性的稳定形态；采用固化剂形成稳定的固体形态物质。磷酸盐、硫化物和碳酸盐等都可以作为污染物稳定化处理的反应剂。,固定/稳定化修复,图3 固定/稳定化修复原理,固定/稳定化修复,特点和应用,通常用于重金属和放射性物质污染土壤的无害化处理，异位固化稳定化通常用于处理无机污染物质。对于受半挥发性的有机物质及农药杀虫剂等污染物污染的情况，异位固化稳定化进行修复的适用性有限。原位固化稳定化通常用于修复金属污染的介质。固化与稳定化技术具有以下一些特点：需要污染土壤与固化剂稳定剂等进行原位或异位混合，与其他固定技术相比，破坏无机物质，但可能改变有机物质的性质；稳定化可能与封装等其他固定技术联合应用，并可能增加污染物的总体积；固化稳定化处理后的污染土壤应当有利于后续处理；现场应用需要安装全部或部分设施。固化稳定化技术是少数几个能够原位修复金属污染介质的技术之一具有的优点包括：可以处理多种复杂金属废物；费用低廉；加工设备容易转移；所形成的固体毒性降低，稳定性增强；凝结在固体中的微生物很难生长，不致破坏结块结构。,电动力学修复,概念和原理,电动力学修复技术的基本原理类似电池，利用插入介质（土壤或沉积物）中的两个电极在污染介质两端加上低压直流电场，在低强度直流电的作用下，水溶的或者吸附在土壤颗粒表层的污染物根据各自所带电荷的不同而向不同的电极方向运动：阳极附近的酸开始向介质的毛细孔移动，打破污染物与介质的结合键，此时，大量的水以电渗析方式在介质中流动，土壤等介质毛细孔中的液体被带到阳极附近，这样就将溶解到介质溶液中的污染物吸收至土壤表层得以去除。通过电化学和电动力学的复合作用，土壤中的带电颗粒在电场内定向移动，土壤污染物在电极附近富集或者被收集回收。污染物去除主要涉及电迁移、电渗析、电泳和酸性迁移4种电动力学过程。,电动力学修复,图4 电动力学修复原理,电动力学修复,特点与应用,电动力学技术主要用于低渗透性土壤(由于水力传导性问题，传统的技术应用受到限制)的修复，适用于大部分无机污染物，也可用于对放射性物质及吸附性较强的有机物的治理。电动力学技术可以有效地去除土壤和地下水中的重金属离子，也可以去除土壤中强吸附性的极性有机化合物，如苯酚和乙酸等。最新的发展趋向是将电动力学技术与其他技术相结合，强化电动力学修复。图5概括了电动力学技术强化的原理。电动力学技术与现场生物修复技术优化组合，用以现场降解和去除土壤和地下水中的有机污染物。在这种技术组合中，电动力学方法克服水力输送的缺点，有效地将营养物质输送至土壤微孔中去，或者将微生物输送至污染区域，从而促进微生物的生长，提高其降解土壤中有机物的效率。,电动力学修复,图5 电动力学生物强化修复,热力学修复,概念和原理,热力学修复技术涉及利用热传导(加热井和热墙)或辐射(如无线电波加热)实现对污染环境(如土壤)的修复，如高温(约l000)原位加热修复技术、低温(约100)原位加热修复技术和原位电磁波加热技术等。,热力学修复,热力学修复：直接加热使污染物挥发或分解，间接加热使污染物挥发；针对高浓度土壤污染。対象：VOCs、水银、农药、油等；优点：可使VOCs完全实现无害化；日处理能力可达200t。,热力学修复,特点与应用,高温原值加热技术主要处理的污染物有半挥发性的卤代有机物和非卤代有机物、多氯联苯以及密度较高的非水质的液体有机物。低温原位加热处理的污染物主要有半挥发性的卤代物和非卤代物以及浓的非溶性的液态物质，挥发性有机物也可以用此方法进行处理。此外，原位电磁波加热修复技术属于高温原位加热技术，它利用高频电压产生的电磁波能量对现场土壤进行加热，利用热量强化土壤蒸气浸提技术，使污染物在土壤颗粒内解吸而达到修复污染土壤的目的。,污染环境的化学修复,化学淋洗修复 化学固定修复 化学氧化修复 化学还原修复 原位可渗透反应墙,污染环境的化学修复,化学淋洗修复,概念和原理,借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移的化学/生物化学溶剂，利用重力作用或通过水力压头推动淋洗液注入被污染的土层中，然后把含有污染物的液体从土层中抽提出来，进行分离和污水处理的技术。,图6 化学淋洗修复原理图,対象：重金属、农药、油等,化学淋洗修复,化学淋洗修复,淋洗液种类,化学淋洗可去除土壤中的重金属、芳烃和石油类等烃类化合物以及TCE、多氯联苯、氯代苯酚等卤化物。主要的淋洗液包括：清水。可避免二次污染问题，但去除效率有限，主要用于溶于水的重金属离子的去除。无机溶剂，如酸、碱、盐。通过酸解、络合或离子交换作用来破坏土壤表面官能团与污染物的结合。有成本低、效果好、作用快的优点，但破坏土壤结构，产生大量废液，后处理成本高等。螯合剂。包括EDTA类人工螯合剂和柠檬酸、苹果酸等天然螯合剂，主要用于重金属的去除。人工螯合剂有二次污染问题，天然螯合剂应用前景广阔。表面活性剂。用于重金属和疏水性有机污染物的去除。化学表面活性剂有二次污染问题，生物表面活性剂应用前景广阔。,单鼠李糖脂R1（左）和双鼠李糖脂R2（右）,EDTA,柠檬酸,图7 几种典型螯合剂和生物表面活性剂,化学固定修复,概念和原理,化学固定是在污染环境中加入化学试剂或化学材料，并利用它们调节污染环境条件、控制反应条件、改变污染物的形态、水溶性、迁移性和生物有效性，使污染物钝化，形成不溶性或移动性差、毒性小的物质而降低其在污染环境中的生物有效性，减少其向其他环境系统的迁移或结合其他修复技术手段永久地消除污染物，实现污染环境的化学修复。主要污染物对象为重金属，作用的机理主要包括吸附和离子交换作用、配合作用和共沉淀作用。,表2 一些化学固定剂的种类和来源,化学固定修复,特点与应用,它是污染土壤治理过程中一种非常有效的方法，尤其是对于由农业活动引起的程度较轻的面源污染具有明显的优势。但污染物在环境条件发生改变时仍可以释放变成生物有效形态，另外化学试剂或材料的使用将再一定程度上改变环境条件，对环境系统产生一定的影响。在一些土壤中，Ca2+能置换出土壤固体表面的金属离子使其在土壤溶液中的浓度上升。因此，加入含钙化合物(如石灰和石膏等)能提高金属离子的生物有效性，在修复过程中土壤过度石灰化，会使土壤中重金属离子浓度长期升高并导致农作物减产。由于固定物质的加入，土壤pH值容易升高，这可能会给植物、土壤动物和土壤本身带来负面影响。,化学氧化修复,概念和原理,化学氧化修复(chemicaloxidation remediation)主要是向污染环境中加入化学氧化剂，依靠化学氧化剂的氧化能力，分解破坏污染环境中污染物的结构，使污染物降解或转化为低毒、低移动性物质的一种修复技术。,化学氧化修复,氧化剂种类和方法,一般来说，化学氧化技术中的氧化剂应遵循以下原则进行选择：反应必须足够强烈，使污染物通过降解、蒸发及沉淀等方式去除，并能消除或降低污染物毒性；氧化剂及反应产物应对人体无害；修复过程应是实用和经济的。现有化学氧化技术所用的氧化剂主要有二氧化氯、高锰酸钾、臭氧、双氧水及Fenton试剂高级氧化法、光催化氧化等，其中双氧水及Fenton试剂高级氧化法目前得到了越来越多的应用。,化学氧化修复,特点与应用,化学氧化修复技术是降解水中污染物的有效方法。水中呈溶解状态的无机物和有机物，通过化学反应被氧化为微毒或无毒的物质，或者转化为容易与水分离的形态，从而达到处理的目的。对于污染土壤来说，化学氧化技术不需要将污染土壤全部挖掘出来，而只是在污染区的不同深度钻井，将氧化剂注入土壤中，通过氧化剂与污染物的混合、反应使污染物降解或导致形态的变化，达到修复污染环境的目的。化学氧化修复技术能够有效地处理土壤及水环境中的铁、锰和硫化氢、三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)等含氯溶剂，以及苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)等生物修复法难以处理的污染物。除了单独使用外，化学氧化修复技术还可与其他修复技术(如生物修复)联合使用，作为生物修复或自然生物降解之前的一个经济而有效的预处理方法。,化学还原修复,概念和原理,化学处原修复技术主要是利用化学还原剂将污染环境中的污染物质还原从而去除的方法，多用于地下水的污染治理，是目前在欧美等发达国家新兴起来的用于原位去除污染水中有害组分的方法。化学还原法主要修复地下水中对还原作用敏感的污染物，如铬酸盐、硝酸盐和一些氯代试剂，通常反应区设在污染土壤的下方或污染源附近的含水土层中。,化学还原修复,还原剂种类和方法,根据采用的不同还原剂化学还原修复法可以分为活泼金属还原法和催化还原法。前者以铁、铝、锌等金属单质为还原剂，后者以氢气以及甲酸、甲醇等为还原剂，一般都必须有招化剂存在才能使反应进行。常用的还原剂有S02、H2S气体和零价Fe胶体等。其中零价Fe胶体是很强的还原剂，能够还原硝酸盐为亚硝酸盐，继而将其还原为氮气或氨氮。零价Fe胶体能够脱掉很多氯代试剂中的氯离子，并将可迁移的含氧阴离子如CrO42-和TcO4-以及UO22+等含氧阳离子转化成难迁移态。零价Fe既可以通过井注射，也可以放置在污染物流经的路线上，或者直接向天然含水土层中注射微米甚至纳米零价Fe胶体。注射微米、纳米零价Fe胶体后，由于反应的活性表面积增大，因此用少剂量的还原剂就可达到设计的处理效率。,原位可渗透反应墙,概念和原理,原位可渗透反应墙技术是一种实用的现场修复技术。可渗透反应墙(Permeable Reactive Barrier，PRB)是一种被动原位处理技术，按照美国环保局的定义，可渗透反应墙是个被动的反应材料的原位处理区，这些反应材料能够降解和滞留流经该墙体地下水的污染组分，从而达到治理污染组分的目的。被修复的污染土壤及地下水在地下水走向下游区域内的土壤具有一定的可渗透能力，使处于地下水走向上游的“污染斑块”中的污染物能够顺着地下水流以自身水力梯度进入“处理装置”，而处理装置通常通过挖一人工沟渠建成，沟渠中则装填着渗透性较差的化学活性物质。污染物通过天然或者人工的水力梯度被运送到经过精心放置的处理介质中，形成一个扣染地下水斑块。这种污染地下水斑块流经反应墙，经过介质的吸附、淋滤以及化学和生物降解，去除溶解的有机质、金属、放射性以及其他的污染物质(见图7)。,原位可渗透反应墙,图7 原位可渗透反应墙原理图,特点与应用,与传统的地下水处理技术相比较，可渗透反应墙技术是一个无需外加动力的被动系统特别是，该处理系统的运转在地下进行，不占地面空间，比原来的泵取地下水的地面处理支术要经济、便捷。百渗透反应墙一旦安装完毕，除某些情况下需要更换墙体反应材料外，几乎不需要其他运行手维护费用。实践表明，与传统的地下水抽出再处理方式相比，该技术操作费用至少能够节考30以上。可渗透反应墙技术存在的弊病包括：首先，不可能保证把“污染斑块”中扩散出来的扩染物完全按处理的需要予以拦截和捕捉；其次，随着有毒金属、盐和生物活性物质在可渗五反应墙中的不断沉积和积累，该被动处理系统会逐渐失去其活性，所以需要定期地更换填的化学活性物质；最后，环境条件发生改变时，这些被固定的有毒金属可能重新活化。,原位可渗透反应墙,污染环境的生物修复,什么是生物修复,基本知识,生物修复技术主要是利用生物特有的分解有毒有害物质的能力，去除污染环境如土壤中的污染物，达到清除环境污染的目的。广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术。广义的生物修复可以分为微生物修复、植物修复、动物修复和生态修复四大类。狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下，利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。,生物修复的类型,按修复主体可分为微生物修复、植物修复、动物修复、生态修复。按修复受体可分为土壤生物修复、地下水生物修复、河流生物修复、湖泊水库生物修复、海洋生物修复、大气生物修复、矿区生物修复、垃圾场生物修复等。按修复场所可分为原位生物修复、异位生物修复和原位-异位联合生物修复。,基本知识,生物修复的产生与发展,生物修复起源于有机污染物的治理，利用好氧或厌氧微生物处理污水已有l00多年的历史，但是利用生物修复技术处理现场有机污染物才有30年的历史。1972年美国清除宾夕法尼亚州的Ambler管线泄漏的汽油是史料所记载的首次应用生物修复技术。20世纪80年代以后基础研究的成果被应用于大范围的污染环境治理，并取得了相当的成功，从而发展成为一种新的生物治理技术。1989年，美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染，生物修复技术首次大规模应用，取得了很好的效果。阿拉斯加溢油生物修复成为生物修复史上的里程碑，至此，生物修复技术成为一种可被人们接受的油泄漏治理方法。我国关于生物修复的研究起步较晚，目前尚处于小试与中试阶段，还需进一步发展,基本知识,生物修复的特点,与化学、物理处理方法相比，生物修复技术具有下列的优点：费用少，仅为传统化学、物理修复经费的3050；操作简便，环境影响小；最大限度地降低污染物的浓度；可应用于其它技术难以应用的场地；可以同时处理受污染的土壤和地下水，与其它技术结合弹性大。同时有以下缺点：耗时长；运行条件苛刻；对污染物有选择性，低生物有效性、难降解性常使生物修复不能进行。,基本知识,生物修复的原则,生物修复必须遵循的四项原则是使用适合的生物、在适合的场所、适合的环境条件和适合的技术费用下进行。适合的生物是生物修复的先决条件，它是指具有正常生理和代谢能力，并能以较大的速率降解或转化污染物，并在修复过程中不产生毒性产物的生物体系。适合的场所是指要有污染物和合适的生物相接触的地点，污染场地不含对降解菌种有抑制作用的物质且目标化合物能够被降解。适合的环境条件是指要控制或改变环境条件，使生物的代谢与生长活动处十最佳状态。环境因子包括温度、湿度、O2、pH值、无机养分、电子受体等。适合的技术费用是指生物修复技术费用必须尽可能低，至少低于同样可以消除该污染物的其他技术。,基本知识,污染环境的微生物修复,用于生物修复的微生物,土著微生物 污染环境中的原有微生物，种类多、代谢类型多样，“食谱”广。据报道，能够降解烃类的微生物有70多个属、200余种；其中细菌约有40个属。表1列举了某些难降解有机物和重金属及其相应的降解转化微生物。外来微生物 人为富集和培养的高效菌，一般为复合菌群。基因工程菌 采用基因工程技术，将降解性质粒转移到一些能在污水和受污染土壤中生存的菌体内定向地构建高效降解难降解污染物的工程菌。用于生物修复的其他微生物 包括藻类和微型动物。微生物产品和酶,环境微生物修复机理,环境微生物修复机理,表2 难降解有机物和重金属及其相应的降解转化微生物,环境微生物修复机理,污染物的生物迁移转化途径,污染物的扩散迁移,环境微生物修复机理,污染物的吸附与沉积,微生物对污染物的吸收,污染物的降解与累积,污染物的富集,污染物的生物转化,有机污染物进入微生物体的过程,主动运输 需要消耗能量，可以逆物质浓度梯度进行，需要载体蛋白的参与，对被运输的物质有高度的立体专一性，为主要方式。被动扩散 微生物吸收营养物各种方式中最简单的一种，不规则运动的营养物质分子通过细胞膜中的含水小孔，由高浓度的胞外向低浓度的胞内扩散，具有非特异性。促进扩散 在运输过程中不需要消耗能量，物质本身在分子结构上也不会发生变化，同样不能进行逆浓度运输需要借助于位于细胞膜上的一种载体蛋白参与物质运输。基团转位 另一类类型的主动运输，在物质运输过程中，除了物质分子发生化学变化外，其他特点都与主动运输相同。厌氧微生物中发生。胞饮作用 假丝酵母摄取烷烃的一类途径。,环境微生物修复机理,污染物降解的基本反应,氧化作用 包括Fe、S等单质的氧化，NH3、N02-等化合物的氧化，以及一些如甲基、醛有机物基团的氧化。还原作用 包括高价铁和硫酸盐的还原、NO3-的还原等，还原作用需要缺氧或者厌氧(无氧)的环境。基团转移作用 如脱羧、脱氨、脱卤等。水解作用 使大分子转变为小分子，如纤维素降解。此外还有酯化作用、缩合作用、氨化作用、乙酰化作用、双键断裂反应、卤原子移动等。,环境微生物修复机理,微生物对重金属离子的吸附与吸收,微生物对重金属吸附的机理主要有静电吸附、共价吸附、络合整合、离子交换和无机微沉淀等，重金属有可能通过沉淀或晶体化作用沉积于细胞表面，某些难溶性重金属也可能被胞外分泌物或是细胞壁的腔洞捕获而沉积。细胞被杀死后，经过一定的处理，具有一定的粒度、硬度及稳定性，可储存、运输和实际应用。微生物吸收主要是利用生物新陈代谢作用产生能量，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。由于有细胞内的累积，去除效果可能比单纯的挠生物吸附好。但是，由于环境中要去除的重金属离子大多有毒有害，抑制生物活性，甚至使其中毒死亡，并且生物的新陈代谢作用受温度、pH值、能源等诸多因素的影响，因此微生物累积在实际应用中受到很大的限制。,环境微生物修复机理,微生物对重金属离子的转化,外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，它们对有毒重金属离子具有抗性，可以使金属离子发生转化。对微生物而言，这是一种很好的解毒作用；对环境而言则是一种很好的修复作用，汞、铅、锡、砷等金属或类金属离子都能在微生物的作用下通过氧化还原作用而失去毒性。主要包括甲基化作用、氧化作用和还原作用。,环境微生物修复机理,图8 汞甲基化的途径之一,微生物修复的影响因素,营养物质 在营养缺乏的环境中，为了使污染物达到完全降解，添加适当营养物比接种特殊微生物更加重要，例如N、P营养盐。电子受体 土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类和浓度也极大地影响着污染物生物降解的速度和程度。微生物氧化还原反应的最终电子受体主要包括溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根(如硝酸根和硫酸根)。共代谢基质 微生物的共代谢对一些顽固污染物的降解起着重要作用，因此共代谢基质对生物修复有重要影响有毒有害污染物的物理化学性质 如有机污染物的化学结构、毒性、生物可利用性污染现场和土壤的特性,环境微生物修复机理,生物修复技术,微生物修复技术是在人为强化的条件下，用自然环境中的土著微生物或人为投加外源微生物的代谢活动，对环境中的污染物进行转化、降解与去除的方法。环境生物修复技术主要由三方面的内容组成：利用土著微生物代谢能力的技术；活化土著微生物分解能力的方法；添加具有高速分解难降解化合物能力的特定微生物(群)的方法。,微生物修复技术与方法,图8 生物修复工艺实施程序图,微生物修复技术与方法,污染环境的植物修复,什么是植物修复,基本知识,植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发、降解和转化作用来清除环境中污染物质的一项新兴的污染治理技术。具体地说植物修复就是利用植物本身特有的利用、分解和转化污染物的作用，利用植物根系特殊的生态条件加速根际圈的微生态环境中的微生物的生长繁殖，以及利用某些植物特殊的积累与固定能力，提高对环境中某些无机和有机污染物的脱毒和分解能力。广义的植物修复包括利用植物修复重金属污染的土壤、利用植物净化空气和水体、利用植物清除放射性核素和利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中的有机污染物。目前植物修复主要指利用植物及其根际圈微生物体系清洁污染土壤，其中利用重金属超积累植物的提取作用去除污染土壤中的重金属又是植物修复的核心技术。因此狭义的植物修复技术主要指利用植物清除污染土壤中的重金属。,植物修复的类型,根据植物修复在某一方面的修复功能和特点可将植物修复分为6种基本类型：植物净化空气 表现为对有害气体的吸收、对降尘和飘尘的阻滞和过滤、杀菌和除菌、吸收二氧化碳、降噪等。植物提取修复 利用陆生或水生植物超量吸收一种或几种重金属，并富集到可收割部分再进行集中处理。为应用最多和最有发展前途的植物修复技术。植物挥发修复 将挥发性污染物吸收到植株体内，再转化为气态物质释放到大气中，主要集中在挥发性重金属修复方面，如汞、硒、砷。,基本知识,植物降解修复 两种途径：一是将污染物吸收到植株体内储存于组织中或矿化，二是分泌物质直接降解根系圈内有机污染物。根际圈生物降解修复 利用植物根际圈菌根真菌、专性或非专性细菌等微生物的降解作用来转化有机污染物，降低或彻底消除其生物毒性。其中植物对根际圈降解微生物起到活化的作用，此外根分泌的一些有机物质也是细菌通过共代谢降解有机污染物质的原料。这种修复方式实际上是微生物与植物的联合作用过程，其中微生物在降解过程中起主导作用植物固定稳定化修复 一是通过耐性植物根系分泌物质来积累和沉淀根际圈附近的污染物质，二是利用耐性植物在污染土壤上的生长来减少污染土壤的风蚀和水蚀，防止污染物质迁移和扩散。,基本知识,植物修复的特点,优点包括：资源丰富，开发和应用潜力巨大在实践应用中有了良好的技术保障；能耗较低，可防止水土流失，创造生态效益和经济效益，符合可持续发展战略的理念；修复工艺操作简单，成本低，减少了公众的担心，可以在大面积污染范围内实施。缺点包括：具有不确定性和多学科交叉性，受环境条件和病虫害影响较大；受植物栽培和生长的限制，周期较长。,基本知识,植物修复作用原理,植物修复的基本原理,植物修复作用原理如图9所示，主要是通过植物自身的光合、呼吸、蒸腾和分泌等代谢活动与环境中的污染物质和微生态环境发生交互反应，从而通过吸收、分解、挥发、固定等过程使污染物达到净化和脱毒的修复效果。,图9 植物修复作用原理示意图,根的生理作用,首先，植物根具有深纤维根效应，根的形态可以影响土壤的物化性质以及污染物的生物可利用性和降解程度。其次，根可以通过吸收和吸附作用在根部积累大量的污染物质，加强了对污染物质的固定，其中根系对污染物质的吸收在污染土壤修复中起重要作用。再次，根还有生物合成的作用，可以合成多种氨基酸、植物碱、有机氮和有机磷等有机物，同时还能向周围土壤中分泌有机酸、糖类物质、氨基酸和维生素等有机物，降低根际国内污染物质的可移动性和生物有效性，减少污染物对植物的毒害。,植物修复的基本原理,根际生物圈,植物根际圈指由植物根系和土壤微生物之间相互作用而形成的独特圈带，包括根系、与之发生相互作用的生物，及受这些生物活动影响的土壤，是一个良好的适应微生物群落生长的生态环境，是由土壤为基质，以植物的根系为中心，聚集了大量的细菌、真菌等微生物和贩则、线虫等一些土壤动物的独特的“生态修复单元”。植物的根系从土壤中吸收水分、矿质营养的同时，向根系周围土壤分泌大量的有机物质，而且其本身也产生一些脱落物，这些物质促使某些土壤微生物和土壤动物在根系周围大量地繁殖和生长，使得根际圈内微生物和土壤动物数量远远大于根际圈外的数量，而微生物的生命活动如氮代谢、发酵和呼吸作用及土壤动物的活动等对植物根也产生重要影响，它们之间形成了互生、共生、协同及寄生的关系。,植物修复的基本原理,有机污染物的修复机制,植物修复有机污染有以下三种机制：有机污染物的直接吸收和降解 植物根对中度憎水有机污染物有很高的去除效率，包括BTEX、氯代溶剂和短链脂肪族化合物等(0.5lgKow 3.0)。根系对有机污染物的吸收程度还取决于有机污染物在土壤水溶液的浓度、植物的吸收率和蒸腾速率。酶的作用 一般来说，植物根系对有机污染物吸收的强度不如对无机污染物如重金属的吸收强度大，植物根系对有机污染物的修复，主要是依靠根系分泌物对有机污染物产生的配合和降解等作用，以及根系释放到土壤中酶的直接降解作用得以实现。例如从沉积物中鉴定出的脱卤酶、硝酸还原酶、过氧化物酶、漆酶和脂水酶均来自植物的分泌作用。根际的微生物降解 植物以多种方式帮助微生物转化，根际圈在生物降解中起着重要作用。,植物修复的基本原理,重金属的修复机制,植物修复重金属有以下四种机制：植物对重金属的移运 通过蒸腾拉力和扩散途径使重金属到达根表面；重金属的跨膜运输；重金属在穿过根的中柱，进入导管，并向植株上部传输。植物积累 将重金属富集和固定于植株上部的组织中，有的可实现超积累，该类植物往往被选为修复植物。植物挥发 植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质，释放到大气中，目前在这方面研究最多的是金属元素汞和非金属元素硒。植物稳定 利用植物吸收和沉淀固定土壤中的大量有毒金属，以降低其生物有效性并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风险。,植物修复的基本原理,植物修复的影响因素,影响植物修复的环境因子包括：土壤酸碱度 土壤中绝大多数重金属是以难溶态存在的，其可溶性受pH值限制，进而影响到植物的吸收与利用；根际圈微生物对有机污染物的降解活性同时也受到土壤pH的影响。氧化还原电位 重金属多为过渡元素，在不同的氧化还原状态下，有不同的价态、溶解性和毒性。共存物质 例如络合-螯合剂和表面活性剂就有对重金属的增溶和增加吸收作用。另外还有污染物间的复合效应、营养元素、植物激素以及生物因子等影响因素。,植物修复的基本原理,大叶井口边草,东南景天Zn超富集植物,蕨类植物蜈蚣草叶片含砷量可达，富集砷的能力随着生长发育不断增强。,