影响生物修复的环境条件污染环境生物修复工程.ppt
第五章 影响生物修复的环境条件,从环境条件的角度看，污染物的生物可修复性并不是污染物本身固有的，而是环境状态表现的结果，改变了环境状态，本来难以生物修复的污染物可能变得易于修复了。环境条件的变化是通过生物的活性或者改变污染物的生物可利用性而影响到生物修复的。,第五章 影响生物修复的环境条件,第五章 影响生物修复的环境条件,生物因子,非生物因子,第五章 影响生物修复的环境条件,影响微生物修复的生物因子,影响植物修复的环境因子,影响微生物修复的非生物因子,第一节 影响微生物修复的非生物因子,一、温度,微生物生长的温度范围为-12100，大多数微生物生活在3040。任何一种微生物都有一个最适生长温度。在一定的温度范围内，随着温度的上升，该微生物生长速率加快。,微生物,嗜冷性微生物（25）,中温性微生物（2540）,嗜热性微生物（40）,（对温度的依赖）,1、生物反应速率在微生物所能容忍的范围内随着温度的升高而增大,2、温度影响有机污染物的物理状态,3、影响污染物的溶解度,二、酸碱度,在细菌生长允许的范围内，适当提高pH值有利于硝基苯类化合物的生物降解。,土壤的pH值往往决定何种微生物能够参与烃类生物降解过程。有证据表明，微碱性条件下烃的生物降解总速率要高于酸性条件下的总速率,三、氧气供应,电子受体,氧气,有机物、硝酸盐硫酸盐或CO2,即只有在好氧条件下才能发生转化作用或是只有专性好氧菌才能进行最迅速的转化作用,受汽油或石油污染的地下水，水相中的氧气会迅速消耗，接着降解变缓，最后停止。因此，典型的修复策略是增加氧气的供应量，加强制供气、供纯氧或添加过氧化氢等。,四、营养物质,（一）、碳源,碳源对细菌和真菌的生长很重要。在土壤、沉积物或水体中通常含碳量很高（1%），但是许多碳以微生物不可利用的或缓慢利用的络合形式存在，经常出现碳源是微生物生长限制因子的情况。如果进入环境的有机污染物浓度较高，碳源不会成为生长的限制因子，但若较低时仍是限制因子。由于共代谢有机化合物的细菌和真菌需要生长基质，所以向环境中添加有机物或单一化学品经常可以促进降解。（表6-1）,（表6-1）添加有机物或单一化学品促进基质降解的例子：,（二）、氮和磷,对海洋原油泄漏事故和地下储油罐泄漏事故造成的海洋和地下水污染进行生物修复，促进了原油和汽油等燃料与N、P之间关系的研究。向海水中加入的营养盐在很大的浓度范围内都对降解有促进作用。环境中氮、磷的含量很低时生物降解速率也很低，但降解仍然可以继续。当磷和无机氮浓度明显低于1.0mg/L就可以抑制降解。除了氮、磷以外，铁有时会限制微生物分解海上石油的速率，在海水中有效铁浓度经常很低。,（三）、生长因子,生长因子,微生物生长所不可缺少并且不能用简单的碳源和氮源合成的微量有机物,包括维生素、氨基酸、碱基、固醇、胺类等。含生长因子的天然物质有酵母膏、蛋白胨、麦芽汁、玉米浆、动植物组织或细胞的浸出液等,1、分类（根据微生物与生长因子间的关系）,生长因子自养型微生物,生长因子异养型微生物,生长因子过量合成微生物,微生物,如多数真菌、放线菌和一些细菌,如乳酸杆菌需要多种维生素、氨基酸和碱基，肠膜状明串珠菌需要补充10种维生素、19种氨基酸、3种嘌呤以及尿嘧啶,如橄榄链霉菌、灰色链霉菌可用作维生素B12的生产菌,五、共存物质,（一）、多种基质,作用的现象,多种有机质可以同时被利用,一种基质促进第二种基质的降解速率,一种基质减慢第二种基质的降解（原因如下）,许多假说解释一种化合物促进另一种化合物的降解，但是大多缺少实验证据,一种基质减慢第二种基质的降解的原因：,第一，在污染严重的地方，由于一种化合物的毒性很高，抑制微生物生长而造成另一种化合物的降解缓慢；也可能两种化合物单个毒性都不高，但两种化合物组合在一起的毒性超过微生物的耐受程度,第二，一种化合物生成的产物不利于作用于第二种化合物的微生物群体,第三，在两种微生物分别降解两种基质时，由于微生物对低浓度磷的竞争作用，使得一种化合物或两种化合物的生物降解速率下降。,第四，如果有两种基质存在，将使细菌细胞数目增加，其中较大的群体会促进捕食的原生动物增加，结果是被另一种微生物降解的另一种基质的降解速率或降解程度将降低,第五，如果一种微生物对两种基质的生物降解起作用，抑制作用来自于第一种基质分解代谢产生的中间代谢物对另一种基质分解代谢所需要酶的合成的阻抑（分解代谢产物阻抑），或者可能对已经存在的酶的活性抑制，或者是一种基质的吸收干扰、抑制另一种基质的吸收。,一种基质减慢第二种基质的降解的原因：,（二）、盐分,一、对于适合在海水或含盐量高的环境中生长的，则需要盐；二、淡水或非碱性土壤环境中的微生物不需要盐，在含盐条件下，它们的生物降解活性会受到抑制。,盐分对微生物的影响应分两个方面:,第二节 影响微生物修复的生物因子,一、微生物的协同作用,1协同作用现象,许多生物修复需要多种微生物的合作。这种合作在最初的转化反应和以后的矿化作用中都可能存在。协同不同的类型：1、单一菌种不能降解，混合以后可以降解；2、单一菌种都可以降解，但是混合以后降解的速率超过单个菌种的降解速率之和。,2协同作用机制,提供生长因子,一种或几种微生物向其它微生物提供维生素B、氨基酸或其它生长因子,分解不完全降解物,一种微生物可对某种有机物进行不完全降解，第二种微生物则使前者的产物矿化,示例一,分解共代谢产物,一种微生物只能共代谢有机物形成不能代谢的产物，另一种微生物则可以分解这些产物,示例二,分解有毒产物,第一种微生物产生的产物对自身有毒害作用，但是另一种微生物可以解除这种毒害，并将其作为碳源和能源利用,示例三,示例一,(CH2)11CH3十二烷环己烷,红球菌,CH2COOH环己烷乙酸,节杆菌,矿化,SO3H,H2N,假单胞菌1号,6-氨基萘-2-磺酸,OH,H2N,假单胞菌2号,5-氨基水杨酸,COOH,矿化,1号菌株,Cl,Cl COOH 矿化,假单菌株,4-氯联苯 4-氯苯甲酸,协同作用导致完全分解,示例二,CH Cl Cl CH2COOH,Cl,假单胞菌,节杆菌,CCl3,DDT,4-氯苯基乙酸,CH3CH2OCH3CH2O,P O NO2 HO NO2,S,施氏假单胞菌,铜绿假单胞菌,对硫磷,4-羟基硝基苯,假单胞菌1号,OH,假单胞菌2号,环己烷,环己烷醇,两种菌协同作用,注：第二种菌可以在DDT、对硫磷和环己烷的共代谢产物上生长。,示例三,1、鱼肝油青霉（P.piscarium）可以将N-（3,4-二氯苯基）丙酰胺（敌稗）转化为3,4-二氯苯胺，后者可以抑制敌稗的进一步降解，但是白地霉（Geotrichum candidum）可以使其转化为二聚物3,3,4,4-四氯偶氮苯，降低了毒性。,2、代谢硝基化合物的物种经常产生对自身有毒的亚硝酸盐，但是许多细菌和真菌能够分解亚硝酸盐，使之转化为氨、氮氧化物、氮气和硝酸盐。,3、间氢转移，即一种细菌产生的氢或其它还原物质被另一种细菌使用，这是一种独特的协同作用类型，表明在厌氧条件下不同种群之间的相互依赖关系，,2CH3CH2OH2H2O2CH3COOH4H24H2CO2CH42H2O总反应为：2CH3CH2OHCO22CH3COOHCH4,如：,二、生物的捕食作用,环境中存在有大量的捕食、寄生、裂解微生物，它们常促进或抑制细菌和真菌的生物降解作用。原生动物是典型的以细菌为食的微生物。一个原生动物需要消耗l03104个细菌才能生长繁殖，因此在环境中有大量原生动物时细菌数目显著下降。原生动物还可以促进有限的无机营养（特别是磷和氮）的循环并分泌出必要的生长因子。,第三节 影响植物修复的环境因子,与微生物修复一样，影响植物修复的环境因子仍是pH、Eh、共存物质、污染物的交互作用、生物因子等，在此以重金属污染的植物修复为例，阐述影响植物修复的环境因子。,(一)、酸碱度,注：土壤溶液pH对重金属的植物利用性影响可能不是单一的递增或递减关系。,土壤酸度,重金属化合物的溶解与沉淀平衡,重金属元素的离子活度,影响,(二)、氧化还原电位,例如,硫化物是重金属难溶化合物的主要形态，硫的氧化还原电位：,随着Eh的减低，硫化物大量形成，土壤溶液中的重金属离子就减少。,-150 50 50 150 250 350 450Eh/mV,Cd释放%,不溶性有机结合态,可交换态,H2O溶+交换态,溶解结合态,还原态,Eh对镉结合形态转化的影响,60,50,40,30,20,10,0,(三)、共存物质,络合螯合剂,络合剂首先与土壤溶液中的可溶性金属离子结合，以防止金属沉淀或吸附在土壤上。随着自由离子的减少，被吸附态或结合态的金属离子开始溶解，以补偿平衡的移动。重金属螯合物整体吸收很可能是操纵强化吸取的主导机制，金属螯合物可以从内皮层裂口进入根系内部，然后被迅速地转移到茎叶。,表面活性剂,研究发现表面活性剂对土壤中微量重金属阳离子具有增溶作用和增流作用，而且表面活性剂的链越长，其效应越高。,(四)、污染物间的复合效应,作用方式,相加作用,如以死亡率为指标，二种污染物毒性作用的死亡率分别为M1和M2（下同），则联合作用的死亡率为MM1M2。,协同作用,MM1M2,拮抗作用,MM1M2,独立作用,MM1M2（1M1）或 Ml（lM1）（1 M2）,（示例）,0 2.5 5.0 7.5 10,450030001500,含Cd量(mg/kg),Cd处理浓度/mgL1,Cd单独,Cd+Zn,（示例）加Zn前后凤眼莲的Cd含量与处理浓度的关系,(五)、植物营养物质,养分是影响植物吸收重金属的要素，有些已成为调控重金属植物毒性的途径与措施。磷肥大多含有Cd，施用磷肥能够增加植物体内的Cd含量已成共识，但完全不含Cd的硝酸铵也能增加小麦对Cd的吸收，,改变土壤腐殖质的构成也可强化植物对重金属的吸收。重金属非常容易与土壤中有机质形成有机螯合物,(五)、植物营养物质,1.影响植物生物量2.调控重金属吸收转化分配,(五、)植物营养物质,1.NPK2.土壤腐殖质,氮肥促进了植物生长，而且NH4+进入土壤后将发生硝化作用，短期内可使土壤pH明显下降，增加了Cd的生物有效性，更重要的是NH4+还能与Cd形成络合物而降低土壤对Cd的吸附。,3、植物激素,植物激素是在植物体内合成的、对植物的生长发育产生明显调节作用的微量生理活性物质。植物激素类除草剂强化了植物对重金属的吸收。,用低浓度或高浓度的激素处理植物引起植物代谢发生某些方面的变化，而这种变化可能加重了Ni或Cd对植物细胞膜的毒害作用，从而使得Ni、Cd在植物组织中的含量上升。,可能机理,(六)、生物因子,1.植物与植物之间的作用,2.植物与微生物之间的作用,(六)、生物因子,作为直接连接植物根系与土壤的微生物，菌根真菌能改变植物对重金属的吸收与转移,大多数观点认为，菌根化植物吸收的大量重金属并不同于其它营养元素流向植物体各部分，而是在菌根真菌的固定作用下积聚在菌根内，但菌根植物并没有呈现微量元素缺乏症，所以，菌根并不是完全抑制了重金属的转移，而是合理控制了重金属在植物体内的分布。,菌根为什么能使植物吸收大量重金属而又不受生理毒害呢,？,
