第四章污染环境的生物修复原理.ppt

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1、第四章 污染环境的生物修复原理,4.1 生物修复概述,1.生物修复的概念2.生物修复的产生与发展3.生物修复的特点4.生物修复的类型5.生物修复的原则及可处理性试验6.生物修复工程设计,4.1.1 生物修复的概念,生物修复（bioremediation），目前比较被大家共同接受的基本定义为：生物修复是利用生物，特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中的污染物的一个受控或自发进行的过程，这是狭义的定义。也可以表述为：生物修复是利用土著的、引入的微生物和微生物及其代谢过程，或其产物进行的消除或富集有毒物的生物学过程。生物修复的目的是去除环境中的污染物，使其浓度降至环境标准规定

2、的安全浓度之下。生物修复还有更广泛的定义，除了微生物修复外，还包括植物修复和动物修复，也就是说，生物修复是指利用细菌、真菌、水生藻类、陆生植物等的代谢活性降解减轻有机污染物的毒性，改变重金属的活性或在土壤中的结合态，通过改变污染物的化学或物理特性而影响它们在环境中的迁移、转化和降解速率。,概念比较,与生物修复概念相近或相似的表达有：生物恢复、生物清除、生物再生、生物补救、生物整治、生物净化。生物净化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，是一个自发的过程。而生物修复更强调人们有意识地利用生物体进行环境无害化。,环境生物修复技术主要有三方面内容组成：利用土著微生物代谢能力的

3、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。,图4-1 生物修复工艺的实施过程,4.1.2 生物修复的产生与发展,1972年美国利用生物修复技术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。1989年，美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染以后，首次大规模应用生物修复技术。欧洲各发达国家从20世纪80年代中期就对生物修复进行了初步研究。我国的生物修复处于刚刚起步阶段。(图为黎巴嫩某海滩的石油污染图片）,世界上不同国家生物修复研发的特点,欧洲国家以对传统废物的处理系统的强化和改进为主，从而处理特定的化学污染物并提高降解能力。美国

4、侧重于不同污染底的土壤和水体的政治和修复，尤其是外源有机污染 物的治理。日本将其重点放在全球性 的环境修复上。,4.1.3 生物修复的特点,与物理、化学修复方法相比的优点局限性,生物修复的优点,1.生物修复可以现场进行，节省了很多治理费用。2.环境影响小。3.最大限度的降低污染物的浓度。4.可用于其他处理技术难以应用的场地。5.生物修复技术可以同时处理受污染的土壤和地下水。,局限性,1.耗时长。2.条件苛刻。3.并非所有进入环境的污染物都能被生物利用。4.特定的生物只能吸收、利用、降解、转化特定类型的化学物质。,生物修复的类型,分类方式 按修复主体分类 按修复受体分类 按修复场所分类,按修复主

5、体分类,微生物修复植物修复动物修复生态修复,一株可同时有效降解有机氮和有机硫的微生物,按修复场所分类,原位生物修复：也称就地生物修复，是指在基本不破坏土壤和地下水自然环境的条件下，对受污染的对象不做搬运或输送而在原场直接采用生物修复技术。特点：成本低廉但修复效果较差，适合于大面积、低污染负荷的环境对象。,原位生物修复的分类,A.原位工程生物修复 指采取工程措施，有目的地操作环境系统中的生物过程，加快环境修复。B.原位自然生物修复 是利用环境中原有的微生物，在自然条件下对污染区域 进行自然修复。,按修复场所分类,异位生物修复：有时也称为易位生物修复，是指将受污染的环境对象搬运或输送到其他场所，借

6、助于生物反应器进行集中修复。特点：修复效果好但成本高昂，适合于小范围内、高污染负荷的环境对象。,原位异位联合生物修复 将原位生物修复和异位生物修复相结合，便产生了联合生物修复，它能扬长避短，是当今环境修复中前途较广的修复措施,4.1.5 生物修复的原则及可处理性试验,1,2,3,4,适合的生物是生物修复的先决条件,适合的场所是指要有污染物和核实的生物相结出的地点,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于最佳状态。,适合的技术费用是指生物修复技术费用必须尽可能的低。,（1）生物修复的原则,（2）生物修复的可处理性试验,可处理性试验目的可处理性试验方法,可处理性试验的目的

7、,可处理性试验的结果应为实际工程的实施回答以下几个问题：1.污染物进一步扩散的可能性以及防治措施；2.提高生物活性的技术手段；3.评价生物修复效果所需的检测手段。,可处理性试验方法,土壤灭菌试验土壤柱试验摇瓶试验反应器试验,4.1.6 生物修复工程设计,1.场地信息收集调查；2.技术查询；3.技术路线选择；4.可处理性试验；5.修复效果评价；6.实际工程设计。,修复效果评价,技术效果评价：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。,4.2 环境微生物修复机理,1.用于生物修复的微生物2.微生物修复的影响因素3.微生物修复与物质循环4.环境微生物的代谢5.微生物修复污染物质的可生物

8、降解性6.微生物对有机污染物的修复7.微生物对重金属污染物的作用8.污染物质的生物迁移转化途径,4.2.1 用于生物修复的微生物,1.土著微生物2.外来微生物3.基因工程菌4.其他微生物5.微生物产品和酶,难降解有机污染物和重金属及其相应的降解转化微生物,外来微生物,在天然受污染的环境中，当合适的土著微生物生长过慢，代谢活性不高，或者由于污染物毒性过高造成微生物数量反而下降时，可人为投加一些适宜该污染物降解的与土著微生物有很好象溶性的高效菌。如：光合细菌,基因工程菌,用于生物修复的基因工程菌的优点：1.基因工程菌对自然界的微生物和高等生物不构成有害的威胁，其有一定的寿命。2.基因工程菌进入净化

9、系统后，需要一段适应期，但比土著中的驯化期要短得多。3.基因工程菌降解污染物功能下降时，可以重新接种。4.目标污染物可能大量杀死土著菌，而基因工程菌则容易适应生存，发挥功能。,其他微生物,这些生物包括藻类和微型动物等。在污染水体的生物修复中，通过藻类的放氧，是严重污染后缺氧的水体恢复至好氧状态，这为微生物降解污染物提供了良好的电子受体，是好氧性异养细菌对污染物的降解能顺利进行。微型动物则通过吞噬过多的藻类和一些病原微生物，间接的对水体起净化作用。,4.2.2 微生物修复的影响因素,1微生物营养盐2电子受体3共代谢基质4有毒有害有机污染物的物理化学性质5污染现场和土壤的特性,电子受体和共代谢基质

10、,微生物氧化还原的最终电子受体主要分为三类：溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根。研究表明，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着重要影响。,4.2.3 微生物修复与物质循环,1.碳循环2.氮循环3.氢与氧的循环4.硫循环,碳循环,氮循环,植物蛋白,动物蛋白,蛋白质氨基酸,N2,尿素,NH3,吸收,排泄,食用,死亡,死亡,固氮,氨化,硝化反硝化,硝化反硝化,反硝化,硫循环,S,H2S,S,蛋白质的SH基,蛋白质的SH基,贝日阿托氏菌属 发硫菌属 硫杆菌属,贝日阿托氏菌属 发硫菌属 硫杆菌属,同,化,硫,酸,盐,还原,化,同,硫,盐,酸,还原,糜,糜,烂

11、,烂,作,作,用,用,光合细菌,光合细菌,好氧厌氧,磷循环,动植物体内含磷有机物,非溶性磷盐,PH3,环境中含磷有机物,洗涤剂、农药、工业 废水,微生物分解,微生物分解,微生物产酸,溶解,厌氧菌还原,植物微生物吸收,固氮过程电子传递过程,电子供体,Fd2e,铁氧还原蛋白 Fd,(A20Fd)22e,铁蛋白(A20Fd)2,MoFd2e,钼铁蛋白MoFd,ATP,2NH3,ADP+Pi,N2,4.2.4 环境微生物的代谢,微生物的营养,1,微生物生理代谢的基础酶,2,微生物的能量代谢,3,微生物的合成代谢,4,新陈代谢,新陈代谢：生物从环境中获取营养物质，经过生物体内的一系列的生理生化反应，将营

12、养物 质转化为生长所需的能量，合成生命体所需的 物质以及生命体所不需要的部分。,同化作用：将从环境中获得了营养物质转化合成为生物体的组成部分，这个转化与合成的过程需要消耗大量的能量。异化作用：将从环境中获取的营养物质或者生物体内的储存物质进行分解，并释放能量，这些能量是生物体种群发展所需要的。,1.微生物的营养,微生物的化学组成 C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg、Na等大量元素 Zn、Cu、Mn、Mo、Co等微量元素,微生物的营养 碳源 自养微生物：能利用无机碳源CO2、CO 或 CO32-的微生物。异养型微生物：不能利用无机碳源作为自身生长所需的碳源。只能利用环境所提供的有机碳化合物作

13、为碳源，并通过代谢这些有机碳化合物而获得生长所需的碳源和能量。兼性型或混合型：反硝化硫杆菌（Thiobacillus denitrficans）,氮源 合成生物体蛋白质的原料 N2、NH3、NO3-、NH4+、-NH2、尿素和腐烂的蛋白质 无机盐 构成细胞的组成部分；维持微生物酶系统活性；调节渗透压；,注意：微生物的营养需要有恰当的比例，任何一个元素的比例不当都会限制微生物的生长和种群的增长。不同的微生物对营养元素之间的比例有一定的差异。但 趋势是基本相同的，如C：N:P=25：5:1。,2.微生物生理代谢的基础酶,酶的作用机理 酶在生理代谢过程中，首先与代谢底物结合，底物经过酶的结合，底物分

14、子或者底物分子的某个基团被酶的结合所激活，从而加速了底物的代谢反应。酶在代谢反应中并不参与反应，因此，酶不会被消耗掉。酶的分类 单成分酶：酶蛋白 双成分酶：酶蛋白+辅基（辅酶）酶的性质专一性,酶的作用条件 酶的反应速率受酶浓度、底物浓度、温度、PH、抑制剂和激活剂等因素的影响。,温度对酶作用的影响：,pH对酶作用的影响,底物浓度对酶作用的影响,酶浓度对酶作用的影响,抑制剂和激活剂对酶作用的影响 重金属离子、杀菌剂、一切有毒物质多为酶的抑制剂，而激活剂可以在一定条件下加速酶的反应，如盐酸对胃蛋白酶是激活剂，Mg2+对许多酶有激活作用。,3.微生物的能量代谢,好氧呼吸 发酵 无氧呼吸,好氧呼吸 在

15、有氧的条件下，以分子氧作为电子受体的生 物氧化作用。,好氧呼吸的电子传递体,三羧酸循环,发酵 以中间代谢产物作为电子受体的不彻底的氧化反应。,EMP途径,1.已糖激酶,2.磷酸已糖异构酶,3.磷酸果糖激酶,4.醛缩酶,5.磷酸丙糖异构酶,6.磷酸甘油酸脱氢酶,7.磷酸甘油酸激酶,8.磷酸甘油酸变位酶,9.烯醇化酶,10.丙酮酸激酶,无氧呼吸 不以氧作为最终电子受体的呼吸过程。,4.微生物的合成代谢,光合作用 化能自养型微生物合成代谢 产甲烷菌合成代谢,光合作用 藻类的光合作用:光细菌光合作用:,光能,叶绿素,光能,光能,叶绿素,叶绿素,化能自养型微生物合成代谢 一些化能型自养微生物可以通过氧化

16、环境中的某些物质而获得化学能，从而利用这些能量去同化 CO2。,产甲烷菌合成代谢 产甲烷菌在利用有机物产生 CO2和 CH4时，会产生一定的能量，并以 ATP 的形式贮存。产甲烷菌又可以利用这些能量（ATP)和产甲烷代谢的中间产物合成蛋白质、脂肪或者其他细菌生长所需的物质。,4.2.5 微生物修复污染物质的可生物降解性,极其多样的代谢类型，使自然界存在的有机物几乎都能被微生物所分解。很强的变异性，使很多微生物获得了降解人工台成大分子有机物的能力。共代谢机制的存在，大大拓展了微生物对准陷解有机污染物的作用范围。,共代谢：又称协同代谢。一些难降解的有机物，通过微生物的作用能被改变化学结构，但并不能

17、被用作碳源和能源，它们必须从其他底物获取大部或全部的碳源和能源，这样的代谢过程谓之共代谢。可能存在以下几种情况：靠降解其他有机物提供能源或碳源；通过与其他微生物协同作用，发生共代谢，降解污染物；由其他物质的诱导产生相应的酶系，发生共代谢作用；,通过改变有机物的化学结构，提高生物降解性。污染物的化学结构对其生物降解性有十分密切的联系，归结起来主要有以下几点：a.对于烃类化合物 一般是链烃比环烃易分解，直链烃比支链烃易分解，不饱和烃比饱和烃易分解。,b.碳氢键 每个C原子上至少保持个氢碳键的有机化合物，对生物氧化的阻抗较小；而当C原子上的H都被烷基或芳基所取代时，该碳原子被称为4级碳原子，会形成生

18、物氧化的阻抗物质。c.官能团的性质及数量 d.分子量大小对生物降解性的影响很大,4.2.6 微生物对有机污染物的修复,1,2,2,4,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基本反应类型,微生物降解有机物有两种方式：第一，通过微生物分泌的胞外酶降解；第二，污染物被微生物吸收到微生物细胞内后，由胞内降解。,4.2.6.1 有机污染物进入微生物细胞的过程,主动运输 被动扩散 促进扩散 基团转位 胞饮作用,胞饮作用：其可能机制包括：第一，通过疏水表面突出物的作用把烷烃吸附到细胞表面；第二，烷烃通过孔和沟穿透坚硬的酵母细胞壁，而聚集在细胞质表面；第三，通过未修饰烷烃的胞饮作用把烷烃转移到

19、细胞内的烷烃氧化部位，如内质网，微体及线性体。如假丝酵母摄取烷烃的途径是胞饮作用,4.2.6.2 微生物降解有机污染物的基本反应类型,氧化作用 醇的氧化 醛的氧化 甲基的氧化 氨的氧化 亚硝酸的氧化 硫的氧化 铁的氧化 氧化 氧化去烷基化 硫醚氧化 过氧化 苯环羟基化 芳环裂解 杂环裂解 环氧化,还原作用 乙烯基的还原 醇的还原 醌类的还原 芳环羟基化 双键还原作用 三键还原作用基团转移作用 脱羧作用 脱氨基作用 脱卤作用 脱烃反应 脱氢卤 脱水反应,水解作用 酯类的水解 氨类也可被许多微生物水解 磷酸酯水解 腈水解 卤代烃水解去卤 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

20、,4.2.7 微生物对重金属污染物的作用,1,2,2,4,微生物对重金属离子的转化,微生物对重金属离子的吸收与吸附,4.2.7.1 微生物对重金属离子的转化,微生物对某些金属或类金属离子的转化作用,（1）甲基化作用 汞：砷：,：,（2）还原作用,CH3Hg+2H,Hg+CH4+H+,HgCl2+2H,Hg+2HCl,Mn2+和Sn3+的生物毒性分别比Mn4+和Sn4+大，有 微生物能够氧化Mn2+和Sn3+，使之成为毒性小的Mn4+,（3）氧化作用,和Sn4+。,4.2.7.2 微生物对重金属离子的吸收与吸附,微生物吸附和微生物累积 微生物吸附：主要是生物体细胞壁表面的一些具有金属 络合，配位

21、能力的基团起作用，这些基团通过与吸附的重金属离子形成离子键或共价键来达到吸附重金属离子的目的。与此同时，重金属有可能通过沉淀或晶体化作用沉积与细胞表面，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。,微生物累积：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，微生物累积的去除效果可能比单纯的微生物吸附好。,二者的区别：微生物吸附仅指失活微生物的吸附作用，生物累积则是指微生物活细胞去除重金属离子的作用。微生物吸附与其细胞壁结构，成份密切相关，生物积累则与生物的新陈代谢及影响其新陈代谢的温度、PH值有关。,微生物吸附重

22、金属机理 微生物细胞壁的结构特性 微生物细胞壁的特殊结构，在很大程度上决定这其对重金属的吸附，如细胞壁的多孔结构使活性化学配位体在细胞表面合理排列，使细胞易于与金属离子结合。细胞外多糖（EPS）在某些微生物吸附重金属离子的过程中也有一定的作用，EPS主要由蛋白质和多糖构成。其比率大约3：1。,微生物吸附重金属机理 大多数研究指出，微生物对重金属的吸附符合弗伦德利希（Freundlich）模型和朗格缪尔（Lanmuir）模型。Lanmuir模型：在单分子层吸附，理想均匀表面，吸附中心彼此独立和吸附平衡是动态的平衡等四个基本假设条件下的建立的关于气体平衡和吸附量的数学关系的一种模型。Freundl

23、ich模型：在Lanmuir模型的基础上，考虑了非均匀面吸附热与吸附覆盖面的关系。,诺尔斯链霉菌（Strptomycesnoursei）菌丝体吸附Ag+，Cu2+，Cr3+，Pb2+等金属离子，结果显示Cu2+、Cr3+，Pb2+吸附符合弗伦德利希（Freundlich）模型，Ag+，Cu2+，Cr3+吸附符合朗格缪尔（Lanmuir）模型，其吸附顺序Ag+Cr3+Pb2+Cu2+Zn2+Cd2+Co2+Ni2+.微生物吸附的机理有静电吸附，共价吸附，络合鳌合，离子交换和无机微沉淀。,静电吸附：主要是指重金属离子不仅可以代替质子，而且可以代替结合到分子上的其他离子，即使它很少结合到细胞壁上，由

24、此认为静电吸附在重金属吸附过程中起到重要的作用。离子交换：是细胞物质结合的重金属离子被另一些结合能力更强的金属离子代替的过程，有毒的重金属离子与细胞物质具有很强的结合能力，因此，离子交换在重金属的去除中具有特别重要的意义。,络合作用:是金属离子与几个配基以配位键结合形成的复杂离子或分子的过程.鳌合作用是一个培基上同时有两个以上的配位原子与金属结合而形成具有环状结构的配合物的过程。络合作用和鳌合作用都是金属离子和微生物吸附剂之间的主要作用方式。无机微沉淀是重金属离子在细胞壁上或细胞内形成无机沉淀物的过程。,4.2.8 污染物质的生物迁移转化途径,污染物质的扩散迁移 污染物质从污染源排放进人环境中

25、，由于存在的浓度梯度，污染物质必然在环境中发生扩散，从污染源的高浓度区域向周围的低浓度区域扩散。在不受任何其他环境因子影响的条件下，扩散过程依赖于污染物质的分压差或者浓度差，但是，这种作用力是很有限的，从污染源向周围环境扩散需要克服环境阻力。影响因素：环境介质的运动、介质的环境参数,吸附与沉积 吸附：就是在两相介质的界面上发生的沉淀，包括吸持和吸收。吸持是指污染物从一种介质向固体介质表面的迁移运动，吸收是指污染物质到达固相表面后，由于静电、络合、化学键或沉淀作用等与表面的粘着作用。吸附平衡：当解吸附速率与吸附速率相等时，吸附就达到了一个动态平衡，这时就称为吸附平衡。,污染物质的沉积：主要是指污

26、染物质从液相中转移至沉积物固相中。污染物发生沉积有几种途径：是污染物质在液相中扩散运动至与沉积物相遇，而被沉积物吸附；是污染物质自身形成的胶体粒子沉降至沉积物中；是污染物在液相中被悬浮颗粒物吸附，然后随悬浮颗粒物沉积到沉积物中；是污染物在液相中与其他化学物质形成沉淀物而沉降。,微生物对污染物质的吸收 吸收：是生物的主动过程，当生物与污染物质同处某一介质中，互相具有接触的机会。生物体在与污染物质接触的过程中，主动以某种方式获取该物质。,污染物质的降解与累积 污染物的生物降解是因生物活动对污染物质的代谢所引起的污染物质分子结构的变化。生物降解的两种方式：胞内降解和胞外降解,影响生物降解的因素：污染

27、物的累积：污染物在环境中经过稀释、扩 散、迁移、转化和降解等多种不同的过程，仍然有一部分残存于环境中，或者是经转化或降解后的产物存留在环境中。当环境系统不断地接纳污染物质，而迁移、转化或降解又总是不彻底时，污染物质就会在环境中积累。,污染物质的生物富集 生物富集：通过污染物质在食物链上的浓缩而引起的生物体内的污染物质的高浓度积累。常用浓缩系数或者富集系数来描述，浓缩系数或者富集系数=,生物体内某种污染物质的浓度,它所生存的环境中该物质的浓度,一般来说，通过生物链的富集，可以使更高营养级上的生物的浓缩系数呈几何级数增大，有文献称为生物放大。但是在某些食物链上发现，处于食物链中层的生物体内的某种污

28、染物质的浓度大于高一层次的生物体内的浓度。这是因为生物体本身对该物质的代谢速率所引起的。由于高营养级生物在代谢过程中降解该污染物的速率较大，所以导致高营养级生物的浓缩系数小于低营养级生 物的浓缩系数的现象发生。,污染物质的生物转化 污染物质在环境中的转化是污染物质降解的关键过程，特别是一些大分子难降解有机物，要经过一系列的转化过程方可达到降解。生物转化是大分子难降解有机物在环境中发生转化的最重要的过程。,4.3 环境修复微生物的生态学原理,环境修复微生物的生态因子,4.3.1,环境微生物的生长和种群的增长,4.3.2,微生物种群间的相互关系及其生长的数学表达式,4.3.3,4.3.4,微生物群

29、落结构,4.3.1 环境修复微生物的生态因子,渗透压,温度,抗生素,氧,pH值,辐射和化学物质,温度的影响,改变微生物的代谢速率,影响有机污染物的物理状态,影响污染物的溶解度,温度影响有机物生物降解的原因,生物反应速率在微生物所能容忍的温度范围内随着温度的升高而增大，这可由下图得到说明,两种温度下三氯酚降解的量(A22；B),微生物降解速率与温度的变化关系,阿伦尼乌斯方程式：y=Ae-Ea/RT y 温度校正生物降解速率常数；A与反应有关的特性常数，又称指前因子或频率因子；Ea反应活化能；R通用气体常数；T绝对温度,pH的影响,微生物细胞表面特性的变化,细胞体生理生化过程的变化,微生物代谢与生

30、长的变化,对微生物的影响：,对污染物的影响：可以改变污染物的状态,渗透压的影响,环境中某种离子的浓度与微生物细胞体内该离子浓度的差会导致微生物的生理变化与适应。环境渗透压对微生物细胞而言，主要是低渗环境和高渗环境的影响，在等渗环境（即以生理盐水为生存环境）中生长的最好。低渗环境 高渗环境,氧的影响,氧与微生物的关系较复杂，对微生物的生存具有至关重要的作用，对不同的微生物其作用是不同的。对于好氧微生物而言，缺氧将导致死亡。厌氧微生物在生长代谢过程中不需要氧，或者是不直接需要氧。专性厌氧菌不仅不能利用氧，反而遇氧就会中毒死亡。兼性厌氧微生物既能在无氧条件下生存，也能在有氧条件下利用环境中的氧进行有

31、氧代谢。,抗生素的影响,微生物由于进化和选择的压力，为维护其所处生态环境的稳定，会向环境释放一定的抗生素来抑制其它微生物的生长代谢。抗生素对微生物的影响：（1）破坏或损坏微生物细胞膜，改变细胞膜的正常渗透性能，使细胞内环境受到干扰，导致生理紊乱而死亡。（2）干扰或抑制蛋白质和核酸代谢，破坏生命活动的正常进行。,辐射和化学物质的影响,太阳辐射中的部分光谱可作为部分微生物进行光合作用的能源,如蓝细菌和藻类;另一些光谱则可能对微生物产生不利的影响,如紫外辐射。化学物质中，一些是有利于微生物生长的，一些则是不利于微生物生长的。主要是重金属和一些有机化合物对微生物的毒害作用。,4.3.2.环境微生物的生

32、长与种群的增长,在正常情况下，微生物细胞从环境中获取营养物质和能量，通过代谢过程，获得细胞生长所需的物质和能量，使微生物个体不断增大，即生长。当个体生长到一定程度就进行繁殖，从而实现种群数量的增长。在一定空间中，微生物细胞数量从少到多，不断增长，但是由于微生物增长速度快，营养与增长的空间总是有限的，当细胞数量增长到一定的时候就不再增长，甚至出现下降的情况。其种群的动态过程呈现一定的规律。,种群增长的初期符合指数增长模型，经过一定的发展过程以后，种群的增长不再符合指数增长，而是符合逻辑斯蒂方程，种群在一个趋于饱和的水平上稳定。符合一般规律的种群增长曲线如下页图所示。,在完全没有空间和资源约束的情

33、况下增长，增长规律符合曲线，即为指数增长模型,曲线呈“J”形,增长率r 内禀增长率，即物种所具有的最大增长率；N 种群个体数量；N0种群起始个体数量；,K,但是，在特定条件下，由于存在环境阻力，种群不可能按最大增长率增长，因此为了描述种群的实际增长过程，就必须在方程中增加一个系数（K-N）/K，用来描述种群实际增长的方程，称逻辑斯蒂方程。它把环境阻力和环境负荷K的作用包括在方程之中。即曲线，向着环境容量K逼近的“S”曲线,a取决于K和N0的常数,逻辑斯蒂曲线常划分为5个时期：A开始期，种群个体数很少，密度增长缓慢；B加速期，随个体数量增加，密度增长逐渐加快；C转折期，当个体数达到K/2时，密度

34、增长最快；,D减速期，个体数超过K/2以后，密度增长逐渐变慢；E饱和期，种群个体数达到K值而饱和。在理想状态下，E时期的最大种群可以长期维持。但是，经过一个营养逐渐缺乏的生长静止期后，微生物开始进入内源代谢阶段，当进行到一定程度，种群出现下降和衰老过程。,微生物种群增长曲线的应用意义,活性污泥法中污泥的沉淀性能，当污泥泥龄与生长情况进入内源代谢阶段后，污泥的沉淀性能就会好很多。生物吸附法，将活性污泥微生物种群维持在种群数量最大的稳定期，大量的细胞数量可吸附带走污水中大量的污染物质。延时曝气法是利用进人衰老期的种群，以处理较低浓度的有机废水。普通活性污泥法则是利用微生物种群增长曲线的B、C、D

35、时期，甚至E时期，培养驯化微生物。,4.3.3微生物群落结构,4.3.3微生物群落结构,4.3.3微生物群落结构,4.3.4微生物种群间的相互关系,微生物群落内种群之间相互作用相互影响、方式多种多样。从对不同的种群的影响效果而言一般为正效应和负效应，即有利影响和不利影响。,主要关系：（1）中性共栖 两个微生物种群间不发生相互作用的现象。（2）偏利共栖 两个微生物种群共同生长，一方因为另一方的存在而受益，而另一方并没有相应的受益或受害。,图：以共代谢为基础的偏利共生,（3）协同共栖(synergism)和共生(mutualism)前者指两个微生物种群在一起时可以相互受益，但它们之间的关系不是一种

36、专性固定的关系，双方可以在自然界单独存在，又称互养共栖，即两种或两种以上微生物协同共栖进行某一代谢过程，彼此相互提供所需的营养物质。,环己烷,诺卡氏菌,产物,假单胞菌,生长素等生长因子,图：以共代谢为基础的协同共栖,共生是指两个种群相互作用相互受益而形成的专性关系，它们是协同共栖作用的延伸。,图：甲烷菌中的共生,互利两群体(协同共栖和共生)的生长速率分别为：N1、N2甲群体和乙群体的群体密度；1、2甲群体和乙群体的生长率；K1、K2环境对甲群体和乙群体的承载力;a群体甲个体支持群体乙个体的系数；b群体乙个体支持群体甲个体的系数；,（4）竞争(competition)两个种群间在共同生存时为获得

37、营养、能源、空间而发生的争夺现象。竞争双方均受到不利影响。竞争两群体的群体生长速率分别为：N1、N2甲群体和乙群体的群体密度；K1、K2环境对甲群体和乙群体的承载力;1、2甲群体和乙群体的生长率；1、2甲群体和乙群体的竞争系数。,（5）偏害共栖(amensalism)两种互相作用的微生物群体，一方抑制另一方的生长，通常是一方产生抑制物质抑制另一方的生长，即拮抗作用(antagonism)。（6）寄生(parasitism)寄生关系由寄主和寄生物两类微生物种群构成，寄生物从寄主体内获得营养，而对寄主产生不利影响。,（7）捕食(predation)一种群可以吞食另一种群，捕食者(predator)

38、从被捕食者(prey)得到营养，而对被捕食者产生不利影响。捕食-被捕食群体的生长速率：被捕食者群体的生长速率：捕食群体的生长速率：,N1、N2甲群体和乙群体的群体密度；1甲群体和乙群体的生长率；P1平均每一捕食者捕食猎物的常数；P捕食者利用被捕食者而转化为更多的捕食者的效率常数 m被捕食者不存在时的捕食者的死亡率。,微生物群落内种群之间相互作用总结,注：“0”表示无影响，“+”表示有益影响，“-”表示有害影响,4.4.1 优先污染物与目标污染物 4.4.2 污染物化学结构对生物修复的影响4.4.3 污染物的降解方式对生物修复的影响 4.4.4 污染物的生物可利用性对生物修复的影响,4.4 影响

39、生物修复的污染物特性,4.4.1 优先污染物与目标污染物,污染物的概念与内涵环境污染物(pollutant)：任何物质或能量以不适当的浓度、数量、速率、形态和途径进入并作用于环境系统对环境系统产生伤害或损坏。按其性质分为：,优先污染物(priority pollutants):面对如此众多的污染物,人们总是挑选出一些重要的污染物优先进行控制,即优先污染物,优先污染物,环境赋存最大、分布广泛、检出率高。,确定优先污染物原则,毒性强、残留时间长、易积累的污染物质。,目标污染物概念：在生物修复工程中，拟从环境中去除或减低危害的污染物称为目标污染物，或靶污染物(target pollutants)在目

40、前乃至今后20年内备受关注的污染物质见下表。,目标污染物,4.4.2 污染物化学结构对生物修复的影响,污染物化学结构特对污染物的影响：,化学结构对污染物的影响,有机物化学结构对生物降解的影响,结构简单的先降解,结构复杂的后降解,分子量越小越易降解,有机物生物降解的一般规律,有机物污染物生物降解定性规律,各类有机化合物的生物降解,各类有机化合物的生物降解,烃类化合物,表面活性剂,醇酚醛酸酯醚酮,胺、腈化合物,农药,其他,烃类化合物生物降解定性规律,支链越多，愈难降解,不饱和烃比饱和烃易分解,长链比短链易降解,单环烃比多环芳烃易降解,链烃比环烃易生物降解,醇、酚、醛、酸、酯、醚的生物降解,醇类一般

41、容易降解。,1,酚类经驯化降解性高。,2,醛类与相应的醇类相比，其生物降解性低。,3,有机酸和酯类化合物较醇、醛容易降解。,4,酮类难于生物降解降解。,4,化学基团对生物降解的影响,羧基、羟基或氨基取代至苯环上，新形成的化合物比原来易降解，,卤代作用能降低化合物的可生物降解性。,带有氯、醚、氰、磺、磺酸、甲基等化学基团的化合物比带有羧、醛、酮、羟、氨、硝、巯基等化学基团的化合物难生物降解。,功能团对生物降解的影响,取代基对生物降解性的影响,有机物结构影响生物降解性能的原因,1,2,3,4,空间阻碍,毒性抑制,增加反应步数,有机物的生物可得性下降,有机物的生物降解性预测,生物化学法,物理化学法,

42、QSAR法,1,2,3,QSAR法的概念:确立有机物生物降解性能与其结构描述符的定量关系被称为结构-活性定量关系方法。线性自由能关系(LFER)概念：分子结构的微小变化将导致限速步骤活化能的线性变化，进而影响到反应速率的改变。数学式表达为：Lg KA1X1+A2X2+AnX n+C 式中，K为生物降解速率常数；A n为系数；X n为有机物分子结构描述符；C为常数。,4.4.3 污染物的降解方式对生物修复的影响,一般地，污染物的降解可分为单一微生物的降解与混合微生物的共代谢降解。共代谢的定义 微生物的不能利用基质作为能源和组分元素的有机物转化方式称为共代谢（co-metabolism）。共代谢微

43、生物不能从辅助底物的氧化过程中获得有用的能量。生物降解速度也不会像使用生长底物时那样随时间增加很快提高。,（2）共代谢机制,共代谢的机制:,缺少进一步降解的酶系 细胞中微生物酶对有机物矿化作用的过程如下：在正常代谢过程中a 酶参与 A B 的转化，b 酶参与 B C的转化。如果第一个酶a底物专一性较低，它可以作用许多结构相似的底物，如 A 或 A,产物分别为 B或 B。而酶b却不能作用于 B 或 B 使其转化为 C 或 C,结果造成 B或B积累，即是：A B,Add Your Text,共代谢的环境意义,共代谢使有机产物积累，产物是持久性的，如果母体化合物是有毒的，共代谢产物也是有害的。,共代

44、谢的微生物数量在环境中不会增加，物质转化速率很低。,环境意义,利用微生物的共代谢作用进行生物修复环境中的有机物是一条非常有效的途径，有关共代谢的研究热点集中在以下两方面：共代谢的动力学研究 共代谢降解速率研究。由于共代谢作用使基质降解缓慢，所以十分关注提高降解速率的问题。,共代谢的研究展望,4.4.4 污染物的生物可利用性对生物修复的影响,污染物的溶解度,污染物的辛醇-水分配系数,污染物的吸着性,非水溶相液体的存在,重金属的生物有效性,生物可利用性影响因素,影响溶解度的因素很多，主要有以下四方面:,污染物的溶解度,辛醇-水分配系数（Kow）:平衡条件下某一有机物在辛醇相与水相中浓度之比。Kow

45、与溶解度之间具有相关性，其关系可表示如下：-lgS=algKOW+b 式中，S为溶解度，mol/L；a、b 为经验常数,污染物的辛醇-水分配系数,有机物在水中的溶解度及其与Kow之间的关系,非水溶相液体的利用,非水溶相液体(NAPLs):在污染地点有许多污染物是以与水不混溶的液体形式存在，这类污染物的生物有效性降低，这种与水不混溶的液体称为非水溶相液体。非水溶相液体的微生物降解 如果NAPLs是纯的溶剂(即单一化学物质)，其溶解度很重要。不仅要考虑液态，也要考虑固态。显然固态不构成环境污染，但它有助于了解低水活性化学物质的代谢途径。,微生物利用非水溶相液体的三种机制一是仅利用在水相的化合物，化

46、合物分子通过自发分配进入水相。二是微生物分泌的产物能将基质转变为直径小于lm的液滴，然后再被微生物同化。由于颗粒或液滴很小，有时这个过程称为“假增溶”三是细胞直接和NAPLs接触，群体在NAPLs表面发展，靠近细胞的化合物穿过细胞表面进入细胞质。,污染物的吸着性,吸着(sorption):是指在固液两相中某些化学物质在液相中浓度降低，而在固相中浓度升高的现象。吸收和吸附统称吸着。吸收作用(adsorption):对固体表面溶液中溶质的持留。吸附作用(absorption):指在固体内而不是在固体表面的持留。,有机化合物的吸着,吸着化合物的利用 可以有三种假设解释利用机制:自发解吸:微生物利用最初在溶液中的化合物，也代谢从固相自发解吸进入水相的化学物质。最初，持留在固体表面的化学品和在液体环境中的化学品存在一种平衡：促进解吸:微生物分泌促进解吸作用的代谢产物。直接利用:一些吸着的有机化合物直接被附着在表面的微生物所利用。,重金属的生物有效性,以土壤为例，用不同的浸提剂连续抽提，可以 将土壤环境中重金属赋存形态分为：水溶态；交换态；碳酸盐结合态;铁锰氧化物结合态；有机结合态）；残留态。上述不同赋存形态的重金属，其生物有效性均有差异。其中以水溶态、交换态的生物活性最大，残留态最小，而其他结合态居中。,