生物修复技术作用机理及其运用市公开课金奖市赛课一等奖课件.pptx

生物修复技术作用机理及其利用第1页第1页 生物修复(Bioremediation)：广义生物修复通常是指利用各种生物（包括微生物，动物和植物）特性，吸取、降解、转化环境中污染物，使受污染环境得到改进治理技术，普通分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。狭义生物修复通常是指在自然或人工控制条件下，利用特定微生物降解、清除环境中污染物技术。第2页第2页l用于生物修复生物l微生物在环境污染治理中作用 l植物在环境污染治理中作用l水环境污染控制中生物修复技术 提 纲第3页第3页 用于生物修复生物土著微生物外来微生物基因工程菌 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菌体内定向地构建高效降解难降解污染物工程菌。用于生物修复其它生物 这些生物包括藻类、微型动物、植物等。第4页第4页难降解有机污染物和重金属及其相应降解转化微生物第5页第5页第6页第6页适宜环境条件营养 微生物生长需要维持一定量C:N:P营养 物质及一些微量营养元素。电子受体 环境中有机污染物在微生物作用下被氧化分解时需耗氧。有毒有害有机污染物化学性质污染现场和土壤特性 第7页第7页微生物在环境污染治理中作用微生物对有机污染物降解与转化 微生物是自然界中分解者，在好氧条件下，它能将有机污染物彻底氧化，分解成CO2、H2O、SO42-、PO43-、NO2-、NO3-等无机物。在厌氧条件下，能将有机物降解，转化成小分子有机酸、CO2、H2、CH4等。因此，微生物是生物修复中污染物降解主力军。第8页第8页微生物对重金属转化与固定 微生物即使不能降解重金属，但是能够减少其毒性，并可将其累积在菌体内使之固定。汞去甲基化及还原 比如：蓝绿色假单胞菌、变形杆菌可使汞离子转化成元素汞，经10小时后挥发掉汞可达75%。假单胞菌K62能使无机汞和有机汞形成元素汞。第9页第9页 累积及固定重金属 在微生物累积重金属方面，已阐明同细胞内金属硫蛋白(Metalothioneins)简称MT相关，MT是一个低分子量细胞质蛋白，同Hg,Zn、Cd、Cu、Ag等重金属有强烈亲和性，结果使重金属富集并克制其毒性。第10页第10页植物在环境污染治理中作用植物修复概念 利用绿色植物清除环境中污染物，使其清除减少或消失称作植物修复(phytore-mediation)(Raskin等.1994)。植物修复主要对象是有毒重金属和有机污染物。第11页第11页 研究表明，许多细菌、真菌、藻类和植物都有从周围环境富集重金属能力，然而至今仍没有一个经济有效办法从土壤中回收富集了重金属微生物。相比较而言，回收富集了重金属植物则较容易。尤其是那些将重金属吸取到地上部植物回收愈加简便易行。第12页第12页植物固定(Phytostabilization)根系降解(Rhizodegradation)植物增进(Phytoaccumulation)植物降解(Phytodegradation)植物挥发(Phytovolatilization)挥发转移(Evapotranspiration)一、植物修复类型 第13页第13页植物固定(Phytostabilization)利用植物将有毒有害污染物如重金属汇集在根系地带,减少其活动性,制止其向深层土壤或地下水中扩散,但并不为植物利用,即根系对污染物起固定作用。第14页第14页根系降解(Rhizodegradation)植物中超出20%营养成份如糖分、氨基酸、有机酸等都汇集在根部,因此会生长诸多微生物,尤其在根表面向外1-3mm 地方,这些微生物是没有种植过植物土壤3-4 倍。一些微生物能够同植物相结合增进重金属降解,也能够矿化一些有机污染物如PAHs、PCBs。第15页第15页植物增进(Phytoaccumulation)也称之为植物提取(phytoextraction),植物根系将土壤中重金属或有机污染物从污染土壤中转移到植物地上部分。普通指那些能累积超出叶子干重1.0%Mn，或者0.1%Co、Cu、Pb、Ni、Zn，或者0.01%Cd植物。当前世界上有500各种这样植物。第16页第16页植物降解(Phytodegradation)植物根、茎、叶吸取或降解污染物,主要是有机污染物如PAHs、TPHs、PCBs,无机污染物如氮氧化物、硫氧化物。判断这些污染物能否进入植物体内指标是该物质在辛醇水中分派系数(logKOW)。logKOW 在1-3.5 之间物质能够被植物吸取降解。第17页第17页植物挥发(Phytovolatilization)一些易挥发污染物被植物吸取后从植物表面组织空隙中挥发。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出物质也许被空气中活性羟基分解。如有毒Hg2+经植物挥发后变成了低毒Hg，高毒硒变成了低毒硒化物气体等。第18页第18页挥发转移(Evapotranspiration)植物通过叶表孔隙挥发水分形式转移在水系中污染物。如白杨、桉树、河香柏等树木含有很深根系,天天能够蒸腾大量水,将水中一些污染物转移至植物体内。第19页第19页植物修复在空气污染中应用 植物在水环境污染中应用 植物在土壤污染中应用 二、植物修复在环境污染中应用 第20页第20页植物修复在空气污染中应用 氮氧化物NxOy是污染空气一类主要化合物，NO2同O3在光照条件下容易形成光化学烟雾，N2O是一个能引起温室效应气体，它能够辐射传热,破坏同温层O3。一些植物将氮氧化物转化为氨基酸或以其为氮源加以利用,利用这些植物清除空气中氮氧化物无疑是环境保护节能好办法。第21页第21页 Hiromichi Morikawa 等人详细研究了NO2被217种高等植物、50种野生草本植物、60种人工哺育草本植物和107种木本植物吸取和还原为N2情况，结果表明辛荑对NO2吸取最高，达12.7mg/g(干重)；菊科、桃金娘科、茄科和杨柳科有较高还原N2能力。第22页第22页植物在水环境污染中应用 水环境中污染大体可分为三类:（1）无机营养元素如氮、磷等；（2）有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAH s、炸药等；（3）重金属污染。第23页第23页（1）无机营养元素如氮、磷等清除 利用水生植物清除由氮、磷等无机营养元素引起水体富营养化问题已有大量研究。种植莲藕、水稻既能够清除氮、磷,又有较好经济价值；被制成浮床大椿草、水芹、水荣草、多花黑麦草等对清除水体中氮、磷和克制藻类滋生都有明显作用。这些植物发达根系及与根系共生或混生微生物往往共同对水环境起着净化作用。第24页第24页（2）有机污染物如农药、杀虫剂、多环芳烃PAH s、炸药等清除 利用一些植物降解、矿化污染物为毒性弱小分子、含有无机物特性,修复受污染水体。水葫芦能够清除水体中有机磷农药、染料、酚、多环芳烃、甲基对硫磷等有机污染物；浮萍、伊乐藻对杀虫剂DDT降解有明显作用,金鱼藻、伊乐藻或浮萍能够明显减少地表水中异丙甲草胺浓度;长春花可用于修复受炸药TNT 污染地表水;龙葵能有效地降解PCBs。第25页第25页（3）重金属清除 植物通过根系吸取、浓缩和沉淀水体中有毒有害重金属是非常含有吸引力一个含重金属废水处理办法,是当前研究热点问题。用于修复水体污染物植物大多是沉水和水面漂浮植物,其中如绿藻对Cd、Hg、Cu、Pb 清除率可达80%-90%;黑麦草对黄金废水不但有很强净化能力,并且也含有很高富集功效,其根部含金量最高可达784 g/t(干重)。第26页第26页 植物种苗对水中重金属清除作用比植物根清除作用更强，利用植物种苗清除水中重金属被称为种苗过滤，是修复含重金属废水发展新方向。渠荣遴等人研究了玉米、豌豆、蓖麻和向日葵等作物种苗对水体中Zn、Pb、Cu清除作用，结果表明:蓖麻对Zn积累最高，达30.0m g/g；向日葵对Pb积累最高,达91.6mg/g；向日葵对Cu 积累最高,达24.3 m g/g，其茎、叶中也有一定量铜积累。第27页第27页植物在土壤污染中应用 土壤中污染物主要为：（1）有机物如有机农药、石油类(TPH)、酚类、氯溴代有机化合物等；（2）重金属等。第28页第28页（1）植物修复有机污染物 植物修复有机污染物方式主要以植物固定、植物降解为主。紫花苜蓿,黑麦草,小蓝茎草已成功地用于土壤中PAHs修复,在6个月内能够将PAHs总量减少57%；银合欢能够吸取和代谢二溴甲烷、三氯乙烯；转基因胡萝卜根须中汇集苯酚浓度可达1000mmol/L，氯酚50mmol/L，在120h内可降解90%以上苯酚类化合物,研究表明根须中过氧化酶第29页第29页 能够增进这些物质代谢;在黑麦与大豆轮作地块上TPH消失量明显高于无植被地块；植物还能降解杀虫剂和除草剂，桑科植物及蔷薇科植物根系分泌物能增进PCB降解菌生长。柳树、鹅掌揪、落羽松、掸木及栋属植物都能有效地降解除草剂灭草松。第30页第30页（2）植物修复土壤中重金属污染 植物修复主要是选取超富集植物通过根系吸取固定这些重金属,并转移到地面部分,可采用收割方式清除土壤中重金属。宝山堇菜是一个Cd超富集植物,它不但能够超量吸取Cd，并且能够从地下向地上部位有效输送。蜈蚣草不但有较强耐受和富集Sn能力,同时也含有较强耐Pb、Zn能力,含有生长速度快和生物量大特点,通过改进植物生长条件等办法能够大幅度提升其富集能力,是有潜力Zn、Cd污染土壤修复植物。第31页第31页总结长处 与老式修复技术相比,植物修复是一个容易接受、成本低、技术要求低修复办法,它可应用于空气、地表水、地下水、土壤中污染物修复。植物修复技术可清除污染物包括无机污染物如氮、磷、重金属等;有机污染物如农药、炸药、有机氯化物、杀虫剂、除草剂等。第32页第32页总结缺点 要求植株含有高生物量；对污染物耐受性要高;受植物根系分布限制;受气候、土质等影响;清除污染物所需时间长;转基因技术应用也许会造成潜在环境污染等等。但伴随各方面研究和实践进一步,它必将得到广泛推广与应用,并为环境保护和治理工作带来新前景与希望。第33页第33页u氧化塘、人工湿地等水污染预处理技术 生物氧化塘是一个利用生物天然净化能力净化污水处理系统，可辅以人工曝气、投加污染物和底泥高效降解菌剂、放养适生水生生物等强化办法，污水通过氧化塘处理，可形成多级食物链构成复合生态系统，这对都市水环境生物修复极为有利。人工湿地利用基质微生物，水生植物，动物符合生态系统物理、化学吸取、动物消费和微生物分解来实现对污水高效净化。水污染控制中生物修复技术水污染控制中生物修复技术第34页第34页u河道和湖泊人工增氧技术 通过一定增氧设备，增长水体中溶解氧，能加速河湖水体和底泥微生物对污染物分解，为水体中各种水生生物呼吸提供氧气，增进系统生物多样性。第35页第35页u生物强化技术 事实上是外源微生物投放技术。在我国都市水环境治理中，应用微生物制剂主要包括美国ClearFlo、CBS、日本EM、我国光合细菌(PSB)、硝化细菌等，并取得了一定治理效果。第36页第36页u生物促生技术 生物促生技术是通过对自然界中污染物降解者（土著微生物）促生作用，为之创造一个能顺利完毕自然降解功效环境，强化污染环境自净能力，加速对有机污染物分解。第37页第37页u生态混凝土技术 所谓生态混凝土是一类混凝土介质，含有特殊结构与表面特性，其上可附着生长适生生物，过滤净化入流污染物。它能减轻环境负荷，与生态环境相协调。第38页第38页u底泥生物氧化技术 通过把药物注射到河道底泥表面，对河道黑臭泥进行生物氧化，可有效减少底泥有机物含量和耗氧速率，提升底泥对上覆水体生物降解能力，增进底泥微量营养释放和藻类生长。第39页第39页u生物操纵技术 生物操纵就是利用调整生物群落结构办法控制水质。其主要原理是调整鱼群结构，保护和发展滤食性浮游动物，从而控制藻类过量生长。其关键是利用浮游动物滤食浮游藻类，增长水体透明度。第40页第40页u水生植被恢复技术 水生植被主要是指大型挺水植物，沉水植物、浮叶植物、漂浮植物等。水生植被恢复是都市水环境生物修复十分主要环节，同时也是都市水质污染主要指标生物。第41页第41页u水生生态恢复技术 水生生态恢复是提升都市水环境自净能力，维护生物修复治理结果必要办法，是生物修复最高形式。通过生态恢复，使黑臭或富营养化水体向洁净好氧生态系统转化，提升水环境生物多样性和自净能力。第42页第42页1、重水体生物修复而忽略底泥生物修复当前我国都市水环境生物当前我国都市水环境生物修复存在问题修复存在问题 2、重外源微生物投放而忽略土著微生物激活3、重单一办法而忽略综合处理4、重污染源控制而忽略水环境生态恢复第43页第43页