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1、第六章 污染土壤的生物修复,第一节 原位微生物修复,生物通风修复 在某些受污染的土壤中，过高的有机污染物会降低土壤中的O2浓度，增加CO2浓度，进而抑制污染物的进一步生物降解，因此，为了提高土壤中污染物的降解效果，需要排出土壤中的CO2和补充O2生物通风系统 生物处理工艺：通过真空或加压进行土壤曝气，使土壤中的气体成分发生变化，由于只需在真空吸抽系统上装上净化设备，不会造成二次污染,生物通风修复,生物通风（bioventing）又称土壤曝气（soil aeration），是基于改变生物降解的环境条件设计的 在受污染的土壤中至少打两口井，安装鼓风机和真空泵，将新鲜空气强行排入土壤中，然后再抽出，
2、土壤中的挥发性毒物也随之去除。在通入空气时，有时加入一定量的NH3，以便为土壤中的降解菌提高氮素营养 另一种生物通气法，即将空气加压后注射到污染地下水的下部，气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解，有人称之为生物注射法（biosparging）,原位生物修复,生物强化修复 生物强化（enhanced-bioremediation）是基于改变生物降解中微生物的活性和强度而设计，分为： 培养法 投菌法,生物强化修复,土著菌培养法 大多数生物修复工程中实际应用的都是土著菌（endemic microorganisms） 一方面是由于土著菌降解污染物的潜力巨大 另一方面也是因为接种的微生物在环境中难
3、以保持较高的活性以及工程菌的应用受到较严格的限制,土著菌培养法,当修复多种污染物时，单一微生物的能力通常有限，另外污染物的生物降解通常是分步进行的，包括了多种酶和多种微生物的作用，因此在污染物的实际修复中，必须考虑要激发当地多样的土著菌 生物培养法（bioculture）是定期向土壤投加H2O2和营养，以满足污染环境中以及存在的降解菌的需要，以便使土壤微生物通过代谢将污染物彻底矿化成CO2和H2O,生物强化修复,投菌法 土著微生物生长速度太慢、代谢活性不高，或者由于污染物的存在而造成土壤微生物数量下降，因此需要接种一些降解污染物的高效菌 一般接种外来微生物，它们可以是从自然界中定向筛选的微生物
4、，也可以是基因工程菌（genetic engineering microorganisms，GEMs） 投菌法（bioangmentation）是直接向遭受污染的土壤接入外源的污染降解菌，同时提供这些细菌生长所需营养,投菌法,采用外来微生物接种时，会受到土著微生物的竞争，需要用大量的接种微生物形成优势，以便迅速开始生物降解过程 这些接种在土壤中用来启动生物修复的最初步骤的微生物被称为“先锋生物”，它们能催化限制降解的步骤 目前对外来微生物的研究，一方面在寻找天然存在的、有较好污染物降解动力学特性，并能攻击广谱化合物的微生物，另一方面，也在积极研究在极端环境下生长的微生物,GEMs,基因工程菌的
5、研究一般采用细胞融合技术等遗传工程手段将多种降解基因转入同一微生物中，使之获得广谱的降解能力 GEMs引入现场环境后，会与土著微生物菌群发生激烈的竞争，基因工程菌必须有足够的存活时间，其目的基因方能稳定的表达出特定的基因产物特异的酶 如果在环境中基因工程菌最初没有足够的合适能源与碳源，就需要添加适当的基质促进其增殖并表达其产物 理想的选择性基质应有以下特点：对人和其他高等生物无毒，价廉，易于使用,原位生物修复,土地耕作修复 土地耕作法也称农耕法（land farming），是在表层污染土壤进行的生物修复过程，可以用于原位生物修复，也可以用于异位生物修复。 土地耕作使用的设备是农用机械，通过耕翻
6、，促进微生物对有害化合物的降解 一般的，土地耕种修复法只能适用于30cm的耕层土壤,土地耕作修复,土地耕种修复是以土壤作为接种物和供生物生长的基质的好氧生物过程 操作：对污染土壤进行耕耙处理，同时施入肥料，进行灌溉，加入石灰，尽可能的为微生物降解提供一个良好的环境，使其有充足的营养、水分和适宜的pH值，保证污染物降解在土壤的各个层次上都是发生 最大缺陷：污染物可能从污染地迁移 优点：简单经济，因此在土壤渗透性较差，土壤污染层次较浅，污染物又易降解时可以选用,土地耕作修复,Hick将土地耕作修复的规程总结为 去除大块石块和碎片，使土壤比较均匀一致 施入添加剂，主要是氮磷等营养物质，使90%以上的
7、土壤有添加剂，一次施入量应限制在45kg/m3，以防止流失 如需要大量的营养盐可以用缓释剂或多次施用 尽量增加土壤孔隙度，勤翻土壤或加入膨松剂，防止压实土壤 黏土较重的土壤一般要掺入1030%的沙子、锯末或木片，也可用石膏减少黏土中的水分 用石灰、明矾或磷酸调整土壤的pH值等,化学活性栅修复 化学活性栅修复（chemical activated bar）：依靠掺和进入污染土壤的化学修复剂与化学污染物发生氧化、还原、沉淀、聚合等化学反应，从而使污染物得以降解或转化为低毒性或移动性较低的化学形态 操作：通过注入井，把粉状胶体物质注入污染地区水流走向的下方，然后，在注入井的水流下方，开挖第二个井，用
8、以抽取污染的地下水，通过污染地下水的处理，可以达到污染土壤的修复,原位生物修复,第二节 原位植物修复,植物修复的特点 植物修复的优点 在修复土壤的同时也净化、绿化了周围的环境 对环境扰动少，对土壤来说属于原位处理 植物修复污染土壤的过程也是土壤有机质含量和土壤肥力增加的过程，被植物修复净化后的土壤适合于多种农作物的生长 植物固化技术使地表长期稳定，控制风蚀、水蚀，减少水土流失，有利于生态环境的改善和野生生物的繁衍 植物修复的成本较低，据研究费用仅0.021.0$/m2,原位植物修复,植物修复技术的局限性 要针对不同污染物种类、污染程度的土壤选择不同的生态型植物 一种植物通常只忍耐或吸收一种或两
9、种重金属元素，对土壤中其他浓度较高的重金属则表现某些中毒症状，从而限制了植物修复技术在多种重金属污染土壤治理方面的应用 植物修复过程比物理化学过程缓慢，对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水与灌溉系统等自然和人为条件有一定要求，因此植物修复比常规治理（挖掘、场外处理）的周期长，效率低,植物修复技术的局限性,植物受病虫害袭击时会影响其修复能力 用于净化重金属的植物器官往往会通过腐烂、落叶等途径使重金属重返土壤，因此必须在植物落叶前收割植物器官，并将其无害化处理 用于清理重金属污染土壤的超累积植物通常矮小、生物量低、生长缓慢、生长周期长，因而修复效率低，不利于机械化作业,原位植物修复,重金属污
10、染的植物修复 重金属不同于有机物，它不能被生物降解，只有通过生物的吸收得以从土壤中去除 用微生物进行大面积现场修复时，一方面其生物量小，吸收的金属量较少，另一方面则会因其生物体很小而难以进行后处理，因此植物具有生物量大且易于后处理的优势 利用植物对金属污染位点进行修复是解决环境中重金属污染问题的很有前景的选择,超富集植物修复,超富集植物的发现 1583年意大利植物学家Cesaloina首次发现在“黑色的岩石”上生长的特殊植物，这是有关超富集植物最早报道 1848年Minguzzi和Vergnano测定该植物富含Ni 1977年Brooks提出了超富集植物的概念 1983年Chaney提出了利用
11、超富集植物清除土壤重金属污染的思想,超富集植物修复,超富集植物的特点及其地理分布 超富集植物是能超量吸收重金属并将其运移到地上部的植物 界定 植物地上部富集的重金属应达到一定的量 植物地上部的重金属含量应高于根部 由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此，对不同重金属，其超富集植物富集浓度界限也有不同,超富集植物修复,Baker和Brooks与1983年提出参考值： 把植物叶片或地上部（干重）中含Cd达到100g/g，含Co、Cu、Ni、Pb达到1000g/g，含Mn、Zn达到10000g/g以上的植物成为超富集植物 这些植物还应满足S/R1的条件（S和R分别指植
12、物地上部和根部重金属的含量）。 目前世界上共发现有400多种超富集植物，其中Ni的超富集植物277种 我国在华南一些炼砷区首次发现了一种As的超富集蕨类植物，其叶片含As达5000g/g，具有特殊的耐砷性，在砷污染区处于竞争优势,超富集植物修复,超富集植物修复存在的问题 超积累植物可以从自然界现有资源中筛选，或利用突变体技术培育新的植物品种。 自然筛选主要存在以下问题： 超积累植物是在重金属胁迫环境下长期强化、驯化的一种适应性突变体，往往生长缓慢，周年生物量受到限制 超积累植物多为野生型稀有植物，对生物气候的条件要求比较严格，区域性分布较强，因而筛选工作量大，且超积累植物移植到本地时，其生态位
13、低于本土植物，处于竞争劣势 利用基因工程定向培养超积累植物仍处于试验阶段，到实际应用还有一定距离,普通富集植物的强化修复,本地植物特别是速生草本植物适应性强，周年生长量大，但现有栽培条件下，其重金属积累量有限，于是将驯化外地超积累植物和强化本地优势植物富集两者耦合的强化植物修复（enhanced-phytoremediation）便应运而生,强化植物修复,强化植物修复的原理 土壤重金属污染植物修复的效率通常以单位面积、单位时间内植物所能萃取的重金属总量来表征，即： 植物萃取总量=重金属含量修复植物的生物量 为了提高植物萃取总量，一方面要设法提高植物体内重金属的蓄积量而不使植物中毒死亡；另一方面
14、要设法增加植物的生物量，尤其是地上部分的生物量 因此强化植物修复可以分别从土壤和植物入手,强化植物修复,从土壤入手 围绕增加土壤中靶重金属的植物利用性，强化土壤中靶重金属向植物体迁移、转化和积累 从植物入手 在保证超积累植物与本地优势植物等不出现毒害的前提下 一方面根据植物吸收、转运重金属的机制，采取相应的物理、化学、生物学方法提高植物地上部分对靶重金属的牵引力，促使土壤重金属顺利完成从土壤植物根际植物根系植物茎叶的传输过程 另一方面利用农艺措施调节、控制修复植物的生长发育，以获得较高的生物产量，一般情况下，植物生长良好，也可反过来促进土壤重金属活性的提高,强化植物修复,强化植物修复的方法 物
15、理学强化 利用直流电极，改善靶重金属在土壤中的移动性，从而强化植物修复 电流能打破所有的重金属-土壤键，当电压固定，作用效率与通电时间呈正比 对于渗透性较高、传导性较差的砂性土壤，电动力学方法作用较弱 电动力学强化的原理包括土壤溶液的电渗析、土壤带电胶体粒子的电泳、带电离子的电迁移以及电解等方面 静电也对植物吸收重金属有刺激作用,强化植物修复,强化植物修复,生物学强化 通过根际微生物可以加速植物吸收某些矿物质如铁和锰 根际内以微生物为媒介的腐殖化作用可能是提高重金属可利用性的原因 农艺学强化 采用施肥、轮作、耕作、质地调节等农艺措施，既可改变土壤中重金属的形态，又可调节植物的新陈代谢，从而达到
16、修复重金属污染的目的 无机化肥强化：N、P、K肥可以促进植物吸收土壤中的Cd 有机肥强化：改变土壤腐殖质的构成可强化植物对重金属的吸收,农艺学强化,原位植物修复,放射性污染的植物修复 核反应装置运行产生的放射性物质是环境中一类重要污染物，长期存在于土壤中对人类健康造成威胁 植物可从污染土壤中吸收并积累大量的放射性核素 植物对放射性核素的吸收不仅与植物种类有关，还与土壤的性质有密切关系 土壤的离子交换能力越强，植物对放射性核素的吸收能力就越大,原位植物修复,植物修复技术的发展趋势 寻找更多的野生超积累植物，并将它们用于矿山复垦，改良重金属污染的土壤和固化污染物 建立更多的应用植物修复技术的示范性基地，取得经验后加以推广 深化应用基础理论研究 耐重金属和超积累植物及其根际微生物共存体系的研究 分子生物学和基因工程技术的应用,第三节 原位生态修复,概述 生态修复（eco-remediation）包括原位专性微生物生态修复、原位特异性植物生态修复、原位细胞游离酶生态修复和原位白腐真菌生态修复四个部分 生态修复的优势在于：当挖取污染土壤进行治理不可能时，以及污染土壤抽
