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1、A comprehensive overview of elements in bioremediation,主要内容：影响生物修复的因素,10.3 金属 10.4 有毒化合物 10.5 水分含量和地质特征 10.6 养分利用率 10.7 对外电子可用性 10.8 污染物的生物利用能力,10.3 金属,金属能抑制各种细胞过程及其影响常常是因为浓度依赖性。金属微生物毒性通常会涉及特定的化学反应。如铜，银，汞等金属，通常具有很强的毒性，特别是离子的毒性;而如铅，钡，铁金属，对微生物水平的向良性具有一定的影响。在植物和肥沃的土壤微生物体内可以找到一定数量的金属营养元素。生物生长必需的主要是无机氮和磷
2、等营养物质，但微量的钾、钙、硫、镁、铁、锰也是生物生长必需的。对于微生物来说，这些金属的可用性和/或毒性，通常依赖于pH值，在pH值较高时，这些金属变得越来越具有移动性/可用性。,生物活性物质从体系中去除金属离子的方法,细胞壁上的金属离子交换 细胞壁上的络合反应 细胞内和细胞外的络合反应 在大多数细菌上发现，生物活性物质去除金属主要通过吸收细胞表面或者多糖涂层上的金属离子基团。,金属吸附,金属离子受到官能团的交换或者聚合物的吸附的限制。因此，吸附是工业污水处理过程中的一个选择，并且是当生物修复受污染水质时保护环境的一个重要工具。众所周知，天然聚合物及其衍生物的吸附能力可以去除水中的污染物。关于
3、改性多糖的吸附有毒化合物的出版物越来越多，已显示了在废水处理中越来越多新的低成本吸附剂正得到关注。在这种情况下，Crini曾在合成含有多糖吸附剂，特别是改性甲壳素，壳聚糖，淀粉和环糊精衍生生物聚合物方面做了一个优秀的最新事态发展的评论。Crini描述了新的多糖类基础材料并且充分讨论了它们在去除污水中的污染物方面的优势。,10.4 有毒化合物,无论是低浓度或者是高浓度的污染物，都会给生物修复带来困难。 毒性可以阻碍或者减缓代谢反应。 影响毒性程度和机制的因素：毒物的种类、浓度和所接触的微生物。 生物受有毒化合物影响机制： 生物生理活动受到阻碍细胞停止工作细胞结构或者毒物代谢所需要的酶遭到破坏生物
4、中毒或死亡,对生物有毒性的化合物 有机物：除草剂，杀虫剂，杀鼠剂，杀菌剂和杀虫剂等。 无机物：氰化物，叠氮化物等。 但是，在微生物适应后，这些化合物可能会被降解。在这方面，某些研究也显示了，可以生物降解氰化物的真菌和微生物已经适应了这类有毒化合物。,示例,1. Dumestre等人鉴定确定了 Fusarium solani IHEM 8026 在碱性条件下对氰化物的生物降解具有很大的潜力。 2. Shah and Aust 已经证明，氰化钾或者其它盐类氰化物被白腐菌降解的速率大约是0.17 mmol/L/day。 3. P. chrysosporium也利用玉米棒子（10毫克/升/天）作为营养
5、物质来降解受含C14的氰化物的土壤。 4 . Gurbuz等人已经证明氰化物废水可以被Scenedesmus obliquus降解。利用含有77.9毫克/升氰化物的废水来喂养一批S. obliquus 可以检测其降解氰化物的能力。在77个小时内，氰化物的浓度降到6毫克/升。Gurbuz等人指出，细菌已经很好的适应了较高的pH和含有氰化物和金属的废水。 5 .氯化芳香族化合物是难生物降解的，尤其是2,4,5-三氯苯酚比其它芳香族化合物更加难以生物降解。在这方面，Marsolek等人已经指出，好氧微生物群落对2,4,5-三氯苯酚具有特别的适应性。,10.5 水分含量和地质特征,水分含量： 水分含量
6、，尤其是水的供应能力，影响着生物修复速率。李等人指出，生物修复效果不佳的原因可能是土壤水分的吸收。因此，这项研究利用植物生长情况来研究土壤-水分的关系是生物修复土壤的最重要因素之一。土壤或沉积物中的水分是不能被微生物利用的，因为水会被固体物质吸收或者被溶质结合成结合水。 地质特征： 一般情况下，当土壤为颗粒状或者具有相对较高的渗透性和均一多孔结构时，原位降解速率会有所提高。多岩石的，低渗透，复杂的矿物质和多水分或干旱的情况是不利于生物修复的。,示例,Vinas等人已经研究了细菌在高焦油污染土壤中经历一系列生物修复治疗过程中，群落动态和生物降解的情况。在生物修复中监测了真菌、细菌的群落动态，多环
7、芳烃降解菌的总数，以及总石油碳氢化合物的浓度。虽然TPH和多环芳烃在所有处理中都有明显被降解，但是Vinas等人坚持认为水分含量和空气是降解多环芳烃的关键因素。 Holden等人早前量化了基质和溶质水势对Pseudomonasputida mt-2，一种原本从土壤中分离出来的细菌，生物降解甲苯甲苯的影响。经发现，单位质量的细胞对甲苯的利用率在没有水电位的时候达到最高，并且溶质电位对其没有影响。,10.6 养分利用率,在土壤、沉积物、地表水和地下水的原位和异位生物修复时补充养分可以提高生物修复的速率，营养需求取决于污染物的性质和该污染区对农业用途的重要程度。,示例,石油烃污染场地的补救通常需要氮
8、，磷。陈等人的报告说，过量的三价铁结合少量的硝酸可以促进在含水层中苯、甲苯、乙苯、二甲苯异构体的原位生物修复，并且可能促进其它受碳氢化合物污染区域的生物修复。 周等人利用紫花苜蓿和高羊茅两种植物研究了在它们根际的菌根处磷浓度对多环芳烃耗散的影响，其主要发现是在高水低磷处理时菌根植物对高分子量的多环芳烃降解具有积极影响。 El-Bestawy and Albrechtsen调查了在不同营养的作用下一组土壤细菌对苯氧除草剂（MCPP）的矿化和/或降解情况。发现了五种假单细胞菌对MCPP的强矿化和/或降解能力，它们是P. paucimobilis, P. aeruginosa, P. mallei,
9、 P. pseudomallei, and P. pickettii。 Rike利用在受碳氢化合物污染和极度缺乏营养物质的北极土壤中增加盐度（离子强度）、使用不同浓度的营养和水分来研究十六烷降解。据发现，在所有浓度下，比较有氨氮的土壤样品和没有氨氮的样品，发现含有氨氮的样品可以强化十六烷的降解，并且发现当土壤中含有50到200氨氮/千克土，含水率为10%的时候降解速率最大，为50到58十六烷/千克/天。,10.7 对外电子可用性,通常用生物刺激基板的方法来支持共代谢生物降解过程。增加基板的刺激可以加快细菌生长和加强新陈代谢过程中电子供体和电子受体的转移。 氧可以作为电子受体，用以增加生物修复活
10、动。 许多厌氧细菌，如反硝化细菌和甲烷菌，利用酸、铁和钼可以破坏许多种脂肪族和芳香族有机化合物，包括天然的和人工的。人们正在努力尝试利用厌氧细菌来消除有硝酸盐存在的受石油污染的地下水。苯，甲苯，乙苯，二甲苯（苯系物）和氯化脂肪族和芳香族化合物已可以成功去除。 产甲烷细菌能够降解氯代如四氯乙烷，三氯乙烷，二氯乙烷，氯乙烯，四氯化碳，氯仿，四氯化碳，烷基苯和一部分氯化芳香族化合物。 BTEX的生物修复项目往往集中在如何克服无机养分和电子受体供应不足这两个方面。,示例,Dou等人指出，从受汽油污染的土壤中浓缩出来的混合细菌在硝酸盐和硫酸盐存在的条件下可以有效的生物降解BTEX。降解速率是甲苯乙苯二甲
11、苯邻二甲苯苯二甲苯。 Drzyzga等人做了一个沉积柱的研究，来证明在硫酸盐还原条件下氯污染和镍污染沉积物的生物修复。利用补充硫酸盐作为电子受体来刺激硫酸盐还原菌的活性，得以维持以乳酸为电子受体（有或没有甲醇）的复杂的厌氧活动，成功地将PCE和TCE完全脱卤成甲烷和乙烷。继续添加硫酸盐后硫化物的含量增加，这表明了硫酸盐还原菌活性的增加。因此，可以推论，在还原硫酸盐的条件下刺激微生物的活性对重金属的沉淀和有机氯的完全脱氯有积极作用。 关于在生物修复中以硝酸盐作为刺激物，Lee等人指出，磷酸三乙酯（TEP）和硝酸根离子，对柴油的生物降解最有效，所需条件是TEP能够被有效地传递到目标区域且少于磷酸二
12、氢钾磷流失。,10.8 污染物的生物利用能力,生物学在生物修复中的应用，是指生物吸收和代谢污染物的内在能力，基质效应，包括通过土壤中生物和污染物之间的相互作用来影响生物降解的方式。土壤中的细菌主要附着在土壤颗粒上，并因此受限制于这种附着和表面的物理化学性质。污染物影响土壤通常是阻碍其对生物的可用性，其方式是通过复杂的吸附和传质阻力。例如，人工合成的有机高聚合物，如聚苯乙烯、聚氯乙烯因其不溶性和缺乏在胞外的能够催化解聚的微生物酶而很难被降解。不过，非聚合物降解细菌和放线菌可以降解由真菌分解木质素聚合物而产生的低聚聚苯乙烯碎片和低分子量的木质素碎片。 在土壤和沉积物中，低水溶性和吸附颗粒物性是严格
13、限制许多有机沉积污染物，如多氯联苯和多环芳烃沉积物的原位生物降解的因素。因此，在水相中可以通过在受污染区域增加表面活性剂（无论是生物表面活性剂还是合成洗涤剂）来提高污染物的解吸速率和溶解速率。 另外一种有希望提高生物修复速率的方法是添加可生物降解的溶剂，以增加可吸附污染物的生物降解的速率。,生物表面活性剂,定义：生物表面活性剂是微生物或植物在一定条件下培养时，在其代谢过程中分泌出的具有一定表面活性的代谢产物，如糖脂多糖脂脂肽或中性类脂衍生物等。 结构：与合成表面活性剂相类似，生物表面活性剂的分子结构主要由两部分组成：一部分是疏油亲水的极性基团，如单糖、聚糖、磷酸基等；另一部分是由疏水亲油的碳氢
14、链组成的非极性基团，如饱和或非饱和的脂肪醇及脂肪酸等。疏水基一般为脂肪酰基链,极性亲水基则有多种形式,如中性脂的酯或醇官能团。 应用 ：生物表面活性剂由于其良好的增溶、乳化、降低表面活性剂以及环境友好性等性能，在环境修复、化妆品、采油工业中得到了广泛地应用。,示例,花生油饼（2%）作碳源的3升的发酵罐中可以利用Bacillus megaterium生产生物表面活性剂，此时可以得到最佳的产量。 土壤和沉积物中的微生物产生的生物表面活性剂已经被证实可以提高生物降解速率。在实验室条件下，Jain等人作了研究，以评估加入Pseudomonas aeruginosa UG2细胞或者由这种在20的条件下孵
15、化两个月的微生物生产的生物表面活性剂对混合有油类的烃类化合物的生物降解的影响。 Tiehm等人指出不仅表面活性剂由于增溶性可以加强多环芳烃在液相中的吸附传质速率，还可以使表面活性剂在生物降解中更容易被利用。,最近，Whang等人已经调查了在两种生物表面活性剂，surfactin (SF) and rhamnolipid (RL), 对受柴油污染的水和土壤生物降解的潜在应用。据推测，随着生物表面活性剂的增加，这两种生物表面活性剂都可以增加柴油的溶解度。 Lai等人最近开发出了一种筛选方法，以评估生物表面活性剂的除油能力。他们利用两种生物表面活性剂来处理从重石油污染区收集来的土壤。他们的研究结果表
16、明，生物表面活性剂去除石油类碳氢化合物的能力比人工合成的表面活性剂更令人信服。Lai等人还表示，TPH的去除率随着生物表面活性剂浓度的增加而增加（from 0 to 0.2 mass %）。 Zoller and Reznik制定了一个表面活性剂/表面活性剂-营养的组合，用以加强可持续的生物修复方法，这样可以原位生物修复受燃料污染的水层。,番茄红素是一种红色的饮食类胡萝卜素，是一种重要的合成-胡萝卜素的中间体。据报道，它在老鼠体内可以抑制次氮基三乙酸铁对DNA的有害影响，并可以防止肝细胞坏死。Nieto等人研究了通过Blakeslea trispora plus (+)和 minus (-) strains发酵生产番茄红素的发展历程。这个研究描述了以豆饼（44g/L)作为氮源的最佳生产番茄红素的关键需求。 Bardi等人研究了环糊精在体外对一个从受石油污染的土壤中分离出来的生物种群生物降解苯酚的影响。B-环糊精被认为可以加速烃类化合物的生物降解，特别是萘的降解。,
