环境生物化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

9 9 污染环境微生物修复污染环境微生物修复生物化学原理生物化学原理第1页9.19.1污染环境微生物污染环境微生物修复概念修复概念 微生物修复是利用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污染物一个受控或自发进行过程，这是狭义定义。也能够表述为：微生物修复是利用土著、引入微生物和微生物制剂及其代谢过程，或其产物进行消除或富集有毒物生物学过程。环境生物化学环境生物化学 第2页 环境微生物修复技术主要由三方面内容组成：利用土著微生物代谢能力技术；活化土著微生物分解能力方法；添加含有高速分解难降解化合物能力特定微生 物(群)方法。环境生物化学环境生物化学 第3页9.29.2污染环境微生物污染环境微生物修复机理修复机理 受污染环境中有机物主要是经过微生物代谢活动将其降解转化。所以，在微生物修复中首先需考虑适宜微生物起源及其应用技术。其次，微生物代谢活动需在适宜环境条件下才能进行，所以我们必须人为提供适于微生物起作用条件，以强化微生物对污染环境修复作用。环境生物化学环境生物化学 第4页9.2.1 9.2.1 用于生物修复微生物用于生物修复微生物（1）土著微生物（2）外来微生物（3）基因工程菌环境生物化学环境生物化学 第5页9.2.2 9.2.2 微生物对有机污染微生物对有机污染物修复机理物修复机理 9.2.2.1 9.2.2.1 微生物基质代谢生理过程微生物基质代谢生理过程 异生素作为基质代谢基本过程和其它化合物代谢相同，可能包含以下过程：(1)向基质靠近 (2)对固体基质吸附 (3)胞外酶分泌 (4)基质跨膜运输过程 环境生物化学环境生物化学 第6页 微生物降解有机物有两种方式：第一，经过微生物分泌胞外酶降解；第二，污染物被微生物吸收到微生物细胞内后，由胞内降解。微生物从胞外环境中吸收摄取物质方式主要有主动运输，被动扩散，促进扩散，基团扩散，基团转位，胞饮作用等。主动运输:微生物在生长过程中所需要各种营养物质主要以主动运输方式进入细胞内部。主动运输需要消耗能量，也需要载体蛋白参加。被动扩散:扩散速度取决于细胞膜两边该物质浓度差,不消耗能量。环境生物化学环境生物化学 第7页 促进扩散:在运输过程中不需要消耗能量,运输速度取决于细胞膜内外两边浓度差，但促进扩散需要借助于位于细胞膜上一个载体蛋白参加物质运输。基团转位:是另一类类型主动运输，在物质运输过程中，除了物质分子发生化学改变外，其它特点都与主动运输相同。胞饮作用:其可能机制包含:第一,经过疏水表面突出物作用把烷烃吸附到细胞表面;第二,烷烃经过孔和沟穿透坚硬酵母细胞壁,而聚集在细胞质表面;第三,经过未修饰烷烃胞饮作用把烷烃转移到细胞内烷烃氧化部位。环境生物化学环境生物化学 第8页9.2.2.2 9.2.2.2 污染物质生污染物质生物迁移转化路径物迁移转化路径 污染物进人环境中会经过各种路径发生迁移与转化，自然力与生物作用是污染物发生迁移转化最主要力量，而稀释扩散、降解、沉积、生物富集等是转化最主要路径。转化能够发生在某个环境中，或者不一样环境之间，或者生物体内，或者在生物体与环境之间。总之，是在环境、污染物与生物三者组成复合系统中多向转化。环境生物化学环境生物化学 第9页 (1)污染物质扩散迁移 污染物质从污染源排放进人环境中，因为存在浓度梯度，污染物质必定在环境中发生扩散，从污染源高浓度区域向周围低浓度区域扩散。在不受任何其它环境因子影响条件下，扩散过程依赖于污染物质分压差或者浓度差.污染物进人环境后,作用于污染物环境原因很多,影响污染物扩散原因主要是环境介质运动。污染物质在不一样类型介质中扩散度有显著差异,普通而言,在空气中扩散度比水中扩散度大得多，在固体中扩散则更难，扩散度以扩散系数表示。环境生物化学环境生物化学 第10页(2)吸附与沉积 吸附就是在两相介质界面上发生沉淀，包含吸持和吸收。吸持是指污染物从一个介质向固体介质表面迁移运动，吸收是指污染物质抵达固相表面后，因为静电、络合、化学键或沉淀作用等与表面粘着作用。污染物质沉积主要是指污染物质从液相中转移至沉积物固相中。环境生物化学环境生物化学 第11页(3)微生物对污染物质吸收 吸收是生物主动过程，当生物与污染物质同处某一介质中，相互含有接触机会。生物体在与污染物质接触过程中，主动以某种方式获取该物质。普通而言，污染物质必须经过细胞膜方能被微生物细胞吸收。大部分被吸收物质能够在微生物细胞体内进行代谢，吸收、代谢与排泄组成一个完整代谢过程，大多数时候污染物质就在这个过程中被降解。环境生物化学环境生物化学 第12页(4)污染物质降解与累积 污染物生物降解路径是因生物活动对污染物质代谢所引发污染物质分子结构改变，微生物经过吸收污染物质进人细胞体内，在一系列酶促反应作用下进人某个代谢过程，从而转化为另一个物质或者某种中间产物，然后再释放到细胞体外，使污染物质取得某种程度降解。环境生物化学环境生物化学 第13页 影响生物降解原因主要有以下几个方面:脂肪族和环状化合物较芳香族化合物轻易被生物降解。不饱和脂肪族化合物普通是可生物降解，但有些不饱和矜肪族化合物（如苯代亚乙基化合物）有相对不溶性，影响生物降解程度。假如有机化合物分子主链上除碳元素外还有其它元素粉，就会增加对生物降解抵抗力。环境生物化学环境生物化学 第14页 有机化合物分子大小对生物降解能力有主要影响。聚合物和复合物分子能抵抗生物降解。含有取代基团有机化合物，其异构体多样性可能影响生物降解能力。增加或去除某一功效团会影响有机化合物生物降解程度，如卤代作用能抵抗生物降解。环境生物化学环境生物化学 第15页（5）污染物质生物富集 污染物质在生物体内能够造成积累，经过污染物质在食物链上浓缩而引发生物体内污染物质高浓度积累。生物富集惯用浓缩系数或者富集系数来描述，即指生物体内某种污染物质浓度与它所生存环境中该物质浓度比值。描述某种生物对某种污染物质浓缩系数时，应该采取到达动态平衡时浓缩系数。该系数能表明这类生物对某污染物质生理代谢能力。环境生物化学环境生物化学 第16页（6）污染物质生物转化 污染物质在环境中转化是污染物质降解关键过程，尤其是一些大分子难降解有机物，要经过一系列转化过程方可到达降解。生物转化是大分子难降解有机物在环境中发生转化最主要过程。环境生物化学环境生物化学 第17页9.39.3污染环境微生物修复中污染环境微生物修复中生物化学原理生物化学原理1 2 3 4土土壤壤污污染染微微生生物物修修复复地地下下水水污污染染修修复复大大气气污污染染微微生生物物修修复复固固体体废废弃弃物物生生物物处处理理环境生物化学环境生物化学 第18页9.3.1土壤污染微生物修土壤污染微生物修 复中生物化学原理复中生物化学原理 经过利用营养和其它化学品来激活微生物，使它们能够快速分解和破坏污染物。其作用原理是经过为土著微生物提供最正确营养条件及必需化学物质，保持其代谢活动良好状态，实现微生物修复。环境生物化学环境生物化学 第19页（1）污染物微生物分）污染物微生物分解与固定解与固定 污染物微生物分解污染物微生物分解 微生物能够利用污染物进行生长与繁衍，从而将污染物降解转化为毒性小产物以及彻底氧化为二氧化碳和水。有机污染物对微生物生长有两个基本用途：a.为微生物提供碳源，这些碳源是新生细胞组分基本构建单元；b.为微生物提供电子，取得生长所必需能量。环境生物化学环境生物化学 第20页 微生物经过氧化还原反应获取能量，在反应过程中有机污染物被氧化，是电子丢失者（或电子捐献者），取得电子化学品被还原，是电子接收者（图9-1）。图9-1 微生物在降解污染物过程中取得它们本身生长和繁殖能量环境生物化学环境生物化学 第21页微生物对污染物固定微生物对污染物固定 微生物除将污染物降解转化外，还可改变污染物移动性，即将其固定，最基本方法有：a.生物屏障法 微生物能够吸收疏水性有机分子，能够使微生物在污染物迁移过程中阻止或减慢污染物运移。环境生物化学环境生物化学 第22页b.氧化还原沉淀法 含有还原或氧化金属能力微生物种属，经过微生物氧化-还原作用使金属产生沉淀。c.键正当 微生物可降解键合在金属上并与金属保持在溶液中有机化合物，被释放键合金属可产生沉淀而固定下来。环境生物化学环境生物化学 第23页（2）微生物基础代谢）微生物基础代谢活动变异活动变异 变异允许微生物在异常环境（如地下水）下繁衍并降解有毒物质或降解对其它微生物无益化合物。厌氧呼吸作用无机化合物作为电子给予体发酵共代谢与二次利用 还原脱卤作用环境生物化学环境生物化学 第24页 微生物营养需求微生物营养需求 微生物细胞是由相对固定元素组成。经典细菌细胞组成为 50碳，14%氮，3磷，2钾，1硫，0.2铁，0.5钙，镁和氯。微生物所需要营养能够分为两大类：大量营养元素，如氮、磷、钾等；无机盐及微量元素，如微量金属（铁、镁、锌、铜、钻、镍和硼）以及维生素等。环境生物化学环境生物化学 第25页9.3.2地下水污染修复中地下水污染修复中生物化学原理生物化学原理 在地下水微生物修复中，能够采取微生物从其起源可分为土著微生物、外来微生物和基因工程菌。在地下水微生物修复过程中，微生物利用污染物质作为本身生长繁殖基质。在微生物代谢过程中，大多数污染物被微生物利用来取得生长、繁殖所需碳源及能量，从而到达去除污染物目标。环境生物化学环境生物化学 第26页影响微生物修复原因：影响微生物修复原因：a.电子受体可取得性。电子受体不一样，微生物代谢方式也不一样，如右表所表示：类型类型电子供体电子供体电子受体电子受体最终产物最终产物好氧呼吸厌氧呼吸发酵有机物NH4+Fe2+S2-有机物有机物H2H2有机物O2O2O2O2NO3-SO42-SO42-CO2有机物CO2、H2ONO2-、NO3-、H2OFe3+SO42-N2、CO2、H2O、Cl-S2-、H2O、CO2、Cl-S2-、H2OCH4、H2O简单有机物、CO2、CH4环境生物化学环境生物化学 第27页 不一样类型电子受体参加生物降解反应需要对应氧化还原电位，如图：环境生物化学环境生物化学 第28页b.土壤结构对于微生物修复技术应用可行性和效率影响最大。c.污染物在土壤和地下水中以不一样形态存在，其对微生物影响也各不相同。d.微生物修复在很大程度上还取决于地下水环境原因，主要包含温度、pH值、盐度等。环境生物化学环境生物化学 第29页9.3.3 大气污染微生物修大气污染微生物修复原理复原理9.3.3.1无机废气生物修复无机废气生物修复 煤微生物脱硫煤微生物脱硫 煤炭中硫分主要包含有机硫、无机单质硫、黄铁矿（FeS2）以及少许硫酸盐硫。煤生物脱硫原理是：利用一些嗜酸耐热菌在生长过程中消化吸收Fe3+、S等作用，从而促进黄铁矿硫氧化分解与脱除。煤微生物脱硫总反应能够用下式描述：2FeS2+7.5O2+H2O2Fe3+SO42-+2H+环境生物化学环境生物化学 第30页 微生物法脱氮微生物法脱氮 微生物净化NOx过程。原理：适宜脱氮菌在有外加碳源情况下，利用NOx作为氮源，将NOx还原为最基本无害N2，而脱氮菌本身取得生长繁殖。脱氮菌及菌种培养。各种脱氮菌最初培养普通都是用含硝酸盐、有机碳基质培养基在厌氧或缺氧、并确保适当温度和酸碱条件下培养3周至1个月，然后用于下一步挂膜或用NOx进行驯化。微生物存在形式可分为悬浮生长系统和附着生长系统两种。环境生物化学环境生物化学 第31页9.3.3.2有机废气微生物有机废气微生物修复原理修复原理 有机废气微生物修复是利用微生物以废气中有机组分作为其生命活动能源或其它养分，经代谢降解，转化为简单无机物及细胞组成物质。用生物反应器处理有机废气，普通主要经历以下几个步骤：a.废气中有机物同水接触并溶于水中，使气相中分子转移到水中；b.溶于水中有机物被微生物吸收，吸收剂被再生复原，继而再用以溶解新有机物；c.被微生物细胞所吸收有机物，在微生物代谢过程中被降解、转换成为微生物生长所需养分或CO2和H2O。环境生物化学环境生物化学 第32页 依据微生物在工业废气处理过程中存在形式，可将其处理方法分为生物洗涤法（悬浮态）和生物过滤法（固着态）两类，其中生物过滤法中包含生物滴滤池法。生物洗涤法生物洗涤法 生物洗涤法是利用微生物、营养物和水组成微生物吸收液处理废气，适合于吸收可溶性气态物。环境生物化学环境生物化学 第33页 生物洗涤法反应装置由一个吸收室和一个再生池组成，如图：环境生物化学环境生物化学 第34页 生物过滤法生物过滤法生物过滤法修复废气装置以下列图：环境生物化学环境生物化学 第35页9.3.4固体废弃物生物处固体废弃物生物处理中生物化学原理理中生物化学原理 城市垃圾、城市污水处理厂产生干污泥和农业废弃物三大类固体废弃物都含有大量有机物，经过微生物活动，能够使之稳定化、无害化、减量化和资源化，其主要处理方法有卫生填埋、堆肥、沼气发酵和纤维素废物糖化、蛋白质化、产乙醇等等。环境生物化学环境生物化学 第36页9.3.4.1堆肥堆肥好氧堆肥法好氧堆肥法。在有氧条件下，经过好氧微生物作用使有机废弃物到达稳定化、转变为有利于作物吸收生长有机物方法，本质上是基质微生物发酵过程，能够用下式表示：C、O、H、N、S、P+O2好氧微生物细菌、真菌、放线菌CO2+N2O+NO3+SO42-+简单有机物+更多微生物+热量环境生物化学环境生物化学 第37页堆肥微生物学过程：a.发烧阶段；b.高温阶段；c.降温和腐熟保肥阶段 堆肥中微生物种类和数量，往往因堆肥原料起源不一样而有很大不一样。对于农业废弃物，以一年生植物残体为主要原料堆肥中，常见到以下微生物相改变特征：细菌、真菌纤维分解菌放线菌能分解木质素菌类。在以城市污水处理厂剩下污泥为原料堆肥中，可见以下表所表示微生物相改变：环境生物化学环境生物化学 第38页 污泥堆肥中微生物相（污泥堆肥中微生物相（105/g干土）干土）微生物种类 堆制天数（d）03060好气性细菌厌气性细菌放线菌真菌类氨化细菌氨氧化细菌亚硝酸氧化菌 脱氮菌 好气性细菌/放线菌 80113610.28.434430.081300 78.51921.85.516.5240140.00399003491130.973.70.36440.370.00320030环境生物化学环境生物化学 第39页 厌氧推肥法厌氧推肥法。在不通气条件下，将有机废弃物(包含城市垃圾、植物秸杆、污水处理厂剩下污泥等)进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化过程。影响堆肥效果原因：影响堆肥效果原因：a.微生物种类 b.堆料中要有足够有机物 c.保持适当通风和水分 d.保持适宜PH值 e.堆面泥封 环境生物化学环境生物化学 第40页9.3.4.2卫生填埋卫生填埋（1）填埋坑中微生物活动过程）填埋坑中微生物活动过程 a好氧分解阶段 b厌氧分解不产甲烷阶段 d稳定产气阶段 c厌氧分解产甲烷阶段 环境生物化学环境生物化学 第41页（2）填埋场渗沥水）填埋场渗沥水 垃圾分解过程中产生液体以及渗出地下水和渗透地表水，统称为填埋场渗沥水。渗沥水性质主要取决于所埋垃圾种类。渗沥水数量取决于填埋场渗沥水起源、填埋场面积、垃圾情况和下层土壤等等。为了预防渗沥水对地下水污染，需在填埋场底部构筑不透水防水层、集水管、集水井等设施将产生渗沥水不停搜集排出。环境生物化学环境生物化学 第42页（3）填埋场气体搜集）填埋场气体搜集 垃圾填埋以后，因为微生物厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢气、硫化氢、氯气等气体。填埋场产气量和成份与被分解固体废物种类相关，并随填埋年限而改变。因为填埋场中存在着许多不能控制原因，所以用各种方式进行估算结果与实际情况偏离很大。环境生物化学环境生物化学 第43页9.3.4.3厌氧发酵（消化）厌氧发酵（消化）不论是作物秸秆、树干茎叶、人畜粪便、城市垃圾，还是污水处理厂污泥，都是厌氧发酵原料。在发酵过程中，废物得处处理，同时取得能源。固体废弃物厌氧发酵(消化)过程影响原因以下：有机物投入量 营养 粒度环境生物化学环境生物化学 第44页 发酵温度 发酵槽搅拌 厌氧状态 加温 平均滞留时间 pH影响环境生物化学环境生物化学 第45页