生物修复的基本原理

四、生物修复的基本原理

生物修复本质上是生物系统(主要是微生物)对污染物的生物降解和生物转化，因此从根本上说生物修复就是按环境污染物的降解规律为微生物的生物降解过程创造良好的生态条件，实现对污染环境中污染物的最大限度的消除与净化。

1.生物修复系统的总体要求

宏观上从生物降解的基本特征出发创造生物降解的基本条件，生物修复必须认真考虑的方面包括碳源、能源、电子受体、营养物、温度、pH值、有毒物质的存在、微生物与基质的充分接触等基本因素。

碳源:许多有机污染物中的碳可以作为细胞生长的碳源，如果生物是自养的，则需CO₂或HCO₃^－作为C源。在某些情况下，污染物浓度水平太低以至于不能使细胞碳达到合适水平或者污染物被通过共代谢方式被代谢而需要外加C源。

能源:许多污染物可以作为初级代谢的基质提供生长所需要的能量。但有些污染物通过次级代谢、共代谢或作为末端电子受体，不能为微生物生长提供能源，这时要加入初级代谢基质提供能源。

电子受体:所有微生物参与的氧化还原反应都需要一种末端电子受体，在一般情况下溶解氧是好氧生物降解过程中的常见电子受体;在厌氧条件下，NO₃^－、SO₄²－、Fe³⁺和CO₂可以作为末端电子受体。在某些情况下，有机污染物也可以作为末端电子受体。某些共代谢转化是由兼性或其他厌氧生物进行，这种情况下不需要末端电子受体。

营养物:氮(氨，硝酸盐或有机氮)和磷(磷酸盐或有机磷)一般是许多生物修复系统的限制性营养物。在某些厌氧系统中，痕量元素的可利用性(如F，Co，Mo和Zn等)可能也是重要的。

温度:生长和代谢能力强烈地依赖于温度。生物修复系统中温度会在广泛范围内波动。中温条件一般最适合于生物修复，当然在特定系统中(如堆肥处理)高温能产生良好修复效果。

pH值:pH值范围在6.5～7.5一般被认为最适合于生物降解，有良好的生物修复效果。大部分地下水的pH值(8.0～8.5)不会对生物降解产生明显抑制作用。

有毒物质的存在:许多污染地的污染物是有机和无机化合物的混合物，有的对微生物具有明显的毒性，对生长和生物降解产生强烈的抑制作用。重金属等是代表性有毒化学物。

微生物和作用基质的充分接触:一种污染物要能被微生物吸收利用，条件是必须存在于水相中。存在于非水相溶液或隔离于固相的污染物难以被代谢。现在在生物修复中常用表面活性剂(化学表面活性剂、生物表面活性剂)、分散剂的增溶分散作用提高污染物的水溶解度，促进生物降解。

启动时间:生长的迟缓期(lag phases)在生物修复中非常常见，而生物修复系统的起动是十分重要的。在某些情况下降解细菌群体达到一定值可以明显缩短生物修复的低活性期。

微观具体的生物修复过程中必须针对不同目标污染物的降解微生物及生物降解的具体特点，创造最优化的生长条件和降解条件，就是特定污染环境、特定降解微生物和特定降解条件的相结合，实现最大的降解速率，达到最大限度的修复水平。因此深入认识降解微生物以及其降解过程是进行正确生物修复的基础。

2.碳源、能源、电子受体、营养物、温度、pH值、有毒物质、微生物与基质的充分接触等基本因素

几大类生物修复中要处理的环境污染物的某些特点引起人们的特别关注。

①BTEX［苯(benzene)、甲苯(toluene)、乙苯(ethybenzene)和二甲苯(xylene)］及其同系物被广泛用作溶剂，可以对环境造成严重污染。这类化合物的生物降解主要在好氧条件下进行。而厌氧条件下降解较慢，甚至是抗降解的。总体上在好氧条件下的降解比厌氧条件下要快得多，这样以清除BTEX为目标的生物修复系统的运行要在好氧条件下进行。BTEX生物修复系统的最重要问题是提高好氧代谢速率，需要向污染区提供充足的氧以及提高氧的生物可利用性。

②多环芳烃(PAHs)是最常见的环境污染物，它们常被吸附到土壤和沉积物中。这部分化合物有各种可变化的生物降解和理化特征。一般PAH生物降解限于好氧代谢，并且首先受到加氧酶的攻击。一般三环或少于三环的PAHs(包括萘、fluorene和phenanthrene)可作为细菌生长的初级基质，而较大的PAHs(如四环或四环以上)则倾向于作为次级基质。

③酚和氯代酚等酚类化合物常用作木材防腐剂和细菌消毒剂，它们可以在好氧和厌氧条件下作为初级基质被降解。在高浓度时，由于它们的生物毒性和低水溶性(如五氯酚)而呈现出抗降解性，难以生物降解。如浓度低于毒性阈值，则酚能被许多微生物快速降解矿化。氯代酚随着氯化程度的提高，好氧条件下的降解速率会随之降低。

④被称为氯代烃或氯代溶剂的氯代甲烷、氯代乙烷和氯代乙烯类化合物是一类应用广泛，对环境(特别对地下水)造成严重污染的化合物(表10-1)。微生物对氯代烃化合物有非常多样的代谢方式，可以通过初级代谢、次级代谢、共代谢或作为末端电子受体(被还原)而实现降解和转化(表10-1)。

表10-1　　氯代烃生物转化过程概要

a.二氯乙烯的三种同系物:1，1-二氯乙烯，顺-二氯乙烯和反-二氯乙烯。

b.最近的研究已经证明顺-二氯乙烯的氧化途径可以取得生长能量。

c.Vinyl chloride和顺-二氯乙烯是四氯乙烯和三氯乙烯呼吸形成乙烯的中间代谢产物。

⑤包括三硝基苯(TNT)、hexahydro-1，3，5-trinitro-1，3，5-triazine和octahydro-1，3，5，7-tetranitro-1，3，5，7-terazoncine(HMX)等用于爆炸物制造的硝基芳香烃化合物(nitroaromatic compounds)也是生物修复中经常遇到的有毒有害化合物。硝基有强烈的吸收电子功能，被认为有降低加氧酶向芳香环攻击的潜力。但最新研究证明一些微生物能氧化含有两个或更少硝基的硝基芳香化合物，取得生长能量。在厌氧条件下硝基芳香烃化合物转化得到还原性芳环产物，例如硝基苯的还原产物是苯胺(aminobenzene)，而最终降解产物是胺，或者经历复杂反应导致结合到有机物上。

3.污染物代谢特点在工程系统中的应用

对特定污染环境的修复过程是对特定污染环境分析调查、特定污染物代谢的理解、特定生态条件的创造和特殊代谢活性的促进、特定污染物的降解和消除的过程，是把对污染物生物降解的认识变成生物修复实践的过程，是把实验室规模、小试规模推广到大规模修复工程的过程。

污染环境的分析调查包括:①污染物存在的浓度与分布，②需要进行处理介质体积的估测，③污染地氧化还原电位条件分析，④污染地水力学条件分析。

特定污染物代谢的理解:面对种类各异的环境污染物，要从各种文献资料及实验研究报告收集特定污染物的降解途径、降解反应、降解速率、降解产物数据，充分认识和了解基生物降解的特点。

特定生态条件的创造:特定污染物的生物降解总是和特定的降解条件相联系，要创造最适合的降解条件。

特殊代谢活性的促进:特定污染物的生物降解有其特定降解微生物和特定的代谢途径，在彻底认识其特殊性的基础上，创造良好的条件促进特殊的代谢活性。

污染物降解和消除过程:污染物在生物修复过程中的降解和消除有特殊的规律，要针对不同的阶段采取不同的方法。