利用微生物修复污染土壤

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生物修复和微生物简介

生物修复是指利用天然或人为引入的微生物来消耗和分解有害污染物，将其转化为毒性较低的化合物，从而净化受污染的环境。生物修复通常由植物和微生物（如细菌和真菌）完成。污染物可能是天然存在的化合物，如原油、重金属等，其浓度较高；也可能是化学合成的化合物，如异生素。

土壤中细菌的数量非常丰富，1克土壤中可包含数十亿个细菌细胞。细菌活动在土壤的不同过程中发挥着重要作用，例如：

• 有机质分解。

• 养分释放。

• 大气氮固定。

• 植物病原体抑制或植物病害的防治。

• 维持土壤结构。

• 污染物降解。

因此，可以探索利用细菌进行污染土壤的生物修复。

碳氢化合物

由于碳氢化合物的生物修复具有运营成本低、易于实施和有利于环境等优点，因此可以作为废物管理的一种替代方案。土壤中对碳氢化合物的巨大需求导致了污染源的增加，例如意外泄漏、油轮事故和污泥产生。因此，生物修复是一个利用一系列生化反应的过程，该过程使用接种在污染土壤中的微生物群体将碳氢化合物转化为毒性较低的物质。

溢油

巨大的环境灾难确实有可行的解决方案。它们会导致环境破坏，因为石油是有机化合物、重金属和碳氢化合物的有毒混合物，这些物质会分解成更具危害性的二次化学物质，从而造成严重和急性的长期影响。因此，某些微生物如海洋杆菌可以将有害化学物质分解成更安全的无毒化合物。

如果任其放置，环境中的微生物最终会分解石油，但这需要很长时间。微生物的数量增长受环境中营养物质和其他因素的可用性的限制。添加含有磷、碳和氮等成分的肥料可以使微生物数量增加，并加快这一过程。

除了溢油外，生物修复技术还可以用于清理酸性矿山损害、重金属污染的土壤和塑料污染。

土壤生物修复技术

生物处理技术利用微生物修复受污染的土壤。生物修复利用微生物进行生物降解，将有害污染物转化为无害的副产物，如乙烷和水，这包括矿化和生物转化。

生物降解

生物降解涉及从有机化学物质氧化中提取能量的过程。这是一种修复技术，通过将微生物或营养物质注入受污染的土壤或地下水中来分解污染物。

生物降解一词也由其他术语解释，如生物转化（将原始化合物的结构进行修改以降低毒性）和矿化（污染物被用作碳源并被完全代谢，有机分子降解并转化为其矿物成分，如二氧化碳）。

生物降解通常是由许多微生物群体的协同作用完成的，通常不是单一纯培养物参与降解。一个群可以进行初始步骤（降低毒性），然后另一个群可以参与后续步骤（转化为易于处理的代谢产物），这个过程持续进行，直到所有化学物质都转化为二氧化碳。很少见到单一物种完全矿化土壤中的化学物质。

土壤生物修复过程主要有两种不同的策略。

原位生物修复

原位生物修复直接在受污染的场地进行，无需运输受污染的土壤。

• 生物刺激 - 它涉及将改良剂（营养物质、表面活性剂、还原剂，如富含碳的植物油、保湿剂、氧气、pH 控制）直接放置在受污染的土壤中，以刺激本土细菌种群进行生物降解。

• 生物通风 - 这涉及通过添加氧气来增强通气。

• 生物强化 - 它涉及将选定的降解性本土细菌或基因工程细菌接种到污染土壤中，以加速其降解。

异位生物修复

此过程涉及挖掘受污染的土壤并将其转移到另一个地点进行处理。

• 生物反应器 – 大型容器，用于监测受污染的土壤并控制条件。

• 生物堆 – 将土壤堆放在堆中，然后通气并提供营养物质。

• 土地耕作 – 受污染的土壤被铺在苗床上，这包括定期供应营养物质和混合，以改善微生物活性。

影响生物修复的因素

• 微生物的遗传潜力。

• 化学物质的生物利用度 – 如果化学物质被吸收到生物层中，则不被认为是生物可利用的。

• 污染物的结构。

• 污染物的毒性。

• 环境因素。

  这些决定了生物速率。

  • 氧气

  • 有机质

  • 氮

  • 温度

  • pH

  • 盐度

  • 水分活度

所有这些因素决定了化学物质从环境中消失的速度。

生物修复的优势

• 与物理和化学方法相比，生物修复成本更低。

• 没有额外的处置成本，因为大多数情况下化合物通过矿化使其毒性降低。

• 通常维护成本低。

• 处理系统不会造成视觉污染。

• 能够影响许多源区并减少场地的清理时间。

微生物利用有毒物质

微生物以三种不同的方式利用有毒土壤化学物质。

• 用作其代谢中的主要底物，因为化合物本身充当碳源。

• 用作次要底物，当化合物本身在环境中的浓度不高时，并提供能量。降解这些化合物需要更长的时间。

• 用作共代谢底物，当污染物发生意外转化时。在这里，我们需要添加额外的碳源供细菌生长，并且相同的酶催化降解。

微生物生长需求

• 需要有毒物质作为碳源或能源。

• 提供微量元素以及氮和磷作为营养物质。

• 环境条件，如pH、温度和电导率。

• 需要向土壤环境中提供电子受体，包括$\mathrm{O_2, NO_{3^-}, SO_4^{2^-}}$等。

因此，当环境中同时存在电子受体和供体时，微生物会氧化化合物并将电子放入受体中，将其转化为CO2和水。污染物中的所有有机成分都变成无机成分，这是通过矿化化合物完成的。

好氧和厌氧生物降解

大多数情况下，生物修复是在好氧条件下进行的，氧气是最终电子受体，它是限制因素，因此污染物环境会提供氧气。此过程称为好氧生物降解。

在厌氧条件下，厌氧细菌也可以降解污染物，我们需要提供各种电子受体，如硝酸根离子、硫酸根离子或产甲烷或发酵条件。此过程称为厌氧生物降解。

厌氧生物降解比好氧生物降解慢得多，因为厌氧微生物繁殖所需的时间比好氧细菌长得多。还有一些特殊的细菌称为兼性需氧菌，它们利用氧气，在缺氧的情况下可以切换到硝酸盐。

结论

生物修复是修复受污染土壤最有效的方法，可以替代其最终处置，而不会影响土壤、水和空气资源。这种方法是一种经济高效、环境友好且公众接受的修复受污染土壤的替代方法。

生物降解是一种修复技术，它涉及通过将微生物或营养物质注入受污染的土壤中来分解石油污染物。堆肥也是一项用于修复土壤的技术，通过与堆肥混合以改善微生物活性，从而分解生物降解性差的有机物，如炸药。