四、生物修復的基本原理

生物修復本質上是生物系統(tǒng)(主要是微生物)對污染物的生物降解和生物轉化，因此從根本上說生物修復就是按環(huán)境污染物的降解規(guī)律為微生物的生物降解過程創(chuàng)造良好的生態(tài)條件，實現對污染環(huán)境中污染物的最大限度的消除與凈化。

1.生物修復系統(tǒng)的總體要求

宏觀上從生物降解的基本特征出發(fā)創(chuàng)造生物降解的基本條件，生物修復必須認真考慮的方面包括碳源、能源、電子受體、營養(yǎng)物、溫度、pH值、有毒物質的存在、微生物與基質的充分接觸等基本因素。

碳源:許多有機污染物中的碳可以作為細胞生長的碳源，如果生物是自養(yǎng)的，則需CO₂或HCO₃^－作為C源。在某些情況下，污染物濃度水平太低以至于不能使細胞碳達到合適水平或者污染物被通過共代謝方式被代謝而需要外加C源。

能源:許多污染物可以作為初級代謝的基質提供生長所需要的能量。但有些污染物通過次級代謝、共代謝或作為末端電子受體，不能為微生物生長提供能源，這時要加入初級代謝基質提供能源。

電子受體:所有微生物參與的氧化還原反應都需要一種末端電子受體，在一般情況下溶解氧是好氧生物降解過程中的常見電子受體;在厭氧條件下，NO₃^－、SO₄²－、Fe³⁺和CO₂可以作為末端電子受體。在某些情況下，有機污染物也可以作為末端電子受體。某些共代謝轉化是由兼性或其他厭氧生物進行，這種情況下不需要末端電子受體。

營養(yǎng)物:氮(氨，硝酸鹽或有機氮)和磷(磷酸鹽或有機磷)一般是許多生物修復系統(tǒng)的限制性營養(yǎng)物。在某些厭氧系統(tǒng)中，痕量元素的可利用性(如F，Co，Mo和Zn等)可能也是重要的。

溫度:生長和代謝能力強烈地依賴于溫度。生物修復系統(tǒng)中溫度會在廣泛范圍內波動。中溫條件一般最適合于生物修復，當然在特定系統(tǒng)中(如堆肥處理)高溫能產生良好修復效果。

pH值:pH值范圍在6.5～7.5一般被認為最適合于生物降解，有良好的生物修復效果。大部分地下水的pH值(8.0～8.5)不會對生物降解產生明顯抑制作用。

有毒物質的存在:許多污染地的污染物是有機和無機化合物的混合物，有的對微生物具有明顯的毒性，對生長和生物降解產生強烈的抑制作用。重金屬等是代表性有毒化學物。

微生物和作用基質的充分接觸:一種污染物要能被微生物吸收利用，條件是必須存在于水相中。存在于非水相溶液或隔離于固相的污染物難以被代謝?，F在在生物修復中常用表面活性劑(化學表面活性劑、生物表面活性劑)、分散劑的增溶分散作用提高污染物的水溶解度，促進生物降解。

啟動時間:生長的遲緩期(lag phases)在生物修復中非常常見，而生物修復系統(tǒng)的起動是十分重要的。在某些情況下降解細菌群體達到一定值可以明顯縮短生物修復的低活性期。

微觀具體的生物修復過程中必須針對不同目標污染物的降解微生物及生物降解的具體特點，創(chuàng)造最優(yōu)化的生長條件和降解條件，就是特定污染環(huán)境、特定降解微生物和特定降解條件的相結合，實現最大的降解速率，達到最大限度的修復水平。因此深入認識降解微生物以及其降解過程是進行正確生物修復的基礎。

2.碳源、能源、電子受體、營養(yǎng)物、溫度、pH值、有毒物質、微生物與基質的充分接觸等基本因素

幾大類生物修復中要處理的環(huán)境污染物的某些特點引起人們的特別關注。

①BTEX［苯(benzene)、甲苯(toluene)、乙苯(ethybenzene)和二甲苯(xylene)］及其同系物被廣泛用作溶劑，可以對環(huán)境造成嚴重污染。這類化合物的生物降解主要在好氧條件下進行。而厭氧條件下降解較慢，甚至是抗降解的?？傮w上在好氧條件下的降解比厭氧條件下要快得多，這樣以清除BTEX為目標的生物修復系統(tǒng)的運行要在好氧條件下進行。BTEX生物修復系統(tǒng)的最重要問題是提高好氧代謝速率，需要向污染區(qū)提供充足的氧以及提高氧的生物可利用性。

②多環(huán)芳烴(PAHs)是最常見的環(huán)境污染物，它們常被吸附到土壤和沉積物中。這部分化合物有各種可變化的生物降解和理化特征。一般PAH生物降解限于好氧代謝，并且首先受到加氧酶的攻擊。一般三環(huán)或少于三環(huán)的PAHs(包括萘、fluorene和phenanthrene)可作為細菌生長的初級基質，而較大的PAHs(如四環(huán)或四環(huán)以上)則傾向于作為次級基質。

③酚和氯代酚等酚類化合物常用作木材防腐劑和細菌消毒劑，它們可以在好氧和厭氧條件下作為初級基質被降解。在高濃度時，由于它們的生物毒性和低水溶性(如五氯酚)而呈現出抗降解性，難以生物降解。如濃度低于毒性閾值，則酚能被許多微生物快速降解礦化。氯代酚隨著氯化程度的提高，好氧條件下的降解速率會隨之降低。

④被稱為氯代烴或氯代溶劑的氯代甲烷、氯代乙烷和氯代乙烯類化合物是一類應用廣泛，對環(huán)境(特別對地下水)造成嚴重污染的化合物(表10-1)。微生物對氯代烴化合物有非常多樣的代謝方式，可以通過初級代謝、次級代謝、共代謝或作為末端電子受體(被還原)而實現降解和轉化(表10-1)。

表10-1　　氯代烴生物轉化過程概要

a.二氯乙烯的三種同系物:1，1-二氯乙烯，順-二氯乙烯和反-二氯乙烯。

b.最近的研究已經證明順-二氯乙烯的氧化途徑可以取得生長能量。

c.Vinyl chloride和順-二氯乙烯是四氯乙烯和三氯乙烯呼吸形成乙烯的中間代謝產物。

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烴化合物(nitroaromatic compounds)也是生物修復中經常遇到的有毒有害化合物。硝基有強烈的吸收電子功能，被認為有降低加氧酶向芳香環(huán)攻擊的潛力。但最新研究證明一些微生物能氧化含有兩個或更少硝基的硝基芳香化合物，取得生長能量。在厭氧條件下硝基芳香烴化合物轉化得到還原性芳環(huán)產物，例如硝基苯的還原產物是苯胺(aminobenzene)，而最終降解產物是胺，或者經歷復雜反應導致結合到有機物上。

3.污染物代謝特點在工程系統(tǒng)中的應用

對特定污染環(huán)境的修復過程是對特定污染環(huán)境分析調查、特定污染物代謝的理解、特定生態(tài)條件的創(chuàng)造和特殊代謝活性的促進、特定污染物的降解和消除的過程，是把對污染物生物降解的認識變成生物修復實踐的過程，是把實驗室規(guī)模、小試規(guī)模推廣到大規(guī)模修復工程的過程。

污染環(huán)境的分析調查包括:①污染物存在的濃度與分布，②需要進行處理介質體積的估測，③污染地氧化還原電位條件分析，④污染地水力學條件分析。

特定污染物代謝的理解:面對種類各異的環(huán)境污染物，要從各種文獻資料及實驗研究報告收集特定污染物的降解途徑、降解反應、降解速率、降解產物數據，充分認識和了解基生物降解的特點。

特定生態(tài)條件的創(chuàng)造:特定污染物的生物降解總是和特定的降解條件相聯(lián)系，要創(chuàng)造最適合的降解條件。

特殊代謝活性的促進:特定污染物的生物降解有其特定降解微生物和特定的代謝途徑，在徹底認識其特殊性的基礎上，創(chuàng)造良好的條件促進特殊的代謝活性。

污染物降解和消除過程:污染物在生物修復過程中的降解和消除有特殊的規(guī)律，要針對不同的階段采取不同的方法。