第10章-微生物污染生態(tài)學(xué)

1、第十章 微生物污染生態(tài)學(xué),1,面對(duì)化學(xué)品大量使用過(guò)程中所帶來(lái)的危害，所面臨的兩個(gè)問(wèn)題：1.鑒定并取代對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有潛在危害的化學(xué)品；2.研究化學(xué)品對(duì)土壤及動(dòng)、植物等生物體的影響，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的整體生態(tài)效應(yīng)與治理。討論：污染物對(duì)土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)、微生物的凈化功能和微生物降解與修復(fù)，以及植物修復(fù)及其對(duì)土壤微生物生物修復(fù)的促進(jìn)作用。目的：從微生物生態(tài)研究的角度幫助人們理解微生物在生態(tài)系統(tǒng)中所起的作用，以及環(huán)境微生物在污染凈化過(guò)程中具有

2、的特殊功能。,2,一、土壤污染的產(chǎn)生土壤污染的產(chǎn)生是由于過(guò)量的有毒有害物質(zhì)通過(guò)一定途徑(人為影響、意外事故或自然災(zāi)害)進(jìn)入土壤，使土壤環(huán)境質(zhì)量下降，土壤的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞的過(guò)程，它直接或間接的危害人類(lèi)生存和健康。,第一節(jié) 微生物生態(tài)效應(yīng),3,造成土壤污染的物質(zhì)有：無(wú)機(jī)元素(鎘、鉛、銅、砷和汞)及其化合物；有毒有機(jī)污染物(有機(jī)氯、多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑、化肥和其他雜環(huán)有機(jī)化學(xué)品)；放射性物質(zhì)；氮磷營(yíng)養(yǎng)元素；寄生蟲(chóng)、病原菌、病

3、毒以及基因工程微生物；內(nèi)分泌干擾素。,4,二、土壤微生物土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要成員，它們可以分為細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類(lèi)和原生動(dòng)物等。土壤微生物與土壤形成過(guò)程有關(guān)。由于土壤類(lèi)型、植物群落和氣候條件等因子影響，分布類(lèi)型和生理活性也存在一定差異。土壤微生物類(lèi)群的特性和數(shù)量與土壤肥力和植物生長(zhǎng)有著密切關(guān)系。在土壤以及生物圈的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中，土壤微生物起著關(guān)鍵性的作用。土壤微生物參與的主要生態(tài)化學(xué)過(guò)程有：有機(jī)化合物和動(dòng)、

4、植物及微生物殘?bào)w的分解；固氮作用；腐殖質(zhì)分解與形成；磷、硫、鐵及其他元素的轉(zhuǎn)化，以及碳、氮、磷的生物地球化學(xué)循環(huán)。,5,三、微生物功能對(duì)土壤生態(tài)的指示作用有三類(lèi)至關(guān)重要的土壤微生物功能：有機(jī)質(zhì)分解(包括礦化和轉(zhuǎn)化)、生命元素的積累(包括固氮作用，磷的累積和生物量的貯存)、土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定作用在進(jìn)行土壤微生物生態(tài)研究時(shí)，選擇合適的試驗(yàn)指標(biāo)尤為重要：高度敏感指標(biāo)：酸性磷酸酶活性、有機(jī)質(zhì)分解和硝化作用、硝化菌、根瘤菌和放線菌的種群數(shù)

5、量中等敏感指標(biāo)：氨化作用、呼吸作用、脫氧酶活性不敏感指標(biāo)：反硝化作用、尿酶活性和非共生固氮作用,6,四、農(nóng)藥對(duì)土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)1.農(nóng)藥的類(lèi)型依據(jù)其結(jié)構(gòu)：有機(jī)氯農(nóng)藥、有機(jī)磷農(nóng)藥、氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥、除蟲(chóng)菊酯農(nóng)藥、無(wú)機(jī)農(nóng)藥依據(jù)其功能：殺蟲(chóng)劑、除草劑、殺菌劑、除真菌劑、和除螨劑依據(jù)作用方式：胃毒劑、觸殺劑、熏蒸劑、內(nèi)吸劑、驅(qū)避劑、引誘劑,7,2.農(nóng)藥對(duì)土壤微生物的影響農(nóng)藥首先在土壤表層富集，降雨、灌溉和耕作等都會(huì)改變農(nóng)藥在土壤

6、中的分配，農(nóng)藥在土壤中的濃度也受一些化學(xué)、生物及物理化學(xué)過(guò)程影響，土壤微生物對(duì)農(nóng)藥大多有降解作用。3.農(nóng)藥對(duì)分解過(guò)程的影響植物殘?bào)w和土壤有機(jī)質(zhì)的分解是土壤中養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵過(guò)程，農(nóng)藥百草枯和鎮(zhèn)草寧能減緩多種植物殘?bào)w分解。但研究結(jié)果并不一致。當(dāng)植物殘?bào)w與農(nóng)藥一起使用時(shí)，抑制作用顯著，而植物殘?bào)w施于土壤表面與農(nóng)藥混合于土中，抑制作用明顯下降。這是由于土壤能通過(guò)呼吸作用使這兩種除草劑變得不活躍。,8,4.農(nóng)藥對(duì)氮素生物化學(xué)過(guò)程的影響氨化作

7、用和硝化作用：除草劑和殺蟲(chóng)劑一般對(duì)氨化作用影響很小。熏蒸劑和殺真菌劑則引起土壤中氨態(tài)氮增加。反硝化作用：在田間推薦使用濃度下，農(nóng)藥對(duì)反硝化過(guò)程無(wú)持久作用。一般農(nóng)藥只在較高劑量才對(duì)它產(chǎn)生抑制作用。固氮作用：共生微生物的固氮作用為豆科植物提供所需氮素的30%-70%。用于豆科植物的農(nóng)藥包括種子和葉面殺菌劑和除草劑。呼吸作用：一般是通過(guò)測(cè)量消耗的氧氣或釋放出的二氧化碳來(lái)檢測(cè)。呼吸作用的大小通常與土壤微生物的總量有關(guān)。呼吸作用越強(qiáng)，微生物

8、數(shù)量越大。廣譜殺菌劑和熏蒸劑能強(qiáng)烈抑制土壤呼吸作用。然而這種影響通常是短暫的，呼吸作用會(huì)很快恢復(fù)。,9,5.土壤微生物活性與土壤酶土壤微生物活性與土壤酶的相關(guān)性。土壤酶也逐漸被廣泛用于污染物對(duì)土壤微生物影響研究中。6.農(nóng)藥的長(zhǎng)期生態(tài)效應(yīng)野外長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)對(duì)在田間管理?xiàng)l件下研究農(nóng)藥對(duì)土壤微生物影響提供了可能。研究確認(rèn)，除草劑對(duì)土壤微生物數(shù)量幾乎沒(méi)有持久影響。在種植胡蘿卜和大麥的田間施用殺真菌劑、殺蟲(chóng)劑和除草劑不但不會(huì)降低微生物總數(shù)，有時(shí)反

9、而會(huì)使其增加。盡管許多研究表明，有些農(nóng)藥對(duì)土壤微生物確實(shí)有影響，但其農(nóng)業(yè)上的意義還不清楚。,10,7.農(nóng)藥的作用機(jī)理與生態(tài)效應(yīng)關(guān)系微生物對(duì)農(nóng)藥的反應(yīng)分為三類(lèi)：可忽略、可忍受、可持久反應(yīng)。有些微生物對(duì)農(nóng)藥非常敏感，主要代謝過(guò)程易受農(nóng)藥干擾；有些農(nóng)藥則作用于動(dòng)、植物和微生物共同的生化過(guò)程，因而構(gòu)成對(duì)非靶生物的重大威脅。8.土壤微生物對(duì)農(nóng)藥的轉(zhuǎn)化與降解微生物作用于農(nóng)藥的方式不外乎四類(lèi)：即礦化作用、共代謝作用、降解作用和生物濃縮,11

10、,五、重金屬對(duì)土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)重金屬不僅包括金屬元素，還包括非金屬元素。判斷重金屬的標(biāo)準(zhǔn)：（1）它們的比重均大于4或5（2）它們?cè)谠刂芷诒碇刑幱谠有驍?shù)22-34、40-52及鑭族稀土元素和錒族元素之中（3）它們?cè)趧?dòng)植物體內(nèi)的獨(dú)特生化響應(yīng),12,1.重金屬對(duì)土壤微生物毒性的評(píng)價(jià)指標(biāo)土壤重金屬污染效應(yīng)可大致分為兩類(lèi)：一是生化過(guò)程效應(yīng)；二是微生物數(shù)量或群落效應(yīng)。這兩類(lèi)研究都面臨如何確定清潔土壤或無(wú)污染土壤標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。土壤生

11、物活性可直接表示土壤生態(tài)系統(tǒng)功能受重金屬影響的程度，包括“凋落物的分解、凋落物的累計(jì)、碳的礦化、氮的轉(zhuǎn)化和土壤酶活性。,13,2.影響重金屬對(duì)土壤微生物毒性的因素生物因子：色素、黏液、生理年齡、形態(tài)、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)、生理適應(yīng)、遺傳適應(yīng)。非生物因子：重金屬的形態(tài)、濃度和復(fù)合效應(yīng)、土壤pH、氧化還原電位、陽(yáng)離子交換量等。3.重金屬對(duì)土壤微生物生化過(guò)程的影響凋落葉分解：土壤微生物活性的降低最終會(huì)通過(guò)凋落物的分解速度減慢反映出來(lái)。過(guò)程是由多種

12、不同功能的微生物共同完成。（例P305）重金屬污染引發(fā)的凋落物分解率的差異會(huì)隨時(shí)間而擴(kuò)大。,14,呼吸作用：在重金屬研究中，土壤呼吸強(qiáng)度是報(bào)道最早的指標(biāo)之一，多數(shù)情況下，當(dāng)重金屬濃度較低時(shí)，對(duì)呼吸強(qiáng)度沒(méi)有影響；而在高濃度下，呼吸作用受到抑制。但Cd和Zn低濃度時(shí)會(huì)促進(jìn)呼吸作用。土壤酶活性：土壤酶活性是探討生物對(duì)重金屬污染影響的有效途徑，在眾多的土壤酶中，磷酸酶、脲酶、蛋白酶和脫氫酶對(duì)重金屬污染最敏感。,15,4.重金屬對(duì)土壤微生物數(shù)量

13、、種群及群落的影響微生物數(shù)量的測(cè)定通常采用平板計(jì)數(shù)法，不過(guò)對(duì)于真菌等微生物，此法仍存在不足，通過(guò)微生物數(shù)量變化來(lái)反映污染水平通常不太可靠，但仍有研究報(bào)道重金屬對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響。一般在低濃度下重金屬對(duì)土壤微生物有刺激作用，高濃度有抑制作用，且不同類(lèi)群微生物的敏感性不同。通常順序：放線菌>細(xì)菌>真菌。用抗性微生物數(shù)量檢測(cè)重金屬污染比用微生物總數(shù)要敏感得多。,16,5.微生物的種群結(jié)構(gòu)與多樣性種群結(jié)構(gòu)與多樣性都是表征生

14、態(tài)系統(tǒng)群落結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，研究表明，對(duì)重金屬污染，多樣性指數(shù)不如種群結(jié)構(gòu)敏感。除非銅的濃度超過(guò)10000mg/kg以上，否則，重金屬對(duì)真菌多樣性影響很小。而種群結(jié)構(gòu)在銅濃度超過(guò)1000mg/kg時(shí)即發(fā)生改變。重金屬會(huì)導(dǎo)致真菌種群結(jié)構(gòu)變化。（例P307）,17,6.微生物的耐性和適應(yīng)性土壤微生物對(duì)重金屬的耐性和適應(yīng)性是常見(jiàn)的現(xiàn)象，而且在污染環(huán)境中經(jīng)常能檢測(cè)出具有抗性的真菌和細(xì)菌?？剐晕⑸镌谖廴经h(huán)境中繁衍通常是由于基因改變、生理適應(yīng)或已

15、具抗性種對(duì)敏感種的取代。真菌常被“訓(xùn)練”的能抵抗高濃度的重金屬，至于是由于生理適應(yīng)性還是基因改變，則隨情況不同而異；細(xì)菌對(duì)重金屬的抗性通常由質(zhì)粒上的基因表現(xiàn)。因此，污染環(huán)境中重金屬抗性增強(qiáng)可能是通過(guò)質(zhì)粒的基因傳播。暴露時(shí)間也是產(chǎn)生抗性的一個(gè)非常重要的因素。當(dāng)于重金屬污染土壤中加入葡萄糖或谷氨酸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)滯后期，分解代謝開(kāi)始后，代謝速率和分解程度與對(duì)照土壤相近，這表明負(fù)擔(dān)降解的微生物是一個(gè)抗性群體。,18,7.重金屬毒性的差異

16、重金屬的毒性在不同土壤中有很大差異并隨檢測(cè)指標(biāo)敏感性不同而異，重金屬?gòu)?fù)合污染比單一重金屬污染的毒性明顯增強(qiáng)。產(chǎn)生如此差異的原因可歸納如下：（1）重金屬的生物可得性：土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、pH、CEC、環(huán)境因素和重金屬自身性質(zhì)均能影響重金屬在土壤溶液中的溶解度，從而改變其生物可得性及對(duì)土壤微生物的毒性；土壤微生物生物過(guò)程的敏感性：對(duì)于同一重金屬，不同的微生物生化過(guò)程表現(xiàn)出不同的敏感性。污染物進(jìn)入土壤后，首先對(duì)土壤微生物的生理、生化性能及土

17、壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，從而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性。,19,六、有機(jī)污染物對(duì)土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)1.礦物油污染物對(duì)土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)石油是由上千種化學(xué)性質(zhì)不同的化合物組成的復(fù)雜混合物，沒(méi)有明顯的總體特征。主要由烴類(lèi)和非烴類(lèi)化合物組成，其中烴類(lèi)占95%-99.5%，其他元素僅占0.5%-5%。石油污染區(qū)土壤中微生物類(lèi)群：野外調(diào)查研究表明，石油污染去土壤中微生物數(shù)量與對(duì)照土相比有不同程度的增長(zhǎng)。土壤蔗糖酶與石油烴降解：土壤

18、蔗糖酶活性的變化與石油烴的降解過(guò)程密切相關(guān)，其活性隨石油烴在土壤中的殘留量減少而減弱，并在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)減弱到對(duì)照水平。,20,2.多氯聯(lián)苯(PCBs)和二惡英(PCDDs)污染物對(duì)土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)多氯聯(lián)苯(PCBs)是人工合成的一類(lèi)毒性強(qiáng)、具有三致效應(yīng)的芳香族物有機(jī)污染化合物；其污染范圍從北極海生哺乳動(dòng)物到南極的鳥(niǎo)蛋，以及人們食用的牛奶、魚(yú)類(lèi)等，幾乎無(wú)處不在。多氯二苯并二惡英(PCDDs)和多氯二苯并呋喃是存在于環(huán)境的中的兩類(lèi)超痕

19、量有機(jī)污染物，統(tǒng)稱(chēng)為二噁英，被稱(chēng)為地球上毒性最強(qiáng)的環(huán)境污染物。但其對(duì)土壤微生物活性的影響很少報(bào)道。,21,3.多環(huán)芳烴污染物對(duì)土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)多環(huán)芳烴（PAHs）是一類(lèi)普遍存在于土壤環(huán)境中的有毒有害有機(jī)污染物，16種被美國(guó)環(huán)保局列為優(yōu)先有機(jī)污染物。,22,1)多環(huán)芳烴對(duì)細(xì)菌和真菌數(shù)量影響研究表明蒽、菲、芘對(duì)土壤細(xì)菌和真菌數(shù)量影響不同。2)多環(huán)芳烴對(duì)土壤硝化作用及呼吸作用影響3)多環(huán)芳烴對(duì)土壤酶活性影響菲對(duì)土壤脫氫酶活性的影

20、響較為顯著。,23,4.酚類(lèi)化合物對(duì)土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)酚類(lèi)化合物是有機(jī)化工工業(yè)的基本原料，在經(jīng)濟(jì)上具有重要意義，由于大多數(shù)酚類(lèi)化合物具有較高的水溶性，因而其在環(huán)境中的遷移能力很強(qiáng)，是環(huán)境中的主要污染物之一。,24,5.酞酸酯類(lèi)化合物對(duì)土壤微生物的生態(tài)效應(yīng)酞酸酯類(lèi)化合物作為增塑劑在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛被使用，是世界上生產(chǎn)量最大，應(yīng)用面最廣的一類(lèi)合成有機(jī)化學(xué)品。隨農(nóng)用地膜的使用量的急劇增加，使越來(lái)越多的酞酸酯類(lèi)物質(zhì)被釋放進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。

21、其較難被微生物降解，在土壤中的去除率僅為2%，大部分長(zhǎng)時(shí)間的殘留在土壤介質(zhì)中，危害性極大。,25,一、生物凈化土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要成員，它們可以分為細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類(lèi)和原生動(dòng)物等。它們本身在生命的代謝活動(dòng)過(guò)程中具有對(duì)外源污染物自發(fā)降解的能力。在履行這一功能的過(guò)程中，土壤微生物將環(huán)境污染物降解或利用，從而使生態(tài)系統(tǒng)具有了一定的納污和清污的能力，使土壤保持正常的功能，這種特殊作用稱(chēng)之為生物凈化。,第二節(jié) 土壤污染物的微

22、生物凈化與修復(fù),26,二、生物修復(fù)生物修復(fù)亦為環(huán)境生物技術(shù)，通過(guò)生物技術(shù)對(duì)人為造成的環(huán)境污染進(jìn)行醫(yī)治、恢復(fù)、糾正和修補(bǔ)。是依賴微生物降解活動(dòng)使自然的生物降解速度和能力人為加強(qiáng)和加快的過(guò)程，包括所有微生物處理方法和過(guò)程。生物修復(fù)處理污染物的優(yōu)點(diǎn)并未顯得十分突出，微生物的潛力未能得到充分的開(kāi)發(fā)和利用。當(dāng)化合物沒(méi)有很好的被微生物凈化，不是因?yàn)椴淮嬖诳山到獾奈⑸锶郝?，而是沒(méi)有針對(duì)不同處理目的滿足微生物生長(zhǎng)的最佳條件。這些不足為生物修復(fù)

23、技術(shù)深入研究與發(fā)展開(kāi)辟了廣闊的領(lǐng)域。,27,三、主要生物修復(fù)技術(shù)1.原位生物修復(fù)(in situ bioremediation)生物通風(fēng)法：是在不飽和土壤中真空壓入空氣，以增強(qiáng)空氣在土壤中及大氣與土壤之間的流動(dòng)，為微生物活動(dòng)提供充足的氧氣。生物攪拌法：是將土壤的飽和部分壓入空氣，同時(shí)從土壤的不飽和部分真空吸取空氣，這樣即向土壤提供了充足的氧氣又加強(qiáng)了空氣的流通,28,泵出處理法：是將污染的地下水回收，進(jìn)行地表處理(通常用生物反應(yīng)器

24、)后與營(yíng)養(yǎng)液混合，由注入井/地溝回注入土壤，由于處理后水中包含有馴化的降解菌，因而對(duì)土壤有機(jī)污染物的生物降解有促進(jìn)作用。,29,2.異位生物修復(fù)(on situ or ex-situ bioremediation)異位生物修復(fù)是將土壤挖出，在場(chǎng)外或運(yùn)至場(chǎng)外的專(zhuān)門(mén)場(chǎng)地進(jìn)行處理的方法。固相處理：包括土壤耕作法(land farming)、制備床法(preparing bed reactor compost)堆腐法和土地填埋法(land

25、filting)；生物泥漿反應(yīng)器法(bio-slurry),30,3.其他生物修復(fù)技術(shù)遺傳改性法：通過(guò)綜合、轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)變，質(zhì)粒轉(zhuǎn)變可以使細(xì)菌在他們的環(huán)境中快速變化，通過(guò)傳播遺傳信息合成降解新基質(zhì)所必需的酶，這一特點(diǎn)使得細(xì)菌能降解外來(lái)污染物，是這些微生物有利于控制環(huán)境質(zhì)量的原因之一。游離酶法：微生物分離出來(lái)的游離酶可以將有害污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)害或更安全的化合物，工業(yè)一般用粗制或精制的酶提取物，以溶液或固定在載體上的形式來(lái)催化各種反應(yīng)，包括

26、轉(zhuǎn)化碳水化合物和蛋白質(zhì)。由于游離酶能快速降低毒性，且能在不適合微生物的環(huán)境中保持活性，這就使在高pH、高溫、高鹽或高溶劑濃度土壤中的應(yīng)用成為可能。,31,生物修復(fù)相比傳統(tǒng)物理和化學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)：工程簡(jiǎn)單，處理費(fèi)用相對(duì)較低可以達(dá)到較高的清潔水平能較徹底的將有機(jī)污染物降解為最終產(chǎn)物當(dāng)然生物修復(fù)并非萬(wàn)能的，具有的缺點(diǎn)：處理所需時(shí)間周期長(zhǎng)還不能處理重金屬污染土壤，對(duì)難降解有機(jī)污染物的去除還存在問(wèn)題,,32,4.生物修復(fù)的目標(biāo)和應(yīng)滿足的

27、條件目標(biāo)：將土壤中的有機(jī)污染物降解到檢測(cè)線以下的水平，或者是降解到低于某一環(huán)境處理標(biāo)準(zhǔn)值以下。應(yīng)滿足的條件：必須有活性微生物存在；這些微生物必須有能力在合理的速率下將污染物從起始的高濃度降解到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)濃度以下微生物的分解過(guò)程不應(yīng)產(chǎn)生毒性代謝物處理點(diǎn)化學(xué)品及其濃度不應(yīng)顯著抑制微生物的降解活性，否則必須加以稀釋處理處理的化學(xué)品必須是生物可利用性的在處理點(diǎn)或反應(yīng)器中的條件必須適合微生物生長(zhǎng)，要有適當(dāng)?shù)难鯕?、無(wú)機(jī)養(yǎng)分、適宜的溫度、

28、濕度、碳源和微生物共代謝的能源技術(shù)費(fèi)用要低,33,5.有機(jī)污染物礦物油的生物修復(fù)有機(jī)污染物的生物可利用性是影響生物修復(fù)的重要因素。對(duì)有機(jī)污染物的生物修復(fù)有2個(gè)途徑：一是將有機(jī)污染物作為惟一碳源和能源二是將有機(jī)污染物與其他物質(zhì)一起以共代謝方式進(jìn)行（1）礦物油：是由數(shù)千種化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的復(fù)雜混合物，主要由烴類(lèi)和非烴類(lèi)組成，其中烴類(lèi)占95%-99.5%。微生物對(duì)烷烴的分解特征：鏈烴比環(huán)烴易氧化，正構(gòu)烷烴比異構(gòu)烷烴易氧化，

29、直鏈烷烴比支鏈烷烴易氧化。,34,（2）影響石油烴生物降解的因素：一般認(rèn)為細(xì)菌分解原油比真菌和放線菌容易得多；微生物暴露于受污染的環(huán)境，發(fā)生的適應(yīng)過(guò)程有三種機(jī)制：（1）特定酶的產(chǎn)生和失活（2）導(dǎo)致代謝活性變化的遺傳物質(zhì)的變化（3）能夠遷移降解石油烴的微生物的富集,35,（3）影響礦物油降解的生態(tài)因子氧氣：烴類(lèi)化合物的降解要在好氧條件下進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)元素：土壤中N、P含量一般較低，石油烴污染后，C源大量增加，N、P含量特別是可溶性

30、N、P就成為上述影響降解的因子濕度和pH：生物降解必須在一定的土壤濕度條件下進(jìn)行，濕度過(guò)大或過(guò)小都將影響土壤的通氣性。濕度達(dá)到最大持水量的30%-90%時(shí)，宜于石油烴的生物降解。其他土壤性質(zhì)：還未對(duì)土壤質(zhì)地、化學(xué)組成、氧化還原電位、黏土含量等因素對(duì)石油烴的降解率進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究，但土壤顆粒大小和土壤有機(jī)質(zhì)含量是兩個(gè)重要影響因素。,36,6.多環(huán)芳烴多環(huán)芳烴(PAHs)是由兩個(gè)以上苯環(huán)以線狀和簇狀排列組合的一組含有碳和氫原子的有機(jī)物。

31、（1）美國(guó)EPA黑名單上幾種PAHs的毒性及其生物降解萘、苊烯、蒽、菲、芘、熒蒽、苯并(a)芘總之，包括細(xì)菌、真菌、酵母和藻類(lèi)等在內(nèi)的微生物都有能力代謝低分子和高分子PAHs,,37,（2）PAHs的微生物降解作用研究表明，將表層和亞表層土壤微生物提前暴露于PAHs或其他的碳?xì)浠衔镏锌梢栽黾咏到饴?。?）野外條件下PAHs的生物降解作用任何微生物對(duì)污染土壤的清潔作用取決于它們?cè)诙嘟橘|(zhì)的土壤環(huán)境中的存活率和表現(xiàn)。限制微生物生

32、長(zhǎng)的因素包括種間競(jìng)爭(zhēng)，微生物的壽命，及在油PAHs存在條件下的降解基質(zhì)，場(chǎng)地條件等。,,38,（4）PAHs的生物降解途徑1）生物化學(xué)途徑：生物修復(fù)的最終目的是將有機(jī)污染物完全降解為無(wú)害組分二氧化碳和水2）微生物學(xué)途徑：一是作為微生物的碳源和能源二是共代謝或是共氧化作用,,39,（5）影響土壤PAHs降解的生態(tài)條件PAHs的降解率可以通過(guò)控制土壤的生態(tài)條件得到改善。,,40,（6）表面活性劑對(duì)PAHs生物降解的影響PAHs

33、在土壤中的強(qiáng)烈吸附限制了它們的生物可利用性，高分子PAHs的低水溶性是生物降解的主要限制因子，嚴(yán)重的控制了高分子PAHs的降解率。表面活性劑在超過(guò)其臨界膠束濃度時(shí)，能增強(qiáng)PAHs的解吸和溶解度。但在使用時(shí)，應(yīng)掌握適當(dāng)?shù)臐舛?。過(guò)高會(huì)抑制微生物活性，或被當(dāng)作母體基質(zhì)，增加處理費(fèi)用。研究表明，濃度超過(guò)臨界膠束時(shí)具有很好的處理效果。濃度過(guò)低時(shí)，雖然也能增加PAHs的降解，但是不會(huì)增加PAHs的土壤解吸量。表面活性劑本身的可降解性也是一個(gè)值

34、得考慮的問(wèn)題。,41,一、植物生物修復(fù)法的基本假設(shè)植物修復(fù)是一種即經(jīng)濟(jì)、又高效的處理污染土壤的方法，因?yàn)橹参锬芴峁┛衫玫难a(bǔ)充碳源來(lái)促進(jìn)根際微生物的生長(zhǎng)，增加土壤微生物的種群總量，土壤微生物通過(guò)在根圈內(nèi)吸收、累積、代謝和生物遷移刺激污染物的去除。,第三節(jié) 植物修復(fù)及其對(duì)土壤微生物生物修復(fù)的促進(jìn)作用,42,二、植物修復(fù)的特點(diǎn)植物對(duì)生物修復(fù)的貢獻(xiàn)可分為兩方面：一是植物自身對(duì)污染物的吸收、轉(zhuǎn)化與積累；二是為生物修復(fù)提供有利條件，促進(jìn)土

35、壤微生物對(duì)污染物的生物降解,,43,三、植物根圈對(duì)微生物活性的促進(jìn)效應(yīng)根圈是一個(gè)由植物根與土壤微生物之間的獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)相互作用帶，植物根圈為微生物生長(zhǎng)提供了特殊的棲息環(huán)境，是土壤微生物大量聚集繁殖的地方。沒(méi)有根圈有機(jī)物質(zhì)的釋放，許多微生物不可能在土壤生態(tài)系統(tǒng)生存。植物根系統(tǒng)是“最重要的土壤住戶”，因?yàn)樗峁┝蓑?qū)動(dòng)整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)的能量。植物分泌物刺激了微生物的生長(zhǎng)，反過(guò)來(lái)，微生物的生長(zhǎng)也加速了植物的生長(zhǎng)。,44,四、植物根圈化學(xué)因

36、素對(duì)微生物群落的影響根具有對(duì)微生物群落的供應(yīng)結(jié)構(gòu)，它通過(guò)向根圈輸入光合產(chǎn)物提供微生物群落的生長(zhǎng)?？菟赖募?xì)胞和植物滲出液使根圈微生物棲息地變成了一塊十分富饒土壤。從根的溢出物，植物衍生物釋放到根圈中的物質(zhì)可以是無(wú)機(jī)的或有機(jī)的?？梢宰鳛榛钚砸绯鑫锍霈F(xiàn)，如正向滲漏，黏液的產(chǎn)生，也可以是枯死的根細(xì)胞。,45,五、植物根圈的物理因素根圈的物理環(huán)境同樣重要，它們影響污染物的生物降解，對(duì)污染物的生物可利用性程度有影響，根和根圈的物理形態(tài)學(xué)是在設(shè)

37、計(jì)就地生物修復(fù)系統(tǒng)時(shí)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。研究表明，較高的根：枝比與根中碳的釋放和根與土壤微生物的聯(lián)系有關(guān)，被根所觸及到的土壤體積會(huì)因根的深度和分枝的伸展模式而不同。這些因素通常受環(huán)境因素制約。但同時(shí)也受植物種類(lèi)的限制。生物修復(fù)需要理想的根系統(tǒng)，所以，淺根、低擴(kuò)散的根，即使能支持一個(gè)具有高降解能力的微生物群，但是對(duì)亞表層土壤污染物的生物降解顯然滿足不了需要。,46,六、生物可利用性污染物對(duì)植物和微生物群落的生物可利用性能改變根圈的生

38、物降解作用。七、植物—微生物—污染物在根圈的相互作用很多研究證明有害物質(zhì)在多種植物根圈被微生物降解，這些個(gè)別事例可以證明，植物對(duì)土壤中存在的化學(xué)品所造成的壓力具有反應(yīng)能力。植物對(duì)自身利益的保護(hù)可歸屬與根圈微生物群落的脫毒能力。,47,八、植物對(duì)PAHs脫毒的可能機(jī)理PAH在植物體內(nèi)的降解，植物可以利用多種反應(yīng)降解結(jié)構(gòu)復(fù)雜的芳環(huán)有機(jī)污染物為結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的衍生物。九、植物對(duì)PAHs污染土壤生物修復(fù)的短期效應(yīng)由于植物作用，減少了污染物

39、對(duì)人體健康和環(huán)境的直接暴露，植物覆蓋在土壤的表面阻止了污染物向大氣的直接釋放，人的直接呼吸吸入和皮膚接觸。由于植物對(duì)水土保持的作用，它也減少了污染物的表面徑流和地下滲漏，因此說(shuō)植物修復(fù)污染土壤具有很好的短期效應(yīng)。,48,十、植物對(duì)PAHs污染土壤植物修復(fù)的方法論植物生物修復(fù)研究應(yīng)首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，若野外規(guī)模的研究應(yīng)包括以下若干方面考慮：選擇有代表性的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)通過(guò)研究評(píng)價(jià)PAHs降解動(dòng)力學(xué)來(lái)評(píng)價(jià)處理功能制定質(zhì)量保證和質(zhì)量控制計(jì)劃

40、對(duì)采樣和樣品分析進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)、來(lái)評(píng)價(jià)處理的有效性通過(guò)評(píng)價(jià)各種植物的處理功能、篩選出最適合于此技術(shù)的植物品種,49,十一、影響植物修復(fù)的因素1.植物根：植物根在很大程度上決定根圈的降解效率，也是植物儲(chǔ)存從土壤中獲取來(lái)的水分、養(yǎng)分和其他生長(zhǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)庫(kù)。2.土壤中的理化性質(zhì)及其他：土壤中污染物的濃度電子接收體的數(shù)量養(yǎng)分供應(yīng)，養(yǎng)分狀況、鹽分、pH、磷肥和鈣的可利用性土壤質(zhì)地和組成氣候條件環(huán)境條件根系發(fā)育狀況植物種類(lèi),50

41、,十二、植物根圈的生物降解過(guò)程1.好氧代謝 根圈給好氧及厭氧微生物提供了一個(gè)十分良好的棲息地。幾乎大多數(shù)植物都生長(zhǎng)在不飽和土壤的好氧條件下。使得根能利用土壤中的氧來(lái)呼吸。2.厭氧代謝 植物也可以忍受短期的厭氧條件，但與好氧的相比，厭氧微生物去除在環(huán)境中持久性強(qiáng)的化學(xué)品的能力較強(qiáng)。,51,3.遺傳改性微生物礦化污染物的能力也可以通過(guò)遺傳改性得到加強(qiáng)，細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)化自然發(fā)生，通過(guò)結(jié)合、轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)變，質(zhì)粒轉(zhuǎn)變可以使細(xì)菌在他們

42、的環(huán)境中快速變化，使得細(xì)菌能降解外來(lái)污染物。4.腐殖化作用研究發(fā)現(xiàn)由于腐殖化作用，有毒有機(jī)污染物可以變?yōu)槎栊远幻摱?，因此加?qiáng)自然的腐殖化過(guò)程是一個(gè)有效的脫毒辦法。,52,53,5.深纖維根效應(yīng)大草原草的深根系統(tǒng)可以改善土壤微生物的活動(dòng)。通過(guò)根毛—土壤界面較大的表面積它可以使微生物與PAHs有較多的接觸，從而加強(qiáng)其生物降解率。根圈的細(xì)菌與真菌合作可產(chǎn)生較高的多種代謝，根際溢出物可以誘導(dǎo)高分子PAHs的共代謝。6.濃度因子定義：

43、根內(nèi)化學(xué)品的濃度與土壤水中化學(xué)品濃度之比。,54,十三、微生物—植物相互作用主生植物的種類(lèi)決定根圈微生物群落的組成,55,56,57,十四、植物生物修復(fù)研究現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)及今后任務(wù)1.植物生物修復(fù)土壤PAHs污染物研究2.植物修復(fù)土壤PAHs及其他有機(jī)污染的問(wèn)題3.植物生物修復(fù)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)植物生物修復(fù)技術(shù)之所以受到如此高度的重視，主要原因是它大大減少了清潔土壤所需的費(fèi)用。,58,十五、植物修復(fù)技術(shù)尚待研究的問(wèn)題生物修復(fù)技術(shù)尚存在許