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生态环境系统修复:修复机制与基本方法

来源: 时间:2019/9/9 15:30:38

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生态修复(ecological remediation)是在生态学原理指导下,以生物修复为基础,结合各种物理修复、化学修复以及工程技术措施,通过优化组合,使之达到最佳效果和最低耗费的一种综合的修复污染环境的方法。生态修复的顺利施行,需要生态学、物理学、化学、植物学、微生物学、分子生物学、栽培学和环境工程等多学科的参与。对受损生态系统的修复与维护涉及生态稳定性生态可塑性稳态转化等多种生态学理论。


生态修复的特点

(1)严格遵循循环再生、和谐共存、整体优化、区域分异等生态学原理

循环再生原理:生态系统通过生物成分,一方面利用非生物成分不断地合成新的物质,一方面又把合成物质降解为原来的简单物质,并归还到非生物组分中。如此循环往复,进行着不停顿的新陈代谢作用。这样,生态系统中的物质和能量就进行着循环和再生的过程。生态修复利用环境一植物一微生物复合系统的物理、化学、生物学和生物化学特征对污染物中的水、肥资源加以利用,对可降解污染物进行净化,其主要目标就是使生态系统中的非循环组分成为可循环的过程,使物质的循环 和再生的速度能够得以加大,最终使污染环境得以修复。

和谐共存原理:在生态修复系统中,由于循环和再生的需要,各种修复植物与微生物种群之间、各种修复植物与动物种群之间、各种修复植物之间、各种微生物之间和生物与处理系 统环境之间相互作用,和谐共存,修复植物给根系微生物提供生态位和适宜的营养条件,促进一些具有降解功能微生物的生长和繁殖,促使污染物中植物不能直接利用的那部分污染物转化或降解为植物可利用的成分,反过来又促进植物的生长和发育。

整体优化原理:生态修复技术涉及点源控制、污染物阻隔、预处理工程、修复生物选择和修复后土壤及水的再利用等基本过程,它们环环相扣,相互不可缺少。因此,必须把生态修复系统看成是一个整体,对这些基本过程进行优化,从而达到充分发挥修复系统对污染物的净化功能和对水、肥资源的有效利用。 ┃

区域分异原理:不同的地理区域,甚至同一地理区域的不同地段,由于气温、地质条件、土壤类型、水文过程以及植物、动物和微生物种群差异很大,导致污染物质在迁移、转化和降 解等生态行为上具有明显的区域分异。在生态修复系统设计时,必须有区别地进行工艺与修复生物选择及结构配置和运行管理。

(2)影响因素多而复杂

生态修复主要是通过微生物和植物等的生命活动来完成的,影响生物生活的各种因素也将成为影响生态修复的重要因素,因此,生态修复也具有影响因素多而复杂的特点。

(3)多学科交叉

生态修复的顺利施行,需要生态学、物理学、化学、植物学、微生物学、分子生物学、栽培学和环境工程等多学科的参与,因此,多学科交叉也是生态修复的特点。

生态修复机制

(1)污染物的生物吸收与富集机制

土壤或水体受重金属污染后,植物会不同程度地从根际圈内吸收重金属,吸收数量的多少受植物根系生理功能及根际圈内微生物群落组成、pH值、氧化-还原电位、重金属种类和浓度以及土壤的理化性质等因素影响,其吸收机理是主动吸收还是被动吸收尚不清楚。植物对重金属的吸收可能有以下三种情形:

一是完全的“避”,这可能是当根际圈内重金属浓度较低时,根依靠自身的调节功能完成自我保护,也可能是无论根际圈内重金属浓度有多高,植物本身就具有这种“避”机理,可以免受重金属毒害,但这种情形可能很少。

二是植物通过适应性调节后,对重金属产生耐性,吸收根际圈内重金属,植物本身虽也能生长,但根、茎、叶等器官及各种细胞器受到不同程度的伤害,使植物生物量下降。这种情形可能是植物根对重金属被动吸收的结果。

第三种情形是指某些植物因具有某种遗传机理,将一些重金属元素作为其营养需求,在根际圈内该元素浓度过高时也不受其伤害,超积累植物就属于这种情况。植物根对中度憎水有机污染物有很高的去除效率,中度憎水有机污染物包括BTX(即苯、甲苯、乙苯和二甲苯)、

氯代溶剂和短链脂肪族化合物等。植物将有机污染物吸入体内后,可以通过木质化作用将它们及其残片储藏在新的组织结构中,也可以代谢或矿化为CO2和H2O,还可以将其挥发掉。根系对有机污染物的吸收程度取决于有机污染物的浓度和植物的吸收率、蒸腾速度。植物的吸收率取决于污染物的种类、理化性质及植物本身特性。其中,蒸腾作用可能是决定根系吸收污染物速率的关键变量,这涉及到土壤或水体的物理化学性质、有机质含量及植物的生理功能,如叶面积,蒸腾系数,根、茎和叶等器官的生物量等因素。一般来说,植物根系对有机污染物吸收的强度不如对无机污染物如重金属的吸收强度大,植物根系对有机污染物的修复,主要是依靠根系分泌物对有机污染物产生的络合和降解等作用。此外,植物根死亡后,向土壤释放的酶也可以继续发挥分解作用,如脱卤酶、硝酸还原酶,过氧化物酶、漆酶等。细菌等微生物也可以大量的富集重金属,但由于这些微生物难以去除,而且虽然重金属在这些微生物体内可能会转化为无害物质而暂时对环境无害,但等微生物死亡后又会重新进入环境而造成潜在危害。因此,这种机制对于重金属污染土壤或水体的修复意义不是很大。

植物降解功能也可以通过转基因技术得到增强,如把细菌中的降解除草剂基因转导到植物中产生抗除草剂的植物,这方面的研究已有不少成功的例子。因此,筛选、培育具有降解有机污染物能力的植物资源就显得十分必要。 

(2)有机污染物的生物降解机制

生物降解是指通过生物的新陈代谢活动将污染物质分解成简单化合物的过程。这些生物虽然也包括动物和植物,但由于微生物具有各种化学作用能力,如氧化—还原作用、脱羧作用、脱氯作用、脱氢作用、水解作用等,同时本身繁殖速度快,遗传变异性强,也使得它的酶系能以较快的速度适应变化了的环境条件,而且对能量利用的效率更高,因而具有将大多数污染物质降解为无机物质(如二氧化碳和水)的能力,在有机污染物质降解过程中起到了很重要的作用。

微生物具有降解有机污染物的潜力,但有机污染物质能否被降解还要看这种有机污染物质是否具有可生物降解性。可生物降解性是指有机化合物在微生物作用下转变为简单小分子化合物的可能性。有机污染物质是有机化合物中的一大类。有机化合物包括天然的有机物质和人工合成的有机化学物质,天然形成的有机物质几乎可以完全被微生物彻底分解掉,而人工合成的有机化学物质的降解则很复杂。多年来的研究表明,在数以百万甚至上千万计的有机污染物质中,绝大多数都具有可生物降解性,有些专性或非专性降解微生物的降解能力及降解机理已十分清楚,但也有许多有机污染物是难降解或根本不能降解的,这就要求一方面加深对微生物降解机理的了解,以提高微生物的降解潜力。另一方面也要求在新的化学品合成之后,进行可生物降解性试验,对于那些不能生物降解的化学品应当禁止使用,只有这样才能有利于人类的可持续发展。

细菌除直接利用自身的代谢活动降解有机污染物外,还能以环境中有机质为主要营养源,对大多数有机污染物进行降解,如多种细菌可利用植物根分泌的酚醛树脂如儿茶素和香豆素进行降解多氯联苯PCBs的共代谢,也可以降解2,4-D。细菌对低分子量或低环有机污染物如多环芳烃PAHs(二环或三环的)的降解,常将有机物作为唯一的碳源和能源进行矿化,而对于高分子量的和多环的有机污染物多环芳烃PAHs(三环以上的)、氯代芳香化合物、氯酚类物质、多氯联苯(PCBs)、二恶英及部分石油烃等则采取共代谢的方式降解。这些污染物有时可被一种细菌降解,但多数情况是由多种细菌共同参与的联合降解作用。

菌根真菌在促进植物根对有机污染物吸收的同时,也对根际圈内大多数有机污染物尤其是持久性有机污染物(POPs)起到不同程度地降解和矿化作用,其降解的程度取决于真菌的种类、有机污染物类型、根际圈物理和化学环境条件及微生物群系间的相互作用。研究表明,许多外生菌根真菌对许多POPs可以部分降解。

腐生真菌及一些土壤动物对污染物质也有一定的修复作用。白腐真菌能产生一套氧化木质素和腐殖酸的降解酶,这些酶包括木质素过氧化物酶,锰过氧化物酶和漆酶,这些酶除能降解一些POPs外,其扩散到环境介质中的产物也能束缚一部分POPs,从而减轻对植物的毒害。蚯蚓也能部分吸收重金属,以减少对植物的毒害。

(3)有机污染物的转化机制

转化或降解有机污染物是微生物正常的生命活动或行为。这些物质被摄入体内后,微生物以其作为营养源加以代谢,一方面可被合成新的细胞物质;另一方面也可被分解生成CO2和H2O等物质,并获得生长所必需的能量。微生物通过催化产生能量的化学反应获取能量,这些反应一般使化学键破坏,使污染物的电子向外迁移,这种化学反应称为氧化-还原反应。其中,氧化作用是使电子从化合物向外迁移的过程,氧化-还原过程通常供给微生物生长与

繁衍的能量,氧化的结果导致氧原子的增加和氢原子的丢失;还原作用,则是电子向化合物迁移的过程,当一种化合物被氧化时这种情况可发生。在反应过程中有机污染物被氧化,是电子的丢失者或称为电子给予体,获得电子的化学品被还原,是电子的接受体。通常的电子接受体为氧、硝酸盐、硫酸盐和铁,是细胞生长的最基本要素,通常被称为基本基质。这些化合物类似于供给人类生长和繁衍必需的食物和氧。

(4)生态修复的强化机制

对于污染程度较高且不适于生物生存的污染环境来说,生物修复就很难实施,这时就要采用物理或化学修复的方法,将污染水平降到能够降到的最低水平,若此时仍达不到修复要求,就要考虑采用生态修复的方法,而在生态修复实施之前,先要将环境条件控制在能够利于生物生长的状态。但一般来说,简单的直接利用修复生物进行生态修复,其修复效率还是很低的,这就需要采用一些强化措施,进而形成整套的修复技术。

强化机制分为两个方面,一是提高生物本身的修复能力,二是提高环境中污染物的可生物利用性,如深层曝气、投入营养物质、投加添加剂等。 

生态修复的基本方式

根据生态修复的作用原理,生态修复可以有以下几种修复方式:

微生物—物理修复、微生物—化学修复、微生物—物理—化学修复、植物—物理修复、植物—化学修复、植物~物理—化学修复、植物—微生物修复、植物--微生物—化学修复、植物一微生物—物理修复

生物修复:是生态修复的基础,生物修复定义是指生物特别是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的污染物的一个受控或自发进行的过程.这是狭义的定义。生物修复的成功与否主要取决于以下3个方面,即微生物活性、污染物特性和环境状况。

物理与化学修复:是生态修复的构成要素,物理修复与化学修复是指充分利用光、温、水、气、热、土等环境要素,根据污染物的理化性质.通过机械分离、蒸发、电解、磁化、冰冻、加热、凝固、氧化—还原、吸附—解吸、沉淀—溶解等物理和化学反应,使环境中污染物被清除或转化为无害物质。通常.为了节省环境治理的成本,物理修复或化学修复往往作为生物修复的前处理阶段。

植物修复:是生态修复的基本形式,在污染环境治理中,从形式上来看,似乎主要是植物在起作用,但实际上在植物修复过程中.往往是植物、根系分泌物、根际圈微生物、根际圈土壤物理和化学因素(这些因素可以部分人为调控)等在共同起作用。总的来看,植物修复几乎包括了生态修复的所有机制,是生态修复的基本形式。

生态修复的理论基础


生态修复的对象是生态系统,因此,需要了解生态系统的一些基本属性,如生态系统的结构与功能、物理化学环境、生态系统中动植物群落的演替规律,需要了解生态系统的优势物种或旗舰物种,还需要认识生态稳定性生态可塑性以及生态系统的稳态转化等。只有这样才能确定生态修复的目标,才能制定有效的生态修复措施与技术组合。


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