生物修复：特征，类型，优点和缺点 - 生物学 - 2025

在生物治理是使用细菌的微生物，真菌，植物和/或分离的酶的代谢能力，以除去在土壤和水中的污染物的一组生物技术卫生的。

微生物（细菌和真菌）和某些植物可以生物转化多种污染和有毒的有机化合物，直到它们无害或无害为止。他们甚至可以将某些有机化合物生物降解为最简单的形式，例如甲烷（CH ₄）和二氧化碳（CO ₂）。

图1.漏油造成的环境污染，随后进行了生物修复处理资料来源：commons.wikimedia.org

一些微生物和植物还可以在环境中（原位）提取或固定有毒的化学元素，例如重金属。通过将有毒物质固定在环境中，它不再对活生物体可用，因此不会影响它们。

因此，降低有毒物质的生物利用度也是一种生物修复的形式，尽管这并不意味着该物质已从环境中去除。

当前，在开发经济和低环境影响（或“环境友好”）技术（例如对地表水和地下水，污泥和受污染的土壤进行生物修复）的技术上，科学和商业兴趣日益增长。

生物修复的特征

可以被生物修复的污染物

生物修复的污染物包括重金属，放射性物质，有毒有机污染物，爆炸性物质，石油衍生的有机化合物（聚芳烃或HPA），苯酚等。

生物修复过程中的物理化学条件

因为生物修复过程取决于微生物和活体植物或其分离的酶的活性，所以必须为每种生物或酶系统维持适当的物理化学条件，以优化其在生物修复过程中的代谢活性。

在整个生物修复过程中需要优化和维护的因素

-在环境条件下污染物的浓度和生物利用度：由于污染物的浓度和生物利用度过高，可能会对具有生物转化能力的相同微生物产生危害。

-湿度：水的可用性对于活生物体以及无细胞生物催化剂的酶促活性至关重要。通常，在进行生物修复的土壤中应保持12至25％的相对湿度。

-温度：必须在允许所应用的生物存活和/或所需的酶促活性的范围内。

-生物可利用的营养素：对于感兴趣的微生物的生长和繁殖至关重要。主要是必须控制碳，磷和氮以及一些必需的矿物质。

-水性介质的酸度或碱度或pH值（介质中H ⁺离子的测量）。

-氧气的供应：在大多数生物修复技术中，使用了好氧微生物（例如，在堆肥，生物堆和耕作中），并且必须对底物进行通气。但是，厌氧微生物可以在实验室中非常受控的条件下（使用生物反应器）用于生物修复过程。

生物修复的类型

以下是应用的生物修复生物技术：

生物刺激

生物刺激包括原位刺激那些已经存在于被污染环境中的微生物（自生微生物），能够生物修复污染物质。

原位生物刺激是通过优化所需发生的理化条件来实现的，即：pH值，氧气，湿度，温度等，并添加必要的营养素。

生物强化

由于增加了在实验室中生长的微生物，生物强化涉及增加目标微生物（最好是自生的）的数量。

随后，一旦将感兴趣的微生物原位接种，就必须优化物理化学条件（例如在生物刺激中），以促进微生物的降解活性。

对于生物强化的应用，必须考虑实验室生物反应器中微生物培养的成本。

生物刺激和生物强化都可以与下文所述的所有其他生物技术结合。

堆肥

堆肥包括将受污染的物料与未污染的土壤混合，并添加动植物育种剂和养分。这种混合物形成的圆锥体最高间隔3 m。

锥体的下层的氧合作用必须通过定期用机械从一个位置移到另一个位置来控制。还必须保持湿度，温度，pH值，营养素等的最佳条件。

生物堆

具有生物堆的生物修复技术与上述堆肥技术相同，除了：

• 没有植物或动物来源的育种剂。
• 从一个地点移动到另一个地点消除了曝气。

生物堆固定在同一位置，并通过管道系统在其内层充气，必须从系统设计阶段就考虑其安装，运行和维护成本。

耕种

这种称为“土地耕种”的生物技术（英语翻译：耕种土地）包括将受污染的物质（泥浆或沉积物）与大面积未污染的前30厘米土壤混合。

在最初的几厘米土壤中，由于其通气和混合，有利于降解污染物质。农业机械可用于这些任务，例如犁耕机。

耕作的主要缺点是它必然需要大片土地，可用于粮食生产。

植物修复

植物修复，也称为微生物和植物辅助的生物修复，是一套基于植物和微生物的使用，以去除，限制或减少地表或地下水，污泥和土壤中污染物质毒性的生物技术。

在植物修复过程中，可能会发生污染物的降解，提取和/或稳定化（生物利用度降低）。这些过程取决于植物和生活在其根部附近的微生物之间的相互作用，而该微生物称为根际。

图2.被植物和微生物污染的水的生物修复。来源：Wikyhelper，来自Wikimedia Commons

植物修复在从土壤和地表或地下水（或污染水的根际过滤）中去除重金属和放射性物质方面特别成功。

在这种情况下，植物从环境中在其组织中积聚金属，然后在受控条件下对其进行收获和焚烧，从而使污染物从分散在环境中变成灰烬集中。

可以处理所获得的灰烬以回收金属（如果具有经济意义），或者可以将其丢弃在最终处置废物的地方。

植物修复的一个缺点是缺乏对所涉及的生物（植物，细菌以及可能的菌根真菌）之间发生相互作用的深入了解。

另一方面，必须保持满足所有应用生物需求的环境条件。

生物反应器

生物反应器是相当大的容器，其允许在水性培养基中维持非常可控的物理化学条件，目的是促进感兴趣的生物过程。

细菌微生物和真菌可以在实验室的生物反应器中进行大规模培养，然后应用于原位生物强化过程。为了获得其污染物降解酶，还可以培养微生物。

通过将受污染的底物与微生物培养基混合，有利于污染物的降解，生物反应器可用于异位生物修复过程。

在生物反应器中生长的微生物甚至可以是厌氧的，在这种情况下，水性培养基必须不含溶解氧。

图3。生物反应器。资料来源：es.m.wikipedia.org

在生物修复生物技术中，由于设备维护和微生物培养的要求，生物反应器的使用相对昂贵。

微修复

在有毒污染物的生物修复过程中使用真菌微生物（微观真菌）称为Mycorremediation。

应该考虑到，微观真菌的培养通常比细菌的培养更为复杂，因此意味着更高的成本。此外，真菌的生长和繁殖比细菌要慢，而真菌辅助的生物修复则是一个较慢的过程。

生物修复与传统的物理和化学技术

-优点

生物修复生物技术比常规应用的化学和物理环境卫生技术更加经济和环保。

这意味着与传统的物理化学方法相比，生物修复的应用对环境的影响较小。

另一方面，在生物修复过程中使用的微生物中，有些甚至可以使污染的化合物矿化，从而确保其从环境中消失，而这是常规物理化学过程难以一步实现的。

-要考虑的缺点和方面

自然界中存在的微生物代谢能力

假定仅分离出自然界中存在的1％的微生物，那么生物修复的局限性就是对能够生物降解特定污染物质的微生物的精确鉴定。

缺乏对应用系统的了解

另一方面，生物修复在两个或两个以上生物体的复杂系统中起作用，这通常还没有被完全理解。

研究的某些微生物已将污染化合物生物转化为毒性更高的副产物。因此，有必要事先在实验室中深入研究生物修复生物及其相互作用。

此外，在大规模应用之前，必须进行小规模的中试（现场），最后必须对生物修复过程进行现场监控，以确保正确地进行环境卫生。

外推实验室获得的结果

由于生物系统的高度复杂性，在实验室中以小规模获得的结果不能总是外推到现场过程中。

每个生物修复过程的特殊性

每个生物修复过程都需要根据污染部位的特定条件，要处理的污染物的类型和要应用的有机体进行特定的实验设计。

因此，有必要由跨学科的专家小组来指导这些过程，其中必须是生物学家，化学家，工程师等。

维持有利于所需生长和代谢活性的环境物理化学条件意味着在生物修复过程中需要进行长期的工作。

所需时间

最后，生物修复过程可能比传统的物理化学过程花费更长的时间。

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