利用微生物修復汙染土壤

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生物修復和微生物簡介

生物修復是指利用天然或人為引入的微生物來消耗和分解有害汙染物，將其轉化為毒性較低的化合物，從而淨化受汙染的環境。生物修復通常由植物和微生物（如細菌和真菌）完成。汙染物可能是天然存在的化合物，如原油、重金屬等，其濃度較高；也可能是化學合成的化合物，如異生素。

土壤中細菌的數量非常豐富，1克土壤中可包含數十億個細菌細胞。細菌活動在土壤的不同過程中發揮著重要作用，例如：

• 有機質分解。

• 養分釋放。

• 大氣氮固定。

• 植物病原體抑制或植物病害的防治。

• 維持土壤結構。

• 汙染物降解。

因此，可以探索利用細菌進行汙染土壤的生物修復。

碳氫化合物

由於碳氫化合物的生物修復具有運營成本低、易於實施和有利於環境等優點，因此可以作為廢物管理的一種替代方案。土壤中對碳氫化合物的巨大需求導致了汙染源的增加，例如意外洩漏、油輪事故和汙泥產生。因此，生物修復是一個利用一系列生化反應的過程，該過程使用接種在汙染土壤中的微生物群體將碳氫化合物轉化為毒性較低的物質。

溢油

巨大的環境災難確實有可行的解決方案。它們會導致環境破壞，因為石油是有機化合物、重金屬和碳氫化合物的有毒混合物，這些物質會分解成更具危害性的二次化學物質，從而造成嚴重和急性的長期影響。因此，某些微生物如海洋桿菌可以將有害化學物質分解成更安全的無毒化合物。

如果任其放置，環境中的微生物最終會分解石油，但這需要很長時間。微生物的數量增長受環境中營養物質和其他因素的可用性的限制。新增含有磷、碳和氮等成分的肥料可以使微生物數量增加，並加快這一過程。

除了溢油外，生物修復技術還可以用於清理酸性礦山損害、重金屬汙染的土壤和塑膠汙染。

土壤生物修復技術

生物處理技術利用微生物修復受汙染的土壤。生物修復利用微生物進行生物降解，將有害汙染物轉化為無害的副產物，如乙烷和水，這包括礦化和生物轉化。

生物降解

生物降解涉及從有機化學物質氧化中提取能量的過程。這是一種修復技術，透過將微生物或營養物質注入受汙染的土壤或地下水中來分解汙染物。

生物降解一詞也由其他術語解釋，如生物轉化（將原始化合物的結構進行修改以降低毒性）和礦化（汙染物被用作碳源並被完全代謝，有機分子降解並轉化為其礦物成分，如二氧化碳）。

生物降解通常是由許多微生物群體的協同作用完成的，通常不是單一純培養物參與降解。一個群可以進行初始步驟（降低毒性），然後另一個群可以參與後續步驟（轉化為易於處理的代謝產物），這個過程持續進行，直到所有化學物質都轉化為二氧化碳。很少見到單一物種完全礦化土壤中的化學物質。

土壤生物修復過程主要有兩種不同的策略。

原位生物修復

原位生物修復直接在受汙染的場地進行，無需運輸受汙染的土壤。

• 生物刺激 - 它涉及將改良劑（營養物質、表面活性劑、還原劑，如富含碳的植物油、保溼劑、氧氣、pH 控制）直接放置在受汙染的土壤中，以刺激本土細菌種群進行生物降解。

• 生物通風 - 這涉及透過新增氧氣來增強通氣。

• 生物強化 - 它涉及將選定的降解性本土細菌或基因工程細菌接種到汙染土壤中，以加速其降解。

異位生物修復

此過程涉及挖掘受汙染的土壤並將其轉移到另一個地點進行處理。

• 生物反應器 – 大型容器，用於監測受汙染的土壤並控制條件。

• 生物堆 – 將土壤堆放在堆中，然後通氣並提供營養物質。

• 土地耕作 – 受汙染的土壤被鋪在苗床上，這包括定期供應營養物質和混合，以改善微生物活性。

影響生物修復的因素

• 微生物的遺傳潛力。

• 化學物質的生物利用度 – 如果化學物質被吸收到生物層中，則不被認為是生物可利用的。

• 汙染物的結構。

• 汙染物的毒性。

• 環境因素。

  這些決定了生物速率。

  • 氧氣

  • 有機質

  • 氮

  • 溫度

  • pH

  • 鹽度

  • 水分活度

所有這些因素決定了化學物質從環境中消失的速度。

生物修復的優勢

• 與物理和化學方法相比，生物修復成本更低。

• 沒有額外的處置成本，因為大多數情況下化合物透過礦化使其毒性降低。

• 通常維護成本低。

• 處理系統不會造成視覺汙染。

• 能夠影響許多源區並減少場地的清理時間。

微生物利用有毒物質

微生物以三種不同的方式利用有毒土壤化學物質。

• 用作其代謝中的主要底物，因為化合物本身充當碳源。

• 用作次要底物，當化合物本身在環境中的濃度不高時，並提供能量。降解這些化合物需要更長的時間。

• 用作共代謝底物，當汙染物發生意外轉化時。在這裡，我們需要新增額外的碳源供細菌生長，並且相同的酶催化降解。

微生物生長需求

• 需要有毒物質作為碳源或能源。

• 提供微量元素以及氮和磷作為營養物質。

• 環境條件，如pH、溫度和電導率。

• 需要向土壤環境中提供電子受體，包括$\mathrm{O_2, NO_{3^-}, SO_4^{2^-}}$等。

因此，當環境中同時存在電子受體和供體時，微生物會氧化化合物並將電子放入受體中，將其轉化為CO2和水。汙染物中的所有有機成分都變成無機成分，這是透過礦化化合物完成的。

好氧和厭氧生物降解

大多數情況下，生物修復是在好氧條件下進行的，氧氣是最終電子受體，它是限制因素，因此汙染物環境會提供氧氣。此過程稱為好氧生物降解。

在厭氧條件下，厭氧細菌也可以降解汙染物，我們需要提供各種電子受體，如硝酸根離子、硫酸根離子或產甲烷或發酵條件。此過程稱為厭氧生物降解。

厭氧生物降解比好氧生物降解慢得多，因為厭氧微生物繁殖所需的時間比好氧細菌長得多。還有一些特殊的細菌稱為兼性需氧菌，它們利用氧氣，在缺氧的情況下可以切換到硝酸鹽。

結論

生物修復是修復受汙染土壤最有效的方法，可以替代其最終處置，而不會影響土壤、水和空氣資源。這種方法是一種經濟高效、環境友好且公眾接受的修復受汙染土壤的替代方法。

生物降解是一種修復技術，它涉及透過將微生物或營養物質注入受汙染的土壤中來分解石油汙染物。堆肥也是一項用於修復土壤的技術，透過與堆肥混合以改善微生物活性，從而分解生物降解性差的有機物，如炸藥。