4章 影响生物修复的环境条件(1).ppt

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1、第四章第四章 影响生物修复的环境条件影响生物修复的环境条件 第一节 环境条件与微生物降解第二节 微生物系统的人工调控第三节 土壤理化性状第四节 地下水特征第五节 大气特征第六节 现场调查与评价第七节 可处理性研究第一节 环境条件与微生物降解一、非生物因子对微生物降解的影响二、生物因子对微生物降解的影响物理、化学和生物等环境条件都会影响微生物的生存和活动，即影响微生物的种类、生物化学转化速率和生物降解产物。如不同地点取样的微生物对同一个污染物代谢情况有很大差异。一、非生物因子对微生物降解的影响物理化学因子矿质元素供应多种基质作用一、非生物因子对微生物降解的影响1、物理化学因子包括：温度，pH，土

2、壤水分，盐分，水压（深海和深层土壤）每种微生物对环境都有一个耐受范围。超过了范围，降解作用就不会发生。（1）温度 一般是随温度增加而增加（2）pH 一般用石灰调节酸性土壤（3）水分 土壤水分是重要限制因子。最适宜的水分是田间持水量田间持水量的30-90%。最适水分取决于土壤特性，化合物种类已厌氧还是好氧转化。含油污泥的生物降解的最适水分为田间持水量的30-90%。(4)盐分 设计渗透压（5）压力 海底高压力不适应微生物降解。调节上述因子有利于提高效率，但是往往在经济上是不可行的,也不具有可操作性。不过，在反应器中，或者在可控环境中调节温度、水分、pH值可使生物降解反应达到最佳。2、养分供应（1

3、）碳源碳源对细菌和真菌的生长很重要。碳源对细菌和真菌的生长很重要。有机物污染物在环境界面上的有机碳浓度很高，一般不会成为限制因子，但N、P含量很低，而K，S，Mg，Ca，Fe等通常不缺。这是这是N、P经经常成为限制因子，需要添加的原因。常成为限制因子，需要添加的原因。由于共代谢等多种原因，向环境基质中加入有机物或单一化合物往往会促进污染物的降解。见下表通常，在土壤中加入联苯可以加速PCBs 的矿化。间甲酚BHCDDTDDT,七氯2,6-二氯苯胺马拉硫磷（2）氮和磷一般，微生物要求C：N20：1；C：P50-100：1无论是海水，还是土壤中，加入氮磷肥料是促进石油类污染物降解的有力措施。肥料开发

4、：亲油性肥料（oleophilic fertilizers）辛基磷酸盐，癸基磷酸盐，石蜡化尿素，十二烷基尿素。通常是同时加入多种养分（NP）促进作用会更大些。添加N和P对底土中菲矿化的影响在在DEHP存在条件下，存在条件下，无无NP时，菲根本就时，菲根本就不矿化分解不矿化分解（3）生长因子(营养物质：维生素、氨基酸等)1.原养型（prototrophs）2.营养缺陷型（auxotrophs）:指不能制造某种生长因子海水和土壤中90%的细菌,沉积物中75-80%的细菌是营养缺陷型;细菌、真菌和藻类可以分泌生长因子,高级生物可以排泄生长因子.（4）氧气供应 原油和烃类的降解需要充足的氧气。氧气是仅

5、有的或优先电子受体。在深水、土壤和地下水中由于氧气的限制，常常导致降解很慢或不能进行。典型的修复策略是增加供氧，如强制供气，添加过氧化氢等（5）多种基质作用在自然条件或污染条件下，污染物通常是多基质的。微生物在多种基质存在下的降解行为是有很大差别的。多种机制作用的现象p其一、多种有机质可以同时被利用其一、多种有机质可以同时被利用解释：可能是微生物各自有不同的基质 p其二、一种基质可以促进另一种基质的利用其二、一种基质可以促进另一种基质的利用F解释：添加一种基质促进了微生物的生长，从而导致对另一种基质的利用；一种基质是共代谢物，因此，添加后，促进另一种降解；添加某种化合物，诱导微生物产生分解酶；

6、两种化合物中有一种浓度很低，低于生长阈值，另一种化合物可以提供能源，从而促进衡量物质的降解。p其三、一种基质可以减缓另一种基质的利用其三、一种基质可以减缓另一种基质的利用F解释：一种化合物毒性很高，抑制微生物生长而造成另一种化合物降解变缓一种化合物的产物不利于第二种微生物群体的生长由于某种降解微生物的增加，对营养竞争的结果导致另一微生物生长受到抑制p其四、基质可以被顺序利用其四、基质可以被顺序利用二、生物因子对微生物降解的影响协同作用捕食作用p1 协同作用协同作用例子：许多生物降解需要多种微生物的合作。单一菌株不能降解，而混合菌株能降解。如节杆菌属(Arthrobacter)和琏霉菌属(Str

7、eptomyces)在一起时才能矿化二嗪磷。协同机制（1）提供生长因子（2）分解不完全降解物（3）分解共代谢产物（4）分解有毒物:第一种微生物产生的产物对自身有害,而第二种微生物则能降解该产物.p 2 捕食捕食环境中有大量的捕食、寄生微生物,通常对于生物修复是有害的,某些情况下也可以是有益的.原生动物:有抑制和促进两种作用.捕食速率低,细菌繁殖迅速情况下,不会产生很大影响;反之,影响显著.如原生动物对高浓度细胞的4-硝基苯的矿化不会产生影响,在低浓度时,矿化速率明显变慢.p捕食在某些情况下也可促进降解.原生动物也可分泌生长因子促进降解.如原生动物在土壤、海洋等环境中捕食、消化细菌后可分泌维生素

8、、氨基酸等生长因子,促进营养缺陷型菌的生长.第二节 微生物系统的人工调控一、微生物的驯化二、菌株接种三、基因工程菌一、微生物的驯化1 驯化期的概念:污染物开始不发生降解或降解很慢,经过一段时间以后迅速降解的现象.2,4,5-三氯苯氧乙酸三氯苯氧乙酸除草剂在不同土壤除草剂在不同土壤中的消失情况中的消失情况 土壤和水体受到污染后，特别是受到不容易生物降解的有机物污染后，易发生驯化的现象。从污染物进入环境到污染物开始迅速降解这段时间间隔称为驯化期（acclimation period）,或称适应期（adaptation period）、停滞期（lag period）。驯化期长短1小时到几个月不等。某

9、些有机化合物的驯化期某些有机化合物的驯化期驯化及其在污染物处理中的应用工业废水处理：活性污泥的驯化。开始时，用少量工业废水，一定时间后，增大工业废水比例。菌种筛选上的应用：通过人工措施使微生物逐步适应某种特定环境，最后获得有较高耐受力的特定微生物。2 驯化的后效应驯化期的结束标志着降解期的开始。经过一段时间后，再加入相同的化学品，可能出现的现象包括：立即降解，没有停滞期停滞期很短一旦渡过驯化期，后效应可能持续较长时间。但有的化合物没有驯化效应3 农药加速降解现象农药的加速降解（accelerated pesticide degradation）或促进生物降解(enhanced microbia

10、l degradation).具有此现象的农药：2，4-D；2甲4氯；灭草敌；丁草敌无此现象的农药：莠去津（atrazine）；西马津；毒死稗等。在生产上，为了延长农药的作用期，需要使用延缓剂，主要是抑制降解生物的活性。丁草敌的延缓剂是地虫硫磷和二乙磷。4 影响驯化的因素1）环境因子：温度，pH，通气性，NP浓度。2)地点:有些微生物在一个地点可以被驯化，但在另一地点则不然。3）基质的降解性5 产生驯化期的原因1）初始群体太小通常在土壤、天然水和污水、废水中能够利用合成有机化合物的微生物群体数量是很少的，有时只有几个。2）毒物的存在。一是污染品浓度太高，有毒；二是污染品中含有高毒化合物作用方式

11、：单纯抑制：仅使降解菌生长受到抑制抑制快生菌：快生菌本身就是优势菌毒性产生：毒性在降解过程中产生毒性消除：存在于污染物中的毒物逐渐挥发降解消失。3）原生动物的捕食作用：证明:在污泥降解中，加有原生动物抑制剂的驯化期明显缩短。4）新基因型的出现期间，发生高效降解基因的突变和转移，然后形成优势微生物。这个过程需要的时间就是驯化期.此现象不多见.5)二次生长 两种基质或者多种基质存在,易降解基质对后续基质的降解产生了阻碍作用.6）酶的诱导和停滞期酶的诱导通常很短,几分钟或几分小时,但对驯化长短也有一定影响,或者其间受到了阻碍.二、菌株接种1 接种的目的：在环境中有各种各样具有降解能力的微生物群落，如

12、能充分利用，有机物就会迅速降解。如果污染点菌降解效率差,是否有必要对污染地点进行接种？要根据具体情况通过实验来确定。接种（inoculation）又叫生物强化（bioaugmentation）目的是：1)加速污染物的降解:污染物有可能快速扩散;2）克服微生物的不均匀性:和污染物相遇比较困难;3）缩短驯化期4）恢复微生物区系:原有物种被破坏,加入新物种.2 菌株的富集(enrichment)和分离(isolation)1）一般降解菌的富集和分离）一般降解菌的富集和分离富集培养技术：这是一种常用的选择性培养技术。做法是：选择某些因子（炭源、氮源、通气条件、受氢体，温度、pH，或光照）造成特殊的环境

13、条件；若要分离特定有机物的降解菌，富集时就要用该有机物作为唯一的碳源和能源。不添加其他有机物，但要添加无机盐。采用含有各种微生物的样品（如天然长期受污染土壤或污泥）,如没有也可利用现有微生物种类比较丰富的物品(肥沃土,污泥等)油田的污泥和沉积物含有大量的石油降解菌，是很好的材料。因为这些材料是经过自然选择和富集的。这些材料中 特种微生物的数量很高。让最能适应该生长条件的微生物生长速率超过其他微生物并占优势。自同样条件下反复培养，最后在含有同样成份的固体平板上进行培养，就很容易地将富集到的株系分离出来。2）异生素降解菌富集和分离技术）异生素降解菌富集和分离技术异生素往往具有高毒性，非水溶性，高挥

14、发性和不稳定性。A 困难与解决办法困难与解决办法 毒性：一些异生素，如低分子溶剂，本身对微生物具有较高的毒性。一般1%就可以杀灭微生物。办法：=加入土壤，通过吸附降低毒性。微生物的可耐受浓度通常是50-100 g/g=不断向基质加入低浓度的异生素 憎水性解决办法是通过分散作用或使用惰性亲水载体增加界面。使用两相（水-有机溶剂）系统对难降解有机物降解菌的富集、筛选十分有效。如:水相为无机盐溶液，有机相为惰性溶剂如正十六烷、环庚烷和硅油。难降解的污染物溶解在有机相中,微生物在两相界面或水相中利用污染物。挥发性办法：不断添加或在密闭系统中进行 热稳定性有的异生素热稳定性差，造成消毒困难。采用过滤法消

15、毒。B 常用分离技术常用分离技术观察浑浊度和菌落生长比一般菌困难，因为：异生素分解菌生长很慢，不容易将它们和噬寡碳营养菌区分开；异生素不能做唯一碳源时，必须补充加入少量复杂有机物如酵母膏或土壤浸液，增加了复杂性；异生素的不溶性使培养液混浊，增加了判断的复杂性。残留分析和生长情况的判断将异生素分离提取后，用GC，LC，和化学方法测定，如生物呼吸仪也可用同位素14C标记技术测定 降解菌落的选择从固体培养基上挑选所需菌落，一般需要利用菌落的生理特征区别菌落。例如，降解菌菌落会溶解培养基周围的不溶物而在菌落边缘形成透明带。超声乳化克服均匀分布的困难：先将异生素在器皿上形成薄层，再超声乳化成乳浊液。显色

16、技术：加入显色剂 3）共代谢基质降解菌的富集与分离）共代谢基质降解菌的富集与分离由于共代谢是不与微生物生长相联系的基质降解过程，使用降解基质作为唯一碳源行不通。通常采用的办法有：类似物富集技术选择与基质类似的物质加入到体系中，获得的纯培养物能共代谢该化合物。类似物与共代谢物具有相同的碳骨架，但不会阻断生物降解和基质利用 相关酶的测定:测定特定酶活性来筛选菌株.4）同生菌的富集和分离）同生菌的富集和分离具有协同共栖关系的两个或多个微生物种群叫同生菌(Consortia)。常见同生菌富集失败的原因:不存在降解菌.使用方法不当:浓度不当;培养基缺乏生长因子;使用纯培养方法.具体案例:加入有机物到土壤

17、快速降解,但在培养基中分离不到降解菌,原因可能有:培养基缺乏营养(一种微生物负责降解,但需要其它生物提供生长因子,而第二种生物又以前一种生物的代谢产物生长,构成共生关系)协同共栖(共同降解):两种微生物只能协同降解同一种污染物。即使加入生长因子或满足其他条件也不能使同生菌中的每个菌团独立存在。恒化器恒化器是一种设法使培养液流速保持不变，并使微生物始终在低于其最高生长速率条件下进行生长繁殖的一种连续培养装置。这是一种通过控制某一种营养物的浓度，使其始终成为生长限制因子的条件下达到的，因而可称为外控制式的连续培养装置。可以设想，在恒化器恒化器中，一方面菌体密度会随时间的增长而增高，另一方面，限制生

18、长因子的浓度又会随时间的增长而降低，两者互相作用的结果，出现微生物的生长速率正好与恒速流入的新鲜培养基流速相平衡。这样，既可获得一定生长速率的均一菌体，又可获得虽低于最高菌体产量，却能保持稳定菌体密度的菌体。恒化器恒化器主要用于实验室科学研究中，尤其用于与生长速率相关的各种理论研究中。恒化器是种群分离的有效手段。向恒化器中接种土壤或其他环境样品，并不断地提供试验有机物溶液作为唯一碳源和能源，生长快的微生物就保留下来，其他微生物被逐渐淘汰。6）“加速进化加速进化”与富集分离与富集分离活体的遗传工程（in vivo genetic engineering）又称“质粒协助分子育种(plasmid-a

19、ssisted molecular breeding)”它利用环境中存在的微生物在选择性压力下于恒化器中长期培养，通过各种微生物间质粒的自然传递和相互作用质粒的自然传递和相互作用来完成构建新菌株的目的，加速了新的异生素降解菌自然进化的过程。p加速进化与遗传工程的区别:自然过程,加速了生物的进化,培养的微生物最终会在自然界出现;人工过程,微生物可能是“人造”的3 接种成功的案例在反应器中、固体床反应器中、砂滤池处理的地下水中，接种微生物一般会取得成功。但在自然土壤、含水层及地表水中接种不易成功。修复成功案例可作为实际应用的重要参考(多来自文献).土壤：加入假单胞菌菌株和联苯可以使土壤中的PCBs

20、消失。4 接种失败的原因p在实验室培养得到的微生物，接种到环境中后并不具有优势，导致接种失败。亦可作修复时的参考所用.营养限制:浓度过低,微生物不能大量繁殖捕食者和寄生物限制:微生物被不断“猎杀”或消耗移动能力:不能进入土壤内部繁殖其他（基质浓度太低，pH，毒物等）三、基因工程菌利用遗传工程技术可以构建“新”的微生物。这些新微生物具有现有微生物不具备的分解代谢能力，或者能在现有微生物不适合的条件下进行分解活动。应用：构建新的微生物创造新的代谢途径增加微生物某个代谢酶的数量和活性创造能降解多种污染物的超细菌创造某种特定性质的细菌基本概念DNA-mRNA(转录);mRNA-蛋白质(转译)蛋白质构成

21、细胞结构物质,酶可促进特定生化反应染色体（chromosome）-DNA来源之一质粒（plasmid）-DNA来源之二质粒的特点：1）自我复制（self-replication）2)共价闭合环状结构(covalent closed circular DNA):自身再次扭曲成再次螺旋结构3)质粒的相容性(compatibility)与不相容性(incompatibility):共存或不共存于同一细胞 4)质粒的消除、整合(和染色体)和重组(质粒间)5)质粒的转移性:转化(transformation)：在细胞之间不接触或没有载体介入的情况下的基因转移。受体菌直接吸收了来自供体菌的DNA片段，通过

22、交换，把它整合到自己的基因组中，受体菌获得部分新的遗传性状。转导(transduction)：以噬菌体为媒介，把供体细胞的一小段DNA片段携带给受体细胞。接合(conjugation）：供体菌(F因子菌株，F+)通过性纤毛与受体菌（不含F因子，F-）相接触，F+传递不同长度的单链DNA给F-。转化(细胞间不接触或无载体)、转导(噬菌体为媒介)和接合(通过纤毛)接合和转导可以在自然环境中发生，转化这一般需要在接合和转导可以在自然环境中发生，转化这一般需要在人工条件下进行。人工条件下进行。质粒的种类:F质粒:致育质粒(fertility factor),决定细胞性别;抗药质粒:resistance

23、 factor,使药物失活;抗重金属质粒;降解质粒.质粒自我复制和菌间转移可使受体细菌具有“新”功能，修复研究中特别关注其是否具备新的降解能力；人类利用分子生物学，可剪接DNA至质粒，然后导入宿主细菌，形成新的菌种基质重组体和遗传工程菌 定义：即通过转化、转导或接合作用产生新的细菌菌株。1 多质粒菌株的构建美国构建“多质粒超级菌”(multplasmid super bug)消除海上石油污染。将不同假单胞菌的不同菌株的四种降解性质粒接合转移到一个菌株中，构建成一株能同时降解芳香烃、多环芳烃、萜烃、和脂肪烃的超级细菌。基因重组2 基因工程菌的构建3 原生质体融合技术 定义：通过人为的方法，使遗传

24、性状不同的两细胞的原生质体发生融合，并进而发生遗传重组，以产生同时带有双亲性状的、遗传性稳定的融合子的过程。包括各种原核和真核细胞，如细菌和动植物、人类。操作步骤如下：操作步骤如下：第三节 土壤理化性状小小孔孔隙隙大大孔孔隙隙p3.土壤孔隙土壤孔隙单个土粒单个土粒团聚体团聚体微团粒微团粒形形成成阶阶段段与与步步骤骤 土壤固、液、气三相的容积分别占土体容积的百分率，称为固相率、液相率（即容积含水量或容积含水率，可与质量含水量换算）和气相率。三者之比即是土壤三相组成 土壤孔隙度土壤孔隙度(或孔度或孔度):):单位土壤容积内孔隙所占的百分数。孔隙度1固相率 液相率气相率孔隙度的推导孔隙度的推导 无效

25、孔隙无效孔隙：当量孔径 0.01 mm的孔隙,其中 0.2 mm的粗孔植物的细根可伸入其中；0.20.01 mm的中孔是原生动物、真菌和根毛的栖身地。适宜的孔隙状况 耕层土壤（015cm）的总孔隙度为50 60%，其中通气孔隙度为15 20%，底层土壤（15 30cm）分别为50%和10%。p4、土壤水、土壤水 所有的水只有进入土壤转化为土壤水，才能被植物吸收利用。土壤水是作物吸水的最主要来源。土壤水是土壤的最重要组成部分之一。土壤水是土壤的最重要组成部分之一。土壤水是土壤形成发育的催化剂；土壤水是土壤形成发育的催化剂；土土壤壤水水并并非非纯纯水水、而而是是稀稀薄薄的的溶溶液液。土土壤壤水水实

26、实际际上上是是指指在在105温温度度下下从从土土壤壤中中驱驱逐逐出来的水。出来的水。、土壤含水量、土壤含水量1、质量含水量、质量含水量mm ：土壤土壤水分水分重量占烘重量占烘干土干土的百分率，即的百分率，即=（湿土干土）（湿土干土）/干土。干土。意义：每百克干土中，所含的水的质意义：每百克干土中，所含的水的质量数。量数。2、体积含水量、体积含水量v v（1）单位容积土壤中水所占的容积。）单位容积土壤中水所占的容积。注意：计算的基础是土壤的总容积。注意：计算的基础是土壤的总容积。（2）与质量百分数）与质量百分数(mm)的关系的关系土壤容积含水量土壤容积含水量(v v)=土壤重量含水量土壤重量含水

27、量(mm)容重容重(D)（3）意义：）意义：可反映土壤孔隙的充水程度，可计算土壤可反映土壤孔隙的充水程度，可计算土壤的固、液、气相的三相比。的固、液、气相的三相比。、土壤中水的类型及作用力、土壤中水的类型及作用力 1、土壤水分类型 吸湿水 （膜状水）毛管水 重力水（1 1）土壤吸湿水（）土壤吸湿水（吸附力吸附力）：）：干土从空气中吸着水汽所保持的水称为吸湿水。最大吸湿量：干土在近于水汽饱和的大气中吸附水汽，并在土粒表面凝结成液态水的数量。（2 2）土壤膜状水（）土壤膜状水（吸附力吸附力）：）：土壤颗粒表面上吸附的水分形成水膜，这部分水称为土壤膜状水。土壤膜状水达到最大值时的土壤含水量称为土壤最

28、大分子持水量。膜膜状状水水示示意意图图（3 3）土壤毛管水（）土壤毛管水（弯月面力弯月面力）：）：存在于土壤毛管孔隙中的水分，称为毛管水。包括毛管悬着水和毛管上升水。水水沿沿着着毛毛管管上上升升毛管作用力范围：毛管作用力范围：0.1-1mm有明显的毛管作用有明显的毛管作用0.05-0.1mm 毛管作用较强毛管作用较强 0.05-0.005mm 毛管作用最强毛管作用最强0.001mm 毛管作用消失毛管作用消失 借助于毛管力保持在上层土壤的毛管借助于毛管力保持在上层土壤的毛管孔隙中的水分，它与来自地下水上升的孔隙中的水分，它与来自地下水上升的毛管水并不相连，好像悬挂在上层土壤毛管水并不相连，好像悬

29、挂在上层土壤中一样，故称之为毛管悬着水。中一样，故称之为毛管悬着水。毛管悬着水毛管悬着水 当土壤含水量降低到一定程度时当土壤含水量降低到一定程度时，较粗毛管中悬着水的连续状态出，较粗毛管中悬着水的连续状态出现断裂，蒸发速率明显降低，此时现断裂，蒸发速率明显降低，此时土壤含水量称为毛管水断裂量。土壤含水量称为毛管水断裂量。大约相当于该土壤田间持水量大约相当于该土壤田间持水量的的7575左右。左右。毛管水断裂量毛管水断裂量土土 粒粒毛管毛管悬着悬着水示水示意图意图田间持水量：毛管悬着水达到最大值时的土壤含水量称为田间持水量，通常作为灌溉水量定额的最高指标。在数量上它包括吸湿水、膜状水和毛管悬着水。

30、田间持水量的大小，主要受质地、有机质含量、结构、松紧状况等的影响。土土 粒粒毛管毛管上升上升水示水示意图意图地下水位地下水位 毛管上升水达到最大量的土壤含水量。毛管持水量 毛管水上升高度从地下水面到毛管上升谁所能达从地下水面到毛管上升谁所能达到的相对高度，叫毛管水上升高到的相对高度，叫毛管水上升高度。度。h水柱高度（cm)，d孔隙直径（mm）土壤所有孔隙都充满水时的含水量，也称为土壤全持水量。土壤饱和含水量：土壤饱和含水量：（4 4）重力水）重力水 临时存在于土壤大孔隙（通气孔隙）中的水分，与土壤养分的淋失有关。对于不同质地的土壤上述对于不同质地的土壤上述各种不同形态水的数值是各种不同形态水的

31、数值是不等的。请认真比较它们不等的。请认真比较它们的大小。的大小。注意：注意：、土壤水能量状态、土壤水能量状态土水势：土壤水的势能土水势：土壤水的势能一、土水势及其分势一、土水势及其分势土壤土壤A砂土砂土10%土壤土壤B粘土粘土15%水水流流向向何何方方？（一）基模势（一）基模势（m）弯月面力和吸附力作用结果；弯月面力和吸附力作用结果；负值，当土壤饱和时最大负值，当土壤饱和时最大0；土壤含水量越高，基质势也越高。土壤含水量越高，基质势也越高。（二）渗透势（S）负值。土壤溶质浓度越高，溶质势越低。负值。土壤溶质浓度越高，溶质势越低。溶质势只有对半透膜的水分运动起作用。溶质势只有对半透膜的水分运动

32、起作用。（三）（三）重力势（重力势（g）重力势（重力势（g）是指由重力作用而引起的）是指由重力作用而引起的土水势变化。土水势变化。任何时候重力势都存在。高任何时候重力势都存在。高于参比面时为正，反之为负，参比面处重于参比面时为正，反之为负，参比面处重力势为力势为0.（四）压力势（四）压力势（p）只有当土壤水分饱和时才有压力势在不饱只有当土壤水分饱和时才有压力势在不饱和土壤中压力势为和土壤中压力势为0.饱和土层越深，压力饱和土层越深，压力势越高。势越高。总水势：总水势：t=m+s+g+p溶质较少时可去掉溶质势，这时称为溶质较少时可去掉溶质势，这时称为水力势水力势 h；干旱土壤可去掉压力势。干旱土

33、壤可去掉压力势。请注意：在不同的情况下，请注意：在不同的情况下，土壤总水势的各分势组成是土壤总水势的各分势组成是不同的。不同的。土水势的标准单位：帕土水势的标准单位：帕（Pa）1 Pa=0.0102厘米水柱厘米水柱 1 atm=1033厘米水柱厘米水柱=1.0133bar 1 bar=0.9896atm=1020厘米水柱厘米水柱 1 bar=100000 Pa0 10 20 30 40 50 60 70土土壤壤水水吸吸力力黏土黏土壤土壤土砂土砂土土壤含水量土壤含水量%影响因素影响因素质地质地结构结构温度温度滞后现象滞后现象水分特征曲线的用途：水分特征曲线的用途：第第三三，应应用用数数学学物物理

34、理方方法法对对土土壤壤中中的的水水运运动动进进行行定定量量分分析析时时，水水分分特特征征曲曲线线是是必必不不可可少少的的重重要参数。要参数。其其次次，可可利利用用它它进进行行土土壤壤基基模模吸吸力力S和和含含水水率率 之间的换算之间的换算,并可进一步求算当量孔径并可进一步求算当量孔径d。首首先先，水水分分特特征征曲曲线线可可用用来来分分析析不不同同质质地地土土壤壤的持水性和土壤水分的有效性。的持水性和土壤水分的有效性。首首先先，水水分分特特征征曲曲线线可可用用来来分分析析不不同同质质地地土土壤壤的持水性和土壤水分的有效性。的持水性和土壤水分的有效性。空气其其次次，可可利利用用它它进进行行土土壤

35、壤基基模模吸吸力力S和和含含水水率率 之间的换算之间的换算,并可进一步求算当量孔径并可进一步求算当量孔径d。hp5土壤矿物质土壤矿物质石英石英,长石长石,云母云母等等伊利石伊利石,蒙脱石蒙脱石,高岭石高岭石针铁矿针铁矿,褐铁矿褐铁矿,三水铝石等三水铝石等粘粒矿物粘粒矿物次生铝硅酸盐矿物次生铝硅酸盐矿物次生铝硅酸盐矿物的基本构造单位次生铝硅酸盐矿物的基本构造单位硅氧四面体硅氧四面体-硅氧片硅氧片蒙脱石：蒙脱石：两个四面体片夹一八面体片组成一个晶片，八面体片中，部分Mg取代Al而使层片带负电基本晶架结构基本晶架结构1:1型晶架结构型晶架结构-高岭石高岭石由一层硅氧片和一层水铝片通过共用顶层由一层硅

36、氧片和一层水铝片通过共用顶层氧离子而形成的晶架结构。氧离子而形成的晶架结构。2:1型晶架结构型晶架结构-伊利石和蒙脱石伊利石和蒙脱石(K连接连接与否与否)由一个水铝片和由一个水铝片和2个硅氧片通过共用顶个硅氧片通过共用顶层氧离子而形成的晶架结构。层氧离子而形成的晶架结构。p6、土壤有机质和空气、土壤有机质和空气土壤有机质的组成土壤有机质的组成按化合物类型分为：按化合物类型分为：（1）非腐殖物质：生物残体及其分解产物，如）非腐殖物质：生物残体及其分解产物，如碳水化合物、木质素、纤维素、半纤维素、蛋白碳水化合物、木质素、纤维素、半纤维素、蛋白质、单宁、蜡质。质、单宁、蜡质。（2）腐殖物质：由非腐殖

37、物质在特殊微生物作）腐殖物质：由非腐殖物质在特殊微生物作用下，经过一系列复杂的化学过程而形成的一类用下，经过一系列复杂的化学过程而形成的一类稳定高分子有机化合物。根据在酸中的溶解性，稳定高分子有机化合物。根据在酸中的溶解性，可细分为可细分为胡敏素胡敏素（不溶）、（不溶）、腐殖酸腐殖酸（2溶）溶）和和黄腐酸黄腐酸（均可溶）。（均可溶）。土壤空气的组成土壤空气的组成近地大气组成：近地大气组成：氧气氧气20.94%二氧化碳二氧化碳0.03%；氮气氮气78.08%;其他气体其他气体0.95%相对湿度相对湿度6090%。土壤空气组成：土壤空气组成：氧气氧气10.3520.03%;二氧化碳二氧化碳0.15

38、0.65%;氮气氮气78.880.2%相对湿度相对湿度100%。p7、土壤酸碱性、土壤酸碱性我 国 土 壤 的 酸 碱，大 多 数 在pH4.58.5之间。在地理分布上有“东南酸西北碱”的规律性。大致可以长江为界（北纬33），长江以南的土壤为酸性或强酸性，长江以北的土壤多为中性或碱性。我国土壤的酸碱性南北差异很大。土壤酸度的类型1 1活性酸活性酸(soil active acidity)(soil active acidity)土壤活性酸是自由扩散于土壤溶液中的氢离子浓度直接反应出来的酸度。2 2潜潜性性酸酸 土壤潜性酸是由于土壤胶粒上吸附着氢离子和铝离子所造成的酸性，所以它是土壤酸的潜在来源

39、，故称为潜性酸(soil potential acidity)。土壤总酸度活性酸度潜在酸度土壤总酸度活性酸度潜在酸度 活性酸是土壤酸度的起源，代表土壤酸度的强度；活性酸是土壤酸度的起源，代表土壤酸度的强度；潜潜性性酸是土壤酸度的主体，代表土壤酸度的容量。酸是土壤酸度的主体，代表土壤酸度的容量。土壤碱度碱性物质主要是钙、镁、钠的碳酸盐和重碳酸盐，以及胶体表面吸附的交换性钠。形成碱性反应的主要机理是碱性物质的水解反应。碳酸钙水解 碳酸钠的水解 交换性钠的水解 p8、土壤氧化还原电位、土壤氧化还原电位 在土壤强还原条件下，高价铁（Fe+)还原低价铁(Fe+)，同时硫酸根（SO4=）也还原为硫化物(S

40、2-)，此时，同时可能发生硫化亚铁的沉淀反应(FeS)，使铁的有效度下降。土壤氧化还原体系的特点：土壤氧化还原体系的特点：土壤中氧化还原体系有无机体系和有机体系两类。土壤中氧化还原反应虽有纯化学反应，但很大程度上是由生物参与的。土壤是一个不均匀的多相体系，即使同一田块不同点位都有一定的变异.测Eh时，要选择代表性土样，最好多点测定求平均值。土壤中氧化还原平衡经常变动，不同时间、空间，不同耕作管理措施等都会改变Eh值。严格地说，土壤氧化还原永远不可能达到真正的平衡。p9、土壤胶体、土壤胶体B.土壤胶体的种类土壤胶体的种类 矿物胶体（矿物粘粒）和有机矿物胶体（矿物粘粒）和有机胶体（腐殖质），土壤质

41、地完全相同的两种土壤，胶体（腐殖质），土壤质地完全相同的两种土壤，它们所带的电荷数量可以完全不同。这是胶体类它们所带的电荷数量可以完全不同。这是胶体类型不同所致。型不同所致。A.质地质地 一般来说，土壤的质地越粘，土粒越细，一般来说，土壤的质地越粘，土粒越细，其电荷总量也越多。所以粘土的电荷数量要比壤其电荷总量也越多。所以粘土的电荷数量要比壤土类和砂土类高得多。土类和砂土类高得多。当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表当静电引力与热扩散相平衡时，在带电胶体表面与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和面与溶液的界面上，形成了由一层固相表面电荷和一层溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布一层

42、溶液中相反符号离子所组成的电荷非均匀分布的空间结构，称为的空间结构，称为双电层双电层*。图图 双电层模型双电层模型 阳离子交换作用土壤中，被胶体静电吸附的阳离子，一般都可以被溶液中另一种阳离子交换而从胶体表面解吸。对这种能相互交换的阳离子叫做交交换性阳离子换性阳离子，而把发生在土壤胶体表面的阳离子交换反应称之为阳离子交换作用阳离子交换作用。每千。每千克干土所含全部阳离子交换总量，称阳离子克干土所含全部阳离子交换总量，称阳离子交换量（交换量（CEC).第四节 地下水特征埋藏于地表以下土层孔隙中的水统称为地下水埋藏于地表以下土层孔隙中的水统称为地下水地下水的种类与特征上层滞水潜水承压水 上层滞水:

43、广义来说，所有包气带中的地下水都为上层滞水，一般指储存于地表浅层局部不透水层或弱透水层上面的滞水.完全靠大气降水或地表其他水体的直接渗入补给，水量受季节影响特别显著，一些范围较小的上层滞水在旱季往往干枯.易受污染.p潜水潜水:埋藏于地下水第一稳定隔水层埋藏于地下水第一稳定隔水层之上之上,有自由表面的重力水。有自由表面的重力水。通过上部的透水层与地表相通，接受大气降水和地表水入渗的补给，有时还接受相邻含水层的地下水补给。潜水的自由表面称为潜水面。潜水的特点潜水的特点:1.潜水具有自由表面，为无压水；2.潜水流动快慢取决于含水层的渗透性和水力坡度；3.大气降水和地表其他水体可通过包气带直接渗入补给

44、潜水，其分布区与补给区一般是一致的;4.潜水的水位、流量和化学成分都随着时空变化而变化；5.潜水容易受到污染.承压水承压水:又称层间水又称层间水,是充满于上下两个稳是充满于上下两个稳定隔水层之间的重力水定隔水层之间的重力水,具有一定水头压力具有一定水头压力的地下水的地下水,当水头高于地表时称为自流水当水头高于地表时称为自流水H:埋深埋深,承压水位到地面的距离承压水位到地面的距离.H2:承压水位或测量水压承压水位或测量水压,承压水的高程承压水的高程.H1:初见水位初见水位,隔水顶板底面的高程隔水顶板底面的高程.M:含水层厚度含水层厚度,隔水顶板到底板的垂直距离隔水顶板到底板的垂直距离.h:承压水

45、头，承压水位距隔水顶板底面的距离承压水头，承压水位距隔水顶板底面的距离p承压水的特点承压水的特点:1.埋藏区与补给区不一致；2.补给来自于相邻潜水层的侧向补给或上部潜水层的越流补给；3.埋藏较深，不易受水文、气候、人为因素的影响，因而受污染的可能性较潜水小地下水运动基本特征达西定律简介达西定律：地下水的通量，即在水压梯度方向上单位时间通过单位断面的水容积，与水压梯度成比例，水压梯度是地下水流动的推动力q:地下水通量H:水头.x:水的流程.K:饱和导水率（s），即单位水压梯度下的地下水通量.负号代表水流方向，由水压或土水势高处向低处流动饱和水流动中土壤基模势为零，为常数不饱和水流动中，为变量(u

46、).p影响饱和导水率的因素影响饱和导水率的因素:1.主要为孔隙的孔径和数量；2.温度影响粘滞度，从而也影响导水率p饱和水流的类型有饱和水流的类型有:1.垂直向下的流动；2.水平移动；3.垂直向上的流动第五节 大气特征p一一.大气圈垂直结构大气圈垂直结构气象要素（气温、气压、大气密度、大气成分等）的垂直分布1、气温的垂直分布（1）对流层（平均12km）大气边界层（12km）、近地层（50100m）（2）平流层（对流层顶到5055km）（3）中间层（平流层顶到85km）（4）暖层（热层或电离层）（中间层顶到800km）（5）逸散层（外层）（暖层顶以外）2、大气压力的垂直分布 随高度的升高而降低，可

47、用气体静力学方程描述；3、大气密度的垂直分布 与大气压力的变化规律几乎相同；4、大气成分的垂直分布取决于分子扩散和湍流扩散的强弱（1）8085km以下，以湍流扩散为主，称为均质层；（2）8085km以上，以分子扩散为主，称为非均质层；二二.影响空气污染的气象因素1、风（1）风的概念 水平方向的空气运动称为风，风是一个矢量，具有大小和方向。风速用来表示风的大小，风向是指风的来向。风速：u3.02F 3/2（km/h）式中F为风力等级，012级（2）风对空气污染的影响）风对空气污染的影响风速的大小决定着污染物的扩散和稀释状况，通常污染物在大气中的浓度与平均风速成反比；风向影响污染物的扩散方向。（3

48、）风玫瑰图（风向频率玫瑰图、风向频）风玫瑰图（风向频率玫瑰图、风向频率、风速联合玫瑰图、污染系数玫瑰图）率、风速联合玫瑰图、污染系数玫瑰图）污染系数风向频率该风向的平均风速风向频率是指吹某一方向的风的次数与总观测次数的比值。(4)大气稳定度定义及判断p概念：垂直方向大气的稳定程度。p判断：假如一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或下降运动后，可能发生三种情况：(a)当外力去除后，气块就减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的；(b)当外力去除后，气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的；(c)当外力去除后，气块静止或作等速运动，称这种大气是中性的。p判据：当 d时大气处于不稳定

49、状态；=d时，大气处于中性平衡状态；d时，大气处于稳定平衡状态。3、降水的影响能有效地吸收、淋洗空气中的各种污染物。4、雾的影响雾会使空气污染状况加剧。1.现场调查现场调查2.生物过程评价生物过程评价3.原位生物修复评价原位生物修复评价4.过程控制评价过程控制评价 一查三评一查三评第六节 现场调查与评价p目的：目的：I.收集使生物处理过程最优化的信息；收集使生物处理过程最优化的信息；II.收集控制环境条件使之维持最佳条件收集控制环境条件使之维持最佳条件的信息的信息1.现场调查 类别类别项目项目污染物的性质污染物的性质挥发性有机化合物、半挥发性挥发性有机化合物、半挥发性有机物、杀虫剂和除草剂有机

50、物、杀虫剂和除草剂PCBsPCBs、金属、氰化物或烃类、金属、氰化物或烃类污染物的浓度和分布污染物的浓度和分布地下水文概况地下水文概况流向、梯度、承压水或非承压流向、梯度、承压水或非承压水水地质概况地质概况初步现场评估数据初步现场评估数据 p方法：方法：1）调查、资料查阅）调查、资料查阅污染物的性质和浓度分布、泄露、年代污染物的性质和浓度分布、泄露、年代从水文地质环保等部门查阅有关资料从水文地质环保等部门查阅有关资料2）采样分析）采样分析对土壤和地下水（井水）取样分析。对土壤和地下水（井水）取样分析。3）现场研究）现场研究流体压力测定，了解地下水性质流体压力测定，了解地下水性质2 生物过程评价