生物修复是通过改变环境条件来刺激微生物生长和降解目标污染物，从而处理包括水、土壤和地下物质在内的污染介质的过程。在许多情况下，生物修复比其他修复方法成本更低，更具可持续性。[1] 生物处理是一种类似的方法，用于处理废水、工业废物和固体废物等废物。
大多数生物修复过程涉及氧化还原反应，要么是加入电子受体（通常是氧）以刺激还原性污染物（例如碳氢化合物）的氧化，或者是加入电子供体（通常是有机底物）以还原氧化性污染物（硝酸盐、高氯酸盐、氧化金属、氯化溶剂、炸药和推进剂）。[2] 在这两种方法中，可以添加额外的营养物、维生素、矿物质和pH缓冲剂来优化微生物的生长条件。在某些情况下，还可添加专门的微生物培养物（生物强化）以进一步增强生物降解。生物修复相关技术的一些例子是植物修复、真菌修复、生物通风、生物浸出、土地耕作、生物反应器、堆肥、生物强化、根过滤和生物刺激。
大多数生物修复过程涉及氧化还原反应，即一种化学物质（电子供体）将电子捐赠给另一种接受电子的物质（电子受体）。在这个过程中，电子供体被氧化，而电子受体被还原。生物修复过程中常见的电子受体包括氧、硝酸盐、锰（III和IV）、铁（III）、硫酸盐、二氧化碳和一些污染物（氯化溶剂、炸药、氧化金属和放射性核素）。电子供体包括糖、脂肪、醇、天然有机物质、燃料碳氢化合物和各种还原性的有机污染物。 表中显示了常见生物转化反应的氧化还原电位。
| 过程 | 反应 | 氧化还原电位(Eh / mV) |
|---|---|---|
| 需氧的 | O2 + 4e− + 4H+ → 2H2O | 600 ~ 400 |
| 厌氧的 | ||
| 反硝化 | 2NO3− + 10e− + 12H+ → N2 + 6H2O | 500 ~ 200 |
| 锰（IV）还原 | MnO2 + 2e− + 4H+ → Mn2+ + 2H2O | 400 ~ 200 |
| 铁（III）还原 | Fe(OH)3 + e− + 3H+ → Fe2+ + 3H2O | 300 ~ 100 |
| 硫酸盐还原 | SO42− + 8e− +10 H+ → H2S + 4H2O | 0 ~ −150 |
| 发酵 | 2CH2O → CO2 + CH4 | −150 ~ −220 |
有氧生物修复是氧化生物修复过程中最常见的形式，其中氧气作为电子受体，氧化石油、多环芳烃（PAHs）、酚类和其他还原性污染物。氧通常是优选的电子受体，因为它具有更高的能量产率，并且一些酶系统需要氧来启动降解过程。[3] 大量实验室和现场研究表明，微生物可以降解多种碳氢化合物，包括汽油、煤油、柴油和喷气燃料的成分。在理想条件下，低至中等重量的脂肪族、脂环族和芳香族化合物的生物降解速率可以非常高。随着化合物分子量的增加，其对生物降解的抵抗力也会增加。[3]
在地下水水位以上提供氧气的常见方法包括土地耕作、堆肥和生物通风。在土地耕作过程中，被污染的土壤、沉积物或淤泥被掺入土壤表面，并使用传统农业设备定期翻转（耕作）以给混合物充气。堆肥通过将待处理的废物与填充材料混合，形成堆，并定期混合以增加氧气转移，从而加速污染物的生物降解。生物通风是一个增加进入土壤非饱和区的氧气或空气流量的过程，这增加了目标碳氢化合物污染物的自然原位降解速率。[4]
在地下水水位以下增加氧气的方法包括通过处理区循环充气水，添加纯氧或过氧化物，以及空气喷射。再循环系统通常由注入井或通道以及一个或多个回收井组成，在这些回收井中对抽取的地下水进行处理、充氧、营养修正和回注。 然而，通过这种方法可以提供的氧气量受到氧气在水中溶解度低（典型温度下水与空气平衡时，8-10 mg/L）的限制。通过将水与纯氧接触或在水中加入过氧化氢（H2O2）可以提供更多的氧气。在某些情况下，固体钙或过氧化镁泥浆在压力下通过土壤钻孔注入。这些固体过氧化物与水反应释放H2O2 ，然后分解释放氧气。空气喷射包括在地下水水位以下的压力下注入空气。注入空气的压力必须足够大，以克服水的静水压和空气流过土壤的阻力。[5]
厌氧生物修复可用于处理多种氧化性污染物，包括氯代乙烯（PCE、TCE、DCE、VC）、氯代乙烷（TCA、DCA）、甲烷氯化物（CT、CF）、氯化环烃、各种含能化合物（如高氯酸盐、[6] RDX、TNT）和硝酸盐。[7] 这个过程包括将电子供体添加到：1）耗尽背景电子受体，包括氧、硝酸盐、氧化铁、锰和硫酸盐；2）刺激氧化性污染物的生物和/或化学还原。六价铬（Cr[VI]）和铀（U[VI]）可被还原成迁移率较低和/或毒性较低的形式，如Cr[III]，U[IV]。类似地，硫酸盐还原成硫化物（硫化生成）可用于沉淀某些金属，例如锌、镉。底物和注入方法的选择取决于含水层中的污染物类型和分布、水文地质和修复目标。可以使用常规井装置、直接推动技术或挖掘和回填（如渗透反应格栅[PRB]或生物墙）来添加底物。由食用油或固体底物组成的缓释产品往往会在较长的处理时间内保持不变。可溶性底物或缓释底物的可溶性发酵产物可能通过平流和扩散迁移，提供更宽但寿命更短的处理区。加入的有机底物首先发酵成氢（H2）和挥发性脂肪酸（VFAs）。挥发性脂肪酸，包括乙酸盐、乳酸盐、丙酸盐和丁酸盐，为细菌代谢提供碳和能量。[7][2]
重金属（包括镉、铬、铅和铀）都是元素，因此不能被生物降解。然而，生物修复过程可以潜在地用于降低这些物质在地下的迁移率，降低人类和环境暴露的可能性。包括铬和铀在内的某些金属的迁移率因材料的氧化状态而异。[8] 微生物可以通过将六价铬还原为三价铬来降低铬的毒性和迁移率。[9] 铀可以从更易迁移的U(VI)氧化态还原到更不易迁移的 U(IV)氧化态。[10][11] 微生物被用于这一过程，因为这些金属的还原速率通常很慢，除非受到微生物相互作用的催化。[12] 开发通过增强金属在细胞壁上的吸附来去除水中金属的方法的研究正在进行。[12] 这种方法已经在镉、[13] 铬[14] 和铅[15]的处理中完成评估。
生物修复可用于使有机污染物完全矿化、部分转化污染物或改变其迁移率。重金属和放射性核素是不能被生物降解的元素，但可以被生物转化成不易迁移的形式。[18][19][20] 在某些情况下，微生物不能使污染物完全矿化，从而可能产生一种毒性更大的化合物。[20] 例如，在厌氧条件下，TCE的还原脱卤可能产生二氯乙烯（DCE）和氯乙烯（VC），它们被怀疑或被认为是致癌物。[18] 然而，微生物脱氯菌可以进一步将DCE和VC还原为无毒产物乙烯。[21] 还需要进一步研究来开发相关方法，以确保生物降解产生的产物比原始污染物的持久性和毒性更低。[20] 因此，必须知道目标微生物的代谢和化学途径。[18] 此外，了解这些途径将有助于开发新技术，可以应用于污染物混合物分布不均匀的场所处理。[22]
此外，要实现生物降解，必须有一个具有降解污染物代谢能力的微生物种群，一个适合微生物生长的环境，以及适量的营养物质和污染物。[22][19] 这些微生物使用的生物过程具有高度的特异性，因此，许多环境因素也必须加以考虑和调控。[22][18] 因此，生物修复过程必须根据受污染场地的条件进行具体的处理。[18] 此外，由于许多因素是相互依赖的，所以通常在污染场地执行程序之前需进行小规模测试。[19] 然而，很难将小规模试验研究的结果外推至大型现场作业。[22] 在许多情况下，生物修复比其他替代方法，如填埋和焚烧，需要花费更多的时间。[22][18]
目前正在初步研究利用基因工程来创造专门用于生物修复的生物体。[23] 生物体中可以插入两类基因：编码污染物降解所需蛋白质的降解基因和能够监测污染水平的报告基因。[24] 众多假单胞菌属的成员也被lux基因修饰过，但用于检测多芳烃萘。在中等大的规模上，已成功进行了一场释放转基因生物的现场试验。[25]
由于水平基因转移的潜力，人们对转基因生物向环境中的释放和遏制表示担忧。[26] 转基因生物是根据1976年美国环境保护署颁布的《有毒物质控制法》进行分类和控制的。[27] 人们已经制定了解决这些问题的措施。可以对生物体进行修饰使它们只能在特定的环境条件下生存和生长。[26] 另外，通过插入生物发光基因进行视觉识别，可以更容易地跟踪转基因生物。[28]
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