環(huán)境生物技術(shù)在污染治理中的研究進(jìn)展

郭 祥，鐘成華，王 濤，周曉琴，蘇 翔

（1.西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶北碚400715；2.重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，重慶400067）

環(huán)境生物技術(shù)（Environmental Biotechnology）也稱環(huán)境生物工程，是生物技術(shù)在環(huán)境治理和環(huán)境保護(hù)中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，衍生的一門新技術(shù)和新學(xué)科。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人類不斷地向環(huán)境中排放污染物，造成了全球性的生態(tài)環(huán)境破壞和污染。全球普遍存在著不同程度的空氣、水和土地污染等現(xiàn)象，全世界都在關(guān)注水資源的短缺、水體的污染、有毒化學(xué)品的危害、固體廢棄物的處理與處置，以及生物多樣性的損傷等生態(tài)環(huán)境問題。除了這些問題之外，資源短缺、健康受害等問題都能夠從環(huán)境生物技術(shù)的研發(fā)中得到解決。環(huán)境生物技術(shù)在處理這些問題上具有巨大的優(yōu)勢，并將逐漸成為21世紀(jì)科技發(fā)展中最具前沿、最富魅力的高新技術(shù)之一。

1 現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)的研究任務(wù)

現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)是利用生物技術(shù)服務(wù)于環(huán)境保護(hù)。目前環(huán)境生物技術(shù)面臨的研究任務(wù)［1］：

（1）將實(shí)驗(yàn)室研究的基因工程菌應(yīng)用到實(shí)際現(xiàn)場中，并不斷研究這些工程菌的功能高效性、遺傳穩(wěn)定性、生態(tài)安全性等方面的問題。

（2）利用現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)開發(fā)廢物資源化和能源化技術(shù)。

（3）利用現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)建立無害化生物技術(shù)清潔生產(chǎn)新工藝。

2 環(huán)境生物技術(shù)在環(huán)境治理中的應(yīng)用

2.1 環(huán)境生物技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用

2.1.1 固定化微生物在廢水處理中的應(yīng)用

固定化微生物技術(shù)是20世紀(jì)60年代才發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，就是將特選的微生物固定在專門制定的載體上，使其高度密集并保持生物活性，在適宜條件下能夠快速、大量增殖的生物技術(shù)。在廢水處理中，這種方法表現(xiàn)出了很多優(yōu)點(diǎn)，有利于提高生物反應(yīng)器內(nèi)微生物（尤其是特使功能的微生物）的濃度，增強(qiáng)微生物抵抗外界不利環(huán)境的能力，并且有利于反應(yīng)后的固液分離和縮短廢水處理時(shí)間。近年來，隨著研究的深入，固定化微生物技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。

唐鳳舞等［2］用固定化微生物技術(shù)對城市污水進(jìn)行污染物降解處理實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在pH值為8.0，固定化顆粒與污水的質(zhì)量比例為16%，溫度為25℃時(shí)，硝基苯去除率達(dá)97.9%，COD去除率達(dá)89.2%，懸浮物去除率達(dá)72.3%，pH值顯中性，出水水質(zhì)穩(wěn)定。

龐勝華等［3］用PVA包埋固定化微生物顆粒處理抗生素廢水，活性微生物為經(jīng)抗生素廢水以10%濃度增幅馴化75d后的活性污泥。結(jié)果表明：廢水濃度（COD）為2 000mg·L－1，曝氣20h、溫度10～45℃，pH值7～10，固定化顆粒與廢水比例1∶4，COD的去除率可達(dá)到80.57%。

2.1.2 生物膜在廢水處理中的應(yīng)用

生物膜法是利用附著生長于某些固體表面的微生物（即生物膜）進(jìn)行有機(jī)污水處理的方法。生物膜是由附著在載體上的高度密集的微生物群體以及它們分泌的聚合物所構(gòu)成，這些微生物成分復(fù)雜，種類多樣［4］。包括好氧菌、厭氧菌、兼性菌、真菌、原生動物以及藻類等，它們共同組成了一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。生物膜對廢水水質(zhì)、水量變化有很強(qiáng)的適應(yīng)性，操作穩(wěn)定性好，不會發(fā)生污泥膨脹，管理方便。但是這種方法也存在許多缺點(diǎn)，為了克服這些缺點(diǎn)，研究者進(jìn)行了組合工藝和其他方面的研究，不斷取得新的進(jìn)展。

Mohamed等［5］通過改進(jìn)的好氧序批式彈性纖維生物膜反應(yīng)器（SBFFBR）（反應(yīng)器中有8根彈性纖維素管，這種纖維素管有巨大的比表面積）對乳制品廢水進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。反應(yīng)1.6d后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對含不同COD含量（610，2 041，4 382mg·L－1）的廢水的COD具有較高的去除率，其去除率范圍為89.7%～97%。

李健等［6］采用厭氧生物濾池（AF）—好氧生物接觸氧化（BCO）聯(lián)合工藝，并在AF的濾料中掛上生物膜，對合成洗滌劑（LAS）廢水進(jìn)行處理試驗(yàn)。結(jié)果表明，AF反應(yīng)器在HRT＝24h、溫度（32±2）℃、pH值為7～8、營養(yǎng)母液質(zhì)量濃度5mg·L－1條件下；BCO反應(yīng)器在HRT＝12h、常溫、DO為4～5 mg·L－1條件下，對LAS和COD的去除率分別為85%和95%，出水達(dá)到國家GB8978－1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

張鳳君等［7］采用中空纖維膜作為無泡供氧及生物膜載體，采用包埋固定化技術(shù)進(jìn)行掛膜及污水處理研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用PVA作為包埋劑，且包泥量為1∶1的情況下，掛膜時(shí)間可縮短為1周左右，COD和氨氮的去除率分別穩(wěn)定在90%和80%左右。

2.1.3 復(fù)合微生物在廢水處理中的應(yīng)用

復(fù)合微生物在處理廢水上表現(xiàn)出的巨大優(yōu)勢是其他方法所無法比擬的，如何對微生物進(jìn)行有效的組合和配比，發(fā)揮其最大的優(yōu)勢一直是國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)研究的對象。

高云超等［8］篩選并制備了復(fù)合微生物制劑（CMP）并用于豬場污水處理。研究表明，光合細(xì)菌非曝氣處理和CMP曝氣處理對污水的處理效果較好，處理2d后污水的COD值分別降低35.5%和74.1%。CMP接種量為0.1%，1.0%和10.0%，曝氣處理3d，COD值分別降低55.9%，66.7%和53.0%。CMP對高濃度、中濃度和低濃度污水的處理效果分別為69.7%，26.3%和50.0%，表明CMP對高濃度污水具有較好的處理作用。

謝冰等［9］通過復(fù)合光合菌群對有機(jī)廢水的降解試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合菌群具有比單一光合菌或普通活性污泥好的處理效果，降解效果高出18%～39%，在復(fù)合菌群中，光合細(xì)菌的優(yōu)勢較明顯。

范俊等［10］研究幾種高效復(fù)合微生物群在不同水力停留時(shí)間下對城市污水的處理效果。結(jié)果表明，光合菌－活性污泥系統(tǒng)混合處理效果最佳，在水力停留時(shí)間6h時(shí)，去除率高于90%；在高效復(fù)合微生物菌群結(jié)合活性污泥系統(tǒng)中，隨著進(jìn)水CODcr的提高，CODcr去除率始終保持在90%以上，具有良好的去除效果和相應(yīng)的耐沖擊性。

何萍等［11］用光合細(xì)菌與小球藻復(fù)合處理豆制品有機(jī)廢水。結(jié)果表明，第一步用光合菌處理后，CODcr，BOD5分別降至250和185mg·L－1，平均去除率分別達(dá)89.3%和90.9%；第二步用小球藻與光合細(xì)菌的混合液處理后，CODcr和BOD5分別降至84和51mg·L－1，平均去除率分別達(dá)66.4%和72.4%。兩步復(fù)合處理的CODcr，BOD5的總?cè)コ史謩e達(dá)96.4%和97.5%。

堵國成等［12］篩選和分離得多株脫氮微生物，能在完全好氧條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為，隨即在好氧反硝化菌的作用下還原為N2排放，整個(gè)生物脫氮過程歷時(shí)較短，30h內(nèi)對200mg·L－1的氨氮去除率達(dá)99%，而且無中間產(chǎn)物的積累。

鄒桂香等［13］采用微生物復(fù)合菌對人工配制的有機(jī)含氮廢水進(jìn)行處理。試驗(yàn)表明，好氧條件下，微生物復(fù)合菌能迅速將水中的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽；缺氧條件下，它能快速將水中的硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?；在兩種條件下，微生物復(fù)合菌均能使水體中的化學(xué)需氧量和過濾液總氮降低。

2.2 環(huán)境生物技術(shù)在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界各國每年大約使用1 500萬噸各種農(nóng)藥，農(nóng)藥的大量使用引起土壤、地下水、水系和海洋的嚴(yán)重污染，生態(tài)平衡的破壞，影響人類健康［14］。要治理和修復(fù)這些大面積的污染問題，最有效和最有價(jià)值的方法就是利用生物修復(fù)技術(shù)。目前，世界各國都加強(qiáng)了對生物修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用。生物修復(fù)是指利用生物的代謝活動吸收、降解、轉(zhuǎn)化土壤和水體中的污染物，使污染物的濃度降低到可接受的水平，或?qū)⒂卸居泻Φ奈廴疚镛D(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)，也包括將污染物穩(wěn)定化，以減少其向周邊環(huán)境擴(kuò)散的環(huán)境污染的治理技術(shù)。一般包括動物修復(fù)、植物修復(fù)和微生物修復(fù)。人們發(fā)現(xiàn)動物和植物對污染物也有不同程度的凈化作用，但這種凈化作用多以富集為主，只是污染物簡單的轉(zhuǎn)移，還要對動物和植物進(jìn)行再處理。因此在很多情況下，這兩種方法都是不可取的。而微生物修復(fù)是將這些污染物進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化，治理較徹底，在土壤和水體修復(fù)上，研究者對微生物的修復(fù)作用進(jìn)行了大量的研究。

2.2.1 在土壤修復(fù)中的應(yīng)用

土壤污染具有隱蔽性和滯后性。大量的有機(jī)和無機(jī)污染物一旦進(jìn)入土壤造成土壤污染，就很難根治。特別是重金屬污染，進(jìn)入農(nóng)作物后，通過飲食就會對人體健康構(gòu)成危害。許多國家和地區(qū)都有出現(xiàn)過人體重金屬中毒的現(xiàn)象。目前治理土壤污染主要是生物修復(fù)法，包括植物修復(fù)和微生物修復(fù)，人們更多的是關(guān)注微生物修復(fù)。

Christofi和Ivshina［15］認(rèn)為土壤中的有機(jī)物和金屬污染物多數(shù)是不可降解的，一般的方法不可能降解這些污染物。他們認(rèn)為分泌表面活性劑的微生物（包括細(xì)菌和真菌）與所分泌的活性劑的化合物的共同作用，可以加速有機(jī)物的降解和重金屬的轉(zhuǎn)化。通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，利用紅球均屬和表面活性劑的復(fù)合作用，能夠較好地去除土壤中的有機(jī)物和重金屬。

王麗萍等［16］用菌根真菌－植物對石油污染土壤進(jìn)行修復(fù)。結(jié)果表明，在石油污染濃度（石油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）0.2%和2%條件下，石油烴降解率與菌根侵染率、玉米根干重和植株干重均呈現(xiàn)相關(guān)性。接種叢枝菌根真菌處理的菌根侵染率、玉米生長量和石油烴降解率均遠(yuǎn)高于對照處理，叢枝菌根真菌能有效促進(jìn)石油烴降解。雙接種處理的菌根侵染率和石油烴降解率等均高于單接種處理，兩種菌種的協(xié)同作用可有效促進(jìn)植物生長和石油烴降解。

齊建超［17］用4種菌劑與多種有機(jī)肥聯(lián)合修復(fù)石油污染土壤。結(jié)果表明，腐植酸、諾沃肥和生物有機(jī)鈣等有機(jī)肥和菌劑（4%處理）的加入使土壤鹽堿環(huán)境得到明顯改善，土壤pH穩(wěn)定于6.9，陽離子交換量為201.94cmol·kg－1；4%菌劑處理與有機(jī)肥聯(lián)合作用修復(fù)效果最顯著，石油烴降解率可達(dá)到73%，大部分所測PAHs濃度顯著降低，其中萘、蒽、苯并（a）芘和苯并（g，h，i）芘降解率分別達(dá)到了65.5%，57.7%，74.7%和55.5%。

2.2.2 在水體修復(fù)中的應(yīng)用

王宗華等［18］應(yīng)用高效微生物光合細(xì)菌、硝化細(xì)菌、復(fù)合細(xì)菌降解水中污染物。在投菌量100mg· L－1、第15天時(shí)對CODMn，濁度，NH3－N的去除率已達(dá)50%以上，能夠使水中DO值由0.5mg·L－1左右提高到4.2mg·L－1左右，葉綠素a含量顯著降低，該方法簡單易行，運(yùn)行成本較低。

趙宇等［19］用復(fù)合光合細(xì)菌法對養(yǎng)蝦廢水作研究，其中CODcr的去除率能達(dá)到63%，NH3－N的去除率也能達(dá)到92.5%。季民等［20］提出了通過投加以光合細(xì)菌為主的復(fù)合細(xì)菌群來強(qiáng)化湖泊水體生物自凈能力，改善湖泊水體水質(zhì)的方法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)投菌試驗(yàn)研究，表明投加復(fù)合細(xì)菌能夠有效地凈化水體中的污染物，達(dá)到強(qiáng)化湖泊水體的生物自凈能力的目的。

劉妮等［21］培養(yǎng)得到光合細(xì)菌、氨化菌、硝化菌、反硝化菌和磷細(xì)菌的優(yōu)勢菌群，進(jìn)行復(fù)合后，再對試驗(yàn)污水進(jìn)行靜態(tài)處理。結(jié)果表明，配比為1∶1，投加量為5%的復(fù)合菌群對污水的處理效果最好，對CODcr，NH＋4－N和磷酸鹽的去除率分別達(dá)到79.7%，98.6%和78.1%。

單明軍等［22］培養(yǎng)得“土著”硝化細(xì)菌與腐植酸配制而成的復(fù)合型微生物制劑，并對富營養(yǎng)化湖泊進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。結(jié)果表明，該方法能夠有效地降低富營養(yǎng)化湖泊水體中的濁度，提高水體溶解氧，消除惡臭，改善水質(zhì)，水體中的TN、TP、氨氮、COD及濁度等水質(zhì)指標(biāo)均有明顯降低，下降率分別為77.8%，72.2%，94.2%，60.0%和85.6%，并且水生生物具有多樣性，水體自凈能力大大增強(qiáng)。

2.3 環(huán)境生物技術(shù)在有害有機(jī)污染物治理中的應(yīng)用

楊彬等［23］通過富集培養(yǎng)，獲得了降解對硝基苯胺的混合培養(yǎng)微生物，并用于降解硝基苯胺。結(jié)果表明，在培養(yǎng)液中添加110gPL葡萄糖和110gPL酵母粉，36h內(nèi)對硝基苯胺去除率可達(dá)97.0%以上，對硝基苯胺降解速率可達(dá)411mgPL·h－1；當(dāng)對硝基苯胺作為培養(yǎng)液生長的唯一碳源、氮源和能源時(shí)，96h內(nèi)對硝基苯胺去除率為34.8%，降解速率為0.15mgPL·h－1。

3 結(jié)論

現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)作為一種有效的環(huán)境污染治理措施，其在環(huán)境生物監(jiān)測、污染治理、生物修復(fù)等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用發(fā)展迅速，在以下幾方面的表現(xiàn)尤為突出。

（1）分離培養(yǎng)對某些污染物具有特殊分解能力的高效工程菌，用于環(huán)境污染治理。

（2）運(yùn)用現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)開發(fā)環(huán)境友好型產(chǎn)品。

（3）運(yùn)用現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)，開發(fā)新型生物制劑，用于環(huán)境污染治理、檢測等。

隨著基因工程學(xué)、細(xì)胞工程學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及酶工程學(xué)的發(fā)展，環(huán)境生物技術(shù)得到了快速發(fā)展。如何將這些學(xué)科和技術(shù)進(jìn)行組合，選擇和培養(yǎng)出高效治污的基因工程菌及微生物菌劑，是環(huán)境生物技術(shù)當(dāng)前所面臨和需解決的關(guān)鍵難題。環(huán)境生物技術(shù)將隨著新理論、新技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用而得到不斷地完善，必將為環(huán)境污染治理和環(huán)境保護(hù)提供更多可行、可用、有效的方法。

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