基于水體污染生物修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀

張連水+齊樹亭+張青松+王康+蔡靈+彭婷

摘 要：介紹了水體污染生物修復(fù)技術(shù)的概念、方法、特點及應(yīng)用實例。概述了近年來國內(nèi)外生物修復(fù)技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，指出生物修復(fù)技術(shù)存在的問題和研究方向。

關(guān)鍵詞：生物修復(fù);微生物修復(fù);植物修復(fù)

近年來，隨著我國沿海工農(nóng)業(yè)和海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人口的增加，城市規(guī)模的不斷擴大，以及在海洋航運的快速發(fā)展，造成大量工礦廢水，生化污水排入江河湖海，以及在海損事故中石油、烴等有害物質(zhì)的泄漏，使地表水、地下水、土壤以及海洋受到有毒有害物質(zhì)的嚴(yán)重污染。污染的水體極大地?fù)p害了生態(tài)環(huán)境，破壞了生態(tài)平衡，而且，對人類健康構(gòu)成極大威脅。但是對于污染水體，尚缺乏有效的治理手段，主要依靠自然生態(tài)的自我凈化。

目前，生物修復(fù)被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景且可靠的環(huán)保技術(shù)。簡單講，生物修復(fù)（bioremediation）是指生物尤其是微生物催化降解環(huán)境污染物，減少或最終消除污染的受控或自發(fā)過程[1]。與其它物理、化學(xué)治理相比，生物修復(fù)的優(yōu)點是：投入低，操作簡便，可就地處理，對周圍環(huán)境干擾少，不會造成二次污染，而且對于傳統(tǒng)治理技術(shù)難以處理的環(huán)境（海洋），具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 生物修復(fù)研究概述

生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究也不過30多年，主要集中于水體、土壤和地下水環(huán)境污染。史料記載的首次使用生物修復(fù)是1972年美國賓夕法尼亞州管線漏油事件。1989年，首次大規(guī)模應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)修復(fù)了美國阿拉斯加石油污染問題，其具有里程碑意義[2]。20世紀(jì)80年代以后，基礎(chǔ)研究的成果逐漸應(yīng)用于大范圍的環(huán)境污染，并取得一些成果，進而發(fā)展成一種新的環(huán)境污染治理技術(shù)。目前，生物修復(fù)技術(shù)在清除或減少土壤、地表水、地下水、廢水、污泥以及工業(yè)廢棄物中的化學(xué)有害物的研究已取得很多成果，如有研究人員研究了北極凍原油滴污染土壤，原位接種抗寒混合菌種進行生物修復(fù)，一年后，土壤中的油濃度有了明顯降低[3]。還有whiteley[4]進行了生物修復(fù)酚污染環(huán)境中的細(xì)菌生態(tài)學(xué)和生理學(xué)研究。我國研究人員也對受酚污染的地表水的生物修復(fù)方法進行了研究[5]。此外，一些研究者進行了有關(guān)石油烴類污染的生物修復(fù)方面的研究，如張旭[6]實驗?zāi)M研究了生物修復(fù)石油烴污染土層的研究。李麗[7]對石油烴類化合物降解菌進行了研究?？傊?，這些研究表明，利用微生物進行生物修復(fù)的可行性，而且在這一領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

生物修復(fù)技術(shù)雖然只有30多年的應(yīng)用研究史，但是生物修復(fù)從最初的主要利用細(xì)菌治理石油、農(nóng)藥之類的有機污染，逐漸應(yīng)用到地下水、土壤、海洋、污泥等環(huán)境污染的治理上。生物修復(fù)已由細(xì)菌修復(fù)拓展到真菌修復(fù)，植物修復(fù)和動物修復(fù)，有機污染物的生物修復(fù)拓展到無機物的的修復(fù)。如：Numat[8]培育了一種新型微生物，可在24 h內(nèi)降解30 mg/L的三氯乙烯，這種菌對有機鹵代化合物和芳香族化合物均有降解作用。另外，植物修復(fù)也是一種很有前景的修復(fù)技術(shù)，植物具有吸收重金屬，凈化水體、納污、清除放射性核素，調(diào)節(jié)生態(tài)功能，利用這種能力，可有效對污染水體進行修復(fù)[9]。有研究者通過靜態(tài)試驗和現(xiàn)場試驗水雍菜和水芹菜對手污染水體的研究顯示：水生植物不僅可以去除污染物中的磷、氮鹽，改善水體狀況，還可美化水體環(huán)境;提高生物多樣性，而且其經(jīng)濟效益也相當(dāng)可觀[10]。此外，動物修復(fù)污染水體也處于不斷摸索研究階段，如羅固源[11]等證明了采用合理的間歇方式用蚯蚓處理養(yǎng)殖污水技術(shù)上可行。還有研究人員利用藻類治理河道污染和黑臭問題，且河水中DO值有了很大的提高[12]。

2 污染水體生物修復(fù)應(yīng)用與進展

2.1 海洋污染的生物修復(fù)

海洋污染尤其是海洋有機污染是當(dāng)今世界沿海國家普遍關(guān)心的環(huán)境問題之一，雖然，現(xiàn)代工業(yè)和海洋運輸業(yè)的發(fā)展極大地提高了人們的生活水平，但其帶來的環(huán)境負(fù)作用也越來越明顯，如赤潮、石油污染、多環(huán)芳烴有機污染等。

海上石油的開發(fā)以及石油產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用及排放，海上溢油事故頻發(fā)，使得石油污染已成為海洋環(huán)境的主要污染物之一。實驗證明，微生物是降解石油污染的主要治理方法，主要有加入高效降解菌;使用分散劑;使用氮、磷等營養(yǎng)鹽。1989年，美國環(huán)保局利用細(xì)菌降解石油污染的生物修復(fù)技術(shù)，成功去除威廉王子灣的石油污染。目前，生物修復(fù)正朝著構(gòu)建特定且快速降解污染物的工程菌方向發(fā)展，并且科學(xué)家已分離到了具有多種降解功能的超級微生物[13]。

多環(huán)芳烴作為廣泛分布于海洋環(huán)境中的有機污染物，其具有毒性、致癌性以及致畸誘變作用。對人類健康構(gòu)成潛在危害。多環(huán)芳烴主要來源于人類活動和能源利用過程，通過地面徑流，污水排放及機動車等燃料不完全燃燒的廢棄物隨大氣顆粒沉降進入海洋環(huán)境中。目前，微生物降解是去除多環(huán)芳烴的主要途徑，該方法利用微生物將海洋中的多環(huán)芳烴轉(zhuǎn)化為無害物，或降解為CO2和H2O。還有赤潮災(zāi)害的生物防治;海洋環(huán)境中病原菌污染的生物修復(fù)等?？梢娚镄迯?fù)技術(shù)是治理海洋環(huán)境污染和海洋生態(tài)系統(tǒng)功能紊亂的一副防治結(jié)合的良藥。

2.2 河流湖泊污染的生物修復(fù)

地表河流、湖泊污染的生物修復(fù)，主要有微生物和植物修復(fù)法。對于淺水湖泊，在水中加入營養(yǎng)鹽，用曝氣法混合，底泥中的有機污染物可作為碳源被微生物利用，污染的湖泊得以修復(fù)。華東師范大學(xué)的研究人員采用曝氣復(fù)氧，投加高效菌劑和促生液，放養(yǎng)水生植物等，對蘇州河嚴(yán)重污染支流進行了原位污染的治理和修復(fù)[14]。結(jié)果顯示：嚴(yán)重污染的水體消除了黑臭，DO值上升明顯，透明度增加，水質(zhì)得到明顯改善。另據(jù)報道，像大榕草、水芹、黑麥草等都對水體中N、P有去除作用[15]。

2.3 廢水污染的生物修復(fù)

目前，廢水污染的生物修復(fù)主要有對重金屬離子的修復(fù)和有機污染物的修復(fù)。美國科學(xué)家已對廢水中金屬離子銻、鉻、銅、汞等有效去除效果的微生物進行了研究[16]。此外，對廢水中重金屬離子的去除主要通過水生植物，如鳳眼蓮、破銅錢等。它們都能從水體吸收鉛、銅、鉻等金屬。孫鐵珩等人研究表明：水葫蘆對污水具有一定的凈化效果，水芹菜對黃金廢水具有凈化作用[17]。有研究人員[18]使用含假單胞菌的生物轉(zhuǎn)盤處理礦物廢水，銅和鐵去除率分別達(dá)到95%、98%，并可使氰由4 mg/L 降低到0.06 mg/L?？傊?，生物修復(fù)技術(shù)在廢水處理、生態(tài)平衡的協(xié)調(diào)中具有重要應(yīng)用價值。

2.4 水體底泥污染的生物修復(fù)

水體底泥污染是一個重要的環(huán)境問題。由于底泥的污染直接影響著水生動物、植物的生長，同樣也影響著水質(zhì)。所以治理好底泥污染，污染水體也會得到凈化。底泥污染物主要通過大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與沖刷進入水體，最后沉積到底泥中逐漸富集，使底泥受到嚴(yán)重污染，最后底泥變成污染物的匯集地。由于底泥是底棲生物主要的生活場所和食物來源，污染物可直接或間接對上覆水生物產(chǎn)生致毒致害作用，并通過富集，食物鏈放大進一步影響陸生生物和人類健康。目前，水體底泥污染的生物修復(fù)主要通過物理和化學(xué)方法，如疏浚、引水、掩蔽等，但工程量大，耗財耗力，不是很理想，而化學(xué)方法對生態(tài)環(huán)境破壞較大，而生物修復(fù)有無可比擬的優(yōu)勢，具有節(jié)省費用，對環(huán)境影響小，最大限度降低污染物濃度，而且可原位進行修復(fù)，不易造成二次污染的特點。運用水生植物和微生物共同組成的生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)能夠有效去除多環(huán)芳烴的污染，高等水生植物可提供微生物生長所需的碳源和能源，根系周圍好氧菌數(shù)量多，使得水溶性差的芳香烴在根系旁迅速降解。種植水生植物的根莖能控制底泥中營養(yǎng)物的釋放，而在生長后期又能較方便地去除[19]。

3 生物修復(fù)應(yīng)用前景和存在的問題

近年來，生物修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)外皆取得了較快發(fā)展，一些新技術(shù)特別是生物技術(shù)，如基因工程、酶工程、細(xì)胞工程的發(fā)展，不斷提高了污染水體的處理效率。為進一步提高生物修復(fù)治理效果，獲得突破。其發(fā)展前景在于合理利用微生物，植物以及動物等生物修復(fù)手段，并且與物理、化學(xué)方法相結(jié)合的綜合治理手段;以及利用基因修飾、改造、克隆與基因轉(zhuǎn)移等現(xiàn)代生物技術(shù)獲取特殊降解功能的工程菌，從而減少污染物在水體中的積累，保持生態(tài)平衡;另外，采用新工藝和新手段，生產(chǎn)易于生物降解產(chǎn)品也是研究人員需關(guān)注的領(lǐng)域。可以預(yù)見，生物修復(fù)技術(shù)在治理和防治水體污染方面的作用越來越重要，且應(yīng)用前景十分廣闊。

雖然污染水體的生物修復(fù)技術(shù)已取得巨大的進展，但也存在一定的局限性，如：①修復(fù)速度慢;②生物難降解污染物（如重金屬）的存在導(dǎo)致水體修復(fù)困難;③微生物對污染物的專一性使得并非所有污染物都被去除，存在降解極限;④微生物易受溫度、酸堿性等環(huán)境因素影響;⑤大規(guī)模的工程菌的應(yīng)用可能影響生態(tài)系統(tǒng)?？傊?，受污染地表水體的修復(fù)是一個極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合治理，防治結(jié)合。

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Application of Bioremediation Technology in Polluted Waters

ZHANG Lian-shui1，QI Shu-ting2，ZHANG Qing-song3，WANG Kang2，CAI Ling4，PENG Ting2

（1. Cangzhou Wangfa Biotechnology Institute， Cangzhou 061000， China;2. College of Marine Science and Engineering，

Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China;3. Cangzhou Yunhe Bureau of Agriculture ， Cangzhou 061000， China;

4 Handan Fisheries Technology Extending Stations， Handan 056002， China）

Abstract：This paper introduces the concept， methods， characteristics and some application of bioremediation in polluted waters. An overview of the status of research inland and overseas in recent years， the problems involved in the application of bioremediation are presented and suggestions for further improvement are given.

Key words：bioremediation;microorganism bioremediation;plant bioremediation

（收稿日期：2014-10-31）