微生物環(huán)境修復(fù)作用研究進(jìn)展

范婷婷+劉琳+王英偉+張二娜

摘 要：介紹了常用的微生物環(huán)境修復(fù)方法，詳細(xì)列舉了生物因素、營養(yǎng)物質(zhì)、電子受體、表面活性劑、共代謝物等因素在污染環(huán)境微生物修復(fù)中的作用，重點闡述了微生物在治理水污染、大氣污染、金屬污染、農(nóng)藥污染、海洋污染中的作用及微生物毒性試驗在環(huán)境工程中的應(yīng)用，指出生物技術(shù)修復(fù)污染環(huán)境與傳統(tǒng)的物理化學(xué)技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢，是我國今后治理環(huán)境污染的重要發(fā)展方向，具有廣闊的市場和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：微生物；環(huán)境修復(fù)；生態(tài)環(huán)境

近年來，隨著大量非生物有機化合物的生產(chǎn)和資源的開發(fā)利用，進(jìn)入環(huán)境中的有害污染物越來越多，在環(huán)境中長期存在難以降解，由于這些污染物的潛在毒性，誘導(dǎo)性及生物累計效應(yīng)，引起各國學(xué)者的極大重視。極大促進(jìn)了生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和利用。近年來運用微生物技術(shù)治理環(huán)境污染已日益受到人們重視，從20世紀(jì)80年代開始，歐洲許多發(fā)達(dá)國家開始研究污染土壤生物修復(fù)技術(shù)，就是利用微生物將諸如土壤、廢水中的環(huán)境污染物降解為無害的CO2和H2O的過程。與傳統(tǒng)物化方法相比更為行之有效的多。生物修復(fù)的主要優(yōu)點為：1）成本低；2）不破壞植物生長所需的土壤環(huán)境；3）處理效果好，使污染物殘留量降到很低水平；4）對環(huán)境影響小，無二次污染；5）可以就地處理。由于利用生物修復(fù)技術(shù)來治理污染不僅費用省，而且效果好，沒有或很少有第二次污染，因此生物修復(fù)技術(shù)在治理污染中有著廣泛的發(fā)展前景，已日益成為環(huán)保工作者研究的熱點，并必將在污染治理中發(fā)揮更大的作用。

生物修復(fù)是指利用特定的生物吸收、轉(zhuǎn)化、清除或降解環(huán)境污染物，從而修復(fù)被污染環(huán)境或消除環(huán)境中的污染物，實現(xiàn)環(huán)境凈化、生態(tài)效應(yīng)恢復(fù)的生物措施。是一類低耗、高效和環(huán)境安全的環(huán)境生物技術(shù)。環(huán)境污染的生物修復(fù)途徑包括兩個方面：一是應(yīng)用生物處理或生物循環(huán)過程，通過精心設(shè)計與合理應(yīng)用阻斷或減少污染源向環(huán)境的直接排放；二是利用具有特殊生理生化功能的植物或特異微生物來修復(fù)污染場所（土壤或水體），降解效率可以通過改變土壤理化條件（包括溫度、濕度、pH、供氧量及營養(yǎng)添加等）來完成，也可接種特殊馴化與構(gòu)件的工程微生物提高降解速率。有機物能通過主動運輸、被動擴散、促進(jìn)擴散、基團(tuán)轉(zhuǎn)位、胞飲作用等方式進(jìn)入微生物體，實現(xiàn)微生物對其氧化、還原及基團(tuán)轉(zhuǎn)移，達(dá)到降解過程。微生物還可以通過靜電吸附、共價吸附、絡(luò)合螯合、離子交換和無機微沉淀等方式吸收、吸附重金屬離子。

一、常用的微生物修復(fù)技術(shù)

1.原位生物修復(fù)技術(shù)

（1）投菌法（Bioangmentation）。直接向污染的環(huán)境中接入外源的污染降解菌，同時提供這些菌生長所需的養(yǎng)。

Cutright等使用3種補充的營養(yǎng)液與Mycobacterium sp一起注入土壤中，已取得了良好的效果。

（2）生物培養(yǎng)法（Bioculture）。定期地向污染環(huán)境中投加過氧化氫和營養(yǎng)，以滿足污染環(huán)境中已經(jīng)存在的降解菌的需要，以便使污染環(huán)境中的微生物通過代謝將污染物徹底礦化為CO2和H2O。

（3）生物通氣法（Bioventing）。這是一種強迫氧化的生物降解方法。在污染的土壤上通過鼓風(fēng)機將空氣強排入土壤中，再抽出，土壤中的揮發(fā)性有機物也隨之去除。在通入空氣時加入一定量的氨氣，為降解菌提供氮素營養(yǎng)，促進(jìn)其降解活力的提高。另外還有一種生物通氣法，即將空氣加壓后注射到污染地下水的下部，氣流加速地下水和土壤中有機物的揮發(fā)和降解。（4）農(nóng)耕法（Land farming）

對污染土壤進(jìn)行耕耙處理，在處理進(jìn)程中施入肥料，進(jìn)行灌溉，加入石灰，從而盡可能地為微生物提供一個良好的環(huán)境，保證污染物降解在各個層次都能發(fā)生。但是這種方法易造成污染物的轉(zhuǎn)移。由于該方法簡易經(jīng)濟，因此在土壤滲透性差，土壤污染較淺，污染物又較易降解時可以選用。

2.異位生物修復(fù)技術(shù)

（1）堆肥式處理（Composing）。在土壤中直接滲入能提高處理效果的支撐材料，使用機械或壓氣系統(tǒng)充氧，同時加石灰以調(diào)節(jié)pH值。經(jīng)過一段時間的發(fā)酵處理，大部分污染物被降解，標(biāo)志著堆肥的完成，經(jīng)處理后的土壤可返回原地或用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

（2）生物反應(yīng)器（Bioreactor）。把污染土壤移到反應(yīng)器，加入3-9倍的水混合使其呈泥漿狀，同時加入必要的營養(yǎng)物和表面活性劑，鼓入空氣充氧并劇烈攪拌，使微生物與底物充分接觸，完成代謝工程，而后在快速過濾池中脫水。這種反應(yīng)器分為連續(xù)式與間歇式兩種，但以間歇式居多。

3.原位-異位聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

（1）水洗-生物反應(yīng)器法（Washing-bioreatctot）。用水沖流土壤中的污染物，并將含有該污染物的廢水經(jīng)回收系統(tǒng)引入附近的生物及反應(yīng)器中，通過連續(xù)供應(yīng)營養(yǎng)，氧氣和接種降解菌將污染物去除。

（2）土壤通氣-堆肥法。先對污染土壤進(jìn)行生物通氣，去除易揮發(fā)的有機污染物，然后進(jìn)行堆肥式處理，去除難揮發(fā)的有機污染物。

二、影響污染環(huán)境微生物修復(fù)的關(guān)鍵因素

生物修復(fù)需具備的前提條件一是必須存在具代謝活性的微生物，且不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)；二是目標(biāo)化合物必須能夠被微生物利用，污染場地不含對降解菌種有抑制作用的物質(zhì)，否則需先行稀釋或?qū)⒃撘种苿o害化；三是污染場地或生物反應(yīng)器的環(huán)境條件必須有利于微生物生長或保持活性；四是技術(shù)費用必須盡可能低。

1.生物因素。自然狀態(tài)下環(huán)境中存在大量可降解污染物的微生物，但濃度一般很低。當(dāng)環(huán)境被污染時由于微生物受馴化，降解該種污染物的微生物數(shù)量會逐漸增多。如在自然狀態(tài)下可降解烴類的微生物只占微生物總數(shù)的1 %，但在石油污染的環(huán)境中這一比例可上升至10 %。添加可降解污染物質(zhì)的外源微生物可強化對污染物質(zhì)的降解，有助于達(dá)到理想的處理效果。采用質(zhì)粒轉(zhuǎn)移、基因工程技術(shù)和原生質(zhì)體融合技術(shù)等構(gòu)建工程菌在環(huán)境生物修復(fù)中具有比較好的應(yīng)用前景。但由于生物工程菌在自然環(huán)境中缺乏競爭優(yōu)勢，及其可能潛在的對生態(tài)安全的威脅，目前環(huán)境治理中應(yīng)用很少。

2.營養(yǎng)物質(zhì)。N、P等營養(yǎng)元素是微生物生長不可缺少的，尤其是海水中N和P是限制微生物降解烴類的最重要因素。眾多研究表明在石油污染的修復(fù)中投加N和P可明顯提高碳?xì)浠衔锏慕到馑俾?。而對海水中的石油類污染物的修?fù)來說，使用以尿素作為N源的親油肥料Inipol EAP22有利于石油表面的微生物生長。出于經(jīng)濟考慮，也可用動物飼料和動物糞便作營養(yǎng)鹽，如在被石油污染的阿拉伯沙灘上投加動物飼料（含60 %蛋白質(zhì)）使石油的降解率提高了15 %。

3.電子受體。微生物的活性除了受營養(yǎng)物質(zhì)的限制外，污染物分解的最終電子受體的種類和濃度也極大影響著生物修復(fù)的速度和程度，包括O2、H2O2和其他的一些離子等。魏德洲等的研究認(rèn)為當(dāng)H2O2的濃度為600mg/L時效果最佳，土樣中石油污染物的去除率比對照增加了近3倍。此外，O2、Fe3+也可以作為石油烴的地下水生物修復(fù)時的電子受體。

4 .表面活性劑。使用表面活性劑有助于對親水性差的污染物質(zhì)的降解。烷烴、芳香烴、多環(huán)芳烴是石油的重要組分，這類物質(zhì)的水溶性較低且難被微生物降解。一些降解石油的微生物能產(chǎn)生表面活性物質(zhì)，使這些烴類乳化從而促進(jìn)細(xì)胞吸收。

5.共代謝物。微生物可通過共代謝加速降解一些難降解有機物。甲烷氧化菌可通過共代謝降解多種污染物，包括對人體健康有嚴(yán)重威脅的三氯乙烯和多氯聯(lián)苯等。研究表明在甲烷和溶解氧存在條件下三氯乙烯的降解率可達(dá)到10 %～20 %。杜秀英等發(fā)現(xiàn)用鄰二氯苯作為初級營養(yǎng)共代謝物，可增強菌株對較高氯代二噁英的降解能力。另外有報道稱，一株洋蔥假單胞菌以甲苯為生長基質(zhì)時可以對三氯乙烯共代謝降解。某些分解代謝酚或甲苯的細(xì)菌也具有共代謝降解三氯乙烯、1，1-二氯乙烯、順-1，2-二氯乙烯的能力。

三、生物修復(fù)在污染治理中的應(yīng)用

1.在水污染治理中的應(yīng)用。微生物群體可以依靠細(xì)胞壁將污水中的有機物質(zhì)吸收消化，同時產(chǎn)生一定的代謝物質(zhì)，再作為其它微生物的養(yǎng)料，進(jìn)行吸收消化，直至污水中的有機物質(zhì)全部分解。70年代國內(nèi)外都采用物理、化學(xué)方法如活性碳吸附等處理含TNT的工業(yè)廢水，但成本高并存在二次污染等問題。尹萍等利用篩選的轉(zhuǎn)化TNT的高效微生物接種掛膜，處理含TNT - DNN （二硝基萘）混合廢水，使TNT由50 mg/ L降低至0.5 mg/ L，二硝基萘由5mg/ L降低至檢測不到，出水中各項指標(biāo)都達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，已在有關(guān)軍工廠投產(chǎn)運行多年，取得良好的社會效益和環(huán)境效益。微生物絮凝劑是從微生物或其分泌物提取、純化而獲得的一種安全、高效、且能自然降解的新型水處理劑。倉根隆一郎用微生物絮凝劑加Ca2 + 處理畜產(chǎn)廢水發(fā)現(xiàn)其濁度去除率達(dá)94. 5 %，而且不存在二次污染。孟琴等用自制的微生物絮凝劑處理蛋白質(zhì)溶液和果汁原汁，也發(fā)現(xiàn)其處理效果明顯優(yōu)于陽離子聚丙烯酰胺。

我國采用微生物絮凝劑NOC -1，對含有可溶性著色物質(zhì)的黑墨水、面包酵母生產(chǎn)過程中排出的培養(yǎng)基糖蜜廢水、造紙堿性黑液、顏料廢水等有色廢水進(jìn)行處理，處理后的上清液變?yōu)闊o色透明。可見，微生物絮凝劑具有很好的脫色性能。

2.在大氣污染治理中的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大氣污染日趨嚴(yán)重。微生物對污染物能較快地適應(yīng)，并可使廢物、廢氣得到降解和轉(zhuǎn)化。同傳統(tǒng)空氣污染控制技術(shù)相比，微生物法以其處理高效、費用低、易于管理等優(yōu)點，逐漸應(yīng)用于空氣污染控制中。

（1）含H2S氣體的凈化。目前，工業(yè)上H2S氣體的物化凈化法，雖然治理效果較好，但要求高溫、高壓，需要大量催化劑和其它化學(xué)藥品，嚴(yán)重腐蝕設(shè)備，還會存在產(chǎn)生二次污染等問題。用生物法處理含H2S廢氣主要在生物膜過濾器中進(jìn)行。德國、荷蘭、新西蘭、英國和美國都有工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用報導(dǎo)。日本研究者將活性污染脫水，在常溫（20～60℃） 的條件下干燥，在水中浸漬膨潤后得到固定化污泥。這種固定化污泥可以保持各種微生物的生理活性，利用此固定化污泥去除惡臭可以提高惡臭的去除率，降低成本。

（2）二氧化碳的微生物固定。CO2一方面是造成溫室效應(yīng)的廢物，另一方面又是巨大的可再生資源。因此，二氧化碳的固定在環(huán)境、能源方面具有極其重要的意義。目前，CO2的固定方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法，而大多數(shù)物理法、化學(xué)法必須依賴生物法來固定CO2。而微生物由于能夠生存于各種特殊環(huán)境中而更顯優(yōu)勢。另外，自氧微生物在固定CO2的同時，可以將其轉(zhuǎn)化為菌體細(xì)胞以及許多代謝產(chǎn)物。日本已經(jīng)利用CO2生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白較有潛力的微生物產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)螺旋藻、小球藻等微藻；革蘭氏陰性菌在限氮條件下可分泌大量的胞外多糖；甲烷菌可利用CO2和H2形成甲烷，例如，在中空纖維生物反應(yīng)器中利用嗜熱自養(yǎng)甲烷桿菌轉(zhuǎn)化CO2和H2，該反應(yīng)器可保持菌體高濃度及長時間產(chǎn)甲烷活性。

3.微生物在金屬污染物治理中的應(yīng)用。工業(yè)化促進(jìn)了人類的進(jìn)步，同時工業(yè)廢水中的有毒有害污染物，特別是重金屬的排放又給環(huán)境造成了眾多負(fù)面影響。與傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法相比，生物技術(shù)不僅價格較低，而且不會對環(huán)境造成二次污染，有較高的應(yīng)用價值。

環(huán)境中微生物并不能降解金屬污染物，只能改變金屬污染物的種類。生物法去除環(huán)境中的重金屬主要是利用微生物改變金屬原子、金屬離子的形態(tài)，使其沉淀，以達(dá)到去除有毒重金屬的目的；或者利用微生物改變金屬離子的價態(tài)，使金屬溶于液體中，從而易于從土壤中濾除。海藻、酵母菌等對金屬也具有較強的生物吸附能力。微生物可以適應(yīng)環(huán)境中高濃度的鎘、鉛、鉻，而且細(xì)胞繁殖過程中對鎘的去除率高達(dá)85%。

4. 生物修復(fù)農(nóng)藥污染治理中的應(yīng)用。近年來，生物修復(fù)越來越多地應(yīng)用于農(nóng)藥污染環(huán)境的修復(fù)中。崔中利從農(nóng)藥廠污泥中分離出兩種甲單胞菌，混合菌種對甲基對硫磷的降解效果良好。阮少江等研究發(fā)現(xiàn)，Pseudomomas Ws-5對甲胺磷的降解效果明顯，而且金屬Cu2+、Ca2+、Mn2+等對其生長具有促進(jìn)作用。王永杰等從污泥中分離到可降解光譜有機磷類農(nóng)藥的芽孢桿菌，在培養(yǎng)72h，對500mg/L甲胺磷、200mg/L敵敵畏、100mg/L對硫磷的降解率分別為78.5%，50.3%，25.4%。李淑彬等分離到一株曲霉和一株假單胞B82礦化菌，曲霉對14.17mmol/L的甲胺磷的降解率達(dá)85%。

5.微生物在海洋污染環(huán)境中的生物修復(fù)作用。近年來，隨著我過沿海地區(qū)工農(nóng)業(yè)和海洋養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展以及人口的驟增，大量人工合成的污染物的不合理排放，海上石油的開發(fā)等，造成了海洋環(huán)境污染的危機，如赤潮發(fā)生頻率的增加、石油污染、農(nóng)藥的非點源污染加劇等。

目前廣泛分布于海洋環(huán)境中的多環(huán)芳烴（PAHs），由于其潛在毒性、致癌性及致畸誘變作用，對人類健康和生態(tài)環(huán)境具有很大的潛在危害，已引起各國環(huán)境科學(xué)家的極大重視。鄭天凌等在對影響微生物修復(fù)的各種環(huán)境因素的研究中，篩選出的降解菌，對菲、芘、熒蒽的降解率達(dá)60-70%以上，并且混合菌的降解效果更好。

美國環(huán)境保護(hù)局在阿拉斯加Exxon Vadez 石油泄露事故中，利用生物修復(fù)技術(shù)成功治理污染環(huán)境，從污染海灘分離的細(xì)菌菌株與不受污染的分離菌株相比，具有特殊的降解能力。

最近幾年，赤潮也成為危害海洋環(huán)境的元兇之一，并且影響范圍越來越廣。用化學(xué)方法防治雖可迅速有效的控制赤潮，但所施用的化學(xué)藥劑給海洋帶來了新的污染。近期，國外發(fā)現(xiàn)了一種寄生在藻類上的細(xì)菌，可逐漸使藻類絲狀體裂解致死；某些假單胞菌、桿菌、蛭弧菌可分泌有毒物質(zhì)釋放到環(huán)境中，抑制某藻類如甲藻和硅藻的生殖；有研究也表明病毒在赤潮的生消中起著重要的作用。

6.微生物毒性試驗在環(huán)境工程中的應(yīng)用。由于化學(xué)品的需求不斷增加，大量有毒化學(xué)品被釋放到環(huán)境中，使自然生態(tài)環(huán)境面臨巨大的威脅。迅速和簡便地監(jiān)測和篩選環(huán)境中眾多的外來化學(xué)品，尤其是有毒化學(xué)品的環(huán)境毒理效應(yīng)，建立優(yōu)先監(jiān)測的污染物名單十分必要。利用低廉的微生物，通過進(jìn)行細(xì)菌發(fā)光檢測、抑制代謝檢測、遺傳毒性試驗等微生物檢測方法可以對化學(xué)品的毒性進(jìn)行快速、簡便、靈敏的檢測。

四、生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用前景展望

生物修復(fù)技術(shù)是治理環(huán)境污染、生態(tài)系統(tǒng)功能紊亂的一副防治結(jié)合的良藥，費用低，副作用少，污染前預(yù)防，污染后治理，但像許多疾病一樣， 應(yīng)對癥下藥， 對于不同的污染物應(yīng)采取不同的生物修復(fù)方案。目前生物修復(fù)技術(shù)推廣應(yīng)用也還存在許多問題，但仍是很有發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)境清潔技術(shù)。

為進(jìn)一步提高生物修復(fù)的治理效果，獲得環(huán)境污染治理新突破，其發(fā)展前景在采用新工藝手段，生產(chǎn)易于生物降解的化合物，合成具有特殊降解能力的工程菌，從而減少污染物在環(huán)境中的累積、轉(zhuǎn)移，保持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，實現(xiàn)海洋環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。實踐證明，采用生物技術(shù)修復(fù)污染環(huán)境與傳統(tǒng)的物理化學(xué)技術(shù)相比可以節(jié)省大量投資、可以就地進(jìn)行、對周圍環(huán)境的影響較小、可以最大限度地去除環(huán)境中的污染物。隨著生物技術(shù)的不斷進(jìn)步，基因工程菌的出現(xiàn)，生物修復(fù)技術(shù)將不斷應(yīng)用于更多的污染環(huán)境的治理工程中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳熹兮.低溫微生物及其在生物修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J ].自然雜志，23（3）：163～167.

[2] 陳金霞，張小莉，生物修復(fù)技術(shù)在污染治理中的應(yīng)用[J ].上?；?，2000，9：4～7.

[3] 賀永華，胡立芳.污染環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J ].科技通報，23（2）：271～276.

[4] 魏書齋，劉麗麗.污染環(huán)境的生物修復(fù)[J ].水利科技，2007，12：34～37.

[5] 陳玉成.污染土壤生物修復(fù)工程[J ].化學(xué)工業(yè)出版社，2003：17～30.

[6] 林力，生物整治技術(shù)進(jìn)展[J ].環(huán)境科學(xué)，1997，18（3）：67-～71.

[7] 吳方正，PAHs污染及其生物治理技術(shù)進(jìn)展[J ].土壤學(xué)進(jìn)展，1995（1）：32～44.

[8] 顧繼東.國外環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展和展望[J ].生物技術(shù)通報，1999，6：8～12.

[9] Frodrickson J. K， ctal In-situ and on-situ Bioremediation Environmental Scicence Technology， 1993， 27（9）： 1711～1716.

[10] 張甲耀，生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J ].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報，1996，2（2）：1993～1996.

[11] 張逸飛，鐘文輝，等.微生物在污染環(huán)境生物修復(fù)中的應(yīng)用[J ].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2007，15（3）：198～202.

作者簡介 范婷婷（1986-），女，黑龍江人，助理農(nóng)藝師，農(nóng)學(xué)學(xué)士，從事植物檢疫工作。