微生物在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李寶玉+楊映潔

摘要 現(xiàn)代微生物技術(shù)在環(huán)境微生物檢測(cè)和治理中起到至關(guān)重要的作用。本文就微生物在大氣污染治理、工業(yè)廢水處理、農(nóng)藥殘留控制、環(huán)境凈化等領(lǐng)域的應(yīng)用，以及在環(huán)境保護(hù)中作用原理及在未來環(huán)境保護(hù)中的發(fā)展前景展開闡述，旨在為微生物在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞 微生物；環(huán)境保護(hù)；作用原理；發(fā)展前景

中圖分類號(hào) Q939.99；X505 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）12-0177-02

Abstract Modern microbial technology plays a crucial role in environmental microbial detection and governance. In this paper，the application of microorganism in the fields of air pollution control，industrial waste water treatment，pesticide residues control and environmental purification was elaborated，its action principle and development prospects in environmental protection were expounded，so as to provide references for application and development of microorganism in environmental protection.

Key words microorganism；environmental protection；action principle；development prospects

微生物是指?jìng)€(gè)體難以或無法用肉眼觀察的一切微小生物的總稱，包括細(xì)菌、病毒、真菌、少數(shù)藻類以及一些小型的原生生物[1]。微生物個(gè)體微小、種類繁多，涵蓋了眾多有益和有害的生物種類，由于其體積微小、體表面積大、吸收多、轉(zhuǎn)化快、自身生長(zhǎng)繁殖迅速，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品安全、醫(yī)藥醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域[2]。

由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，人民生活水平快速提高，各個(gè)領(lǐng)域間的技術(shù)發(fā)展也是飛奔猛進(jìn)，人們?cè)谏a(chǎn)、生活中對(duì)化工產(chǎn)品的需求量越來越大，但是隨之而來的環(huán)境問題卻一直困擾著人們。

目前，我國(guó)的環(huán)境保護(hù)工作進(jìn)入“以環(huán)境優(yōu)化促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)”[3]的階段，而利用微生物進(jìn)行環(huán)境治理是便捷、高效、無污染的措施。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微生物技術(shù)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)越來越明顯，利用微生物進(jìn)行環(huán)境治理已經(jīng)不斷深入和完善。實(shí)踐表明，微生物技術(shù)將成為環(huán)境保護(hù)的重要手段。各國(guó)都在大力研發(fā)微生物技術(shù)，今后微生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中將占據(jù)更高的市場(chǎng)。

1 微生物在大氣污染治理中的應(yīng)用

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，人口激增，進(jìn)而帶來的是一系列的大氣污染問題，從而引起各種危害，如臭氧層被破壞、酸雨發(fā)生越發(fā)頻繁、溫室效應(yīng)等?，F(xiàn)主要從4個(gè)方面介紹微生物在大氣污染治理中的應(yīng)用，包括NOx的微生物凈化技術(shù)、微生物煙氣脫硫技術(shù)、微生物除臭技術(shù)、二氧化碳的微生物固定技術(shù)[4]。

1.1 NOx的微生物凈化技術(shù)

NOx的微生物凈化技術(shù)原理是利用脫氮菌在外加氮源的環(huán)境下，將大氣中有害氣體NOx還原成無害氣體N2，在進(jìn)行還原的同時(shí)，脫氮菌利用NOx作為氮源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行自身增殖，如此循環(huán)還原，從而達(dá)到多次凈化的作用[5]。愛德荷國(guó)家工程的實(shí)驗(yàn)室研究人員利用脫氮菌進(jìn)行脫氮，已經(jīng)將氮凈化率提高到99%[6]。該方法能有效去除廢氣中的NOx，因其工藝流程簡(jiǎn)單、能源消耗低、凈化效率高、無二次污染、能進(jìn)行循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，可以推廣用于其他工業(yè)有害氣體的治理，從而達(dá)到有害氣體的再利用?，F(xiàn)在，各國(guó)的科學(xué)家正在研究將NOx的微生物凈化技術(shù)與細(xì)胞固定化技術(shù)相結(jié)合，從而尋找對(duì)有害氣體NOx進(jìn)行凈化的更便捷、易操作的方法。

1.2 微生物煙氣脫硫技術(shù)

現(xiàn)階段，對(duì)煙氣中的SOx、H2S的治理有2個(gè)方法：一種方法是利用化學(xué)反應(yīng)原理，將SOx、H2S轉(zhuǎn)變成H2SO4；另一種方法便是利用氧化亞鐵硫桿菌的特性，吸收大氣污染中的SOx，同時(shí)利用吸收液中的微生物使Fe2+和Fe3+進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。由于Fe3+具有較強(qiáng)的氧化性，是良好的氧化劑，所以Fe3+的濃度越高，氧化性越強(qiáng)，脫硫的速度也就越快[7]。同時(shí)，反應(yīng)生成的Fe2+又可以作為氧化亞鐵硫桿菌的營(yíng)養(yǎng)源物質(zhì)，轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物Fe3+，再次加快SO2的消化、吸收。研究表明，現(xiàn)在的氧化亞鐵硫桿菌的脫硫率已經(jīng)達(dá)到95%以上[8]，并且脫硫技術(shù)可以運(yùn)用于煤炭中硫的去除、工業(yè)硫化氫氣體的凈化。

1.3 微生物除臭技術(shù)

由于工業(yè)氣體污染包含多種污染成分，其中還夾雜著部分固體顆粒，產(chǎn)生臭氣，故科學(xué)家研究出微生物除臭技術(shù)，用于處理工業(yè)污染引起的臭氣。微生物除臭技術(shù)[9]是先將臭氣溶于水中，然后運(yùn)用微生物的體表面積大、細(xì)胞膜和細(xì)胞壁可以吸附溶于水中的臭氣的特性，將臭氣分解為可溶性物質(zhì)，使工業(yè)污染中的臭氣被消除；同時(shí)，微生物利用臭氣中的成分作為自己的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行自身的生長(zhǎng)繁殖，增加了微生物的數(shù)量，加快除臭環(huán)節(jié)的進(jìn)行。此技術(shù)凈化效率高、成本低，是可以推行的工業(yè)除臭技術(shù)。德國(guó)、荷蘭等國(guó)家已經(jīng)開發(fā)了生物臭氣處理裝置，除臭效率可達(dá)1萬～15萬m3/h[10]。

1.4 二氧化碳的微生物固定技術(shù)

二氧化碳污染是最常見的氣體污染，可利用物理、化學(xué)技術(shù)進(jìn)行去除，但微生物的各種條件更為優(yōu)越，能在進(jìn)行污染物治理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自身的生長(zhǎng)繁殖，故使用微生物進(jìn)行碳的固定，產(chǎn)生許多有利的物質(zhì)，如有機(jī)酸、多糖、維生素、氨基酸等。常見的固碳微生物有螺旋藻、小球藻、真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌等進(jìn)行固定作用，分解二氧化碳[11]。

2 微生物在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用

微生物對(duì)工業(yè)廢水進(jìn)行處理的方法是利用其生化反應(yīng)，通過酶催化對(duì)工業(yè)廢水起到轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化作用，從而使工業(yè)廢水得到凈化、循環(huán)利用。微生物技術(shù)處理工業(yè)廢水主要是進(jìn)行有機(jī)物的降解、重金屬離子的處理及其他物質(zhì)的除雜。

2.1 廢水中有機(jī)物的降解

微生物降解污水中的有機(jī)物是利用微生物的新陳代謝過程中需要進(jìn)行物質(zhì)間的吸收利用，產(chǎn)生容易分解的代謝物，周而復(fù)始，使污水中的有機(jī)物被分解完全[12]。

20世紀(jì)70年代微生物絮凝劑已經(jīng)問世，其來源為微生物，來源廣泛，安全性高，是自然的新型水處理劑[13]，現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用于高濃度、難治理的農(nóng)藥廢水中。高效微生物的研究應(yīng)用是解決農(nóng)藥廢水實(shí)現(xiàn)高效、快捷處理的關(guān)鍵[14]，可以利用EM菌、小球綠藻、芽孢桿菌等對(duì)農(nóng)藥殘留的有機(jī)磷、硫等物質(zhì)進(jìn)行消化吸收。經(jīng)過科學(xué)家們的研究，降解率已經(jīng)從72.3%[15]升高至99.7%[16]，同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院與中國(guó)科學(xué)院武漢病毒研究所從污泥中分離出假單細(xì)胞，其在18 h內(nèi)能將1 000 mg/L甲胺磷降解75%左右[17]。

2.2 含重金屬離子的處理

微生物治理重金屬離子主要是靠真菌，由于真菌生長(zhǎng)速度快、菌絲綿長(zhǎng)、附著力強(qiáng)，利用靜電吸附作用和霉菌體內(nèi)的催化轉(zhuǎn)化作用及絡(luò)合作用，使重金屬被吸附消化[18]，而且微生物的代謝產(chǎn)物可以自行分解，具有成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)。近年來有研究表明，已經(jīng)利用微生物從廢水中分離、凈化、回收銅、汞、鉻等重金屬，多次凈化率高達(dá)99.9%[19]。

另外，1998年Kuhn[20]利用海藻酸鈉固定生支動(dòng)膠菌除去溶液中95.9%的Cd2+。至此，科學(xué)家開始利用各種生物技術(shù)與現(xiàn)代科技技術(shù)相互結(jié)合，除去了廢水中99%的重金屬離子，實(shí)現(xiàn)了廢水再利用，達(dá)到了凈化水質(zhì)的效果。

2.3 廢水中其他物質(zhì)的去除

廢水中除了有機(jī)雜質(zhì)、重金屬外，還有其他有色顆粒存在。目前，對(duì)有色廢水的處理是采用微生物絮凝劑進(jìn)行脫色，該處理劑是利用生物分解性，將細(xì)菌、真菌等微生物發(fā)酵、提取、精制而成。研究表明，它克服了無機(jī)高分子和合成有機(jī)高分子絮凝劑本身固有的缺陷，現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)了微生物絮凝劑NOC-1對(duì)發(fā)酵后的有色廢水、造紙堿性黑液等進(jìn)行脫色，發(fā)現(xiàn)其脫色效果顯著，可使廢水變?yōu)榍宄?、透明[21]。

3 微生物在環(huán)境凈化中的應(yīng)用

19世紀(jì)末，經(jīng)濟(jì)日益增長(zhǎng)，環(huán)境問題越發(fā)嚴(yán)重，隨著微生物治理方法的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類利用微生物進(jìn)行環(huán)境保護(hù)的工程開始，經(jīng)過上百年的研究，微生物已經(jīng)在治理環(huán)境中被廣泛應(yīng)用。

3.1 廢棄物的降解、轉(zhuǎn)化

微生物由于代謝類型的多樣化，幾乎能降解環(huán)境中的各種天然物質(zhì)，尤其是有機(jī)化合物?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)普遍采用微生物技術(shù)降解轉(zhuǎn)化石油、農(nóng)藥、重金屬、多氯聯(lián)苯（PCB）等未能被利用的污染物。大量研究發(fā)現(xiàn)，采用紅色諾卡氏菌與釀酒酵母結(jié)合，能夠完全降解毒性極其穩(wěn)定的多氯聯(lián)苯[23]。日本環(huán)境科學(xué)與民間企業(yè)共同研究發(fā)現(xiàn)一種可以分解PCB的微生物，分解率可達(dá)64.5%[24]。中國(guó)科學(xué)院微生物研究所篩選出高效降解RDX的棒狀桿菌、降解TNT的芽孢桿菌，其降解率高達(dá)90%以上。故微生物是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)后盾。

3.2 環(huán)境監(jiān)控

微生物無處不在，現(xiàn)在已經(jīng)利用微生物的特性進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控：用糞便污染指示菌（大腸桿菌、克雷伯氏菌）檢測(cè)水質(zhì)[25]；用鼠傷寒沙門氏菌檢驗(yàn)物質(zhì)的突變性及致癌性[26]；用熒光細(xì)菌的靈敏性快速檢測(cè)環(huán)境中的毒物[27]。

3.3 固體廢物堆肥處理

固體廢物中水分充足，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充分，有大量的微生物群存在，在一定溫度下，只要有適宜的條件，微生物便會(huì)大量繁殖，并進(jìn)行生物分解，從而引發(fā)堆肥發(fā)酵，發(fā)酵后的堆肥可以為作物提供生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分。最近研究發(fā)現(xiàn)，白腐真菌對(duì)含苯的有毒物質(zhì)具有很強(qiáng)的耐受、降解能力，有利于進(jìn)行堆肥的處理[27]。

3.4 活性污垢處理廢水

活性污垢是指經(jīng)過人工培養(yǎng)，含有有機(jī)物和細(xì)菌的污水，經(jīng)過微生物的不斷生長(zhǎng)代謝，產(chǎn)生絮狀、有很強(qiáng)吸附能力的微生物團(tuán)。活性污垢適用于工業(yè)廢水、造紙、合成纖維廢水等的處理，可實(shí)現(xiàn)廢水凈化與循環(huán)利用，從而提高物質(zhì)的再利用率[28]。

4 微生物在其他污染治理中的應(yīng)用

微生物除了應(yīng)用于大氣、廢水的污染治理外，還可以應(yīng)用于其他方面的治理，例如生活垃圾、農(nóng)藥、土壤等處理。生活垃圾主要是白色污染，這需要運(yùn)用微生物的分解原理，對(duì)塑料袋進(jìn)行分解；農(nóng)藥殘留主要是多余的有機(jī)磷、硫，引起藻類的瘋狂增長(zhǎng)，而導(dǎo)致赤潮、藍(lán)藻水華等危害，近年發(fā)現(xiàn)可以利用EM菌抑制藍(lán)藻的生長(zhǎng)，同時(shí)控制水中氮的含量；土壤中微生物的利用方面，主要是利用根瘤菌起到固氮的作用，將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為植物光合作用所需的物質(zhì)，從而進(jìn)行生命的正常活動(dòng)；后期，開始利用嗜熱及嗜溫細(xì)菌、硝化細(xì)菌、蛋白及果膠水解微生物、固氮微生物和纖維素分解微生物對(duì)固體廢物進(jìn)行堆肥處理，讓微生物快速分解并進(jìn)行自身的生長(zhǎng)，從而提高土壤肥力，利于作物生長(zhǎng)[22]。

5 微生物在環(huán)境保護(hù)中的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)的發(fā)展，人類越來越重視環(huán)境保護(hù)，微生物對(duì)環(huán)境保護(hù)的作用越來越重要，其體現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益引發(fā)企業(yè)、科學(xué)界的關(guān)注。微生物在環(huán)境保護(hù)中的發(fā)展呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)。

5.1 綜合利用

為使物質(zhì)資源得到充分利用并減少能源消耗，微生物污染治理趨向綜合利用。根據(jù)各微生物的固有特性，如微生物菌體、微生物體內(nèi)酶等將生活垃圾、固體廢棄物制成沼氣池發(fā)電，產(chǎn)生能源供人類使用。當(dāng)前的微生物技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，由于其經(jīng)濟(jì)高、投資少、重利用率高的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為各個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家青睞的城市垃圾處理途徑。目前，世界各國(guó)有200多座垃圾沼氣田處于運(yùn)營(yíng)階段，不僅收獲了電力資源，還獲取了肥力資源。

5.2 從治理到預(yù)防

早期工農(nóng)業(yè)因追求經(jīng)濟(jì)效益而忽略環(huán)境治理，現(xiàn)在世界各國(guó)已經(jīng)高度重視環(huán)境保護(hù)，正在研發(fā)各種環(huán)境保護(hù)技術(shù)措施，同時(shí)時(shí)刻關(guān)注重要的世界性環(huán)境問題，采取相應(yīng)的方法防患于未然。微生物環(huán)保技術(shù)是首選的環(huán)境治理方案?，F(xiàn)階段各國(guó)正在研發(fā)微生物農(nóng)藥用以代替化學(xué)農(nóng)藥，從而減少化學(xué)農(nóng)藥帶來的污染，如分解快、毒性低的微生物殺蟲劑等。

5.3 完善微生物環(huán)境保護(hù)技術(shù)

目前，對(duì)微生物技術(shù)的研究都應(yīng)放在基礎(chǔ)研究與應(yīng)用相結(jié)合上，大規(guī)模推廣微生物技術(shù)，構(gòu)建生物反應(yīng)器，優(yōu)化運(yùn)行條件，研究新方法，高效地進(jìn)行環(huán)境保護(hù)與污染治理。

5.4 開發(fā)微生物資源

微生物具有種類繁多、資源豐富、繁殖快、生存條件要求低的特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)階段國(guó)際社會(huì)對(duì)微生物的重視情況，各國(guó)應(yīng)該繼續(xù)開發(fā)微生物資源，使其應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。繼續(xù)尋找新物種，如耐熱性菌、抗耐性強(qiáng)的菌種、在特殊環(huán)境下仍可以生存的菌落，使之更多地用在環(huán)境保護(hù)上。同時(shí)，由于微生物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以從分子水平對(duì)微生物進(jìn)行深入研究，運(yùn)用基因工程及生物技術(shù)，讓微生物技術(shù)更好地服務(wù)于人類[29]。

6 結(jié)語

綜上所述，微生物在環(huán)境治理過程中起著重要的作用，應(yīng)該對(duì)微生物進(jìn)行更深入的研究，將其可利用率提高到最大化。目前，我國(guó)的微生物應(yīng)用已經(jīng)取得很大的成功，然而進(jìn)一步的研究仍需要科技、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)投入。大力開展以微生物技術(shù)為主體的環(huán)境保護(hù)技術(shù)研究，將推進(jìn)微生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用，通過微生物技術(shù)的不斷發(fā)展，滿足國(guó)內(nèi)需求，并占領(lǐng)國(guó)外市場(chǎng)。

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