微生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用概況

彭邦良

(寧波至誠(chéng)學(xué)校，浙江 寧波 315033)

1 引言

隨著全球人口的快速增長(zhǎng)以及工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)各類型資源的消耗達(dá)到了空前水平，粗放的發(fā)展模式及科學(xué)技術(shù)的缺乏導(dǎo)致全球正面臨著土壤污染、水質(zhì)惡化、生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞等諸多環(huán)境問(wèn)題，這類問(wèn)題也已經(jīng)引起了全人類的共同關(guān)注[1]。對(duì)于如何處理好這一系列的環(huán)境問(wèn)題，世界各國(guó)已經(jīng)開展了廣泛的合作，加強(qiáng)了環(huán)境領(lǐng)域的科學(xué)研究及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，并取得了階段性成果。與環(huán)境保護(hù)相關(guān)的科學(xué)技術(shù)原理及方法主要來(lái)源于物理、化學(xué)及生物等相關(guān)學(xué)科；當(dāng)前，生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用尤其受到重視，特別是微生物相關(guān)的技術(shù)手段[2,3]。微生物是個(gè)體微小的一類生物的總稱,主要包括病毒、細(xì)菌、真菌以及顯微藻類等；微生物種類繁多，廣泛存在于各種自然環(huán)境中，土壤、水體、大氣中均有微生物分布，是生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分，土壤及水體中的各種有機(jī)污染物、固體廢棄物以及生活垃圾等都需要直接或間接地在微生物的作用下分解為無(wú)機(jī)物被重新利用[4]。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，微生物及相關(guān)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛，特別是在污染治理方面的表現(xiàn)尤為突出[5]。

2 微生物技術(shù)在水污染治理及污水處理中的應(yīng)用

在近30年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)高速發(fā)展，大量工農(nóng)業(yè)廢水及生活污水的不達(dá)標(biāo)排放導(dǎo)致水體中污染物含量急劇增長(zhǎng)，嚴(yán)重破壞了水體生態(tài)系統(tǒng)，給人類健康及水生甚至陸生動(dòng)植物的正常生長(zhǎng)繁殖帶來(lái)了許多負(fù)面影響，解決水污染問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。微生物具有生長(zhǎng)繁殖快、分解能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，在水處理中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)成為水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6]。微生物對(duì)各類污水進(jìn)行處理的基本原理是利用一系列生化反應(yīng)對(duì)污水中的有機(jī)污染物、重金屬等發(fā)揮轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化作用,從而使其得到凈化或?qū)崿F(xiàn)循環(huán)利用[7]。

2.1 污水中有機(jī)污染物的降解

微生物降解污水中的有機(jī)物是利用微生物的新陳代謝作用對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解和利用,最終實(shí)現(xiàn)污水中的有機(jī)物減量化。微生物處理廢水的方法主要有兩大類：①好氧法，在有氧條件下進(jìn)行，利用好氧微生物的生長(zhǎng)繁殖，使水中的有機(jī)物最終氧化分解成CO2、硝酸鹽等的無(wú)機(jī)物，以實(shí)現(xiàn)污水的凈化；包括氧化塘法、活性污泥法、生物轉(zhuǎn)盤法等。②厭氧法，在無(wú)氧條件下利用厭氧微生物對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化。利用微生物去降解污水中的有機(jī)物要求微生物對(duì)有機(jī)物能有效的吸收和利用，同時(shí)產(chǎn)生的代謝物也要易于分解。例如，應(yīng)用巨大芽孢桿菌 CM-Z19降解甲基毒死蜱時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種更難以降解的中間代謝物(3,5,6-三氯-2-吡啶酚)，并且菌株CM-Z19不能降解3,5,6-三氯-2-吡啶酚,故常將菌株CM-Z19與另一種能有效降解3,5,6-三氯-2-吡啶酚的菌株聯(lián)合應(yīng)用于降解甲基毒死蜱[8]。因此，除了可利用單一菌株外，兩種或多種菌株的聯(lián)合應(yīng)用在污水處理中具有重要的實(shí)踐意義；活性污泥法、生物轉(zhuǎn)盤法、氧化塘法等則可理解為是包含有許多種菌株的微生物群落的應(yīng)用。

2.2 污水中重金屬的處理

微生物處理污水中的重金屬主要是依靠微生物的絮凝作用、催化轉(zhuǎn)化作用及吸附作用等使重金屬被沉淀、吸附或轉(zhuǎn)化。有些微生物可以分泌多聚糖、糖蛋白、脂多糖等胞外聚合物質(zhì)，其具有吸附、絡(luò)合或沉淀重金屬離子的作用；也有一些微生物的細(xì)胞表面能通過(guò)離子交換或物理吸附的方式吸附重金屬離子。另外，有些重金屬離子能進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)，并可能通過(guò)微生物的生化代謝轉(zhuǎn)化為低毒的形式。近年來(lái)已有大量研究報(bào)道利用微生物從廢水中分離、回收銅、汞、鉻等重金屬,并取得了很好的凈化效果[9,10]。例如，應(yīng)用海藻酸鈉固定的動(dòng)膠菌能有效去除污水中的Cd2+；真菌細(xì)胞壁中幾丁質(zhì)成分能有效的結(jié)合重金屬和放射性物質(zhì)，已被發(fā)展成一種有效的生物吸附劑。

2.3 微生物絮凝技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用

微生物絮凝劑是一類由微生物產(chǎn)生的具有絮凝功能的高分子有機(jī)物，主要有糖蛋白、粘多糖、纖維素和核酸等；具有分泌絮凝劑能力的微生物稱為絮凝劑產(chǎn)生菌。由不同的微生物構(gòu)建的絮凝劑會(huì)有不同的絮凝特征，例如，利用紅串紅球菌(Rhodococcuserythropolis)制備的生物絮凝劑NOC-1，對(duì)泥漿水、膨脹污泥、紙漿廢水、河水、粉煤灰水等均有很好的絮凝和脫色效果，是當(dāng)前應(yīng)用效果較好的微生物絮凝劑之一；而用擬青霉菌制備的絮凝劑PF101，則對(duì)血紅細(xì)胞、大腸桿菌、啤酒酵母、纖維素粉、活性污泥、硅藻土、氧化鋁等有良好的絮凝效果。微生物絮凝劑在處理污水的過(guò)程中，可對(duì)水中的污染物進(jìn)行沉淀，以提升水質(zhì)，并可實(shí)現(xiàn)廢水脫色等目標(biāo)，能使工業(yè)廢水經(jīng)處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[11]。

2.4 固定化微生物技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

利用微生物處理水體中污染物時(shí)，可直接投放微生物制劑，但游離的菌株通常對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較差，應(yīng)用效果不穩(wěn)定。通過(guò)固定化微生物技術(shù)，菌劑在固定介質(zhì)上緩慢釋放或直接在介質(zhì)上發(fā)揮作用，能有效改善微生物的抗逆性，并提高生物量濃度，使應(yīng)用效果得到顯著改善[12,13]。常用的固定化方法有：①包埋法，需要將微生物固定在特定的載體中，以提高微生物的活性和有效濃度，經(jīng)包埋處理的微生物不易脫落，可防止菌體細(xì)胞流失，并可使底物和反應(yīng)產(chǎn)物自由進(jìn)出載體；②吸附法，利用微生物細(xì)胞對(duì)特定載體的親和性，將微生物直接吸附在載體表面的一種固定化處理方法。

3 污染土壤的微生物修復(fù)技術(shù)

土壤中天然存在的微生物或人為添加的微生物能降解或轉(zhuǎn)化土壤中的有機(jī)污染物，以實(shí)現(xiàn)土壤功能的恢復(fù)或改善，這就是利用微生物修復(fù)受污染土壤的基本原理[14,15]。例如，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中農(nóng)藥的大量使用會(huì)在土壤中造成農(nóng)藥殘留污染，針對(duì)這類污染可以選育特定的農(nóng)藥降解菌株，并將其人工添加到受污染的土壤中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)殘留農(nóng)藥的降解；例如，Zhao等[16]分離了一株能降解農(nóng)藥百菌清的凝結(jié)芽孢桿菌，能有效降解土壤或水體中的殘留百菌清。截至目前，人們已分離了許多能用于農(nóng)藥降解的微生物，主要有黃桿菌屬、芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、節(jié)細(xì)菌屬等。

此外，針對(duì)石油類污染物、芳香族污染物、酚類污染物等多類有機(jī)污染物的降解菌的篩選與應(yīng)用已經(jīng)取得了廣泛的成果；關(guān)于有機(jī)污染物生物降解的研究也已經(jīng)進(jìn)入基因水平，并已利用基因工程技術(shù)構(gòu)建了能高效降解農(nóng)藥及石油烴類等污染物的工程菌株[17]。當(dāng)前，市場(chǎng)上已有許多商品化的降解菌劑，它們通常能用于降解某一種或某一大類有機(jī)污染物。另外，也有一些用于土壤修復(fù)的復(fù)合微生物制劑被開發(fā)出來(lái)，它們通常含有多種微生物，其應(yīng)用范圍一般也更為廣泛。

微生物與植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤修復(fù)方面表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用效果，其具有原位操作、環(huán)境友好、成本低等特點(diǎn)。某些根瘤菌、植物內(nèi)生菌和根際微生物與植物關(guān)系密切、能促進(jìn)植物在重金屬脅迫條件下生長(zhǎng)，并提高植物對(duì)土壤中重金屬的提取或固定。例如，已有研究表明叢枝菌根真菌定植楊樹葉片后能夠促進(jìn)重金屬離子轉(zhuǎn)移到葉片，并改變植物的細(xì)胞代謝，提高植物對(duì)重金屬的耐受性。

4 固體廢棄物的微生物堆肥處理

固體廢棄物組成繁雜、數(shù)量巨大，在固廢的資源化利用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行分類并采取不同的處理方式，方能達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。對(duì)農(nóng)業(yè)固體廢棄物及生活中的部分固體廢棄物進(jìn)行堆肥處理是當(dāng)前應(yīng)用最為成熟的固廢再利用方式之一；對(duì)農(nóng)作物秸稈、動(dòng)物糞便及一些餐廚垃圾進(jìn)行堆肥處理，一方面，能有效減少這些廢棄物對(duì)環(huán)境的影響；另一方面，其最終的堆肥產(chǎn)品也是一種優(yōu)異的肥料[18]。

堆肥是指利用天然微生物群落的生命代謝活動(dòng)，將固體廢棄物中可降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的過(guò)程；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，經(jīng)常應(yīng)用農(nóng)作物秸桿、人畜糞便、餐廚垃圾、污泥等廢棄物作為原料，經(jīng)堆肥化處理后制作成有機(jī)肥料[19]。為了提高堆肥效果并保障產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，已經(jīng)選育了一些適于堆肥的微生物菌株，并將其開發(fā)為用于堆肥處理的接種劑。例如，在以作物秸稈為主要原料進(jìn)行堆肥時(shí)，可適量接種木質(zhì)素降解菌、纖維素降解菌和半纖維素降解菌等，可顯著提高發(fā)酵速度、縮短堆肥時(shí)間，并提高堆肥質(zhì)量[20]。目前，在諸多堆肥研究中已經(jīng)觀察到在堆肥過(guò)程中添加外源菌株可顯著提高堆肥效率，減少氮素?fù)p失，并有利于鈍化重金屬。例如，低溫條件通常不利于堆肥，但若接種嗜冷-嗜熱復(fù)合菌劑則可促進(jìn)畜禽糞便與作物秸稈的堆肥，加速堆肥進(jìn)程。

5 討論與展望

盡管目前我國(guó)在環(huán)境微生物技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)品的研究與應(yīng)用方面發(fā)展迅速，并取得了不少卓越的成果，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距，還有許多問(wèn)題亟需解決。例如，開發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品數(shù)量多，但缺少精品，產(chǎn)品的穩(wěn)定性整體上不夠理想；另外，對(duì)環(huán)境微生物技術(shù)的基礎(chǔ)研究還比較欠缺，理論基礎(chǔ)不夠扎實(shí)。針對(duì)這些不足，在后續(xù)的基礎(chǔ)研究與實(shí)踐中有必要重視以下幾個(gè)方面，以推動(dòng)微生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的長(zhǎng)足發(fā)展：①加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，充分掌握各種微生物的代謝路徑、降解或轉(zhuǎn)化機(jī)理、以及相關(guān)的生理生化特性等；②應(yīng)用基因工程手段改良已有的環(huán)保用菌株及其相關(guān)產(chǎn)品；③開發(fā)微生物在環(huán)保領(lǐng)域的新的應(yīng)用方式，發(fā)展多功能環(huán)保菌劑；④探索具有不同功能的微生物的混用，以及與其他物理、化學(xué)、生物方法的聯(lián)合應(yīng)用；⑤完善相關(guān)微生物制劑的制備工藝，保障其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性及應(yīng)用效果的可靠性；⑥積極引入一些其他領(lǐng)域的新材料，促進(jìn)微生物在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。