微生物菌劑在環(huán)境污染治理中的研究和應(yīng)用進(jìn)展?

晏麗娟, 王 玲, 張海芹

(蘇州天瑞環(huán)境科技有限公司, 江蘇 昆山 215300)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快, 環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻, 包括地表水、 地下水、 土壤等被嚴(yán)重污染, 其中有大量的難降解污染物, 這些污染物威脅著人類的生存空間和生態(tài)穩(wěn)定的可持續(xù)性發(fā)展[1]。 在自然環(huán)境中存在的某些特定微生物對(duì)污染物有一定的降解作用, 依靠自身的分解能力達(dá)到自然凈化的作用[2]。 微生物菌劑技術(shù)在水污染控制、 大氣污染治理, 有毒有害物質(zhì)降解、 環(huán)境污染修復(fù)等環(huán)境保護(hù)的各個(gè)方面發(fā)揮著重要的作用[3]。 該技術(shù)具有針對(duì)性強(qiáng)、 見(jiàn)效快、 操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn), 最終產(chǎn)物大都是無(wú)毒無(wú)害的、 穩(wěn)定的物質(zhì), 如二氧化碳、 水和氮?dú)獾? 在環(huán)境污染治理中具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。

1 微生物菌劑在環(huán)境污染治理中的研究進(jìn)展

微生物菌劑最早被成功研制出現(xiàn)在歐美、 日本等國(guó)家, 而且在治理工業(yè)廢水和生活污水等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用, 并且形成了成熟的系列化產(chǎn)品--微生物復(fù)合菌劑[5]。 1983 年, 著名的日本琉球大學(xué)比嘉照夫教授研制出的微生物菌劑EM 在環(huán)境污染治理方面取得了顯著的成果, 尤其是在種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)方面[6]。 美國(guó)普羅生物技術(shù)有限公司研發(fā)的 MicroPlex-N,MicroPlex-RL 系列用于石油、 制漿造紙、 化工廢水及市政污水處理中[7]。 國(guó)內(nèi)對(duì)微生物菌劑的研發(fā)起步稍晚于國(guó)外, 雖然技術(shù)沒(méi)有國(guó)外成熟, 但也取得一些進(jìn)展, 20 世紀(jì)80 年代以來(lái),成熟運(yùn)用廢污水工程案例中的微生物菌劑產(chǎn)品有除COD 系列、除氨氮系列、 除臭除油系列和除藍(lán)藻系列, 以及由高校和科研院所聯(lián)合研發(fā)的特種廢水處理菌劑、 低溫生物強(qiáng)化菌劑、 高濃度有機(jī)物降解菌劑等已經(jīng)在工業(yè)廢水、 污染河流或湖泊修復(fù)中起到一定的作用。 在地下水修復(fù)技術(shù)中也有相應(yīng)的研究成果,如Geobacter 和Shewanella 等在研究重金屬污染的地下水治理中, 為了提高微生物的降解速率, 研制出在特殊情況下, 使得微生物與納米線相結(jié)合, 產(chǎn)生遠(yuǎn)距離傳輸電子的能力[8]。 在畜牧、 水產(chǎn)養(yǎng)殖及垃圾、 污水、 糞便處理等方面廣泛應(yīng)用的 “神威” 微生物制劑是我國(guó)自主研發(fā)的, 已經(jīng)經(jīng)過(guò)多地的實(shí)際應(yīng)用, 取得了良好的經(jīng)濟(jì)、 社會(huì)和生態(tài)效益[9]。

2 微生物菌劑在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用

2.1 微生物菌劑用于地表水生物修復(fù)治理

目前, 微生物菌劑法作為一種治理水體污染的綠色手段,已廣泛應(yīng)用于受污染的且需要及時(shí)修復(fù)的水體, 包括黑臭水體、 湖泊及近岸海域等。

2.1.1 黑臭水體污染治理

黑臭水體生物修復(fù)中利用微生物菌劑修復(fù)是比較成熟且效果良好的方法之一。 黑臭水體修復(fù)的土著微生物來(lái)源于目的水體, 有利于形成優(yōu)勢(shì)菌群, 可快速的降解黑臭水體中的污染物。 莊景[10]采用土著微生物培養(yǎng)微生物菌劑, 投加到受生活污水污染的河道中, 進(jìn)行黑臭河道修復(fù)。 研究表明: 經(jīng)過(guò)一段按時(shí)間的處理, 河道水體的COD、 氨氮、 TP 等的去除率分別提高至43%、 58%、 56%。 在提高微生物菌劑利用率方面, 李廣勝等[11]針對(duì)北方某城市黑臭河道, 得出微孔曝氣和微生物菌劑結(jié)合后, 大大地提高了氧利用率, 進(jìn)而消除了黑臭, 降低河道藻類污染的機(jī)率, 黑臭污染得到較好的遏制。 由于工程實(shí)例中所采用的微生物菌劑是純生物物質(zhì), 與化學(xué)制劑不同, 不存在二次污染的問(wèn)題, 具有良好的環(huán)境效益和廣闊的市場(chǎng)前景。

2.1.2 湖泊水體污染治理

湖泊作為重要的地表水資源, 湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是不容忽視的污染問(wèn)題之一, 造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的原因復(fù)雜多變, 繼而為修復(fù)工程帶來(lái)難題。 通過(guò)微生物利用本身的生物學(xué)特性修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮、 磷營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)污染物, 改良水質(zhì), 是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)并且取得了一定的成果。 目前已經(jīng)取得成果的現(xiàn)場(chǎng)案例有 “永川市護(hù)城河水體修復(fù)、 馬鞍山雨水湖鵲島內(nèi)湖水體治理” 等工程, 運(yùn)用了一種投放微生物菌種的典型水體修復(fù)技術(shù)—CBS 技術(shù)[12]。 另外一種研究方向是減少湖泊水體中的有害藻類的數(shù)量, 即將藻類致病菌或病毒投入富營(yíng)養(yǎng)化水體中, 讓其染病死亡。 在云南滇池水體修復(fù)過(guò)程中, 史順玉等研制出能溶解藍(lán)藻等的溶藻菌類, 命名為DC23, 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后,結(jié)果顯示, 投入此類菌類的污染水體中葉綠素含量有明顯下降的趨勢(shì)[13]。

2.1.3 近岸海域水體污染治理

近海海洋作為人類寶貴的資源、 賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 為了合理利用和有效保護(hù)近海生態(tài)系統(tǒng), 在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)兼顧生態(tài)保護(hù)和修復(fù)變?yōu)樯鐣?huì)焦點(diǎn)。 2017 年“7.16” 大連海洋溢油事件發(fā)生后的環(huán)境修復(fù)中, 將降解石油的活性菌種負(fù)載在沸石載體上, 促其形成生物膜, 加速了石油凈化, 10 個(gè)月后的油污平均去除率達(dá)到58.14%[14]。 吸附降解是研究最初的機(jī)理, 近來(lái)已經(jīng)發(fā)現(xiàn), 海洋微生物對(duì)重金屬不止是吸附降解作用, 還有氧化、 甲基化、 還原等作用, 最終降低重金屬的危害。 海洋污染的種類繁多, 成分復(fù)雜, 不同污染類型降解需要不同的微生物, 最佳適用條件也不同, 將微生物菌劑修復(fù)技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際案例中依然面臨諸多挑戰(zhàn)。

2.2 微生物菌劑用于地下水生物修復(fù)治理

地下水污染研究主要集中于重金屬和石油烴的污染。 由于地下水地質(zhì)條件復(fù)雜, 并且水體是不斷遷移和循環(huán), 所以隱蔽性和危害性是地下水污染治理的兩大難點(diǎn)。 地下水原位生物修復(fù)技術(shù), 其中包括微生物修復(fù)和植物修復(fù)。 該技術(shù)大部分處于試驗(yàn)階段, 實(shí)際應(yīng)用較少。

2.2.1 石油烴污染治理

近年來(lái)石油對(duì)環(huán)境的污染日漸嚴(yán)重, 而且石油烴污染的累積會(huì)對(duì)人類和動(dòng)植物的健康也產(chǎn)生嚴(yán)重影響, 高鵬飛等[15]從松原油田石油污染的土壤中, 篩選出3 種高效降解石油烴菌株,并對(duì)菌株進(jìn)行鑒定、 培養(yǎng), 按照最優(yōu)條件制備出混合微生物固體菌劑, 用于修復(fù)修室內(nèi)模擬石油污染的地下水, 結(jié)果表明,運(yùn)行30 天后, 石油烴濃度由34.6 mg/L 降至3.3 mg/L, 地下水中石油烴降解效果明顯。

2.2.2 重金屬污染治理

國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)重金屬污染特點(diǎn), 利用原位生物修復(fù)技術(shù), 結(jié)合現(xiàn)代基因手段, 篩選出高效降解特性的微生物, 從而提高重金屬污染修復(fù)效率。 有學(xué)者研制出一種趨磁細(xì)菌[16], 顧名思義就是利用此種微生物修復(fù)重金屬污染時(shí)吸附環(huán)境中的鐵元素后在體內(nèi)形成具有磁性的鐵化合物, 在外界磁場(chǎng)的作用下, 可以做定向運(yùn)動(dòng), 投加到廢水中, 直止吸附特定的重金屬完成后, 在磁場(chǎng)分離器中分離, 結(jié)果表明, 此種方法去除重金屬(如Fe2+、 Cr3+和Ni2+等)可達(dá)95%以上。

2.3 微生物菌劑用于土壤生物修復(fù)治理

土壤是微生物的大本營(yíng)。 微生物修復(fù)技術(shù)作為土壤生物修復(fù)技術(shù)中的熱點(diǎn)之一, 重點(diǎn)在于篩選和培養(yǎng)出降解效率高的微生物菌株, 提高功能微生物在土壤中的活性、 壽命和安全性,并優(yōu)化得到修復(fù)過(guò)程中適宜的生存、 降解污染物的條件, 以達(dá)到最佳的修復(fù)效果[17]。

2.3.1 石油污染治理

土壤中的石油污染占相當(dāng)大大的比例, 石油的主要成分有烷烴、 二甲苯、 苯、 甲苯等多種復(fù)雜芳香烴, 這些物質(zhì)進(jìn)入土壤后難以自然降解, 進(jìn)一步會(huì)造成地下水污染, 會(huì)給周圍生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染問(wèn)題。 到目前為止, 已知能降解石油中各種烴類的微生物大約有100 多余屬200 多種, 分別屬于細(xì)菌、霉菌、 放線菌、 酵母菌及藻類[18]。 李小康等[19]通過(guò)篩選和復(fù)配石油降解菌D-5 不動(dòng)桿菌等, 向石油培養(yǎng)基接入量約為6%, 經(jīng)過(guò)數(shù)天的培養(yǎng), 培養(yǎng)基的含油率由2000 mg/L 降至257.6 mg/L, 降解率最高達(dá)到了87.12%, 說(shuō)明混合菌對(duì)原油有較好的降解效果, 可以作為石油污染土壤的修復(fù)菌劑, 更進(jìn)一步研究表明, 利用生物刺激(營(yíng)養(yǎng)液)可以提高修復(fù)效率。

2.3.2 多環(huán)芳烴污染治理

土壤污染中的多環(huán)芳烴(PAHs)主要來(lái)源于污水灌溉、 農(nóng)作物秸稈燃燒、 石油開(kāi)采、 石油加工及工業(yè)活動(dòng)中化工染料的不完全燃燒和高溫?zé)峤鈁20]。 王曉旭等[21]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn), 高效降解菌DDT、 DDE、 DDD 和多種不同苯環(huán)結(jié)構(gòu)的PAHs 均具有良好的降解能力, 并且表面活性劑提高了修復(fù)效果。 Fang等[22]將DDT 降解菌Sphingobacterium sp.strain D-6 接種于污染土壤中, 60 d 后土壤中的o'p'-DDT 和p'p'-DDT 的含量分別為0.0014 和0.007 mg/kg, 明顯低于未接種土壤中的含量。

2.3.3 農(nóng)藥污染治理

有機(jī)磷農(nóng)藥(Ops)是含磷元素的有機(jī)化合物農(nóng)藥, 主要用于防止植物病、 蟲(chóng)、 草害。 針對(duì)土壤 Ops 污染, 1971 年, 首次有研究表明, 微生物可降解Ops, 此后利用微生物純種培養(yǎng)方法, 篩選出多種能夠降解Ops 的微生物, 并對(duì)降解機(jī)理作了相應(yīng)研究, 作為一種高效清除農(nóng)藥污染的微生物技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)[23]。

在修復(fù)毒死蜱污染的土壤研究中, Jabeen 等[24]在受毒死蜱污染的土壤中種植黑麥草后, 將對(duì)毒死蜱具有降解特性的內(nèi)生根瘤菌HN3投加到土壤中, 這種聯(lián)合修復(fù)可促進(jìn)黑麥草根際細(xì)菌的定植, 對(duì)土壤有毒代謝物去除有一定的作用, 有助于修復(fù)受污染的土壤。

另外一種環(huán)境殘留量較高的有機(jī)氯農(nóng)藥-六六六(HCH)及其異構(gòu)體, 化學(xué)名稱是六氯環(huán)己烷, 是一種殺蟲(chóng)劑, 使用它會(huì)對(duì)農(nóng)田環(huán)境造成大面積的污染。 雖然我國(guó)已于1983 年禁止生產(chǎn), 但由于其高毒性, 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、 難降解等特點(diǎn), 目前,有些區(qū)域農(nóng)田土壤中的HCH 殘留量依然很高。 Garg 等[25]馴化獲得可降解t-HCH 的菌群, 該菌群的優(yōu)勢(shì)菌種為Sphingobium sp.UM1、 Sphingobium lucknowense F2、 Sphingobium chinhatense IP26、 Sphingobium sp.HDIPO4 和 Sphingobium indicum B90A。在該降解菌加入受t-HCH 污染的滅菌土壤(初始含量5 mg/g)30 d 后, t-HCH 的去除率達(dá)到65%。

3 存在的問(wèn)題及展望

3.1 存在的問(wèn)題

目前關(guān)于微生物菌劑用于環(huán)境污染生態(tài)修復(fù)中的作用機(jī)理相比其應(yīng)用效果研究的少, 尤其是復(fù)合菌劑之間的復(fù)雜關(guān)系導(dǎo)致對(duì)微生物菌劑修復(fù)的機(jī)理研究難度增加。 通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù), 加強(qiáng)微生物的篩選與馴化, 獲得其生化特性和作用機(jī)理,提高其對(duì)特定污染物的降解能力, 通過(guò)優(yōu)化工藝條件, 更進(jìn)一步地大規(guī)模實(shí)現(xiàn)微生物菌劑的推廣和工程應(yīng)用。 尤其微生物菌劑基本生存條件的普遍性研究也是微生物菌劑開(kāi)發(fā)過(guò)程中重要的一個(gè)方向。

3.2 展 望

微生物菌劑的開(kāi)發(fā)研究, 促進(jìn)了我國(guó)環(huán)境污染生物修復(fù)技術(shù)的進(jìn)步。 環(huán)境污染生態(tài)修復(fù)應(yīng)遵循生態(tài)學(xué)基本原理, 在分析生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能基礎(chǔ)上, 深入研究微生物菌劑配方和強(qiáng)化微生物修復(fù)功能, 達(dá)到對(duì)環(huán)境修復(fù)和生態(tài)調(diào)控的作用, 獲得經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的統(tǒng)一。