環境生物技術在污染治理中的研究進展

郭 祥，鐘成華，王 濤，周曉琴，蘇 翔

（1.西南大學化學化工學院，重慶北碚400715；2.重慶工商大學環境與生物工程學院，重慶400067）

環境生物技術（Environmental Biotechnology）也稱環境生物工程，是生物技術在環境治理和環境保護中廣泛應用的基礎上，衍生的一門新技術和新學科。隨著經濟的發展和社會的進步，人類不斷地向環境中排放污染物，造成了全球性的生態環境破壞和污染。全球普遍存在著不同程度的空氣、水和土地污染等現象，全世界都在關注水資源的短缺、水體的污染、有毒化學品的危害、固體廢棄物的處理與處置，以及生物多樣性的損傷等生態環境問題。除了這些問題之外，資源短缺、健康受害等問題都能夠從環境生物技術的研發中得到解決。環境生物技術在處理這些問題上具有巨大的優勢，并將逐漸成為21世紀科技發展中最具前沿、最富魅力的高新技術之一。

1 現代環境生物技術的研究任務

現代環境生物技術是利用生物技術服務于環境保護。目前環境生物技術面臨的研究任務［1］：

（1）將實驗室研究的基因工程菌應用到實際現場中，并不斷研究這些工程菌的功能高效性、遺傳穩定性、生態安全性等方面的問題。

（2）利用現代環境生物技術開發廢物資源化和能源化技術。

（3）利用現代環境生物技術建立無害化生物技術清潔生產新工藝。

2 環境生物技術在環境治理中的應用

2.1 環境生物技術在廢水處理中的應用

2.1.1 固定化微生物在廢水處理中的應用

固定化微生物技術是20世紀60年代才發展起來的一項新技術，就是將特選的微生物固定在專門制定的載體上，使其高度密集并保持生物活性，在適宜條件下能夠快速、大量增殖的生物技術。在廢水處理中，這種方法表現出了很多優點，有利于提高生物反應器內微生物（尤其是特使功能的微生物）的濃度，增強微生物抵抗外界不利環境的能力，并且有利于反應后的固液分離和縮短廢水處理時間。近年來，隨著研究的深入，固定化微生物技術得到進一步發展。

唐鳳舞等［2］用固定化微生物技術對城市污水進行污染物降解處理實驗研究。結果表明，在pH值為8.0，固定化顆粒與污水的質量比例為16%，溫度為25℃時，硝基苯去除率達97.9%，COD去除率達89.2%，懸浮物去除率達72.3%，pH值顯中性，出水水質穩定。

龐勝華等［3］用PVA包埋固定化微生物顆粒處理抗生素廢水，活性微生物為經抗生素廢水以10%濃度增幅馴化75d后的活性污泥。結果表明：廢水濃度（COD）為2 000mg·L－1，曝氣20h、溫度10～45℃，pH值7～10，固定化顆粒與廢水比例1∶4，COD的去除率可達到80.57%。

2.1.2 生物膜在廢水處理中的應用

生物膜法是利用附著生長于某些固體表面的微生物（即生物膜）進行有機污水處理的方法。生物膜是由附著在載體上的高度密集的微生物群體以及它們分泌的聚合物所構成，這些微生物成分復雜，種類多樣［4］。包括好氧菌、厭氧菌、兼性菌、真菌、原生動物以及藻類等，它們共同組成了一個復雜的生態系統。生物膜對廢水水質、水量變化有很強的適應性，操作穩定性好，不會發生污泥膨脹，管理方便。但是這種方法也存在許多缺點，為了克服這些缺點，研究者進行了組合工藝和其他方面的研究，不斷取得新的進展。

Mohamed等［5］通過改進的好氧序批式彈性纖維生物膜反應器（SBFFBR）（反應器中有8根彈性纖維素管，這種纖維素管有巨大的比表面積）對乳制品廢水進行了實驗研究。反應1.6d后，結果發現對含不同COD含量（610，2 041，4 382mg·L－1）的廢水的COD具有較高的去除率，其去除率范圍為89.7%～97%。

李健等［6］采用厭氧生物濾池（AF）—好氧生物接觸氧化（BCO）聯合工藝，并在AF的濾料中掛上生物膜，對合成洗滌劑（LAS）廢水進行處理試驗。結果表明，AF反應器在HRT＝24h、溫度（32±2）℃、pH值為7～8、營養母液質量濃度5mg·L－1條件下；BCO反應器在HRT＝12h、常溫、DO為4～5 mg·L－1條件下，對LAS和COD的去除率分別為85%和95%，出水達到國家GB8978－1996《污水綜合排放標準》規定的一級排放標準。

張鳳君等［7］采用中空纖維膜作為無泡供氧及生物膜載體，采用包埋固定化技術進行掛膜及污水處理研究。實驗結果表明，采用PVA作為包埋劑，且包泥量為1∶1的情況下，掛膜時間可縮短為1周左右，COD和氨氮的去除率分別穩定在90%和80%左右。

2.1.3 復合微生物在廢水處理中的應用

復合微生物在處理廢水上表現出的巨大優勢是其他方法所無法比擬的，如何對微生物進行有效的組合和配比，發揮其最大的優勢一直是國內外學者重點研究的對象。

高云超等［8］篩選并制備了復合微生物制劑（CMP）并用于豬場污水處理。研究表明，光合細菌非曝氣處理和CMP曝氣處理對污水的處理效果較好，處理2d后污水的COD值分別降低35.5%和74.1%。CMP接種量為0.1%，1.0%和10.0%，曝氣處理3d，COD值分別降低55.9%，66.7%和53.0%。CMP對高濃度、中濃度和低濃度污水的處理效果分別為69.7%，26.3%和50.0%，表明CMP對高濃度污水具有較好的處理作用。

謝冰等［9］通過復合光合菌群對有機廢水的降解試驗結果表明，復合菌群具有比單一光合菌或普通活性污泥好的處理效果，降解效果高出18%～39%，在復合菌群中，光合細菌的優勢較明顯。

范俊等［10］研究幾種高效復合微生物群在不同水力停留時間下對城市污水的處理效果。結果表明，光合菌－活性污泥系統混合處理效果最佳，在水力停留時間6h時，去除率高于90%；在高效復合微生物菌群結合活性污泥系統中，隨著進水CODcr的提高，CODcr去除率始終保持在90%以上，具有良好的去除效果和相應的耐沖擊性。

何萍等［11］用光合細菌與小球藻復合處理豆制品有機廢水。結果表明，第一步用光合菌處理后，CODcr，BOD5分別降至250和185mg·L－1，平均去除率分別達89.3%和90.9%；第二步用小球藻與光合細菌的混合液處理后，CODcr和BOD5分別降至84和51mg·L－1，平均去除率分別達66.4%和72.4%。兩步復合處理的CODcr，BOD5的總去除率分別達96.4%和97.5%。

堵國成等［12］篩選和分離得多株脫氮微生物，能在完全好氧條件下將氨氮轉化為，隨即在好氧反硝化菌的作用下還原為N2排放，整個生物脫氮過程歷時較短，30h內對200mg·L－1的氨氮去除率達99%，而且無中間產物的積累。

鄒桂香等［13］采用微生物復合菌對人工配制的有機含氮廢水進行處理。試驗表明，好氧條件下，微生物復合菌能迅速將水中的氨氮轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽；缺氧條件下，它能快速將水中的硝酸鹽轉化為氮氣；在兩種條件下，微生物復合菌均能使水體中的化學需氧量和過濾液總氮降低。

2.2 環境生物技術在環境修復中的應用

據統計，世界各國每年大約使用1 500萬噸各種農藥，農藥的大量使用引起土壤、地下水、水系和海洋的嚴重污染，生態平衡的破壞，影響人類健康［14］。要治理和修復這些大面積的污染問題，最有效和最有價值的方法就是利用生物修復技術。目前，世界各國都加強了對生物修復技術的研究和應用。生物修復是指利用生物的代謝活動吸收、降解、轉化土壤和水體中的污染物，使污染物的濃度降低到可接受的水平，或將有毒有害的污染物轉化為無害的物質，也包括將污染物穩定化，以減少其向周邊環境擴散的環境污染的治理技術。一般包括動物修復、植物修復和微生物修復。人們發現動物和植物對污染物也有不同程度的凈化作用，但這種凈化作用多以富集為主，只是污染物簡單的轉移，還要對動物和植物進行再處理。因此在很多情況下，這兩種方法都是不可取的。而微生物修復是將這些污染物進行降解和轉化，治理較徹底，在土壤和水體修復上，研究者對微生物的修復作用進行了大量的研究。

2.2.1 在土壤修復中的應用

土壤污染具有隱蔽性和滯后性。大量的有機和無機污染物一旦進入土壤造成土壤污染，就很難根治。特別是重金屬污染，進入農作物后，通過飲食就會對人體健康構成危害。許多國家和地區都有出現過人體重金屬中毒的現象。目前治理土壤污染主要是生物修復法，包括植物修復和微生物修復，人們更多的是關注微生物修復。

Christofi和Ivshina［15］認為土壤中的有機物和金屬污染物多數是不可降解的，一般的方法不可能降解這些污染物。他們認為分泌表面活性劑的微生物（包括細菌和真菌）與所分泌的活性劑的化合物的共同作用，可以加速有機物的降解和重金屬的轉化。通過實驗室和現場的實驗研究發現，利用紅球均屬和表面活性劑的復合作用，能夠較好地去除土壤中的有機物和重金屬。

王麗萍等［16］用菌根真菌－植物對石油污染土壤進行修復。結果表明，在石油污染濃度（石油的質量分數）0.2%和2%條件下，石油烴降解率與菌根侵染率、玉米根干重和植株干重均呈現相關性。接種叢枝菌根真菌處理的菌根侵染率、玉米生長量和石油烴降解率均遠高于對照處理，叢枝菌根真菌能有效促進石油烴降解。雙接種處理的菌根侵染率和石油烴降解率等均高于單接種處理，兩種菌種的協同作用可有效促進植物生長和石油烴降解。

齊建超［17］用4種菌劑與多種有機肥聯合修復石油污染土壤。結果表明，腐植酸、諾沃肥和生物有機鈣等有機肥和菌劑（4%處理）的加入使土壤鹽堿環境得到明顯改善，土壤pH穩定于6.9，陽離子交換量為201.94cmol·kg－1；4%菌劑處理與有機肥聯合作用修復效果最顯著，石油烴降解率可達到73%，大部分所測PAHs濃度顯著降低，其中萘、蒽、苯并（a）芘和苯并（g，h，i）芘降解率分別達到了65.5%，57.7%，74.7%和55.5%。

2.2.2 在水體修復中的應用

王宗華等［18］應用高效微生物光合細菌、硝化細菌、復合細菌降解水中污染物。在投菌量100mg· L－1、第15天時對CODMn，濁度，NH3－N的去除率已達50%以上，能夠使水中DO值由0.5mg·L－1左右提高到4.2mg·L－1左右，葉綠素a含量顯著降低，該方法簡單易行，運行成本較低。

趙宇等［19］用復合光合細菌法對養蝦廢水作研究，其中CODcr的去除率能達到63%，NH3－N的去除率也能達到92.5%。季民等［20］提出了通過投加以光合細菌為主的復合細菌群來強化湖泊水體生物自凈能力，改善湖泊水體水質的方法。經過實驗室靜態投菌試驗研究，表明投加復合細菌能夠有效地凈化水體中的污染物，達到強化湖泊水體的生物自凈能力的目的。

劉妮等［21］培養得到光合細菌、氨化菌、硝化菌、反硝化菌和磷細菌的優勢菌群，進行復合后，再對試驗污水進行靜態處理。結果表明，配比為1∶1，投加量為5%的復合菌群對污水的處理效果最好，對CODcr，NH＋4－N和磷酸鹽的去除率分別達到79.7%，98.6%和78.1%。

單明軍等［22］培養得“土著”硝化細菌與腐植酸配制而成的復合型微生物制劑，并對富營養化湖泊進行生態修復。結果表明，該方法能夠有效地降低富營養化湖泊水體中的濁度，提高水體溶解氧，消除惡臭，改善水質，水體中的TN、TP、氨氮、COD及濁度等水質指標均有明顯降低，下降率分別為77.8%，72.2%，94.2%，60.0%和85.6%，并且水生生物具有多樣性，水體自凈能力大大增強。

2.3 環境生物技術在有害有機污染物治理中的應用

楊彬等［23］通過富集培養，獲得了降解對硝基苯胺的混合培養微生物，并用于降解硝基苯胺。結果表明，在培養液中添加110gPL葡萄糖和110gPL酵母粉，36h內對硝基苯胺去除率可達97.0%以上，對硝基苯胺降解速率可達411mgPL·h－1；當對硝基苯胺作為培養液生長的唯一碳源、氮源和能源時，96h內對硝基苯胺去除率為34.8%，降解速率為0.15mgPL·h－1。

3 結論

現代環境生物技術作為一種有效的環境污染治理措施，其在環境生物監測、污染治理、生物修復等方面都得到了廣泛的應用。近年來，生物技術在環境保護中的應用發展迅速，在以下幾方面的表現尤為突出。

（1）分離培養對某些污染物具有特殊分解能力的高效工程菌，用于環境污染治理。

（2）運用現代環境生物技術開發環境友好型產品。

（3）運用現代環境生物技術，開發新型生物制劑，用于環境污染治理、檢測等。

隨著基因工程學、細胞工程學、蛋白質組學及酶工程學的發展，環境生物技術得到了快速發展。如何將這些學科和技術進行組合，選擇和培養出高效治污的基因工程菌及微生物菌劑，是環境生物技術當前所面臨和需解決的關鍵難題。環境生物技術將隨著新理論、新技術的發展和運用而得到不斷地完善，必將為環境污染治理和環境保護提供更多可行、可用、有效的方法。

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