基于水體污染生物修復技術現狀

張連水+齊樹亭+張青松+王康+蔡靈+彭婷

摘 要：介紹了水體污染生物修復技術的概念、方法、特點及應用實例。概述了近年來國內外生物修復技術的研究應用現狀，指出生物修復技術存在的問題和研究方向。

關鍵詞：生物修復;微生物修復;植物修復

近年來，隨著我國沿海工農業和海洋產業的發展，人口的增加，城市規模的不斷擴大，以及在海洋航運的快速發展，造成大量工礦廢水，生化污水排入江河湖海，以及在海損事故中石油、烴等有害物質的泄漏，使地表水、地下水、土壤以及海洋受到有毒有害物質的嚴重污染。污染的水體極大地損害了生態環境，破壞了生態平衡，而且，對人類健康構成極大威脅。但是對于污染水體，尚缺乏有效的治理手段，主要依靠自然生態的自我凈化。

目前，生物修復被認為是一種具有廣泛應用前景且可靠的環保技術。簡單講，生物修復（bioremediation）是指生物尤其是微生物催化降解環境污染物，減少或最終消除污染的受控或自發過程[1]。與其它物理、化學治理相比，生物修復的優點是：投入低，操作簡便，可就地處理，對周圍環境干擾少，不會造成二次污染，而且對于傳統治理技術難以處理的環境（海洋），具有廣泛的應用前景。

1 生物修復研究概述

生物修復技術的應用研究也不過30多年，主要集中于水體、土壤和地下水環境污染。史料記載的首次使用生物修復是1972年美國賓夕法尼亞州管線漏油事件。1989年，首次大規模應用生物修復技術修復了美國阿拉斯加石油污染問題，其具有里程碑意義[2]。20世紀80年代以后，基礎研究的成果逐漸應用于大范圍的環境污染，并取得一些成果，進而發展成一種新的環境污染治理技術。目前，生物修復技術在清除或減少土壤、地表水、地下水、廢水、污泥以及工業廢棄物中的化學有害物的研究已取得很多成果，如有研究人員研究了北極凍原油滴污染土壤，原位接種抗寒混合菌種進行生物修復，一年后，土壤中的油濃度有了明顯降低[3]。還有whiteley[4]進行了生物修復酚污染環境中的細菌生態學和生理學研究。我國研究人員也對受酚污染的地表水的生物修復方法進行了研究[5]。此外，一些研究者進行了有關石油烴類污染的生物修復方面的研究，如張旭[6]實驗模擬研究了生物修復石油烴污染土層的研究。李麗[7]對石油烴類化合物降解菌進行了研究。總之，這些研究表明，利用微生物進行生物修復的可行性，而且在這一領域具有廣闊的應用前景。

生物修復技術雖然只有30多年的應用研究史，但是生物修復從最初的主要利用細菌治理石油、農藥之類的有機污染，逐漸應用到地下水、土壤、海洋、污泥等環境污染的治理上。生物修復已由細菌修復拓展到真菌修復，植物修復和動物修復，有機污染物的生物修復拓展到無機物的的修復。如：Numat[8]培育了一種新型微生物，可在24 h內降解30 mg/L的三氯乙烯，這種菌對有機鹵代化合物和芳香族化合物均有降解作用。另外，植物修復也是一種很有前景的修復技術，植物具有吸收重金屬，凈化水體、納污、清除放射性核素，調節生態功能，利用這種能力，可有效對污染水體進行修復[9]。有研究者通過靜態試驗和現場試驗水雍菜和水芹菜對手污染水體的研究顯示：水生植物不僅可以去除污染物中的磷、氮鹽，改善水體狀況，還可美化水體環境;提高生物多樣性，而且其經濟效益也相當可觀[10]。此外，動物修復污染水體也處于不斷摸索研究階段，如羅固源[11]等證明了采用合理的間歇方式用蚯蚓處理養殖污水技術上可行。還有研究人員利用藻類治理河道污染和黑臭問題，且河水中DO值有了很大的提高[12]。

2 污染水體生物修復應用與進展

2.1 海洋污染的生物修復

海洋污染尤其是海洋有機污染是當今世界沿海國家普遍關心的環境問題之一，雖然，現代工業和海洋運輸業的發展極大地提高了人們的生活水平，但其帶來的環境負作用也越來越明顯，如赤潮、石油污染、多環芳烴有機污染等。

海上石油的開發以及石油產品的生產、使用及排放，海上溢油事故頻發，使得石油污染已成為海洋環境的主要污染物之一。實驗證明，微生物是降解石油污染的主要治理方法，主要有加入高效降解菌;使用分散劑;使用氮、磷等營養鹽。1989年，美國環保局利用細菌降解石油污染的生物修復技術，成功去除威廉王子灣的石油污染。目前，生物修復正朝著構建特定且快速降解污染物的工程菌方向發展，并且科學家已分離到了具有多種降解功能的超級微生物[13]。

多環芳烴作為廣泛分布于海洋環境中的有機污染物，其具有毒性、致癌性以及致畸誘變作用。對人類健康構成潛在危害。多環芳烴主要來源于人類活動和能源利用過程，通過地面徑流，污水排放及機動車等燃料不完全燃燒的廢棄物隨大氣顆粒沉降進入海洋環境中。目前，微生物降解是去除多環芳烴的主要途徑，該方法利用微生物將海洋中的多環芳烴轉化為無害物，或降解為CO2和H2O。還有赤潮災害的生物防治;海洋環境中病原菌污染的生物修復等。可見生物修復技術是治理海洋環境污染和海洋生態系統功能紊亂的一副防治結合的良藥。

2.2 河流湖泊污染的生物修復

地表河流、湖泊污染的生物修復，主要有微生物和植物修復法。對于淺水湖泊，在水中加入營養鹽，用曝氣法混合，底泥中的有機污染物可作為碳源被微生物利用，污染的湖泊得以修復。華東師范大學的研究人員采用曝氣復氧，投加高效菌劑和促生液，放養水生植物等，對蘇州河嚴重污染支流進行了原位污染的治理和修復[14]。結果顯示：嚴重污染的水體消除了黑臭，DO值上升明顯，透明度增加，水質得到明顯改善。另據報道，像大榕草、水芹、黑麥草等都對水體中N、P有去除作用[15]。

2.3 廢水污染的生物修復

目前，廢水污染的生物修復主要有對重金屬離子的修復和有機污染物的修復。美國科學家已對廢水中金屬離子銻、鉻、銅、汞等有效去除效果的微生物進行了研究[16]。此外，對廢水中重金屬離子的去除主要通過水生植物，如鳳眼蓮、破銅錢等。它們都能從水體吸收鉛、銅、鉻等金屬。孫鐵珩等人研究表明：水葫蘆對污水具有一定的凈化效果，水芹菜對黃金廢水具有凈化作用[17]。有研究人員[18]使用含假單胞菌的生物轉盤處理礦物廢水，銅和鐵去除率分別達到95%、98%，并可使氰由4 mg/L 降低到0.06 mg/L。總之，生物修復技術在廢水處理、生態平衡的協調中具有重要應用價值。

2.4 水體底泥污染的生物修復

水體底泥污染是一個重要的環境問題。由于底泥的污染直接影響著水生動物、植物的生長，同樣也影響著水質。所以治理好底泥污染，污染水體也會得到凈化。底泥污染物主要通過大氣沉降、廢水排放、雨水淋溶與沖刷進入水體，最后沉積到底泥中逐漸富集，使底泥受到嚴重污染，最后底泥變成污染物的匯集地。由于底泥是底棲生物主要的生活場所和食物來源，污染物可直接或間接對上覆水生物產生致毒致害作用，并通過富集，食物鏈放大進一步影響陸生生物和人類健康。目前，水體底泥污染的生物修復主要通過物理和化學方法，如疏浚、引水、掩蔽等，但工程量大，耗財耗力，不是很理想，而化學方法對生態環境破壞較大，而生物修復有無可比擬的優勢，具有節省費用，對環境影響小，最大限度降低污染物濃度，而且可原位進行修復，不易造成二次污染的特點。運用水生植物和微生物共同組成的生態修復系統能夠有效去除多環芳烴的污染，高等水生植物可提供微生物生長所需的碳源和能源，根系周圍好氧菌數量多，使得水溶性差的芳香烴在根系旁迅速降解。種植水生植物的根莖能控制底泥中營養物的釋放，而在生長后期又能較方便地去除[19]。

3 生物修復應用前景和存在的問題

近年來，生物修復技術在國內外皆取得了較快發展，一些新技術特別是生物技術，如基因工程、酶工程、細胞工程的發展，不斷提高了污染水體的處理效率。為進一步提高生物修復治理效果，獲得突破。其發展前景在于合理利用微生物，植物以及動物等生物修復手段，并且與物理、化學方法相結合的綜合治理手段;以及利用基因修飾、改造、克隆與基因轉移等現代生物技術獲取特殊降解功能的工程菌，從而減少污染物在水體中的積累，保持生態平衡;另外，采用新工藝和新手段，生產易于生物降解產品也是研究人員需關注的領域。可以預見，生物修復技術在治理和防治水體污染方面的作用越來越重要，且應用前景十分廣闊。

雖然污染水體的生物修復技術已取得巨大的進展，但也存在一定的局限性，如：①修復速度慢;②生物難降解污染物（如重金屬）的存在導致水體修復困難;③微生物對污染物的專一性使得并非所有污染物都被去除，存在降解極限;④微生物易受溫度、酸堿性等環境因素影響;⑤大規模的工程菌的應用可能影響生態系統。總之，受污染地表水體的修復是一個極為復雜的系統工程，需要綜合治理，防治結合。

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Application of Bioremediation Technology in Polluted Waters

ZHANG Lian-shui1，QI Shu-ting2，ZHANG Qing-song3，WANG Kang2，CAI Ling4，PENG Ting2

（1. Cangzhou Wangfa Biotechnology Institute， Cangzhou 061000， China;2. College of Marine Science and Engineering，

Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China;3. Cangzhou Yunhe Bureau of Agriculture ， Cangzhou 061000， China;

4 Handan Fisheries Technology Extending Stations， Handan 056002， China）

Abstract：This paper introduces the concept， methods， characteristics and some application of bioremediation in polluted waters. An overview of the status of research inland and overseas in recent years， the problems involved in the application of bioremediation are presented and suggestions for further improvement are given.

Key words：bioremediation;microorganism bioremediation;plant bioremediation

（收稿日期：2014-10-31）