微生物環境修復作用研究進展

范婷婷+劉琳+王英偉+張二娜

摘 要：介紹了常用的微生物環境修復方法，詳細列舉了生物因素、營養物質、電子受體、表面活性劑、共代謝物等因素在污染環境微生物修復中的作用，重點闡述了微生物在治理水污染、大氣污染、金屬污染、農藥污染、海洋污染中的作用及微生物毒性試驗在環境工程中的應用，指出生物技術修復污染環境與傳統的物理化學技術相比具有明顯的優勢，是我國今后治理環境污染的重要發展方向，具有廣闊的市場和發展前景。

關鍵詞：微生物；環境修復；生態環境

近年來，隨著大量非生物有機化合物的生產和資源的開發利用，進入環境中的有害污染物越來越多，在環境中長期存在難以降解，由于這些污染物的潛在毒性，誘導性及生物累計效應，引起各國學者的極大重視。極大促進了生物修復技術的發展和利用。近年來運用微生物技術治理環境污染已日益受到人們重視，從20世紀80年代開始，歐洲許多發達國家開始研究污染土壤生物修復技術，就是利用微生物將諸如土壤、廢水中的環境污染物降解為無害的CO2和H2O的過程。與傳統物化方法相比更為行之有效的多。生物修復的主要優點為：1）成本低；2）不破壞植物生長所需的土壤環境；3）處理效果好，使污染物殘留量降到很低水平；4）對環境影響小，無二次污染；5）可以就地處理。由于利用生物修復技術來治理污染不僅費用省，而且效果好，沒有或很少有第二次污染，因此生物修復技術在治理污染中有著廣泛的發展前景，已日益成為環保工作者研究的熱點，并必將在污染治理中發揮更大的作用。

生物修復是指利用特定的生物吸收、轉化、清除或降解環境污染物，從而修復被污染環境或消除環境中的污染物，實現環境凈化、生態效應恢復的生物措施。是一類低耗、高效和環境安全的環境生物技術。環境污染的生物修復途徑包括兩個方面：一是應用生物處理或生物循環過程，通過精心設計與合理應用阻斷或減少污染源向環境的直接排放；二是利用具有特殊生理生化功能的植物或特異微生物來修復污染場所（土壤或水體），降解效率可以通過改變土壤理化條件（包括溫度、濕度、pH、供氧量及營養添加等）來完成，也可接種特殊馴化與構件的工程微生物提高降解速率。有機物能通過主動運輸、被動擴散、促進擴散、基團轉位、胞飲作用等方式進入微生物體，實現微生物對其氧化、還原及基團轉移，達到降解過程。微生物還可以通過靜電吸附、共價吸附、絡合螯合、離子交換和無機微沉淀等方式吸收、吸附重金屬離子。

一、常用的微生物修復技術

1.原位生物修復技術

（1）投菌法（Bioangmentation）。直接向污染的環境中接入外源的污染降解菌，同時提供這些菌生長所需的養。

Cutright等使用3種補充的營養液與Mycobacterium sp一起注入土壤中，已取得了良好的效果。

（2）生物培養法（Bioculture）。定期地向污染環境中投加過氧化氫和營養，以滿足污染環境中已經存在的降解菌的需要，以便使污染環境中的微生物通過代謝將污染物徹底礦化為CO2和H2O。

（3）生物通氣法（Bioventing）。這是一種強迫氧化的生物降解方法。在污染的土壤上通過鼓風機將空氣強排入土壤中，再抽出，土壤中的揮發性有機物也隨之去除。在通入空氣時加入一定量的氨氣，為降解菌提供氮素營養，促進其降解活力的提高。另外還有一種生物通氣法，即將空氣加壓后注射到污染地下水的下部，氣流加速地下水和土壤中有機物的揮發和降解。（4）農耕法（Land farming）

對污染土壤進行耕耙處理，在處理進程中施入肥料，進行灌溉，加入石灰，從而盡可能地為微生物提供一個良好的環境，保證污染物降解在各個層次都能發生。但是這種方法易造成污染物的轉移。由于該方法簡易經濟，因此在土壤滲透性差，土壤污染較淺，污染物又較易降解時可以選用。

2.異位生物修復技術

（1）堆肥式處理（Composing）。在土壤中直接滲入能提高處理效果的支撐材料，使用機械或壓氣系統充氧，同時加石灰以調節pH值。經過一段時間的發酵處理，大部分污染物被降解，標志著堆肥的完成，經處理后的土壤可返回原地或用于農業生產。

（2）生物反應器（Bioreactor）。把污染土壤移到反應器，加入3-9倍的水混合使其呈泥漿狀，同時加入必要的營養物和表面活性劑，鼓入空氣充氧并劇烈攪拌，使微生物與底物充分接觸，完成代謝工程，而后在快速過濾池中脫水。這種反應器分為連續式與間歇式兩種，但以間歇式居多。

3.原位-異位聯合修復技術

（1）水洗-生物反應器法（Washing-bioreatctot）。用水沖流土壤中的污染物，并將含有該污染物的廢水經回收系統引入附近的生物及反應器中，通過連續供應營養，氧氣和接種降解菌將污染物去除。

（2）土壤通氣-堆肥法。先對污染土壤進行生物通氣，去除易揮發的有機污染物，然后進行堆肥式處理，去除難揮發的有機污染物。

二、影響污染環境微生物修復的關鍵因素

生物修復需具備的前提條件一是必須存在具代謝活性的微生物，且不會產生有毒物質；二是目標化合物必須能夠被微生物利用，污染場地不含對降解菌種有抑制作用的物質，否則需先行稀釋或將該抑制劑無害化；三是污染場地或生物反應器的環境條件必須有利于微生物生長或保持活性；四是技術費用必須盡可能低。

1.生物因素。自然狀態下環境中存在大量可降解污染物的微生物，但濃度一般很低。當環境被污染時由于微生物受馴化，降解該種污染物的微生物數量會逐漸增多。如在自然狀態下可降解烴類的微生物只占微生物總數的1 %，但在石油污染的環境中這一比例可上升至10 %。添加可降解污染物質的外源微生物可強化對污染物質的降解，有助于達到理想的處理效果。采用質粒轉移、基因工程技術和原生質體融合技術等構建工程菌在環境生物修復中具有比較好的應用前景。但由于生物工程菌在自然環境中缺乏競爭優勢，及其可能潛在的對生態安全的威脅，目前環境治理中應用很少。

2.營養物質。N、P等營養元素是微生物生長不可缺少的，尤其是海水中N和P是限制微生物降解烴類的最重要因素。眾多研究表明在石油污染的修復中投加N和P可明顯提高碳氫化合物的降解速率。而對海水中的石油類污染物的修復來說，使用以尿素作為N源的親油肥料Inipol EAP22有利于石油表面的微生物生長。出于經濟考慮，也可用動物飼料和動物糞便作營養鹽，如在被石油污染的阿拉伯沙灘上投加動物飼料（含60 %蛋白質）使石油的降解率提高了15 %。

3.電子受體。微生物的活性除了受營養物質的限制外，污染物分解的最終電子受體的種類和濃度也極大影響著生物修復的速度和程度，包括O2、H2O2和其他的一些離子等。魏德洲等的研究認為當H2O2的濃度為600mg/L時效果最佳，土樣中石油污染物的去除率比對照增加了近3倍。此外，O2、Fe3+也可以作為石油烴的地下水生物修復時的電子受體。

4 .表面活性劑。使用表面活性劑有助于對親水性差的污染物質的降解。烷烴、芳香烴、多環芳烴是石油的重要組分，這類物質的水溶性較低且難被微生物降解。一些降解石油的微生物能產生表面活性物質，使這些烴類乳化從而促進細胞吸收。

5.共代謝物。微生物可通過共代謝加速降解一些難降解有機物。甲烷氧化菌可通過共代謝降解多種污染物，包括對人體健康有嚴重威脅的三氯乙烯和多氯聯苯等。研究表明在甲烷和溶解氧存在條件下三氯乙烯的降解率可達到10 %～20 %。杜秀英等發現用鄰二氯苯作為初級營養共代謝物，可增強菌株對較高氯代二噁英的降解能力。另外有報道稱，一株洋蔥假單胞菌以甲苯為生長基質時可以對三氯乙烯共代謝降解。某些分解代謝酚或甲苯的細菌也具有共代謝降解三氯乙烯、1，1-二氯乙烯、順-1，2-二氯乙烯的能力。

三、生物修復在污染治理中的應用

1.在水污染治理中的應用。微生物群體可以依靠細胞壁將污水中的有機物質吸收消化，同時產生一定的代謝物質，再作為其它微生物的養料，進行吸收消化，直至污水中的有機物質全部分解。70年代國內外都采用物理、化學方法如活性碳吸附等處理含TNT的工業廢水，但成本高并存在二次污染等問題。尹萍等利用篩選的轉化TNT的高效微生物接種掛膜，處理含TNT - DNN （二硝基萘）混合廢水，使TNT由50 mg/ L降低至0.5 mg/ L，二硝基萘由5mg/ L降低至檢測不到，出水中各項指標都達到國家排放標準，已在有關軍工廠投產運行多年，取得良好的社會效益和環境效益。微生物絮凝劑是從微生物或其分泌物提取、純化而獲得的一種安全、高效、且能自然降解的新型水處理劑。倉根隆一郎用微生物絮凝劑加Ca2 + 處理畜產廢水發現其濁度去除率達94. 5 %，而且不存在二次污染。孟琴等用自制的微生物絮凝劑處理蛋白質溶液和果汁原汁，也發現其處理效果明顯優于陽離子聚丙烯酰胺。

我國采用微生物絮凝劑NOC -1，對含有可溶性著色物質的黑墨水、面包酵母生產過程中排出的培養基糖蜜廢水、造紙堿性黑液、顏料廢水等有色廢水進行處理，處理后的上清液變為無色透明。可見，微生物絮凝劑具有很好的脫色性能。

2.在大氣污染治理中的應用。隨著現代工農業的發展，大氣污染日趨嚴重。微生物對污染物能較快地適應，并可使廢物、廢氣得到降解和轉化。同傳統空氣污染控制技術相比，微生物法以其處理高效、費用低、易于管理等優點，逐漸應用于空氣污染控制中。

（1）含H2S氣體的凈化。目前，工業上H2S氣體的物化凈化法，雖然治理效果較好，但要求高溫、高壓，需要大量催化劑和其它化學藥品，嚴重腐蝕設備，還會存在產生二次污染等問題。用生物法處理含H2S廢氣主要在生物膜過濾器中進行。德國、荷蘭、新西蘭、英國和美國都有工業規模的應用報導。日本研究者將活性污染脫水，在常溫（20～60℃） 的條件下干燥，在水中浸漬膨潤后得到固定化污泥。這種固定化污泥可以保持各種微生物的生理活性，利用此固定化污泥去除惡臭可以提高惡臭的去除率，降低成本。

（2）二氧化碳的微生物固定。CO2一方面是造成溫室效應的廢物，另一方面又是巨大的可再生資源。因此，二氧化碳的固定在環境、能源方面具有極其重要的意義。目前，CO2的固定方法主要有物理法、化學法和生物法，而大多數物理法、化學法必須依賴生物法來固定CO2。而微生物由于能夠生存于各種特殊環境中而更顯優勢。另外，自氧微生物在固定CO2的同時，可以將其轉化為菌體細胞以及許多代謝產物。日本已經利用CO2生產單細胞蛋白較有潛力的微生物產業化生產螺旋藻、小球藻等微藻；革蘭氏陰性菌在限氮條件下可分泌大量的胞外多糖；甲烷菌可利用CO2和H2形成甲烷，例如，在中空纖維生物反應器中利用嗜熱自養甲烷桿菌轉化CO2和H2，該反應器可保持菌體高濃度及長時間產甲烷活性。

3.微生物在金屬污染物治理中的應用。工業化促進了人類的進步，同時工業廢水中的有毒有害污染物，特別是重金屬的排放又給環境造成了眾多負面影響。與傳統的物理化學方法相比，生物技術不僅價格較低，而且不會對環境造成二次污染，有較高的應用價值。

環境中微生物并不能降解金屬污染物，只能改變金屬污染物的種類。生物法去除環境中的重金屬主要是利用微生物改變金屬原子、金屬離子的形態，使其沉淀，以達到去除有毒重金屬的目的；或者利用微生物改變金屬離子的價態，使金屬溶于液體中，從而易于從土壤中濾除。海藻、酵母菌等對金屬也具有較強的生物吸附能力。微生物可以適應環境中高濃度的鎘、鉛、鉻，而且細胞繁殖過程中對鎘的去除率高達85%。

4. 生物修復農藥污染治理中的應用。近年來，生物修復越來越多地應用于農藥污染環境的修復中。崔中利從農藥廠污泥中分離出兩種甲單胞菌，混合菌種對甲基對硫磷的降解效果良好。阮少江等研究發現，Pseudomomas Ws-5對甲胺磷的降解效果明顯，而且金屬Cu2+、Ca2+、Mn2+等對其生長具有促進作用。王永杰等從污泥中分離到可降解光譜有機磷類農藥的芽孢桿菌，在培養72h，對500mg/L甲胺磷、200mg/L敵敵畏、100mg/L對硫磷的降解率分別為78.5%，50.3%，25.4%。李淑彬等分離到一株曲霉和一株假單胞B82礦化菌，曲霉對14.17mmol/L的甲胺磷的降解率達85%。

5.微生物在海洋污染環境中的生物修復作用。近年來，隨著我過沿海地區工農業和海洋養殖業的迅速發展以及人口的驟增，大量人工合成的污染物的不合理排放，海上石油的開發等，造成了海洋環境污染的危機，如赤潮發生頻率的增加、石油污染、農藥的非點源污染加劇等。

目前廣泛分布于海洋環境中的多環芳烴（PAHs），由于其潛在毒性、致癌性及致畸誘變作用，對人類健康和生態環境具有很大的潛在危害，已引起各國環境科學家的極大重視。鄭天凌等在對影響微生物修復的各種環境因素的研究中，篩選出的降解菌，對菲、芘、熒蒽的降解率達60-70%以上，并且混合菌的降解效果更好。

美國環境保護局在阿拉斯加Exxon Vadez 石油泄露事故中，利用生物修復技術成功治理污染環境，從污染海灘分離的細菌菌株與不受污染的分離菌株相比，具有特殊的降解能力。

最近幾年，赤潮也成為危害海洋環境的元兇之一，并且影響范圍越來越廣。用化學方法防治雖可迅速有效的控制赤潮，但所施用的化學藥劑給海洋帶來了新的污染。近期，國外發現了一種寄生在藻類上的細菌，可逐漸使藻類絲狀體裂解致死；某些假單胞菌、桿菌、蛭弧菌可分泌有毒物質釋放到環境中，抑制某藻類如甲藻和硅藻的生殖；有研究也表明病毒在赤潮的生消中起著重要的作用。

6.微生物毒性試驗在環境工程中的應用。由于化學品的需求不斷增加，大量有毒化學品被釋放到環境中，使自然生態環境面臨巨大的威脅。迅速和簡便地監測和篩選環境中眾多的外來化學品，尤其是有毒化學品的環境毒理效應，建立優先監測的污染物名單十分必要。利用低廉的微生物，通過進行細菌發光檢測、抑制代謝檢測、遺傳毒性試驗等微生物檢測方法可以對化學品的毒性進行快速、簡便、靈敏的檢測。

四、生物修復技術的應用前景展望

生物修復技術是治理環境污染、生態系統功能紊亂的一副防治結合的良藥，費用低，副作用少，污染前預防，污染后治理，但像許多疾病一樣， 應對癥下藥， 對于不同的污染物應采取不同的生物修復方案。目前生物修復技術推廣應用也還存在許多問題，但仍是很有發展潛力的環境清潔技術。

為進一步提高生物修復的治理效果，獲得環境污染治理新突破，其發展前景在采用新工藝手段，生產易于生物降解的化合物，合成具有特殊降解能力的工程菌，從而減少污染物在環境中的累積、轉移，保持生態系統的平衡，實現海洋環境的可持續發展。實踐證明，采用生物技術修復污染環境與傳統的物理化學技術相比可以節省大量投資、可以就地進行、對周圍環境的影響較小、可以最大限度地去除環境中的污染物。隨著生物技術的不斷進步，基因工程菌的出現，生物修復技術將不斷應用于更多的污染環境的治理工程中。

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作者簡介 范婷婷（1986-），女，黑龍江人，助理農藝師，農學學士，從事植物檢疫工作。