微生物在環境保護中的應用研究進展

李寶玉+楊映潔

摘要 現代微生物技術在環境微生物檢測和治理中起到至關重要的作用。本文就微生物在大氣污染治理、工業廢水處理、農藥殘留控制、環境凈化等領域的應用，以及在環境保護中作用原理及在未來環境保護中的發展前景展開闡述，旨在為微生物在環境保護領域的應用與發展提供借鑒。

關鍵詞 微生物；環境保護；作用原理；發展前景

中圖分類號 Q939.99；X505 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）12-0177-02

Abstract Modern microbial technology plays a crucial role in environmental microbial detection and governance. In this paper，the application of microorganism in the fields of air pollution control，industrial waste water treatment，pesticide residues control and environmental purification was elaborated，its action principle and development prospects in environmental protection were expounded，so as to provide references for application and development of microorganism in environmental protection.

Key words microorganism；environmental protection；action principle；development prospects

微生物是指個體難以或無法用肉眼觀察的一切微小生物的總稱，包括細菌、病毒、真菌、少數藻類以及一些小型的原生生物[1]。微生物個體微小、種類繁多，涵蓋了眾多有益和有害的生物種類，由于其體積微小、體表面積大、吸收多、轉化快、自身生長繁殖迅速，已經被廣泛應用于食品安全、醫藥醫學、工農業、環境保護等諸多領域[2]。

由于現代科學技術發展迅猛，人民生活水平快速提高，各個領域間的技術發展也是飛奔猛進，人們在生產、生活中對化工產品的需求量越來越大，但是隨之而來的環境問題卻一直困擾著人們。

目前，我國的環境保護工作進入“以環境優化促進經濟增長”[3]的階段，而利用微生物進行環境治理是便捷、高效、無污染的措施。隨著科學技術的發展，微生物技術的優勢已經越來越明顯，利用微生物進行環境治理已經不斷深入和完善。實踐表明，微生物技術將成為環境保護的重要手段。各國都在大力研發微生物技術，今后微生物技術在環境保護領域中將占據更高的市場。

1 微生物在大氣污染治理中的應用

隨著工業的迅速發展，人口激增，進而帶來的是一系列的大氣污染問題，從而引起各種危害，如臭氧層被破壞、酸雨發生越發頻繁、溫室效應等。現主要從4個方面介紹微生物在大氣污染治理中的應用，包括NOx的微生物凈化技術、微生物煙氣脫硫技術、微生物除臭技術、二氧化碳的微生物固定技術[4]。

1.1 NOx的微生物凈化技術

NOx的微生物凈化技術原理是利用脫氮菌在外加氮源的環境下，將大氣中有害氣體NOx還原成無害氣體N2，在進行還原的同時，脫氮菌利用NOx作為氮源營養物質進行自身增殖，如此循環還原，從而達到多次凈化的作用[5]。愛德荷國家工程的實驗室研究人員利用脫氮菌進行脫氮，已經將氮凈化率提高到99%[6]。該方法能有效去除廢氣中的NOx，因其工藝流程簡單、能源消耗低、凈化效率高、無二次污染、能進行循環利用等優點，可以推廣用于其他工業有害氣體的治理，從而達到有害氣體的再利用。現在，各國的科學家正在研究將NOx的微生物凈化技術與細胞固定化技術相結合，從而尋找對有害氣體NOx進行凈化的更便捷、易操作的方法。

1.2 微生物煙氣脫硫技術

現階段，對煙氣中的SOx、H2S的治理有2個方法：一種方法是利用化學反應原理，將SOx、H2S轉變成H2SO4；另一種方法便是利用氧化亞鐵硫桿菌的特性，吸收大氣污染中的SOx，同時利用吸收液中的微生物使Fe2+和Fe3+進行相互轉化。由于Fe3+具有較強的氧化性，是良好的氧化劑，所以Fe3+的濃度越高，氧化性越強，脫硫的速度也就越快[7]。同時，反應生成的Fe2+又可以作為氧化亞鐵硫桿菌的營養源物質，轉化成產物Fe3+，再次加快SO2的消化、吸收。研究表明，現在的氧化亞鐵硫桿菌的脫硫率已經達到95%以上[8]，并且脫硫技術可以運用于煤炭中硫的去除、工業硫化氫氣體的凈化。

1.3 微生物除臭技術

由于工業氣體污染包含多種污染成分，其中還夾雜著部分固體顆粒，產生臭氣，故科學家研究出微生物除臭技術，用于處理工業污染引起的臭氣。微生物除臭技術[9]是先將臭氣溶于水中，然后運用微生物的體表面積大、細胞膜和細胞壁可以吸附溶于水中的臭氣的特性，將臭氣分解為可溶性物質，使工業污染中的臭氣被消除；同時，微生物利用臭氣中的成分作為自己的營養物質，進行自身的生長繁殖，增加了微生物的數量，加快除臭環節的進行。此技術凈化效率高、成本低，是可以推行的工業除臭技術。德國、荷蘭等國家已經開發了生物臭氣處理裝置，除臭效率可達1萬～15萬m3/h[10]。

1.4 二氧化碳的微生物固定技術

二氧化碳污染是最常見的氣體污染，可利用物理、化學技術進行去除，但微生物的各種條件更為優越，能在進行污染物治理的同時實現自身的生長繁殖，故使用微生物進行碳的固定，產生許多有利的物質，如有機酸、多糖、維生素、氨基酸等。常見的固碳微生物有螺旋藻、小球藻、真養產堿桿菌等進行固定作用，分解二氧化碳[11]。

2 微生物在工業廢水處理中的應用

微生物對工業廢水進行處理的方法是利用其生化反應，通過酶催化對工業廢水起到轉移和轉化作用，從而使工業廢水得到凈化、循環利用。微生物技術處理工業廢水主要是進行有機物的降解、重金屬離子的處理及其他物質的除雜。

2.1 廢水中有機物的降解

微生物降解污水中的有機物是利用微生物的新陳代謝過程中需要進行物質間的吸收利用，產生容易分解的代謝物，周而復始，使污水中的有機物被分解完全[12]。

20世紀70年代微生物絮凝劑已經問世，其來源為微生物，來源廣泛，安全性高，是自然的新型水處理劑[13]，現已經應用于高濃度、難治理的農藥廢水中。高效微生物的研究應用是解決農藥廢水實現高效、快捷處理的關鍵[14]，可以利用EM菌、小球綠藻、芽孢桿菌等對農藥殘留的有機磷、硫等物質進行消化吸收。經過科學家們的研究，降解率已經從72.3%[15]升高至99.7%[16]，同時，中國科學院與中國科學院武漢病毒研究所從污泥中分離出假單細胞，其在18 h內能將1 000 mg/L甲胺磷降解75%左右[17]。

2.2 含重金屬離子的處理

微生物治理重金屬離子主要是靠真菌，由于真菌生長速度快、菌絲綿長、附著力強，利用靜電吸附作用和霉菌體內的催化轉化作用及絡合作用，使重金屬被吸附消化[18]，而且微生物的代謝產物可以自行分解，具有成本低、效率高的優勢。近年來有研究表明，已經利用微生物從廢水中分離、凈化、回收銅、汞、鉻等重金屬，多次凈化率高達99.9%[19]。

另外，1998年Kuhn[20]利用海藻酸鈉固定生支動膠菌除去溶液中95.9%的Cd2+。至此，科學家開始利用各種生物技術與現代科技技術相互結合，除去了廢水中99%的重金屬離子，實現了廢水再利用，達到了凈化水質的效果。

2.3 廢水中其他物質的去除

廢水中除了有機雜質、重金屬外，還有其他有色顆粒存在。目前，對有色廢水的處理是采用微生物絮凝劑進行脫色，該處理劑是利用生物分解性，將細菌、真菌等微生物發酵、提取、精制而成。研究表明，它克服了無機高分子和合成有機高分子絮凝劑本身固有的缺陷，現在已經研發了微生物絮凝劑NOC-1對發酵后的有色廢水、造紙堿性黑液等進行脫色，發現其脫色效果顯著，可使廢水變為清澈、透明[21]。

3 微生物在環境凈化中的應用

19世紀末，經濟日益增長，環境問題越發嚴重，隨著微生物治理方法的出現，標志著人類利用微生物進行環境保護的工程開始，經過上百年的研究，微生物已經在治理環境中被廣泛應用。

3.1 廢棄物的降解、轉化

微生物由于代謝類型的多樣化，幾乎能降解環境中的各種天然物質，尤其是有機化合物。現在國內外已經普遍采用微生物技術降解轉化石油、農藥、重金屬、多氯聯苯（PCB）等未能被利用的污染物。大量研究發現，采用紅色諾卡氏菌與釀酒酵母結合，能夠完全降解毒性極其穩定的多氯聯苯[23]。日本環境科學與民間企業共同研究發現一種可以分解PCB的微生物，分解率可達64.5%[24]。中國科學院微生物研究所篩選出高效降解RDX的棒狀桿菌、降解TNT的芽孢桿菌，其降解率高達90%以上。故微生物是現代工業發展的堅強后盾。

3.2 環境監控

微生物無處不在，現在已經利用微生物的特性進行環境監控：用糞便污染指示菌（大腸桿菌、克雷伯氏菌）檢測水質[25]；用鼠傷寒沙門氏菌檢驗物質的突變性及致癌性[26]；用熒光細菌的靈敏性快速檢測環境中的毒物[27]。

3.3 固體廢物堆肥處理

固體廢物中水分充足，營養物質充分，有大量的微生物群存在，在一定溫度下，只要有適宜的條件，微生物便會大量繁殖，并進行生物分解，從而引發堆肥發酵，發酵后的堆肥可以為作物提供生長所需的養分。最近研究發現，白腐真菌對含苯的有毒物質具有很強的耐受、降解能力，有利于進行堆肥的處理[27]。

3.4 活性污垢處理廢水

活性污垢是指經過人工培養，含有有機物和細菌的污水，經過微生物的不斷生長代謝，產生絮狀、有很強吸附能力的微生物團。活性污垢適用于工業廢水、造紙、合成纖維廢水等的處理，可實現廢水凈化與循環利用，從而提高物質的再利用率[28]。

4 微生物在其他污染治理中的應用

微生物除了應用于大氣、廢水的污染治理外，還可以應用于其他方面的治理，例如生活垃圾、農藥、土壤等處理。生活垃圾主要是白色污染，這需要運用微生物的分解原理，對塑料袋進行分解；農藥殘留主要是多余的有機磷、硫，引起藻類的瘋狂增長，而導致赤潮、藍藻水華等危害，近年發現可以利用EM菌抑制藍藻的生長，同時控制水中氮的含量；土壤中微生物的利用方面，主要是利用根瘤菌起到固氮的作用，將空氣中的氮轉化為植物光合作用所需的物質，從而進行生命的正常活動；后期，開始利用嗜熱及嗜溫細菌、硝化細菌、蛋白及果膠水解微生物、固氮微生物和纖維素分解微生物對固體廢物進行堆肥處理，讓微生物快速分解并進行自身的生長，從而提高土壤肥力，利于作物生長[22]。

5 微生物在環境保護中的發展趨勢

隨著科學的發展，人類越來越重視環境保護，微生物對環境保護的作用越來越重要，其體現的經濟效益、環境效益引發企業、科學界的關注。微生物在環境保護中的發展呈現以下發展趨勢。

5.1 綜合利用

為使物質資源得到充分利用并減少能源消耗，微生物污染治理趨向綜合利用。根據各微生物的固有特性，如微生物菌體、微生物體內酶等將生活垃圾、固體廢棄物制成沼氣池發電，產生能源供人類使用。當前的微生物技術已經日趨成熟，由于其經濟高、投資少、重利用率高的優點，已經成為各個發達國家青睞的城市垃圾處理途徑。目前，世界各國有200多座垃圾沼氣田處于運營階段，不僅收獲了電力資源，還獲取了肥力資源。

5.2 從治理到預防

早期工農業因追求經濟效益而忽略環境治理，現在世界各國已經高度重視環境保護，正在研發各種環境保護技術措施，同時時刻關注重要的世界性環境問題，采取相應的方法防患于未然。微生物環保技術是首選的環境治理方案。現階段各國正在研發微生物農藥用以代替化學農藥，從而減少化學農藥帶來的污染，如分解快、毒性低的微生物殺蟲劑等。

5.3 完善微生物環境保護技術

目前，對微生物技術的研究都應放在基礎研究與應用相結合上，大規模推廣微生物技術，構建生物反應器，優化運行條件，研究新方法，高效地進行環境保護與污染治理。

5.4 開發微生物資源

微生物具有種類繁多、資源豐富、繁殖快、生存條件要求低的特點，根據現階段國際社會對微生物的重視情況，各國應該繼續開發微生物資源，使其應用于更多的領域。繼續尋找新物種，如耐熱性菌、抗耐性強的菌種、在特殊環境下仍可以生存的菌落，使之更多地用在環境保護上。同時，由于微生物結構簡單，可以從分子水平對微生物進行深入研究，運用基因工程及生物技術，讓微生物技術更好地服務于人類[29]。

6 結語

綜上所述，微生物在環境治理過程中起著重要的作用，應該對微生物進行更深入的研究，將其可利用率提高到最大化。目前，我國的微生物應用已經取得很大的成功，然而進一步的研究仍需要科技、經濟的持續投入。大力開展以微生物技術為主體的環境保護技術研究，將推進微生物技術在環境保護中的應用，通過微生物技術的不斷發展，滿足國內需求，并占領國外市場。

7 參考文獻

[1] 張小凡，周偉麗，王志平，等.環境微生物學教學改革與學生創新能力的培養[J].微生物學通報，2014（4）：748-752.

[2] 周德慶.微生物學教程[M].北京：高等教育出版社，2013.

[3] 周生賢.加快推進歷史性轉變努力開創環境保護工作新局面在2006年全國環保廳局長會議上的講話[J].環境保護，2006（9）：4-15.

[4] 劉岑岑.環境微生物工程在大氣污染物治理中的應用[J].安徽農學通報，2009，15（22）：34-35.

[5] 畢列鋒，李旭東.微生物法凈化含NOx廢氣[J].環境工程，1998，16（3）：37-39.

[6] LIMBERGEN HV.Bioaugmentioninalctivatesludge：cur-Rentfeatures and futureeperspectives[J].Apple Microbiol Biotechnel，1998，50（1）：16-23.

[7] 魏在山，孫佩石，黃巖華.生化法凈化工業有機廢氣的研究[J].環境科學動態，2001（1）：21-23.

[8] 耿紹宇，李紅霞.臭氣污染的有效控制[J].山西建筑，2004，30（1）：126-127.

[9] POMEROV R D.12ee odrizing of Gas StfCams by the Use of Microbial Growths[P].US Peter：2793096.

[10] 王慶峰.中高硫煤浮選脫硫脫灰試驗研究[D].青島：青島理工大學，2013.

[11] 王建龍，文湘華.現代環境生物技術[M].北京：清華大學出版社，2001：280-285.

[12] 于忠民.污水生物處理應用微生物研究與進展[J].污染防治技術，1998，11（4）：246.

[13] 況金蓉，龔文琪.微生物絮凝劑在石化廢水處理中的應用[J].武漢理工大學學報，2002，24（8）：38-40.

[14] 林齊.工業綜合廢水深度處理與污水廠工藝升級改造研究[D].北京：北京工業大學，2011.

[15] 張本蘭.有機磷農藥（樂果）生產廢水的生化處理新技術[J].環境科學進展，1994，2（2）：12-17.

[16] 裴亮，張體彬，趙楠，等.有機磷農藥降解方法及應用研究新進展[J].環境工程，2011（增刊1）：273-277.

[17] HUNG C J.Adsorption C haracterristics of VariousHeavy Metals on Fungal Surface[D].Newark，USA：The University of Delaware，1990.

[18] 吳乾著，李福德.微生物治理電鍍廢水的研究[J].環境科學，1997，18（5）：47-50.

[19] 孫鵬軒.微生物絮凝劑的研究進展及應用現狀[J].環境保護與循環經濟，2013（1）：53-55.

[20] 陳玉成.污染環境生物修復工程[M].北京：化學工業出版社，2003：17-30.

[21] 陳鋒，柯振東，周建平，等.復合菌劑治理磁湖富營養化的研究[J].環境科學與技術，2007，30（5）：29-33.

[22] 姜琪.微生物在環境保護中的應用及前景[J].農業信息化，2011（7）：120-121.

[23] 黃文偉.紅色諾卡氏菌發酵罐工藝及其抗腫瘤藥理學進一步研究[D].福州：福建師范大學，2015.

[24] VARGA A.The OMNET++ discrete event simulation system[D].Esm′，2001.

[25] 韓小姣，黃正.自來水消毒對內毒素及微生物處理效果分析[J].中國公共衛生，2016（2）：215-217.

[26] 張增峰.上海市臨床鼠傷寒沙門氏菌耐藥性和食品載體溯源研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2016.

[27] 葉建斌，孟芹，劉世友，等.發光細菌毒性檢測應用方面的若干研究[C]//第十五次全國環境微生物學學術研討會論文集.大連：中國微生物學會，2012.

[28] 于大禹，門洪，穆勝偉，等.微生物污垢檢測技術的特點、現狀與發展趨勢[J].微生物學通報，2008（12）：1955-1960.

[29] 劉建軍.淺談微生物資源的開發與利用問題[J].山東食品發酵，2012（3）：3-7.