微生物菌劑在環境污染治理中的研究和應用進展?

晏麗娟, 王 玲, 張海芹

(蘇州天瑞環境科技有限公司, 江蘇 昆山 215300)

隨著我國社會經濟的快速發展以及城鎮化進程的加快, 環境污染問題日益嚴峻, 包括地表水、 地下水、 土壤等被嚴重污染, 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穩定的可持續性發展[1]。 在自然環境中存在的某些特定微生物對污染物有一定的降解作用, 依靠自身的分解能力達到自然凈化的作用[2]。 微生物菌劑技術在水污染控制、 大氣污染治理, 有毒有害物質降解、 環境污染修復等環境保護的各個方面發揮著重要的作用[3]。 該技術具有針對性強、 見效快、 操作簡便等特點, 最終產物大都是無毒無害的、 穩定的物質, 如二氧化碳、 水和氮氣等, 在環境污染治理中具有廣泛的應用前景[4]。

1 微生物菌劑在環境污染治理中的研究進展

微生物菌劑最早被成功研制出現在歐美、 日本等國家, 而且在治理工業廢水和生活污水等領域中得到廣泛應用, 并且形成了成熟的系列化產品--微生物復合菌劑[5]。 1983 年, 著名的日本琉球大學比嘉照夫教授研制出的微生物菌劑EM 在環境污染治理方面取得了顯著的成果, 尤其是在種植業和養殖業方面[6]。 美國普羅生物技術有限公司研發的 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]。 國內對微生物菌劑的研發起步稍晚于國外, 雖然技術沒有國外成熟, 但也取得一些進展, 20 世紀80 年代以來,成熟運用廢污水工程案例中的微生物菌劑產品有除COD 系列、除氨氮系列、 除臭除油系列和除藍藻系列, 以及由高校和科研院所聯合研發的特種廢水處理菌劑、 低溫生物強化菌劑、 高濃度有機物降解菌劑等已經在工業廢水、 污染河流或湖泊修復中起到一定的作用。 在地下水修復技術中也有相應的研究成果,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合, 產生遠距離傳輸電子的能力[8]。 在畜牧、 水產養殖及垃圾、 污水、 糞便處理等方面廣泛應用的 “神威” 微生物制劑是我國自主研發的, 已經經過多地的實際應用, 取得了良好的經濟、 社會和生態效益[9]。

2 微生物菌劑在環境污染治理中的應用

2.1 微生物菌劑用于地表水生物修復治理

目前, 微生物菌劑法作為一種治理水體污染的綠色手段,已廣泛應用于受污染的且需要及時修復的水體, 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

黑臭水體生物修復中利用微生物菌劑修復是比較成熟且效果良好的方法之一。 黑臭水體修復的土著微生物來源于目的水體, 有利于形成優勢菌群, 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微生物菌劑, 投加到受生活污水污染的河道中, 進行黑臭河道修復。 研究表明: 經過一段按時間的處理, 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]針對北方某城市黑臭河道, 得出微孔曝氣和微生物菌劑結合后, 大大地提高了氧利用率, 進而消除了黑臭, 降低河道藻類污染的機率, 黑臭污染得到較好的遏制。 由于工程實例中所采用的微生物菌劑是純生物物質, 與化學制劑不同, 不存在二次污染的問題, 具有良好的環境效益和廣闊的市場前景。

2.1.2 湖泊水體污染治理

湖泊作為重要的地表水資源, 湖泊富營養化是不容忽視的污染問題之一, 造成水體富營養化的原因復雜多變, 繼而為修復工程帶來難題。 通過微生物利用本身的生物學特性修復富營養化水體中的氮、 磷營養元素和有機污染物, 改良水質, 是近年來的研究熱點并且取得了一定的成果。 目前已經取得成果的現場案例有 “永川市護城河水體修復、 馬鞍山雨水湖鵲島內湖水體治理” 等工程, 運用了一種投放微生物菌種的典型水體修復技術—CBS 技術[12]。 另外一種研究方向是減少湖泊水體中的有害藻類的數量, 即將藻類致病菌或病毒投入富營養化水體中, 讓其染病死亡。 在云南滇池水體修復過程中, 史順玉等研制出能溶解藍藻等的溶藻菌類, 命名為DC23, 經過試驗后,結果顯示, 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[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、 賴以生存的生態系統的重要組成部分, 為了合理利用和有效保護近海生態系統, 在社會經濟發展的同時兼顧生態保護和修復變為社會焦點。 2017 年“7.16” 大連海洋溢油事件發生后的環境修復中, 將降解石油的活性菌種負載在沸石載體上, 促其形成生物膜, 加速了石油凈化, 10 個月后的油污平均去除率達到58.14%[14]。 吸附降解是研究最初的機理, 近來已經發現, 海洋微生物對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, 將微生物菌劑修復技術應用到實際案例中依然面臨諸多挑戰。

2.2 微生物菌劑用于地下水生物修復治理

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

2.2.1 石油烴污染治理

近年來石油對環境的污染日漸嚴重, 而且石油烴污染的累積會對人類和動植物的健康也產生嚴重影響, 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,并對菌株進行鑒定、 培養, 按照最優條件制備出混合微生物固體菌劑, 用于修復修室內模擬石油污染的地下水, 結果表明,運行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

國內外學者根據重金屬污染特點, 利用原位生物修復技術, 結合現代基因手段, 篩選出高效降解特性的微生物, 從而提高重金屬污染修復效率。 有學者研制出一種趨磁細菌[16], 顧名思義就是利用此種微生物修復重金屬污染時吸附環境中的鐵元素后在體內形成具有磁性的鐵化合物, 在外界磁場的作用下, 可以做定向運動, 投加到廢水中, 直止吸附特定的重金屬完成后, 在磁場分離器中分離, 結果表明, 此種方法去除重金屬(如Fe2+、 Cr3+和Ni2+等)可達95%以上。

2.3 微生物菌劑用于土壤生物修復治理

土壤是微生物的大本營。 微生物修復技術作為土壤生物修復技術中的熱點之一, 重點在于篩選和培養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,并優化得到修復過程中適宜的生存、 降解污染物的條件, 以達到最佳的修復效果[17]。

2.3.1 石油污染治理

土壤中的石油污染占相當大大的比例, 石油的主要成分有烷烴、 二甲苯、 苯、 甲苯等多種復雜芳香烴, 這些物質進入土壤后難以自然降解, 進一步會造成地下水污染, 會給周圍生態環境造成嚴重的污染問題。 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, 分別屬于細菌、霉菌、 放線菌、 酵母菌及藻類[18]。 李小康等[19]通過篩選和復配石油降解菌D-5 不動桿菌等, 向石油培養基接入量約為6%, 經過數天的培養, 培養基的含油率由2000 mg/L 降至257.6 mg/L, 降解率最高達到了87.12%, 說明混合菌對原油有較好的降解效果, 可以作為石油污染土壤的修復菌劑, 更進一步研究表明, 利用生物刺激(營養液)可以提高修復效率。

2.3.2 多環芳烴污染治理

土壤污染中的多環芳烴(PAHs)主要來源于污水灌溉、 農作物秸稈燃燒、 石油開采、 石油加工及工業活動中化工染料的不完全燃燒和高溫熱解[20]。 王曉旭等[21]通過研究發現, 高效降解菌DDT、 DDE、 DDD 和多種不同苯環結構的PAHs 均具有良好的降解能力, 并且表面活性劑提高了修復效果。 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 農藥污染治理

有機磷農藥(Ops)是含磷元素的有機化合物農藥, 主要用于防止植物病、 蟲、 草害。 針對土壤 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方法, 篩選出多種能夠降解Ops 的微生物, 并對降解機理作了相應研究, 作為一種高效清除農藥污染的微生物技術已成為研究熱點[23]。

在修復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, 將對毒死蜱具有降解特性的內生根瘤菌HN3投加到土壤中, 這種聯合修復可促進黑麥草根際細菌的定植, 對土壤有毒代謝物去除有一定的作用, 有助于修復受污染的土壤。

另外一種環境殘留量較高的有機氯農藥-六六六(HCH)及其異構體, 化學名稱是六氯環己烷, 是一種殺蟲劑, 使用它會對農田環境造成大面積的污染。 雖然我國已于1983 年禁止生產, 但由于其高毒性, 化學性質穩定、 難降解等特點, 目前,有些區域農田土壤中的HCH 殘留量依然很高。 Garg 等[25]馴化獲得可降解t-HCH 的菌群, 該菌群的優勢菌種為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 的去除率達到65%。

3 存在的問題及展望

3.1 存在的問題

目前關于微生物菌劑用于環境污染生態修復中的作用機理相比其應用效果研究的少, 尤其是復合菌劑之間的復雜關系導致對微生物菌劑修復的機理研究難度增加。 通過分子生物學技術, 加強微生物的篩選與馴化, 獲得其生化特性和作用機理,提高其對特定污染物的降解能力, 通過優化工藝條件, 更進一步地大規模實現微生物菌劑的推廣和工程應用。 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發過程中重要的一個方向。

3.2 展 望

微生物菌劑的開發研究, 促進了我國環境污染生物修復技術的進步。 環境污染生態修復應遵循生態學基本原理, 在分析生態系統結構與功能基礎上, 深入研究微生物菌劑配方和強化微生物修復功能, 達到對環境修復和生態調控的作用, 獲得經濟效益與環境效益的統一。