环境生物技术在污染治理中的研究进展

郭 祥，钟成华，王 涛，周晓琴，苏 翔

（1.西南大学化学化工学院，重庆北碚400715；2.重庆工商大学环境与生物工程学院，重庆400067）

环境生物技术（Environmental Biotechnology）也称环境生物工程，是生物技术在环境治理和环境保护中广泛应用的基础上，衍生的一门新技术和新学科。随着经济的发展和社会的进步，人类不断地向环境中排放污染物，造成了全球性的生态环境破坏和污染。全球普遍存在着不同程度的空气、水和土地污染等现象，全世界都在关注水资源的短缺、水体的污染、有毒化学品的危害、固体废弃物的处理与处置，以及生物多样性的损伤等生态环境问题。除了这些问题之外，资源短缺、健康受害等问题都能够从环境生物技术的研发中得到解决。环境生物技术在处理这些问题上具有巨大的优势，并将逐渐成为21世纪科技发展中最具前沿、最富魅力的高新技术之一。

1 现代环境生物技术的研究任务

现代环境生物技术是利用生物技术服务于环境保护。目前环境生物技术面临的研究任务［1］：

（1）将实验室研究的基因工程菌应用到实际现场中，并不断研究这些工程菌的功能高效性、遗传稳定性、生态安全性等方面的问题。

（2）利用现代环境生物技术开发废物资源化和能源化技术。

（3）利用现代环境生物技术建立无害化生物技术清洁生产新工艺。

2 环境生物技术在环境治理中的应用

2.1 环境生物技术在废水处理中的应用

2.1.1 固定化微生物在废水处理中的应用

固定化微生物技术是20世纪60年代才发展起来的一项新技术，就是将特选的微生物固定在专门制定的载体上，使其高度密集并保持生物活性，在适宜条件下能够快速、大量增殖的生物技术。在废水处理中，这种方法表现出了很多优点，有利于提高生物反应器内微生物（尤其是特使功能的微生物）的浓度，增强微生物抵抗外界不利环境的能力，并且有利于反应后的固液分离和缩短废水处理时间。近年来，随着研究的深入，固定化微生物技术得到进一步发展。

唐凤舞等［2］用固定化微生物技术对城市污水进行污染物降解处理实验研究。结果表明，在pH值为8.0，固定化颗粒与污水的质量比例为16%，温度为25℃时，硝基苯去除率达97.9%，COD去除率达89.2%，悬浮物去除率达72.3%，pH值显中性，出水水质稳定。

庞胜华等［3］用PVA包埋固定化微生物颗粒处理抗生素废水，活性微生物为经抗生素废水以10%浓度增幅驯化75d后的活性污泥。结果表明：废水浓度（COD）为2 000mg·L－1，曝气20h、温度10～45℃，pH值7～10，固定化颗粒与废水比例1∶4，COD的去除率可达到80.57%。

2.1.2 生物膜在废水处理中的应用

生物膜法是利用附着生长于某些固体表面的微生物（即生物膜）进行有机污水处理的方法。生物膜是由附着在载体上的高度密集的微生物群体以及它们分泌的聚合物所构成，这些微生物成分复杂，种类多样［4］。包括好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等，它们共同组成了一个复杂的生态系统。生物膜对废水水质、水量变化有很强的适应性，操作稳定性好，不会发生污泥膨胀，管理方便。但是这种方法也存在许多缺点，为了克服这些缺点，研究者进行了组合工艺和其他方面的研究，不断取得新的进展。

Mohamed等［5］通过改进的好氧序批式弹性纤维生物膜反应器（SBFFBR）（反应器中有8根弹性纤维素管，这种纤维素管有巨大的比表面积）对乳制品废水进行了实验研究。反应1.6d后，结果发现对含不同COD含量（610，2 041，4 382mg·L－1）的废水的COD具有较高的去除率，其去除率范围为89.7%～97%。

李健等［6］采用厌氧生物滤池（AF）—好氧生物接触氧化（BCO）联合工艺，并在AF的滤料中挂上生物膜，对合成洗涤剂（LAS）废水进行处理试验。结果表明，AF反应器在HRT＝24h、温度（32±2）℃、pH值为7～8、营养母液质量浓度5mg·L－1条件下；BCO反应器在HRT＝12h、常温、DO为4～5 mg·L－1条件下，对LAS和COD的去除率分别为85%和95%，出水达到国家GB8978－1996《污水综合排放标准》规定的一级排放标准。

张凤君等［7］采用中空纤维膜作为无泡供氧及生物膜载体，采用包埋固定化技术进行挂膜及污水处理研究。实验结果表明，采用PVA作为包埋剂，且包泥量为1∶1的情况下，挂膜时间可缩短为1周左右，COD和氨氮的去除率分别稳定在90%和80%左右。

2.1.3 复合微生物在废水处理中的应用

复合微生物在处理废水上表现出的巨大优势是其他方法所无法比拟的，如何对微生物进行有效的组合和配比，发挥其最大的优势一直是国内外学者重点研究的对象。

高云超等［8］筛选并制备了复合微生物制剂（CMP）并用于猪场污水处理。研究表明，光合细菌非曝气处理和CMP曝气处理对污水的处理效果较好，处理2d后污水的COD值分别降低35.5%和74.1%。CMP接种量为0.1%，1.0%和10.0%，曝气处理3d，COD值分别降低55.9%，66.7%和53.0%。CMP对高浓度、中浓度和低浓度污水的处理效果分别为69.7%，26.3%和50.0%，表明CMP对高浓度污水具有较好的处理作用。

谢冰等［9］通过复合光合菌群对有机废水的降解试验结果表明，复合菌群具有比单一光合菌或普通活性污泥好的处理效果，降解效果高出18%～39%，在复合菌群中，光合细菌的优势较明显。

范俊等［10］研究几种高效复合微生物群在不同水力停留时间下对城市污水的处理效果。结果表明，光合菌－活性污泥系统混合处理效果最佳，在水力停留时间6h时，去除率高于90%；在高效复合微生物菌群结合活性污泥系统中，随着进水CODcr的提高，CODcr去除率始终保持在90%以上，具有良好的去除效果和相应的耐冲击性。

何萍等［11］用光合细菌与小球藻复合处理豆制品有机废水。结果表明，第一步用光合菌处理后，CODcr，BOD5分别降至250和185mg·L－1，平均去除率分别达89.3%和90.9%；第二步用小球藻与光合细菌的混合液处理后，CODcr和BOD5分别降至84和51mg·L－1，平均去除率分别达66.4%和72.4%。两步复合处理的CODcr，BOD5的总去除率分别达96.4%和97.5%。

堵国成等［12］筛选和分离得多株脱氮微生物，能在完全好氧条件下将氨氮转化为，随即在好氧反硝化菌的作用下还原为N2排放，整个生物脱氮过程历时较短，30h内对200mg·L－1的氨氮去除率达99%，而且无中间产物的积累。

邹桂香等［13］采用微生物复合菌对人工配制的有机含氮废水进行处理。试验表明，好氧条件下，微生物复合菌能迅速将水中的氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐；缺氧条件下，它能快速将水中的硝酸盐转化为氮气；在两种条件下，微生物复合菌均能使水体中的化学需氧量和过滤液总氮降低。

2.2 环境生物技术在环境修复中的应用

据统计，世界各国每年大约使用1 500万吨各种农药，农药的大量使用引起土壤、地下水、水系和海洋的严重污染，生态平衡的破坏，影响人类健康［14］。要治理和修复这些大面积的污染问题，最有效和最有价值的方法就是利用生物修复技术。目前，世界各国都加强了对生物修复技术的研究和应用。生物修复是指利用生物的代谢活动吸收、降解、转化土壤和水体中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平，或将有毒有害的污染物转化为无害的物质，也包括将污染物稳定化，以减少其向周边环境扩散的环境污染的治理技术。一般包括动物修复、植物修复和微生物修复。人们发现动物和植物对污染物也有不同程度的净化作用，但这种净化作用多以富集为主，只是污染物简单的转移，还要对动物和植物进行再处理。因此在很多情况下，这两种方法都是不可取的。而微生物修复是将这些污染物进行降解和转化，治理较彻底，在土壤和水体修复上，研究者对微生物的修复作用进行了大量的研究。

2.2.1 在土壤修复中的应用

土壤污染具有隐蔽性和滞后性。大量的有机和无机污染物一旦进入土壤造成土壤污染，就很难根治。特别是重金属污染，进入农作物后，通过饮食就会对人体健康构成危害。许多国家和地区都有出现过人体重金属中毒的现象。目前治理土壤污染主要是生物修复法，包括植物修复和微生物修复，人们更多的是关注微生物修复。

Christofi和Ivshina［15］认为土壤中的有机物和金属污染物多数是不可降解的，一般的方法不可能降解这些污染物。他们认为分泌表面活性剂的微生物（包括细菌和真菌）与所分泌的活性剂的化合物的共同作用，可以加速有机物的降解和重金属的转化。通过实验室和现场的实验研究发现，利用红球均属和表面活性剂的复合作用，能够较好地去除土壤中的有机物和重金属。

王丽萍等［16］用菌根真菌－植物对石油污染土壤进行修复。结果表明，在石油污染浓度（石油的质量分数）0.2%和2%条件下，石油烃降解率与菌根侵染率、玉米根干重和植株干重均呈现相关性。接种丛枝菌根真菌处理的菌根侵染率、玉米生长量和石油烃降解率均远高于对照处理，丛枝菌根真菌能有效促进石油烃降解。双接种处理的菌根侵染率和石油烃降解率等均高于单接种处理，两种菌种的协同作用可有效促进植物生长和石油烃降解。

齐建超［17］用4种菌剂与多种有机肥联合修复石油污染土壤。结果表明，腐植酸、诺沃肥和生物有机钙等有机肥和菌剂（4%处理）的加入使土壤盐碱环境得到明显改善，土壤pH稳定于6.9，阳离子交换量为201.94cmol·kg－1；4%菌剂处理与有机肥联合作用修复效果最显著，石油烃降解率可达到73%，大部分所测PAHs浓度显著降低，其中萘、蒽、苯并（a）芘和苯并（g，h，i）芘降解率分别达到了65.5%，57.7%，74.7%和55.5%。

2.2.2 在水体修复中的应用

王宗华等［18］应用高效微生物光合细菌、硝化细菌、复合细菌降解水中污染物。在投菌量100mg· L－1、第15天时对CODMn，浊度，NH3－N的去除率已达50%以上，能够使水中DO值由0.5mg·L－1左右提高到4.2mg·L－1左右，叶绿素a含量显著降低，该方法简单易行，运行成本较低。

赵宇等［19］用复合光合细菌法对养虾废水作研究，其中CODcr的去除率能达到63%，NH3－N的去除率也能达到92.5%。季民等［20］提出了通过投加以光合细菌为主的复合细菌群来强化湖泊水体生物自净能力，改善湖泊水体水质的方法。经过实验室静态投菌试验研究，表明投加复合细菌能够有效地净化水体中的污染物，达到强化湖泊水体的生物自净能力的目的。

刘妮等［21］培养得到光合细菌、氨化菌、硝化菌、反硝化菌和磷细菌的优势菌群，进行复合后，再对试验污水进行静态处理。结果表明，配比为1∶1，投加量为5%的复合菌群对污水的处理效果最好，对CODcr，NH＋4－N和磷酸盐的去除率分别达到79.7%，98.6%和78.1%。

单明军等［22］培养得“土著”硝化细菌与腐植酸配制而成的复合型微生物制剂，并对富营养化湖泊进行生态修复。结果表明，该方法能够有效地降低富营养化湖泊水体中的浊度，提高水体溶解氧，消除恶臭，改善水质，水体中的TN、TP、氨氮、COD及浊度等水质指标均有明显降低，下降率分别为77.8%，72.2%，94.2%，60.0%和85.6%，并且水生生物具有多样性，水体自净能力大大增强。

2.3 环境生物技术在有害有机污染物治理中的应用

杨彬等［23］通过富集培养，获得了降解对硝基苯胺的混合培养微生物，并用于降解硝基苯胺。结果表明，在培养液中添加110gPL葡萄糖和110gPL酵母粉，36h内对硝基苯胺去除率可达97.0%以上，对硝基苯胺降解速率可达411mgPL·h－1；当对硝基苯胺作为培养液生长的唯一碳源、氮源和能源时，96h内对硝基苯胺去除率为34.8%，降解速率为0.15mgPL·h－1。

3 结论

现代环境生物技术作为一种有效的环境污染治理措施，其在环境生物监测、污染治理、生物修复等方面都得到了广泛的应用。近年来，生物技术在环境保护中的应用发展迅速，在以下几方面的表现尤为突出。

（1）分离培养对某些污染物具有特殊分解能力的高效工程菌，用于环境污染治理。

（2）运用现代环境生物技术开发环境友好型产品。

（3）运用现代环境生物技术，开发新型生物制剂，用于环境污染治理、检测等。

随着基因工程学、细胞工程学、蛋白质组学及酶工程学的发展，环境生物技术得到了快速发展。如何将这些学科和技术进行组合，选择和培养出高效治污的基因工程菌及微生物菌剂，是环境生物技术当前所面临和需解决的关键难题。环境生物技术将随着新理论、新技术的发展和运用而得到不断地完善，必将为环境污染治理和环境保护提供更多可行、可用、有效的方法。

［1］ 王建龙，文湘华.现代环境生物技术［M］.2版.北京：清华大学出版社，2008：1－5.

［2］ 唐凤舞，樊 华.固定化微生物技术处理城市污水的研究［J］.环保科技，2009，25（1）：20－25.

［3］ 庞胜华，刘德明.固定化微生物处理抗生素废水［J］.江苏环境科技，2006，19（1）14－18.

［4］ Nadell CD，Xavier JB，Foster KR.The sociobiologyof biofilms［J］.FEMS Microbiol Rev，2009，33（1）：206－224.

［5］ Mohamed Abdulgader，Qiming Jimmy Yu，Ali Zinatizadeh and Philip Williams.Biological treatment of milk processing wastewater in a sequencing batch flexible fibre biofilm reactor［J］.Asia－Pac J Chem Eng，2009（4）：698－703.

［6］ 李 健，于洪江.两级生物膜处理合成洗涤剂废水［J］.工业水处理，2008，28（12）：93－95.

［7］ 张凤君，张松雷.固定化微生物技术在无泡供氧膜生物反应器中的应用研究［J］.环境污染与防治，2005，27（6）：440－442.

［8］ 高云超，田兴山，潘木水，等.复合微生物制剂（CMP）对猪场污水的处理效果［J］.广东农业科学，2004，39（6）：82－84.

［9］ 谢 冰，徐亚同.复合光合细菌法处理化工高浓度有机废水研究［J］.上海环境科学，1999，10（18）：463－465.

［10］ 范 俊，沈树宝.高效复合生态链微生物菌群处理污水的研究—城市综合污水的处理［J］.南京工业大学学报，2003，25（4）：10－13.

［11］ 何 萍，杨启银.光合细菌与小球藻复合处理豆制品废水［J］.无锡轻工大学学报，2001，20（6）：578－581.

［12］ 堵国成，耿金菊，陈 坚.好氧同时硝化—反硝化脱氮微生物的混合培养［J］.无锡轻工大学学报，2002，21（5）：515－518.

［13］ 邹桂香，刘 利.微生物复合菌对废水中氮和有机物的去除转化研究［J］.南华大学学报：自然科学版，2007，21（2）：79－82.

［14］ 冯有胜，王敏斌，傅仕俊.生物技术与环境保护及进展［J］.重庆工商大学学报：自然科学版，2003，20（2）：81－85.

［15］ Christofil N，Ivshina IB.Microbial surfactants and their use in field studies of soil remediation［J］.Appl Microbiol，2002，93（6）：915－929.

［16］ 王丽萍，郭光霞.丛枝菌根真菌－植物对石油污染土壤修复实验研究［J］.中国矿业大学学报，2009，38（1）：91－95.

［17］ 齐建超，张承东.微生物与有机肥混合剂修复石油污染土壤的研究［J］.农业环境科学学报，2010，29（1）：66－72.

［18］ 王宗华，庞金钊，林 枫，等.生物技术治理富营养化河水水体研究［J］.三峡环境与生态，2009，2（6）：18－21.

［19］ 赵 宇，陈元彩，陈中豪.利用复合光合细菌法处理养虾废水［J］.重庆环境科学，2003，25（12）：17－19.

［20］ 季 民，卢燕玲.人工复合细菌对水体污染净化效果的实验研究［J］.天津城市建设学院学报，2002，8（1）：1－4.

［21］ 刘 妮，呼世斌，张帆远.复合菌群处理城市污水的静态试验［J］.西北农业学报，2007，16（5）：243－249.

［22］ 单明军，刘 洋.微生物制剂净化富营养化湖泊的应用研究［J］.生态环境，2007，16（5）：1364－1367.

［23］ 杨 彬，雷乐成.混合培养微生物好氧降解对硝基苯胺的特性研究［J］.环境工程，2003，21（3）：73－75.