微生物环境修复作用研究进展

范婷婷+刘琳+王英伟+张二娜

摘 要：介绍了常用的微生物环境修复方法，详细列举了生物因素、营养物质、电子受体、表面活性剂、共代谢物等因素在污染环境微生物修复中的作用，重点阐述了微生物在治理水污染、大气污染、金属污染、农药污染、海洋污染中的作用及微生物毒性试验在环境工程中的应用，指出生物技术修复污染环境与传统的物理化学技术相比具有明显的优势，是我国今后治理环境污染的重要发展方向，具有广阔的市场和发展前景。

关键词：微生物；环境修复；生态环境

近年来，随着大量非生物有机化合物的生产和资源的开发利用，进入环境中的有害污染物越来越多，在环境中长期存在难以降解，由于这些污染物的潜在毒性，诱导性及生物累计效应，引起各国学者的极大重视。极大促进了生物修复技术的发展和利用。近年来运用微生物技术治理环境污染已日益受到人们重视，从20世纪80年代开始，欧洲许多发达国家开始研究污染土壤生物修复技术，就是利用微生物将诸如土壤、废水中的环境污染物降解为无害的CO2和H2O的过程。与传统物化方法相比更为行之有效的多。生物修复的主要优点为：1）成本低；2）不破坏植物生长所需的土壤环境；3）处理效果好，使污染物残留量降到很低水平；4）对环境影响小，无二次污染；5）可以就地处理。由于利用生物修复技术来治理污染不仅费用省，而且效果好，没有或很少有第二次污染，因此生物修复技术在治理污染中有着广泛的发展前景，已日益成为环保工作者研究的热点，并必将在污染治理中发挥更大的作用。

生物修复是指利用特定的生物吸收、转化、清除或降解环境污染物，从而修复被污染环境或消除环境中的污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。是一类低耗、高效和环境安全的环境生物技术。环境污染的生物修复途径包括两个方面：一是应用生物处理或生物循环过程，通过精心设计与合理应用阻断或减少污染源向环境的直接排放；二是利用具有特殊生理生化功能的植物或特异微生物来修复污染场所（土壤或水体），降解效率可以通过改变土壤理化条件（包括温度、湿度、pH、供氧量及营养添加等）来完成，也可接种特殊驯化与构件的工程微生物提高降解速率。有机物能通过主动运输、被动扩散、促进扩散、基团转位、胞饮作用等方式进入微生物体，实现微生物对其氧化、还原及基团转移，达到降解过程。微生物还可以通过静电吸附、共价吸附、络合螯合、离子交换和无机微沉淀等方式吸收、吸附重金属离子。

一、常用的微生物修复技术

1.原位生物修复技术

（1）投菌法（Bioangmentation）。直接向污染的环境中接入外源的污染降解菌，同时提供这些菌生长所需的养。

Cutright等使用3种补充的营养液与Mycobacterium sp一起注入土壤中，已取得了良好的效果。

（2）生物培养法（Bioculture）。定期地向污染环境中投加过氧化氢和营养，以满足污染环境中已经存在的降解菌的需要，以便使污染环境中的微生物通过代谢将污染物彻底矿化为CO2和H2O。

（3）生物通气法（Bioventing）。这是一种强迫氧化的生物降解方法。在污染的土壤上通过鼓风机将空气强排入土壤中，再抽出，土壤中的挥发性有机物也随之去除。在通入空气时加入一定量的氨气，为降解菌提供氮素营养，促进其降解活力的提高。另外还有一种生物通气法，即将空气加压后注射到污染地下水的下部，气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解。（4）农耕法（Land farming）

对污染土壤进行耕耙处理，在处理进程中施入肥料，进行灌溉，加入石灰，从而尽可能地为微生物提供一个良好的环境，保证污染物降解在各个层次都能发生。但是这种方法易造成污染物的转移。由于该方法简易经济，因此在土壤渗透性差，土壤污染较浅，污染物又较易降解时可以选用。

2.异位生物修复技术

（1）堆肥式处理（Composing）。在土壤中直接渗入能提高处理效果的支撑材料，使用机械或压气系统充氧，同时加石灰以调节pH值。经过一段时间的发酵处理，大部分污染物被降解，标志着堆肥的完成，经处理后的土壤可返回原地或用于農业生产。

（2）生物反应器（Bioreactor）。把污染土壤移到反应器，加入3-9倍的水混合使其呈泥浆状，同时加入必要的营养物和表面活性剂，鼓入空气充氧并剧烈搅拌，使微生物与底物充分接触，完成代谢工程，而后在快速过滤池中脱水。这种反应器分为连续式与间歇式两种，但以间歇式居多。

3.原位-异位联合修复技术

（1）水洗-生物反应器法（Washing-bioreatctot）。用水冲流土壤中的污染物，并将含有该污染物的废水经回收系统引入附近的生物及反应器中，通过连续供应营养，氧气和接种降解菌将污染物去除。

（2）土壤通气-堆肥法。先对污染土壤进行生物通气，去除易挥发的有机污染物，然后进行堆肥式处理，去除难挥发的有机污染物。

二、影响污染环境微生物修复的关键因素

生物修复需具备的前提条件一是必须存在具代谢活性的微生物，且不会产生有毒物质；二是目标化合物必须能够被微生物利用，污染场地不含对降解菌种有抑制作用的物质，否则需先行稀释或将该抑制剂无害化；三是污染场地或生物反应器的环境条件必须有利于微生物生长或保持活性；四是技术费用必须尽可能低。

1.生物因素。自然状态下环境中存在大量可降解污染物的微生物，但浓度一般很低。当环境被污染时由于微生物受驯化，降解该种污染物的微生物数量会逐渐增多。如在自然状态下可降解烃类的微生物只占微生物总数的1 %，但在石油污染的环境中这一比例可上升至10 %。添加可降解污染物质的外源微生物可强化对污染物质的降解，有助于达到理想的处理效果。采用质粒转移、基因工程技术和原生质体融合技术等构建工程菌在环境生物修复中具有比较好的应用前景。但由于生物工程菌在自然环境中缺乏竞争优势，及其可能潜在的对生态安全的威胁，目前环境治理中应用很少。

2.营养物质。N、P等营养元素是微生物生长不可缺少的，尤其是海水中N和P是限制微生物降解烃类的最重要因素。众多研究表明在石油污染的修复中投加N和P可明显提高碳氢化合物的降解速率。而对海水中的石油类污染物的修复来说，使用以尿素作为N源的亲油肥料Inipol EAP22有利于石油表面的微生物生长。出于经济考虑，也可用动物饲料和动物粪便作营养盐，如在被石油污染的阿拉伯沙滩上投加动物饲料（含60 %蛋白质）使石油的降解率提高了15 %。

3.电子受体。微生物的活性除了受营养物质的限制外，污染物分解的最终电子受体的种类和浓度也极大影响着生物修复的速度和程度，包括O2、H2O2和其他的一些离子等。魏德洲等的研究认为当H2O2的浓度为600mg/L时效果最佳，土样中石油污染物的去除率比对照增加了近3倍。此外，O2、Fe3+也可以作为石油烃的地下水生物修复时的电子受体。

4 .表面活性剂。使用表面活性剂有助于对亲水性差的污染物质的降解。烷烃、芳香烃、多环芳烃是石油的重要组分，这类物质的水溶性较低且难被微生物降解。一些降解石油的微生物能产生表面活性物质，使这些烃类乳化从而促进细胞吸收。

5.共代谢物。微生物可通过共代谢加速降解一些难降解有机物。甲烷氧化菌可通过共代谢降解多种污染物，包括对人体健康有严重威胁的三氯乙烯和多氯联苯等。研究表明在甲烷和溶解氧存在条件下三氯乙烯的降解率可达到10 %～20 %。杜秀英等发现用邻二氯苯作为初级营养共代谢物，可增强菌株对较高氯代二噁英的降解能力。另外有报道称，一株洋葱假单胞菌以甲苯为生长基质时可以对三氯乙烯共代谢降解。某些分解代谢酚或甲苯的细菌也具有共代谢降解三氯乙烯、1，1-二氯乙烯、顺-1，2-二氯乙烯的能力。

三、生物修复在污染治理中的应用

1.在水污染治理中的应用。微生物群体可以依靠细胞壁将污水中的有机物质吸收消化，同时产生一定的代谢物质，再作为其它微生物的养料，进行吸收消化，直至污水中的有机物质全部分解。70年代国内外都采用物理、化学方法如活性碳吸附等处理含TNT的工业废水，但成本高并存在二次污染等问题。尹萍等利用筛选的转化TNT的高效微生物接种挂膜，处理含TNT - DNN （二硝基萘）混合废水，使TNT由50 mg/ L降低至0.5 mg/ L，二硝基萘由5mg/ L降低至检测不到，出水中各项指标都达到国家排放标准，已在有关军工厂投产运行多年，取得良好的社会效益和环境效益。微生物絮凝剂是从微生物或其分泌物提取、纯化而获得的一种安全、高效、且能自然降解的新型水处理剂。仓根隆一郎用微生物絮凝剂加Ca2 + 处理畜产废水发现其浊度去除率达94. 5 %，而且不存在二次污染。孟琴等用自制的微生物絮凝剂处理蛋白质溶液和果汁原汁，也发现其处理效果明显优于阳离子聚丙烯酰胺。

我国采用微生物絮凝剂NOC -1，对含有可溶性着色物质的黑墨水、面包酵母生产过程中排出的培养基糖蜜废水、造纸碱性黑液、颜料废水等有色废水进行处理，处理后的上清液变为无色透明。可见，微生物絮凝剂具有很好的脱色性能。

2.在大气污染治理中的应用。随着现代工农业的发展，大气污染日趋严重。微生物对污染物能较快地適应，并可使废物、废气得到降解和转化。同传统空气污染控制技术相比，微生物法以其处理高效、费用低、易于管理等优点，逐渐应用于空气污染控制中。

（1）含H2S气体的净化。目前，工业上H2S气体的物化净化法，虽然治理效果较好，但要求高温、高压，需要大量催化剂和其它化学药品，严重腐蚀设备，还会存在产生二次污染等问题。用生物法处理含H2S废气主要在生物膜过滤器中进行。德国、荷兰、新西兰、英国和美国都有工业规模的应用报导。日本研究者将活性污染脱水，在常温（20～60℃） 的条件下干燥，在水中浸渍膨润后得到固定化污泥。这种固定化污泥可以保持各种微生物的生理活性，利用此固定化污泥去除恶臭可以提高恶臭的去除率，降低成本。

（2）二氧化碳的微生物固定。CO2一方面是造成温室效应的废物，另一方面又是巨大的可再生资源。因此，二氧化碳的固定在环境、能源方面具有极其重要的意义。目前，CO2的固定方法主要有物理法、化学法和生物法，而大多数物理法、化学法必须依赖生物法来固定CO2。而微生物由于能够生存于各种特殊环境中而更显优势。另外，自氧微生物在固定CO2的同时，可以将其转化为菌体细胞以及许多代谢产物。日本已经利用CO2生产单细胞蛋白较有潜力的微生物产业化生产螺旋藻、小球藻等微藻；革兰氏阴性菌在限氮条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，在中空纤维生物反应器中利用嗜热自养甲烷杆菌转化CO2和H2，该反应器可保持菌体高浓度及长时间产甲烷活性。

3.微生物在金属污染物治理中的应用。工业化促进了人类的进步，同时工业废水中的有毒有害污染物，特别是重金属的排放又给环境造成了众多负面影响。与传统的物理化学方法相比，生物技术不仅价格较低，而且不会对环境造成二次污染，有较高的应用价值。

环境中微生物并不能降解金属污染物，只能改变金属污染物的种类。生物法去除环境中的重金属主要是利用微生物改变金属原子、金属离子的形态，使其沉淀，以达到去除有毒重金属的目的；或者利用微生物改变金属离子的价态，使金属溶于液体中，从而易于从土壤中滤除。海藻、酵母菌等对金属也具有较强的生物吸附能力。微生物可以适应环境中高浓度的镉、铅、铬，而且细胞繁殖过程中对镉的去除率高达85%。

4. 生物修复农药污染治理中的应用。近年来，生物修复越来越多地应用于农药污染环境的修复中。崔中利从农药厂污泥中分离出两种甲单胞菌，混合菌种对甲基对硫磷的降解效果良好。阮少江等研究发现，Pseudomomas Ws-5对甲胺磷的降解效果明显，而且金属Cu2+、Ca2+、Mn2+等对其生长具有促进作用。王永杰等从污泥中分离到可降解光谱有机磷类农药的芽孢杆菌，在培养72h，对500mg/L甲胺磷、200mg/L敌敌畏、100mg/L对硫磷的降解率分别为78.5%，50.3%，25.4%。李淑彬等分离到一株曲霉和一株假单胞B82矿化菌，曲霉对14.17mmol/L的甲胺磷的降解率达85%。

5.微生物在海洋污染环境中的生物修复作用。近年来，随着我过沿海地区工农业和海洋养殖业的迅速发展以及人口的骤增，大量人工合成的污染物的不合理排放，海上石油的开发等，造成了海洋环境污染的危机，如赤潮发生频率的增加、石油污染、农药的非点源污染加剧等。

目前广泛分布于海洋环境中的多环芳烃（PAHs），由于其潜在毒性、致癌性及致畸诱变作用，对人类健康和生态环境具有很大的潜在危害，已引起各国环境科学家的极大重视。郑天凌等在对影响微生物修复的各种环境因素的研究中，筛选出的降解菌，对菲、芘、荧蒽的降解率达60-70%以上，并且混合菌的降解效果更好。

美国环境保护局在阿拉斯加Exxon Vadez 石油泄露事故中，利用生物修复技术成功治理污染环境，从污染海滩分离的细菌菌株与不受污染的分离菌株相比，具有特殊的降解能力。

最近几年，赤潮也成为危害海洋环境的元凶之一，并且影响范围越来越广。用化学方法防治虽可迅速有效的控制赤潮，但所施用的化学药剂给海洋带来了新的污染。近期，国外发现了一种寄生在藻类上的细菌，可逐渐使藻类丝状体裂解致死；某些假单胞菌、杆菌、蛭弧菌可分泌有毒物质释放到环境中，抑制某藻类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着重要的作用。

6.微生物毒性试验在环境工程中的应用。由于化学品的需求不断增加，大量有毒化学品被释放到环境中，使自然生态环境面临巨大的威胁。迅速和简便地监测和筛选环境中众多的外来化学品，尤其是有毒化学品的环境毒理效应，建立优先监测的污染物名单十分必要。利用低廉的微生物，通过进行细菌发光检测、抑制代谢检测、遗传毒性试验等微生物检测方法可以对化学品的毒性进行快速、简便、灵敏的检测。

四、生物修复技术的应用前景展望

生物修复技术是治理环境污染、生态系统功能紊乱的一副防治结合的良药，费用低，副作用少，污染前预防，污染后治理，但像许多疾病一样， 应对症下药， 对于不同的污染物应采取不同的生物修复方案。目前生物修复技术推广应用也还存在许多问题，但仍是很有发展潜力的环境清洁技术。

为进一步提高生物修复的治理效果，获得环境污染治理新突破，其发展前景在采用新工艺手段，生产易于生物降解的化合物，合成具有特殊降解能力的工程菌，从而减少污染物在环境中的累积、转移，保持生態系统的平衡，实现海洋环境的可持续发展。实践证明，采用生物技术修复污染环境与传统的物理化学技术相比可以节省大量投资、可以就地进行、对周围环境的影响较小、可以最大限度地去除环境中的污染物。随着生物技术的不断进步，基因工程菌的出现，生物修复技术将不断应用于更多的污染环境的治理工程中。

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作者简介 范婷婷（1986-），女，黑龙江人，助理农艺师，农学学士，从事植物检疫工作。