微生物在环境污染治理中的作用

微生物在污染治理中的应用

摘要：自然环境在没有或只受到有限的人为活动所造成污染时，能自动地维持生态平衡，环境洁净，各种生物和谐生存，繁衍生息。但随着人类生产、生活领域及其规模的不断扩大，特别是包括煤炭和石油等矿物能源及生物外源性有毒、有害物质，生物难降解化学品的广泛开发和利用，排放的污染物数量突破了自然环境所固有的自净负荷，给自然环境造成了越来越严重的污染。环境污染的恶化不仅给经济的可持续发展带来滞后性，而且直接影响到人类的健康、稳定的生活。因此，环境问题日益引起了人类的高度重视。微生物作为生物界的主要降解类群，在水体污染、固体废弃物污染、重金属污染、化合物污染、石油及大气污染等治理过程中，均取得显著效果且不易造成二次污染，应用范围广泛，所以倍受人们关注。

关键词：环境污染；生物技术；微生物；生物降解；污染治理；应用；极端微生物

微生物在废水处理等环境污染防治方面具有广泛的应用，在农林牧渔业、环保等各方面发挥着巨大的作用。近年来，人们对微生物在环境中的分布状况、分离纯化和开发（包括驯化和基因操作等）利用等方面的报道与日俱增。伴随着人口增加、经济发展和大规模工业化进程，进入环境中的有害物质逐年增多，并在环境中长期存在且难以降解，致使环境问题成为当今世界所面临的一个重要问题。同时，长期以来形成的重经济发展、轻环境治理的状况，使我国的环境污染问题尤为突出。加入世贸组织后，环境保护已不再是我国的内部事务，它将直接并严重影响着我国国民经济的持续发展。因此，绿色区的环境保护和污染区的环境治理迫在眉睫。

1.环境污染的现状与微生物技术

我国是世界上环境污染最为严重的国家之一，大气、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。当前我国社会经济仍然保持着高度发展的态势，环境保护的压力将进一步加重，由人类活动所造成的环境污染和环境质量的恶化已成为制约我国社会和经济可持续发展的障碍。如何在经济高速发展的同时控制环境污染，改善环境质量，以实现社会经济可持续发展之目标是我同目前谚待解决的重要问题。

1 .1.生物技术在环境治理中的优势

科技的发腱也充分证明微生物技术是环境保护的理想武器，这一技术在解决环境问题过程中所显示的独特功能和显著优越性充分体现在它是一个纯生态过程，从根本上体现了可持续发展的战略思想。微生物技术在处理环毙污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反鹿条件温和以受无二次污染等显著优点，加之其技术开发所预示的广阔的市场前景，受到了各国政府、科技工作者和企业家的高度重视。

目前微生物技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术。其在水污染控制、大气污染治理，有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物资源化、环境监测．污染环境的修复和污染严重的f业企业的清洁生产等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。应用微生物技术处理污染物时，最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质，如二氧化碳、水和氮气。利用微生物方法处理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次转移，因此它是一。种消除污染安全而彻底的方法。特别是现代微生物技术的发展，尤其是基因工程、细胞f程和酶工程等生物高技术的飞速发展和应用，使微乍物处理具有更高的效率，更低的成本和更好的专一性，为微生物技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景。

2. 微生物在污染治理中的应用

应用微生物的高效降解、转化能力治理环境污染，在污水治理、固体废弃物处理、重金属降解、化合物分解、石油修复等方面均取得了良好的效果。其治理过程分为：①高效生物降解能力和极端环境微生物的筛选、鉴定；②污染物生物降解基因的分离、鉴定和特殊工程菌的构建；③生物恢复的实际应用和工程化。

2 .1 .污水治理

环境中的污染物，在自然界中经过迁移、转化，绝大多数将归入水体，引起水体不断受到污染的胁迫。尤其是高浓度生活污水和工业废水的大量倾入，使水体富营养化现象日趋严重。通常情况下，只要这种污染不超过阀值，污染的水体在物理、化学和生物的综合作用下，是可以得到净化的，这种净化主要源于水体中的微生物能直接或间接地把污染物作为营养源，在满足微生物生长需要的同时，又使污染物得以降解，达到净化水质的目的。目前，世界各国在应用微生物治理污水方面积累了较丰富的经验，具备了一定的研究基础，应用于污水治理的生物技术包括生物发酵技术、生物强化技术、生物反应器技术以及活性污泥等治理技术。生物技术治理污水的竞争优势是成本低，可以对不同浓度的污染物进行治理，并且可以产生可利用的沼气。其缺点是产生污泥，缺乏运行的稳定性和可预测性。微生物治理污水过程中，分离净化污水的高效菌株已成为主要研究内容。如现已分离到的可治理高浓度生活废水、净化池塘、解决水体富营养化等问题的光合细菌；对矿井排水经济有效的Pesulforibrio desnlfuricans 菌株等。

对于从自然环境中分离筛选的菌种，具降解污染物的能力往往有限，原因在于许多污染物的降解是多种微生物共代谢的结果。微生物在可用作碳源和能源的基质上生长时，常常会伴随着一种非生长基质的不完全转化，即共代谢作用。其产生原因是由于非生长物质与生长物质具有类似的化学结构，而微生物降解生长基质的初始酶专一性不高，在将生长基质降解的同时，将非生长基质进行了转化。而攻击降解产物的第2 种酶，则具有较高专一性，不会把非生长基质的产物当作生长基质的产物继续转化。因此，在纯培养情况下，局部转化的产物会聚集起来。而在混合培养条件下，这种转化可以为其他微生物所进行的共代谢或其他生物降解铺平道路，共代谢产物可以继续降解。在污水的治理中，由于一种微生物常常表现为某种代谢途径的缺陷，为提高污水降解效率，常需将多种微生物混合培养，而混合培养中微生物的种类与比例又成为高效降解的制约因素。因此，必须针对微生物进行遗传学改造，通过分子生物学手段，定向选育出降解能力高的工程菌株，大幅度提高微生物的降解能力，以满足不同污染物处理要求。

2.2.固体废弃物治理

固体废弃物污染严重影响我国的环境质量。我国同体废弃物年产鼍数目极大。造成的经济损失每年达干亿元以上。目前我国处理城市垃圾的方法主要是填埋、堆放和焚烧。填埋、堆放既占用土地资源，又会使有害物质渗漏、扩散，造成二次污染。固体废弃物焚烧产生的二嚼英等有害物质会严重危害人类的健康与生产。利用微生物分解固体废弃物中的有机物，从而实现其无害化和资源化，是经济而有效的处理同体废弃物方法。微生物技术治理同体废弃物的优势是：可以有选择地浓缩或去除污染物：节省运营和投资成本：废物总体积显著降低：可以将废弃物转化为再利用资源。其缺点在于反应速度慢，某些同体废弃物难以降解。尽管如此，人们相信生物降解中存在的问题会随着对微生物研究的深入很快得到解决．

2.3 .重金属污染治理

重金属污染主要源f采矿活动、石油业和电镀厂等工业的超量捧放以及电池等含重金属同体的废弃物。准确地来说，微生物并不具备降解重金属的能力，而是在治理过程中将重金属浓缩成为更易j二处置的形l武。此外，微生物亦可通过酶促或化学反应，将有毒物质低毒化或无毒化，最终消除重金属污染。由于大多数微生物对重金属的抗性系统主要由质粒上的基凼编码，且抗性基因亦可在质粒与染色体间相互转移许多研究工作开始采用质粒来提高细菌对重金属的累积作用，并取得了良好的应用效果。

2.4.毒害性化合物污染治理

毒害性化合物多为人工合成的杀虫剂、除草剂、防腐剂以及石油化学排放的污染物。目前被国际公认的已有上百种，其中卤代芳烃和卤代烷烃占很大比例。它们共同特点是对人有致畸、致突变和致癌作用。去除此类物质的微生物降解技术是一门新兴的修复技术。由于微生物的生长离不开碳源和能源，因而大多数污染物在有氧条件下，通过微生物分解作用，可作为微生物的营养物质，构成微生物食物网的一部分，重新进入生物地球化学循环，达到净化目的。此外，自然界中许多厌氧微生物也具有从苯环上或烷烃上还原脱氯及脱除官能团的潜在能力，经过合理的诱导驯化，微生物可将毒害性化合物彻底矿化，并产生有益的资源，如CH4、H2等。

大量研究表明，微生物降解有机污染物的基因通常与质粒有关，许多有毒化合物，尤其是复杂芳烃类化合物的生物降解，往往有降解性质粒的参与［26］。如现已鉴定出10 余个编码降解氯代芳族化合物功能的质粒。该质粒可编码生物降解过程中的一些关键性酶类，在一般情况下，质粒的有无对宿主并无影响，但在有毒物质存在的情况下，由于质粒能给宿主带来具有选择优势的基因，因而具有极其重要的意义。对降解质粒编码基因的深入研究将有助于改建微生物降解途径，构建具有广泛底物的降解能力的工程菌，制造出环境友好的除污菌剂。此外，将各供体细胞的不同降解性质粒转移到同一个受体细胞中，可构建多质粒菌株，大大提高菌株的降解效率。如美国采用连续融合法，将解芳烃、解萜烃和解多环芳烃的质粒，分别移植到一解脂烃的细菌细胞内，构成的新菌株只需几个小时就能降解原油中60%的烃，而天然菌株则需1 年以上。

2.5.石油污染治理

石油污染分陆地石油污染和水域石油污染。其中陆地石油污染通常会导致地下水蓄水层的污染，受污染的地下水，在自然状态下一般需要几十年甚至更多的时间才能复原。应用微生物技术治理石油污染，是将污染物转化为无毒性终产物的有效方法。该技术虽然起步较晚，却发展迅速。其优点是成本低，工程规模小，可将污染物降解为无害物质。缺点是难以治理复杂的混合污染物，难以将实验室条件转化为大规模实践，治理过程较为缓慢。研究表明，细菌是降解石油的重要分解菌，如假单胞菌属（ Pseudomonas ）、杆菌属（ Flauobacterium ）、棒杆菌属（Corynebacterium）、弧菌属（ Vibro ）、无色标菌属（ Achromobacter）、微球菌属（Micrococcus）、放线菌属（ Actinomyces）等均有降解石油的能力。此外，霉菌、酵母菌等真核微生物也是石油降解的主要类群。微生物对碳氢化合物的降解速率很大程度受环境中低含量的营养盐、磷酸盐及含氧化合物所限制，因此，适当地改变营养条件，可大大加快石油的降解速率。我国科研人员从淄博市被石油污染的地下水、排水沟中采集水样，经富集培养分离筛选出10 株除油菌。据测定单菌株降油率在20% ~50%，混合菌群的除油率可达71 .4%。在模拟反应器中混合菌群的除油率达53 . 1%。在现场治理时，投菌11 d 后，混合菌群除油率保持在35% 左右［30］。如果在混合菌群培养液里，加入亲油性营养液作为表面活性剂，可以促使微生物对油类物质的附着与接触，则会大大增加石油的降解程度和降解速率。

2.6.大气污染治理

我国100 多座城市，大气质量达到1 级标准的不到1%，大气污染十分严重。因此减少废气排放和使用废气净化设施是治理大气污染的必然趋势。利用微生物技术治理大气污染的优势是可将污染物转化为无害物质，成本较应用理化方法降低60% ~ 80%，缺点是对该技术作用机理了解较少，且尚不能用于全部污染物质的处理。

目前，应用微生物技术去除空气和废气中污染物的工艺，如生物过滤，生物除污已取得较好效果。现已了解到微生物可通过4 种途径完成CO2的固定。通常情况下，主要方式为还原戊糖磷酸循环途径，极端条件下，可采取TCA 循环、乙酰-COA 循环及3-羟基乙炔化合物循环途径固定CO2。微生物通过不同的固定途径，可有效地降低大气中CO2含量。如从海水环境中分离出的固定CO2的微藻，在最适条件下，在150 L 光反应器中培养，1 g 微藻每天可固定2 g CO2。此外，微生物在去除SO2、NO 等有毒气体中也表现出极大的潜力。

3.极端微生物在环境保护中的应用

所谓极端微生物(extremophiles)是指在极端环境下能够正常生存的微生物群体的统称川。极端环境是指对生物生长产生限制因子的环境，通常指pH在4以下或9以上，温度在45℃以上或20℃以下，盐浓度在10％以上，诸如高温、低温、高酸、高碱、高盐、高毒、高渗、高压、干旱或高辐射强度等环境。在这样的环境中一般生物无法生存。

利用生物方法治理极端环境中的污染物时，普通微生物甚至在实验室构建的工程菌在实际应用中不能发挥作用，而极端微生物则是作用的主体。当高原或纬度高的寒冷地带的河流、湖泊及土壤被污染时，嗜冷微生物可对污染物进行降解和转化。应用低温微生物对广受污染的寒冷地域环境进行废物处理越来越受到人们的重视，受污染寒冷土壤和水体的恢复可通过低温微生物的原位清洁作用来实现。工业生产产生的酸性工业废水和碱性工业废水可以分别考虑用嗜酸微生物和嗜碱微生物进行处理，可以大大简化处理程序，降低处理成本。而在高温高盐的极端环境中，污染物的降解则需嗜热、嗜盐微生物。

4.展望

微生物在污染治理中具有广泛的应用前景，为提高微生物降解能力，扩大其应用范围，分离、重建高效、广谱降解微生物具有重要意义。同时，在微生物对污染物的适应及其降解遗传学机制，微生物净化的高效性及安全性，研究成果从实验室研究向工程应用的转移，以及高效、准确评估技术的应用等方面，尚需加大投入和作进一步研究。我国的环境微生物技术研究尚处于起步阶段，与国际先进水平还有很大差距，应根据我国的国情，充分利用我国的资源优势，借鉴国外先进技术和经验，重点加强环境生物技术的研究与开发，以期取得更好的环境效益和经济效益。

极端微生物具有普通微生物不可比拟的抗逆能力，极端微生物产生的酶在极端环境中保持活性，对极端环境的污染生物治理起着主要作用；同时，极端微生物在清洁能源的生产和环保产品的开发方面具有巨大的应用潜力，将有助于污染预防，在源头上解决环境污染问题。因此极端微生物在环境保护中发挥着重要的作用，对于实现可持续发展战略有重要意义。随着越来越多的极端微生物被分离鉴定、新产物的研究与生产、极端酶被分离纯化和极端酶工程研究的进展，极端微生物及其产生的极端酶在环境保护中的应用将会进一步得到拓展。

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