现代生命科学导论论文
生物方法治理北京市空气污染
摘要:空气污染一直是困扰北京市政府的一大环境问题,造成空气污染的因素众多,包括汽车尾气、工业污染,工地扬尘等因素。市政府每年也会投入不少钱治理空气污染。其中生物方法是治理空气污染的一个很好的方法,不少植物和微生物在治理空气污染上会发挥很重要的作用。
关键词:空气污染,植物,微生物,生物脱硫
Biological methods of control of air pollution in Beijing Abstract: Air pollution is a worry to the Beijing municipal government has been one of the major environmental problems, air pollution caused by many factors, including vehicle exhaust, industrial pollution, site factors such as dust. The municipal government will invest a lot of money in each year of air pollution. Biological treatment in which air pollution is a good way, many plants and micro-organisms in the control of air pollution will be a very important role to play.
Key words: Air Pollution, Plant, Microbiology, Biodesulfurization
经济的飞速发展给人们带来了物质上的富裕,同时也给环境带来巨大压力。北京是中国的首都,常被称为“首堵”,偶尔也被称为“雾都”。空气污染一直困扰着市政府,市政府每年也会投入不少钱治理空气污染。治理空气污染的方法很多,化学方法、物理方法、生物方法等等很多。要治理空气污染就要先对空气污染有一个基本上得了解。所谓空气污染,即指空气中含有一种或多种污染物,其
存在的量、性及时间会伤害到人类、植物及动物的生命,损害财物,或干扰舒适的生活环境,如臭味的存在。换言之,只要是某一种物质其存在的量、性质及时间足够对人类或其他生物、财物产生影响者,我们就可以称其为空气污染物;而其存在造成之现象,就是空气污染。 在了解何种物质进入空气中会造成污染之前,我们需要先了解乾净空气的组成。乾净空气的组成如表一所示:通常我们所谓的「空气污染物」如二氧化氮、臭氧。二氧化硫、一氧化碳等物质,在乾净空气中之含量均极微少;但在受到污染的情形下,这些特定物质中的某些种类会大量增加。换言之,某些物质在空气中不正常的增量就产生空气污染的情形。 二、空气污染物的种类 空气污染物的种类包含很多,它们的型态可能是固体状的粒子,也可能是被滴或是气体,或是这些型态的混合存在。 目前我国法令所定义的空气污染物有那些种类呢?依据空气污染防制法及相关规定所定义,空气污染物可分为四大项目,分别为气状污染物(包括硫氧化物勺一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、氯气、气化氢、氟化物、氯化烃等)、粒状污染物(包括悬浮微粒、金局煤烟、黑烟、酸雾、落尘等)、二次污染物 (指污染物在空气中再经光化学反应而产生之污染,包括光化学雾、光化学性高氧化物等)及恶臭物质(包括氯气、硫化氢、硫化甲基、硫醇类、甲基胺类) 等。比较常见的空气污染物包括悬浮微粒、一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和 碳氢化合物等,大多是由人为因素而产生。在我国法令中对於人为因素(如烟囱排放、交通工具排放等)而产生之空气污染物,大多订有「排放标准」来规范它们的排放。
苔藓植物可以作为监测空气污染的指示植物。因为在苔藓叶片内,除中部外,都是由一层细胞构成的,污染物可以从叶片两面直接侵入叶的细胞。所以植物体对有毒的气体十分敏感,在污染严重的城市和工厂附近很难生存。人们利用这个特点,把苔藓植物当作监测空气污染程度的指示植物。
很多植物都有吸收各种有毒有害气体和净化空气的功能。植物是空气的天然过滤器。茂密的丛林能够降低风速,使气流挟带的大颗粒灰尘下降。树叶表面粗糙不平,多绒毛,某些树种的树叶还分泌粘液,能吸附大量飘尘。蒙尘的树叶经雨水淋洗后,又能够恢复吸附、阻拦尘埃的作用,使空气得到净化。下面介绍几种吸收有毒气体、烟尘能力强的植物。
悬铃木,俗称梧桐树。落叶大乔木,高可达35米。悬铃木树形雄伟,
枝叶茂密,是世界著名的优良庭荫树和行道树,有“行道树之王”之称。枝条开展,树冠广阔,呈长椭圆形。树皮灰绿或灰白色,片状脱落。柄下芽。单叶互生,叶大,掌状5-9裂,幼时密生星状柔毛,后脱落。抗空气污染能力较强,叶片具吸收有毒气体和滞积灰尘的作用,对二氧化琉、氯气等有毒气体有较强的抗性。
垂柳枝条细长,柔软下垂,随风飘舞,姿态优美潇洒,植于河岸及湖池边最为理想,柔条依依拂水,别有风致,自古即为重要的庭园观赏树。亦可用作道树、庭荫树、固岸护堤树及平原造林树种。垂柳对有毒气体抗性较强,并能吸收二氧化硫,比较适用于工厂区绿化。
樟树枝叶有樟脑味,能分泌挥发性抑菌物质,对二氧化硫、氯气等有害气体有较强的抗性和吸收能力。只不过樟树为亚热带地区(西南地区)重要的材用和特种经济树种,可能不太适合在北京种植。
侧柏属常绿乔木,树高一般达20米,干皮淡灰褐色,条片状纵裂。小枝排成平面。全部鳞叶,叶二型,中央叶倒卵状菱形,背面有腺槽,两侧叶船形,中央叶与两侧叶交互对生,雌雄同株异花。侧柏具有杀菌吸毒滞尘的功能。枝叶能分泌一种杀菌素,可杀死肺结核,痢疾等病菌,对二氧化硫、氯气、氟化氰等有较强抗性。
刺槐,又名洋槐,对空气中的二氧化硫、氯气、氯化氢等有害气体有较强的净化作用,并有较强的吸收铅蒸气的能力。因其适应性强、生长快、繁殖易、用途广而受到欢迎。在国内已遍及华北、西北、东北南部的广大地区。刺槐原产地是在两个完全不相连接的地域分布,形态变异丰富,它的观赏价值逐渐受到人们的重视,尤其是在立地条件差,环境污染重的地区绿化,这是不可缺少的园林绿化树种。
枸把树,能抗二氧化硫、硫化氢和氯气的污染,对酸和氮氢化物的抗性也较强。可作为大气污染严重区的绿化树种。
臭椿,落叶乔木,高可达30米,树冠呈扁球形或伞形。树皮灰白色或灰黑色,平滑,稍有浅裂纹。小枝粗壮。叶痕大,倒卵形,内具9个维管束痕。奇数羽状复叶,互生,可抗二氧化硫,氟化氢、氯气,耐粉尘、烟尘,杀菌能力很强。叶含皂素、单宁、香精等,与其他杀虫植物配制成合剂可杀灭害
虫。
我们知道大多数空气污染直接起源于人类的活动,然而某些污染物的大量生产是由于天然的微生物过程的结果,或者更大的可能是由于人类生活、生产活动所排出的飞舞被微生物所降解而产生。但是从有利一面讲,污染物也可能由于微生物的吸收作用而从空气中被清除出去,排出海洋或土壤中。
据计算,全世界的海洋每年产生3~10Mt的一氧化碳,虽然确实的来源还有待于研究,但总离不开海洋的细菌和藻类.,没有高浓度的一氧化碳积累,这表明地球上存在着一个有效的清除一氧化碳的过程。许多微生物,特别是土壤微生物区系具有很强的利用一氧化碳的能力,它们利用一氧化碳做为碳源,从而清除一氧化碳,使一氧化碳的污染大大降低。二氧化碳在过去的几十年间,人类活动所产生的二氧化碳的量有很大的增加,然而空气中二氧化碳的浓度都没有明显的增加.这是因为大气中的二氧化碳溶解在海水里为海藻所利用,含碳百分比很高的藻类生物体最终沉入海底,转化成碳酸钙而固定下来,永久不能移动海洋所能溶解的大气中二氧化碳浓度非常高,因而能对二氧化碳的污染起到缓冲作用。含硫气体微生物在厌气条件下,降解含硫有机物,其结果能产生高浓度的硫化氢气体。据计算海洋中的沉积物中每年可产生3000万t硫化氢,而从腐化的植物中产生的硫化氢每年可达6800万t。硫氧化物的气体完全是人的活动造成的,而微生物的活动不会使大量的硫氧化物释放到大气中去。植物和微生物从大气中吸收二氧化硫,硫在生物体中是以含硫氨基酸的形式被固定下来的,所以生物群作为二氧化硫废气的容纳场所而起着十分重要的作用。硫氢化合物沼泽地中的厌氧生物过程能产生大量的甲烷.据计算,地球上的沼泽地排出的甲烷,每年大约接近2亿t,甲烷在空气中停留的时间为1~4年。土壤中普遍存在着大量的利用甲烷的细菌,毫无疑问,它们也必然具有氧化大气中甲烷的能力。因此,甲烷在大气中停留的时间也可以反映出这类细菌在相应区域内的数量和活性。复化氮氧化氮通过微生物进行脱氨作用(反硝化作用)而产生。土壤微生物一年产生10169的氧化氮,而植物与微生物又吸收相似数量的氧化氮,以保持平衡。通常在大气中由NO与臭氧反应而
生成,但微生物的脱氨过程也经常产生NO或NO2。①
由此可见微生物在治理空气污染方面会起到很大的作用。而将微生物集中起来治理空气污染(特别是处理废气方面)尤为重要。下面介绍一种固定化微生物净化二氧化硫气体的方法。
生物脱硫的原理是利用自养微生物对二氧化硫的代谢过程将烟道气中的硫氧化物脱除。在生物脱硫过程中,氧化态的污染物如二氧化硫、硫酸盐、亚硫酸盐及硫代硫酸盐等经微生物还原作用生成单质硫后被去除。固定化微生物净化二氧化硫气体的动力学过程分析:
生物脱硫的过程实际是利用微生物的生命活动降解污染物的过程。依据传统的生物脱硫原理,二氧化硫的去除过程大致可分为如下四个步骤:
(1)二氧化硫分子经扩散、吸收从气相转移至液相;
(2)二氧化硫分子从液相扩散至小球表面并被吸附;
(3)二氧化硫分子被子微生物捕获;
(4)在除硫微生物各种酶的作用下,被微生物捕获的二氧化硫分子被生化降解,用于微生物细胞的合成和微生物的生长。
主要进行的内容:
(1)从自然界获得菌种,用常规分离方法对菌种进行的筛选,并对所得菌种进行驯化,以获得有净化502能力的菌种。
(2)用海藻酸钠对所得菌种进行包埋,确定最佳固定化条件。
(3)将固定化微生物小球装入小型填料塔,测定固定化微生物小球对502的净化能力。
(4)采用添加天然物质和进行表面化学处理的方法,对固定化微生物珠体的性能进行改进。②
具体的包埋方法有:聚丙烯酞胺凝胶包埋法、海藻酸钙凝胶包埋法、琼脂凝胶包埋法、聚乙烯醇一硼酸包埋法、明胶一戊二醛包埋法,光敏树脂包埋法,K一卡拉胶包埋法。这些方法中琼脂凝胶强度极差,丙烯酞胺凝胶对生物有毒,而明胶内部结构密实,传质性能差,海藻酸钙凝胶和聚乙烯醇凝胶的机械强度和传质性能良好,但聚乙烯醇成球困难,不易操作。海藻酸钙凝胶在压缩强度、耐生物分解性、对生物毒性、固定化难易、成本
等各方面均具有一定的优势,建议使用本方法。
微生物不仅可以治理空气污染,而且有些微生物对空气污染的指示作用:③
空气污染物不仅对人体健康有严重影响,而且对植物、微生物细胞同样也产生影响.然而,不同的生物机体,对不同的污染物反应的敏感性不尽相同。因此,我们可以把一些对污染物有高度敏感的微生物作为指示物,用于环境污染的监测。大肠杆菌(E·co“)对于臭氧和碳氢化合物的光反应产生的烟雾是高度敏感的,这种混合物只要12x10一,s/mL浓度就可使大肠杆菌致命.纯的臭氧对于大肠杆菌也是有毒的,使细胞表面发生氧化作用,造成内含物渗出细胞而被毁。发光细菌对于测定由空气污染物引起的细胞学损伤也是良好的工具.发光细菌在暗处生长,它们的生物发光又较易测定.已知由氧化氮和丁烯经光化学作用产生的烟雾能明显阻碍期王宏梅:徽生物与空气污染生物发光,发光细菌对PAN也特别敏感,浓度在小于2两/L时,就能抑制它发光,而这样低的浓度还不会对人眼产生刺激作用.尽管这样低的空气污染水平,也可能在高等生物中引起细微的生理学影响,但是人们都不易察觉出,在这方面,微生物可以成为我们很好的助手。
治理空气污染是一个艰巨的任务。植树造林是一个长期工程,见效缓慢,但我认为却是最有效的手段。微生物法治理空气污染需要的投资大,而且要求较高的科技水平,而且会有一定的投资风险,是一个可以探讨、研究、试用的方法。
参考文献
① 王宏梅. 微生物与空气污染. 齐齐哈尔市:齐齐哈尔师范学院学报(自然科学版),1997年8月,第17卷 第3期.
② 崔亚伟. 固定化微生物净化低浓度二氧化硫废气的基础研究. 昆明理工大学:硕士生学位论文,2002年3月.
③ 王宏梅. 微生物与空气污染. 齐齐哈尔市:齐齐哈尔师范学院学报(自然科学版),1997年8月,第17卷 第3期.