微生物在污染治理中的應用
摘要：自然環(huán)境在沒有或只受到有限的人為活動所造成污染時，能自動地維持生態(tài)平衡，環(huán)境潔凈，各種生物和諧生存，繁衍生息。但隨著人類生產(chǎn)、生活領域及其規(guī)模的不斷擴大，特別是包括煤炭和石油等礦物能源及生物外源性有毒、有害物質(zhì)，生物難降解化學品的廣泛開發(fā)和利用，排放的污染物數(shù)量突破了自然環(huán)境所固有的自凈負荷，給自然環(huán)境造成了越來越嚴重的污染。環(huán)境污染的惡化不僅給經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展帶來滯后性，而且直接影響到人類的健康、穩(wěn)定的生活。因此，環(huán)境問題日益引起了人類的高度重視。微生物作為生物界的主要降解類群，在水體污染、固體廢棄物污染、重金屬污染、化合物污染、石油及大氣污染等治理過程中，均取得顯著效果且不易造成二次污染，應用范圍廣泛，所以倍受人們關注。
關鍵詞：環(huán)境污染；生物技術；微生物；生物降解；污染治理；應用；極端微生物
微生物在廢水處理等環(huán)境污染防治方面具有廣泛的應用，在農(nóng)林牧漁業(yè)、環(huán)保等各方面發(fā)揮著巨大的作用。近年來，人們對微生物在環(huán)境中的分布狀況、分離純化和開發(fā)（包括馴化和基因操作等）利用等方面的報道與日俱增。伴隨著人口增加、經(jīng)濟發(fā)展和大規(guī)模工業(yè)化進程，進入環(huán)境中的有害物質(zhì)逐年增多，并在環(huán)境中長期存在且難以降解，致使環(huán)境問題成為當今世界所面臨的一個重要問題。同時，長期以來形成的重經(jīng)濟發(fā)展、輕環(huán)境治理的狀況，使我國的環(huán)境污染問題尤為突出。加入世貿(mào)組織后，環(huán)境保護已不再是我國的內(nèi)部事務，它將直接并嚴重影響著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。因此，綠色區(qū)的環(huán)境保護和污染區(qū)的環(huán)境治理迫在眉睫。
1.環(huán)境污染的現(xiàn)狀與微生物技術
我國是世界上環(huán)境污染最為嚴重的國家之一，大氣、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。當前我國社會經(jīng)濟仍然保持著高度發(fā)展的態(tài)勢，環(huán)境保護的壓力將進一步加重，由人類活動所造成的環(huán)境污染和環(huán)境質(zhì)量的惡化已成為制約我國社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的障礙。如何在經(jīng)濟高速發(fā)展的同時控制環(huán)境污染，改善環(huán)境質(zhì)量，以實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展之目標是我同目前諺待解決的重要問題。
1 .1.生物技術在環(huán)境治理中的優(yōu)勢
科技的發(fā)腱也充分證明微生物技術是環(huán)境保護的理想武器，這一技術在解決環(huán)境問題過程中所顯示的獨特功能和顯著優(yōu)越性充分體現(xiàn)在它是一個純生態(tài)過程，從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。微生物技術在處理環(huán)斃污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反鹿條件溫和以受無二次污染等顯著優(yōu)點，加之其技術開發(fā)所預示的廣闊的市場前景，受到了各國政府、科技工作者和企業(yè)家的高度重視。
目前微生物技術已是環(huán)境保護中應用最廣的、最為重要的單項技術。其在水污染控制、大氣污染治理，有毒有害物質(zhì)的降解、清潔可再生能源的開發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測．污染環(huán)境的修復和污染嚴重的f業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護的各個方面，發(fā)揮著極為重要的作用。應用微生物技術處理污染物時，最終產(chǎn)物大都是無毒無害的、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水和氮氣。利用微生物方法處理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移，因此它是一。種消除污染安全而徹底的方法。特別是現(xiàn)代微生物技術的發(fā)展，尤其是基因工程、細胞f程和酶工程等生物高技術的飛速發(fā)展和應用，使微乍物處理具有更高的效率，更低的成本和更好的專一性，為微生物技術在環(huán)境保護中的應用展示了更為廣闊的前景。
2. 微生物在污染治理中的應用
應用微生物的高效降解、轉(zhuǎn)化能力治理環(huán)境污染，在污水治理、固體廢棄物處理、重金屬降解、化合物分解、石油修復等方面均取得了良好的效果。其治理過程分為：①高效生物降解能力和極端環(huán)境微生物的篩選、鑒定；②污染物生物降解基因的分離、鑒定和特殊工程菌的構建；③生物恢復的實際應用和工程化。
2 .1 .污水治理
環(huán)境中的污染物，在自然界中經(jīng)過遷移、轉(zhuǎn)化，絕大多數(shù)將歸入水體，引起水體不斷受到污染的脅迫。尤其是高濃度生活污水和工業(yè)廢水的大量傾入，使水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴重。通常情況下，只要這種污染不超過閥值，污染的水體在物理、化學和生物的綜合作用下，是可以得到凈化的，這種凈化主要源于水體中的微生物能直接或間接地把污染物作為營養(yǎng)源，在滿足微生物生長需要的同時，又使污染物得以降解，達到凈化水質(zhì)的目的。目前，世界各國在應用微生物治理污水方面積累了較豐富的經(jīng)驗，具備了一定的研究基礎，應用于污水治理的生物技術包括生物發(fā)酵技術、生物強化技術、生物反應器技術以及活性污泥等治理技術。生物技術治理污水的競爭優(yōu)勢是成本低，可以對不同濃度的污染物進行治理，并且可以產(chǎn)生可利用的沼氣。其缺點是產(chǎn)生污泥，缺乏運行的穩(wěn)定性和可預測性。微生物治理污水過程中，分離凈化污水的高效菌株已成為主要研究內(nèi)容。如現(xiàn)已分離到的可治理高濃度生活廢水、凈化池塘、解決水體富營養(yǎng)化等問題的光合細菌；對礦井排水經(jīng)濟有效的Pesulforibrio desnlfuricans 菌株等。
對于從自然環(huán)境中分離篩選的菌種，具降解污染物的能力往往有限，原因在于許多污染物的降解是多種微生物共代謝的結果。微生物在可用作碳源和能源的基質(zhì)上生長時，常常會伴隨著一種非生長基質(zhì)的不完全轉(zhuǎn)化，即共代謝作用。其產(chǎn)生原因是由于非生長物質(zhì)與生長物質(zhì)具有類似的化學結構，而微生物降解生長基質(zhì)的初始酶專一性不高，在將生長基質(zhì)降解的同時，將非生長基質(zhì)進行了轉(zhuǎn)化。而攻擊降解產(chǎn)物的第2 種酶，則具有較高專一性，不會把非生長基質(zhì)的產(chǎn)物當作生長基質(zhì)的產(chǎn)物繼續(xù)轉(zhuǎn)化。因此，在純培養(yǎng)情況下，局部轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物會聚集起來。而在混合培養(yǎng)條件下，這種轉(zhuǎn)化可以為其他微生物所進行的共代謝或其他生物降解鋪平道路，共代謝產(chǎn)物可以繼續(xù)降解。在污水的治理中，由于一種微生物常常表現(xiàn)為某種代謝途徑的缺陷，為提高污水降解效率，常需將多種微生物混合培養(yǎng)，而混合培養(yǎng)中微生物的種類與比例又成為高效降解的制約因素。因此，必須針對微生物進行遺傳學改造，通過分子生物學手段，定向選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，以滿足不同污染物處理要求。
2.2.固體廢棄物治理
固體廢棄物污染嚴重影響我國的環(huán)境質(zhì)量。我國同體廢棄物年產(chǎn)鼉數(shù)目極大。造成的經(jīng)濟損失每年達干億元以上。目前我國處理城市垃圾的方法主要是填埋、堆放和焚燒。填埋、堆放既占用土地資源，又會使有害物質(zhì)滲漏、擴散，造成二次污染。固體廢棄物焚燒產(chǎn)生的二嚼英等有害物質(zhì)會嚴重危害人類的健康與生產(chǎn)。利用微生物分解固體廢棄物中的有機物，從而實現(xiàn)其無害化和資源化，是經(jīng)濟而有效的處理同體廢棄物方法。微生物技術治理同體廢棄物的優(yōu)勢是：可以有選擇地濃縮或去除污染物：節(jié)省運營和投資成本：廢物總體積顯著降低：可以將廢棄物轉(zhuǎn)化為再利用資源。其缺點在于反應速度慢，某些同體廢棄物難以降解。盡管如此，人們相信生物降解中存在的問題會隨著對微生物研究的深入很快得到解決．
2.3 .重金屬污染治理
重金屬污染主要源f采礦活動、石油業(yè)和電鍍廠等工業(yè)的超量捧放以及電池等含重金屬同體的廢棄物。準確地來說，微生物并不具備降解重金屬的能力，而是在治理過程中將重金屬濃縮成為更易j二處置的形l武。此外，微生物亦可通過酶促或化學反應，將有毒物質(zhì)低毒化或無毒化，最終消除重金屬污染。由于大多數(shù)微生物對重金屬的抗性系統(tǒng)主要由質(zhì)粒上的基凼編碼，且抗性基因亦可在質(zhì)粒與染色體間相互轉(zhuǎn)移許多研究工作開始采用質(zhì)粒來提高細菌對重金屬的累積作用，并取得了良好的應用效果。
2.4.毒害性化合物污染治理
毒害性化合物多為人工合成的殺蟲劑、除草劑、防腐劑以及石油化學排放的污染物。目前被國際公認的已有上百種，其中鹵代芳烴和鹵代烷烴占很大比例。它們共同特點是對人有致畸、致突變和致癌作用。去除此類物質(zhì)的微生物降解技術是一門新興的修復技術。由于微生物的生長離不開碳源和能源，因而大多數(shù)污染物在有氧條件下，通過微生物分解作用，可作為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，構成微生物食物網(wǎng)的一部分，重新進入生物地球化學循環(huán)，達到凈化目的。此外，自然界中許多厭氧微生物也具有從苯環(huán)上或烷烴上還原脫氯及脫除官能團的潛在能力，經(jīng)過合理的誘導馴化，微生物可將毒害性化合物徹底礦化，并產(chǎn)生有益的資源，如CH4、H2等。
大量研究表明，微生物降解有機污染物的基因通常與質(zhì)粒有關，許多有毒化合物，尤其是復雜芳烴類化合物的生物降解，往往有降解性質(zhì)粒的參與［26］。如現(xiàn)已鑒定出10 余個編碼降解氯代芳族化合物功能的質(zhì)粒。該質(zhì)?？删幋a生物降解過程中的一些關鍵性酶類，在一般情況下，質(zhì)粒的有無對宿主并無影響，但在有毒物質(zhì)存在的情況下，由于質(zhì)粒能給宿主帶來具有選擇優(yōu)勢的基因，因而具有極其重要的意義。對降解質(zhì)粒編碼基因的深入研究將有助于改建微生物降解途徑，構建具有廣泛底物的降解能力的工程菌，制造出環(huán)境友好的除污菌劑。此外，將各供體細胞的不同降解性質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到同一個受體細胞中，可構建多質(zhì)粒菌株，大大提高菌株的降解效率。如美國采用連續(xù)融合法，將解芳烴、解萜烴和解多環(huán)芳烴的質(zhì)粒，分別移植到一解脂烴的細菌細胞內(nèi)，構成的新菌株只需幾個小時就能降解原油中60%的烴，而天然菌株則需1 年以上。
2.5.石油污染治理
石油污染分陸地石油污染和水域石油污染。其中陸地石油污染通常會導致地下水蓄水層的污染，受污染的地下水，在自然狀態(tài)下一般需要幾十年甚至更多的時間才能復原。應用微生物技術治理石油污染，是將污染物轉(zhuǎn)化為無毒性終產(chǎn)物的有效方法。該技術雖然起步較晚，卻發(fā)展迅速。其優(yōu)點是成本低，工程規(guī)模小，可將污染物降解為無害物質(zhì)。缺點是難以治理復雜的混合污染物，難以將實驗室條件轉(zhuǎn)化為大規(guī)模實踐，治理過程較為緩慢。研究表明，細菌是降解石油的重要分解菌，如假單胞菌屬（ Pseudomonas ）、桿菌屬（ Flauobacterium ）、棒桿菌屬（Corynebacterium）、弧菌屬（ Vibro ）、無色標菌屬（ Achromobacter）、微球菌屬（Micrococcus）、放線菌屬（ 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類群。微生物對碳氫化合物的降解速率很大程度受環(huán)境中低含量的營養(yǎng)鹽、磷酸鹽及含氧化合物所限制，因此，適當?shù)馗淖儬I養(yǎng)條件，可大大加快石油的降解速率。我國科研人員從淄博市被石油污染的地下水、排水溝中采集水樣，經(jīng)富集培養(yǎng)分離篩選出10 株除油菌。據(jù)測定單菌株降油率在20% ~50%，混合菌群的除油率可達71 .4%。在模擬反應器中混合菌群的除油率達53 . 1%。在現(xiàn)場治理時，投菌11 d 后，混合菌群除油率保持在35% 左右［30］。如果在混合菌群培養(yǎng)液里，加入親油性營養(yǎng)液作為表面活性劑，可以促使微生物對油類物質(zhì)的附著與接觸，則會大大增加石油的降解程度和降解速率。
2.6.大氣污染治理
我國100 多座城市，大氣質(zhì)量達到1 級標準的不到1%，大氣污染十分嚴重。因此減少廢氣排放和使用廢氣凈化設施是治理大氣污染的必然趨勢。利用微生物技術治理大氣污染的優(yōu)勢是可將污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，成本較應用理化方法降低60% ~ 80%，缺點是對該技術作用機理了解較少，且尚不能用于全部污染物質(zhì)的處理。
目前，應用微生物技術去除空氣和廢氣中污染物的工藝，如生物過濾，生物除污已取得較好效果?，F(xiàn)已了解到微生物可通過4 種途徑完成CO2的固定。通常情況下，主要方式為還原戊糖磷酸循環(huán)途徑，極端條件下，可采取TCA 循環(huán)、乙酰-COA 循環(huán)及3-羥基乙炔化合物循環(huán)途徑固定CO2。微生物通過不同的固定途徑，可有效地降低大氣中CO2含量。如從海水環(huán)境中分離出的固定CO2的微藻，在最適條件下，在150 L 光反應器中培養(yǎng)，1 g 微藻每天可固定2 g CO2。此外，微生物在去除SO2、NO 等有毒氣體中也表現(xiàn)出極大的潛力。
3.極端微生物在環(huán)境保護中的應用
所謂極端微生物(extremophiles)是指在極端環(huán)境下能夠正常生存的微生物群體的統(tǒng)稱川。極端環(huán)境是指對生物生長產(chǎn)生限制因子的環(huán)境，通常指pH在4以下或9以上，溫度在45℃以上或20℃以下，鹽濃度在10％以上，諸如高溫、低溫、高酸、高堿、高鹽、高毒、高滲、高壓、干旱或高輻射強度等環(huán)境。在這樣的環(huán)境中一般生物無法生存。
利用生物方法治理極端環(huán)境中的污染物時，普通微生物甚至在實驗室構建的工程菌在實際應用中不能發(fā)揮作用，而極端微生物則是作用的主體。當高原或緯度高的寒冷地帶的河流、湖泊及土壤被污染時，嗜冷微生物可對污染物進行降解和轉(zhuǎn)化。應用低溫微生物對廣受污染的寒冷地域環(huán)境進行廢物處理越來越受到人們的重視，受污染寒冷土壤和水體的恢復可通過低溫微生物的原位清潔作用來實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的酸性工業(yè)廢水和堿性工業(yè)廢水可以分別考慮用嗜酸微生物和嗜堿微生物進行處理，可以大大簡化處理程序，降低處理成本。而在高溫高鹽的極端環(huán)境中，污染物的降解則需嗜熱、嗜鹽微生物。
4.展望
微生物在污染治理中具有廣泛的應用前景，為提高微生物降解能力，擴大其應用范圍，分離、重建高效、廣譜降解微生物具有重要意義。同時，在微生物對污染物的適應及其降解遺傳學機制，微生物凈化的高效性及安全性，研究成果從實驗室研究向工程應用的轉(zhuǎn)移，以及高效、準確評估技術的應用等方面，尚需加大投入和作進一步研究。我國的環(huán)境微生物技術研究尚處于起步階段，與國際先進水平還有很大差距，應根據(jù)我國的國情，充分利用我國的資源優(yōu)勢，借鑒國外先進技術和經(jīng)驗，重點加強環(huán)境生物技術的研究與開發(fā)，以期取得更好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。
極端微生物具有普通微生物不可比擬的抗逆能力，極端微生物產(chǎn)生的酶在極端環(huán)境中保持活性，對極端環(huán)境的污染生物治理起著主要作用；同時，極端微生物在清潔能源的生產(chǎn)和環(huán)保產(chǎn)品的開發(fā)方面具有巨大的應用潛力，將有助于污染預防，在源頭上解決環(huán)境污染問題。因此極端微生物在環(huán)境保護中發(fā)揮著重要的作用，對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有重要意義。隨著越來越多的極端微生物被分離鑒定、新產(chǎn)物的研究與生產(chǎn)、極端酶被分離純化和極端酶工程研究的進展，極端微生物及其產(chǎn)生的極端酶在環(huán)境保護中的應用將會進一步得到拓展。
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