生物修复对环境污染的作用

微生物对环境污染的生物修复作用

摘要：随着化肥、农药、洗涤剂等的普遍应用, 环境中的氮、磷含量增加引起水体富营养化已经成为现代废水处理一项新的研究课题，本文综述了植物-微生物-土壤动物交互作用在生物联合修复、微生物对水产养殖环境修复作用、环境生物技术在污水除磷脱氮过程中的应用及发展前景.

关键字：环境生物技术；氮磷去除；污水；生物修复

Microbial bioremediation on environmental pollution

Abstract: Because of universal application of chemical fertilizer , pesticide and detergents, the increasing content of nitrogen and phosphorus of wastewater which bring about rich nutrition in water has become a matter of interest to many people. The study on nitrogen and phosphorus removal of wastewater has become a new problem. Plant-micro-organisms-the interaction of soil animals in the United biological repair, micro-organisms on the environment for aquaculture repair. Application and prospects of environmental biotechnology in nitrogen and phosphorus removal of wastewater were introduced in this paper .

Key words: environmental biotechnology ; nitrogen and phosphorus removal ; wastewater；biological repair

微生物是生物修复的一支主力军，它不仅能消除水体的油污，其他许多类型的污水也不在话下，并发展出了很多相关处理技术。例如，现在很多污水处理厂的核心部分实际就是一个生物修复反应器—活性污泥或生物膜，它们都是由许多微生物生长在一起形成的，只是前者呈泥状，后者呈膜状。这些微生物分解污物的能力非常强，黑乎乎的工业和生活废水经过它们的作用能大大得到净化。近年来对于令人头疼的湖泊蓝藻和日益频繁的近海赤潮，一些科学家也正尝试用生物修复的方法加以治理，即借助于蓝藻和赤潮生物的致病病毒使其染病死亡，这真是不折不扣的生物战。生物修复还能清除土壤的污染。土壤和水一样都是非常宝贵的资源，但令人遗憾的是，今天它也成为人类对环境破坏的主要受害者之一。通过如污水灌溉、化肥和农药的大量施用等种种渠道，大量污染物进入土壤，土壤品质不断下降，一些污染物经过食物链进入人体危害人的健康。正因如此，一些地方的农民甚至从不吃自己种的菜，尽管这是他们用汗水换来的。对于被农药、石油、苯等有机物污染的土壤，可以像阿拉斯加原油泄漏事件中采取的方法一样，向土壤中加入合适的微生物营养物质，使居住在土壤中的那些能分解这些污染物的微生物生长速度加快，从而使这些污染物的分解速度大大加快。为了提高效果，也可以向土壤中引入合适的外来微生物，这些外来微生物可以是科学家从自然界分离到的分解这些污染物能力特别强的菌株，还可以是采用基因工程修饰改良的菌株。利用天然存在的或特别培养的微生物在可调控环境条件下将有毒污染物转化为无毒物质的处理技术，可以消除或减弱环境污染物的毒性，减少污染物对人类健康和生态系统的风险[1]。为此，生物修复属于生产后期的污染控制，简称产后控制，是可持续发展在环境保护上的重要体现。

1 生物修复的概念和原理

所谓生物修复(bioremediation) ，是指利用生物的生命代谢活动减小存在于环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程。它是利用生物对环境污染物的吸收、代谢、降解等功能，对环境中污染物起到降解催化作用，加速去除环境中的污染物。生物修复与生物净化( biopurification) 的不同点在于，前者强调人们有意识的利用生物进行环境无害化处理[2]。

生物修复方法是利用土著的、引入的微生物的代谢作用进行消除或富积有毒有害物质的生物学过程。应用环境生物修复技术处理污染物时，最终产物大都是无害的、稳定的物质，如二氧化碳、水、氮气等，而且这种处理方法能一步到位，避免了污染物的多次转移。它与传统的去除和清除环境中污染物的方法，如物理方法、化学方法也是不同的。比较而言，生物方法是最本质的和可以循环使用且永续受益的。生物修复技术有许多方面的优点：可以使污染物完全从环境中去除，处理时间短，对周围环境影响较小，并且资金需要量小，不会产生二次污染，尤其原位修复(in-siteremediation)可以使污染物在原地被清除，操作简单，使人类直接暴露在污染物下的机会减小[1]。

2 植物-微生物-土壤动物交互作用在生物联合修复研究中的应用

土壤是包括植物、微生物、动物在内的复杂体系[3]，在这一体系中，植物、微生物和土壤动物彼此之间往往是紧密联系、相互作用，参与着环境中的各种反应。因此，上述植物、细菌、真菌和土壤动物耐/抗铜的分子机理的阐述为生物联合修复提供了理论基础，使三者在联合修复中的应用成为可能。

2.1 植物与微生物联合修复

土壤微生物的分泌物对重金属具有活化作用。微生物通过对重金属元素的价态转化或通过刺激植物根系的生长发育而影响植物对重金属的吸收;另外，微生物也能产生有机酸，提供质子或与重金属络合的有机阴离子，交换或络合金属离子，使土壤溶液中金属浓度增加，有利于植物的吸收[4]。而在重金属高浓度条件下某些微生物仍能存活或生长，表现出对重金属的抗性，有些微生物还能通过生物转化作用或生理代谢活动(如胞外络合作用，胞外沉淀作用，胞内积累与转化等)，使金属由高毒状态变为低毒状态，使重金属离子对植物的毒性减弱。目前丛枝菌根真菌(AMF)与植物联合作用在重金属修复研究中的应用较多。自1957年Mosses[5]发现丛枝菌根真菌能促进苹果幼苗对微量元素的吸收以来，接种丛枝菌根以提高宿主植物对土壤微量元素的吸收和利用的相关研究已受到广泛关注，特别是丛枝菌根能改善植株磷素营养状况已为众多研究所证实。自1981年Bradley等[6]首次报道石楠属菌根能降低宿主植物对过量重金属锌和铜的吸收以来，菌根真菌对过量重金属耐受性的研究、重金属污染土壤中菌根-植物系统与重金属元素的相互作用、以及菌根植物对重金属污染的生物修复可行性等研究，已逐渐引起人们的关注。申鸿等[7]通过对菌根对重金属铜修复的研究发现，菌根玉米地上部和根系铜浓度分别降低24.3%和24.1%，吸铜量分别提高了28.2%和60.0%，表明菌根植物对铜污染土壤具有

一定的生物修复作用。但由于无法对AMF进行纯培养，菌根植物如何吸收、积累重金属元素的研究结果有较大分歧。目前关于菌根-植物系统和重金属的交互作用机理尚不清楚，植物与其它微生物的相互作用研究则相对更少。

2.2 土壤动物-微生物的联合作用

以某些土壤真菌为食物的弹尾目昆虫和甲瞒类土壤微动物通过选择性地取食真菌会影响真菌的群落结构[8,9]。普遍认为节肢动物可以选择性地取食某些外生菌根真菌，尽管外生菌根并不是弹尾目昆虫和甲瞒类动物最偏爱的食物[9]，但这些微小的节肢动物却能够在基部切断菌丝而致命地影响菌丝网。田间和实验室的试验表明，食真菌的微小节肢动物通过对菌根的取食能够影响植物生长，但这种与取食相关的影响仍在争论中。Bonkowski等[9]阐述了线虫和菌根真菌之间的相互作用，及其对植物生长和植物病害方面的影响。但关于土壤动物和微生物之间的相互作用，则也仅限于在生理水平上阐述通过菌根的作用来影响植物的生长，最终有可能影响到植物对重金属的修复，并没有把这些土壤中小型动物和微生物之间的交互作用与重金属的生物修复结合起来。因此，目前土壤动物和土壤微生物之间的交互作用在重金属生物修复研究中的应用还处于起步阶段。

2.3 植物-微生物-动物联合修复

土壤动物、微生物和植物三者之间的交互作用[8]，但也仅限于描述该系统中各个主体之间的相互关系及其对植物生长的影响，而并没有针对其在重金属修复研究中的应用进行专门的讨论。目前这三者联合应用在重金属修复研究中应用最好的应属蚯蚓-菌根在植物对镉污染土壤修复中的应用[10]。接种菌根不仅能促进黑麦草对Cd的吸收，而且还能促进Cd从植物根部向地上部分转移，由于接种蚯蚓可以提高菌根的浸染率，所以二者具有促进Cd向地上部转移的协同作用[11]，这对于重金属污染土壤的植物修复具有十分重要的意义。因此，在铜污染土壤的植物修复研究中也可以采用三者结合的方法来提高铜污染修复效率。越来越多的证据表明植物的生长与根际微生物2动物之间相互作用密不可分，因此，需要植物生理学、土壤学、微生物学和动物学的知识，才能充分利用三者在重金属污染土壤修复研究中的作用，才能够更深刻地理解调节矿化、养分循环和植物生长的根际过程。此外，生物修复强调的是多相、异源的环境，如在污染的土壤中，污染物的存在与土壤的粒径、土壤溶液中的溶解和土壤空气等都有关系。因此，成功的生物修复应是多学科交叉的结果，不仅需要上述学科，还需要生态学、工程学、地质学和化学等学科的共同参与来完成。

3 微生物修复在水产养殖环境修复中的研究现状

微生物修复技术在水产养殖中主要应用于养殖环境的原位修复中，主要处理底泥的有机污染和水体的富营养化问题。在底泥有机物处理方面，1994年日本利用枯草杆菌处理鱼池底泥取得显著效果，底泥中的有机污染得到有效处理[12]。李卓佳[13]用芽孢杆菌为主的复合微生物制剂分解养殖鱼池的有机污染实验，一个月池底3～5 cm的污染底质被分解。在菌类筛选方面，李秋芬[14]报道，从虾池底泥中分离出331株细菌，筛选到10株有机降解菌，72h内化学耗氧量（CODMn）去除率分别在60%和70%以上，同时李秋芬[15]对虾池修复作用菌生长影响因子作了研究。近几年来，固定化细菌处理工艺等高效

处理系统也在研究应用中。Lekang 等[16]2001年报道了一种生物膜处理法，生物膜能大量吸附小颗粒物质，能去除43.2%的总磷和7.3%的总氮。2002年，Paniagua[17]报道用玻璃纤维固定化细菌处理对虾养殖废水，在20d的处理周期中氨氮和亚硝氮的去除率分别达到97%和95%。

微生物修复优点明显，微生物修复已经逐渐从应用机理和基础研究转向实际应用方面，并且取得了明显的效果，但仍没能真正大规模、大范围地应用到水产养殖的环境修复工程中。微生物修复也有缺点：对磷的处理方面的研究较少，而且微生物处理相对于物理化学方法来说处理速度较慢，受处理环境变化的影响较大。因此建议加强以下几个对养殖环境的微生物修复方面的研究：（1）加强修复作用菌的研究，筛选出高效作用菌或利用现代生物技术构建高效基因工程菌[18]；（2）加强环境因子对修复菌修复能力影响的研究，提高微生物修复在实际应用中的效率；（3）加强微生物修复技术的应用性以及大范围推广的研究以及微生物技术在中国水产环境修复的应用。

3.1 微生物对浅海养殖环境的修复作用

对于海洋污染的生物修复，尤其是海水养殖区环境的生物修复，目前多尝试应用微生物技术。水中的异养微生物靠分解有机物作为碳源和能源而生活，有机物质可在微生物特别是细菌产生的各种酶的作用下，经过好氧或厌氧过程，发生一系列化学反应，被逐步降解，最后转化成无机元素(矿化)而被植物吸收利用[19]。国内对有益微生物在水产养殖中应用的研究，目前主要集中在对光合细菌的研究。乔振国报道了3株光合细菌在中国对虾和脊尾白虾育苗中的作用。光合细菌添加在对虾饲料中和养殖水体中，对促进对虾的生长和改善养殖水质都有重要作用。崔竞进等也有类似的报道，他们用几株光合细菌混合菌液作为中国对虾育苗水休的水质净化剂及虾苗辅助饵料，取得了明显效果。育苗池水透明度提高，幼体死亡率下降，仔虾产量提高[20]。虽然微生物对海水养殖区中的污染物尚有良好的降解效果，但对于受污染的海洋沉积物，微生物技术在原位生物修复中还存在很大的局限性，而且该技术能够使水体COD含量降低，但并未使营养元素总量减少，而只是将有机物变为无机物，从而可能加速海水的富营养化。

3.2 微生物在水产养殖环境生物修复中的作用机制

3.2.1 微生物对水产养殖生态系统生物修复的功能和途径

水产养殖生态系统是一个维持水质、病原、养殖生物之间平衡关系的极为复杂的系统。微生物生态学和微生态的研究表明，养殖水环境和水产养殖生物中存在大量的有益微生物，这些微生物直接影响水质和水产养殖产量和效益[21]。微生物无论是群体还是个体都具有两重性，既有致病作用，也有生理作用，致病作用和生理作用是相对的，只有在特殊状态下，才会表现致病作用。

3.2.2 微生物对水质净化的作用机理

水产养殖生态环境中的有益微生物( 硝化细菌、光合细菌、硫化细菌、芽孢杆菌等净水微生物) 在池塘连续养殖情况下，能清除因池塘长时间养殖水域底部，尤其是老池塘底积累的大量残余饲料、排泄物、动植物残体以及有害气体( 氨、硫化氢等)，使之先分解为小分子(多肽、高级脂肪酸等)，后为更小分子有机物( 氨基酸、低极脂肪酸、单糖、环烃等)，最终分解为CO2、碳酸盐、硫酸盐等物质，有效地降低了水中COD和BOD，使水体中的氨氮( NH4-N)与亚硝酸氮( NO2- N)降低，起到了净化水质的作用。并且能为

单细胞藻类为主的浮游植物提供营养物质，促进藻类等浮游植物的繁殖；这些藻类为主的浮游植物的光合作用，又为池塘内底栖动物、水产养殖动物的呼吸和有机物的分解提供氧气，从而形成一个良性的生态循环，有利于水产养殖动物的迅速生长。同时由于有益微生物的大量繁殖，在池内形成优势种，可抑制病原微生物的繁殖，减少养殖动物的疾病发生。

3.2.3 微生物对养殖环境的生物修复功能

(1)去碳、去氮、解磷的功能

芽孢杆菌、碱杆菌属、假单孢菌、黄杆菌等复合菌具有去除水中碳、氮、磷系化合物的能力，并能转化硫、铁、汞、砷等有害物质。光合细菌能降解98%的含碳污水( BOD 含量较高)，去除总氮的66.7%[22]。

(2)絮凝作用

如芽孢杆菌、不动杆菌、专性厌氧的脱硫孤菌、假单孢菌、产碱杆菌、黄杆菌、无色杆菌、微球菌、动胶菌等复合菌具有生物絮状作用，它们能互相粘连在一起，构成菌胶团，担负氧化分解的任务，将有机物结合成絮状，使重金属离子、磷元素沉淀，从而使水体得到净化。

(3)硝化作用

硝化作用是微生物将水体中产生的NH3氧化成硝酸盐，为藻类生长提供养料。主要分两个过程：第一阶段是在亚硝化菌( 如亚硝化杆菌、亚硝化螺菌、亚硝化球菌等)作用下，氨被氧化为亚硝酸盐;第二阶段是在硝化菌(如硝化杆菌、硝化球菌、硝化刺菌等)作用下，亚硝酸盐被氧化为硝酸盐。

(4)反硝化作用

芽孢杆菌、短杆菌、假单杆菌等复合菌均为好氧和兼性厌氧菌，它们以分子氧为载体，在供氧不充分的时间与空间，可以利用硝酸盐为最终载体产生NO2-、N和N2，而起反硝化作用，将硝酸盐移出系统外，提高pH值。

(6)去除淤泥

活性碳除淤泥法是利用活性碳淤泥的微生物在好氧条件下，利用有机物开始生长，有机物部分被微生物降解，水体中的COD和BOD得到降低。例如，日本用氟石和火成岩砂吸附一种乳杆菌，用以分解虾池底部有机淤泥，结果使有机淤泥发生量减少了1/2~1/3，H2S 减少了1/3，虾的成活率提高了10%~20%[23]。

(7)固氮作用

固氮作用主要是一些固氮藻类及细菌( 如固氮单胞菌属、肠杆菌、芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、光合细菌、鱼腥蓝细菌、苜蓿根瘤菌等) 将N2变为有机氮，为水产养殖提供饵料和肥料[24]。

总之，水产养殖环境微生物修复技术，在清洁养殖环境、提高水产养殖动物的免疫力、避免水体富营养化和防止药物滥用、减少病害发生、维持水产养殖业的可持续发展上均具有重要意义。

4 微生物在废水脱氮除磷中的应用

4.1 生物法除氮

废水生物脱氮处理技术的原理是在采用异养型微生物将废水中的含氮有机化合物转化为氨氮的基础上，通过自养型硝化细菌再将氨氮转化为硝态氮；再经反硝化将硝态氮还原为气态氮从水中逸出，从而脱除废水中的氮化物[25].生物硝化过程由自养型好氧微生物完成，它包括两个步骤：第一步由亚硝酸菌将氨氮转化为亚硝酸盐，称为亚硝化反应；第二步由硝酸菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐，称为硝化反应。生物反硝化过程由异养型微生物完成，主要作用原理是利用微生物将硝酸盐或亚硝酸盐还原成气态的氮，反应一般在缺氧(即无分子态氧) 的条件下进行一般为了使反硝化反应正常运行，常投加甲醇作为外加碳源。图1 为以甲醇作碳源的三级生物脱氮工艺流程[25].

该工艺特点是在一般缺氧-好氧基础上，增设一厌氧段，从而较好地对废水水解酸化。张志斌等采用两组曝气生物滤池处理含工业废水的城市生活污水，结果表明，在水温26.7℃～29.5℃，气水比为6∶1，滤速为2.2m/h 的条件下，生活污水的脱氮率达到97.8%[26]。

4.2 生物法除磷

废水中磷的存在形态取决于废水类型，最常见的是磷酸盐(H2PO4-、HPO42-、PO43- )、聚磷酸盐和有机磷。生物除磷的基本原理是[25]：首先废水进入厌氧区，在厌氧区内污水中易发生生物降解的COD被产酸菌和某些聚磷菌酸化分解为乙酸等低分子脂肪酸(VFA)，这些VFA不仅适合被聚磷菌利用，而且能诱导激发细胞将体内积累的高能聚合磷分解，释放出磷酸根和键能，通过三磷酸腺苷(ATP )～二磷酸腺苷(ADP)的转换，聚磷菌将VFA摄入体内，并以聚B-羟基丁酸盐(PHB)的形式贮存，形成了厌氧过程磷的释放。使聚磷菌处于饥饿状态。进入好氧区后，处于饥饿状态的聚磷菌消耗内部的PHB类和外源基质，并在合成新细胞和进行新陈代谢过程中过量摄取水体的磷酸盐，在细胞内完成聚磷过程，如此可使废水中的磷化物得到有效去除。研究表明，废水中的VFA含量越高，合成的PHB越多，厌氧磷释放越彻底，则好氧区聚磷菌合成量越大，聚积到污泥中的含磷量越高，水中的磷去除率越高。

图2为废水生物除磷的A/O工艺流程[25]。

王传瑜等采用活性污泥法处理低浓度含磷废水研究，在厌氧-好氧交替条件下，活性污泥对磷浓度不同的生活废水除磷试验表明，磷质量浓度在6mg/L左右的废水处理效果最好，去除率高达97%；而磷质量浓度在16.66 mg/L和2mg/L左右废水除磷效率也分别达到为78.4% 和75.3%，远高于传统废水处理工艺[27]。

5 生物修复的应用前景

生物修复是目前环境工程领域应用广泛、较为重要的一项技术，从经济和环境的发展角度来看具有很大的诱惑力。从生物修复优于物理修复、化学修复的众多特点来看，虽然它具有广阔的应用前景，但只有与物理修复、化学修复方法组成统一的修复技术体系，生物修复才能真正为解决人类所面临的最困难的环境问题—有机污染和重金属污染—提供一种可能。最经济有效的结合是首先用生物修复技术将污染物处理到较低的水平，然后采用费用较高的物理或化学方法处理残余的污染物。随着生物技术的飞速发展，生物修复的可行性与有效性逐渐增强，将被更多的人接受和采纳。由于进行生物修复技术需要对地点状况和存在的污染物进行详细而昂贵的考察，微生物活性易受环境条件影响，在有些状况下生物修复技术不能将污染物全部去除，所以，今后应主要发展解决安全使用基因工程菌和从根本上清除污染的生物修复技术。植物修复的理论在研究环境污染削减控制领域十分活跃，同时植物修复技术也带动了一种新兴的环保产业技术的发展[28]。要深入了解植物修复的原理，从而进一步更好地利用植物，必然要求我们对植物生物学、分子生物学有更进一步的理解。目前，已有一些前沿研究着眼于利用植物、菌类或动物的基因改良植物以利用植物对特定物的修复[2,29]。植物修复作为直接利用绿色植物系统通过转移、降解或保持的方式修复污染的土壤、沉积物、水和空气的一种新兴技术[29]，不仅具有美学价值、价格低廉、仅需太阳能驱动、能去除大部分环境污染物，且对于浅层轻度污染的区域非常有效[28]。因此，植物修复的市场前景相当乐观。专家估计，2005年植物修复在美国市场将增长到2.35～4亿美元[29]。生物修复技术是一种环境友好替代技术，在国内外受到日益广泛的重视。从科学的角度客观地看，生物技术本身是一项复杂的系统工程，要使生物修复技术成功并广泛地应用，应尽可能解决其中涉及的技术难题，以尽早实现生物修复研究的技术转换。

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