上海交通大学：《生物技术与人类》通识课程教学资源（小论文）微生物修复在环境修复中的应用.doc_大学文库

d simple operation.This article describes in detail the important role and applic- ation of microorganisms in environmental remediation,and discusses the advanta- ges and disadvantages of microbial remediation. Keywords:Microorganisms;Microbial Remediation;Environmental Pollution 随着经济的快速发展和人类社会的进步，生态破坏和环境污染的问题也随之而来，环境污染主要包括水、空气和土壤污染。针对这些环境问题，传统的物理化学处理方法具有处理不彻底、容易造成二次污染和成本高的缺点。为了研究出更好的处理技术，环境生物技术应运而生。环境生物技术主要是利用生物体、生物的代谢反应过程和生物合成产物对环境进行监测、治理和修复。生物技术处理环境问题与传统方法相比具有巨大优势，并将逐渐发展成为环境修复的主流。其中微生物修复是指的通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物，或使污染物无害化的过程，包括自然的和人为控制条件下的污染物降解或无害化过程。微生物修复具有效果好、不产生二次污染、操作简便且成本低廉的优点。微生物技术现逐渐成为环境生物修复技术的核心，是目前世界上广泛应用的生物技术手段。 1用于生物修复的微生物涉及环境修复的微生物种类繁多，主要有细菌、真菌和原生动物等几大类，微生物的生长、繁殖和代谢以及他们之间的相互作用是自然界物质循环的重要组成部分，也是修复环境的重要途径。 1.1土著微生物土著微生物是指在环境被污染之前就存在于此的微生物，由于微生物巨大的变异能力和很强的适应性，人们可以逐渐找到可以分解污染环境的各种人工合成的有机物的微生物。据调查，美国对124个污染地点使用的生物修复技术中有96 处（占77%）使用的都是土著微生物。 1.2外来微生物在受污染的环境中，当土著微生物生长过慢，或者是由于污染物毒性过高造成土著微生物数量下降的时候，可人为接种一些适宜该污染物降解的与土著微生物有良好相容性的高效菌。 1.3基因工程菌将目的基因导入细菌体内使其表达，产生所需要的蛋白的细菌称为基因工程

d simple operation. This article describes in detail the important role and applic- ation of microorganisms in environmental remediation, and discusses the advanta- ges and disadvantages of microbial remediation. Keywords: Microorganisms; Microbial Remediation; Environmental Pollution 随着经济的快速发展和人类社会的进步，生态破坏和环境污染的问题也随之而来，环境污染主要包括水、空气和土壤污染。针对这些环境问题，传统的物理化学处理方法具有处理不彻底、容易造成二次污染和成本高的缺点。为了研究出更好的处理技术，环境生物技术应运而生。环境生物技术主要是利用生物体、生物的代谢反应过程和生物合成产物对环境进行监测、治理和修复。生物技术处理环境问题与传统方法相比具有巨大优势，并将逐渐发展成为环境修复的主流。其中微生物修复是指的通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物，或使污染物无害化的过程，包括自然的和人为控制条件下的污染物降解或无害化过程。微生物修复具有效果好、不产生二次污染、操作简便且成本低廉的优点。微生物技术现逐渐成为环境生物修复技术的核心，是目前世界上广泛应用的生物技术手段。 1 用于生物修复的微生物涉及环境修复的微生物种类繁多，主要有细菌、真菌和原生动物等几大类，微生物的生长、繁殖和代谢以及他们之间的相互作用是自然界物质循环的重要组成部分，也是修复环境的重要途径。 1.1 土著微生物土著微生物是指在环境被污染之前就存在于此的微生物，由于微生物巨大的变异能力和很强的适应性，人们可以逐渐找到可以分解污染环境的各种人工合成的有机物的微生物。据调查，美国对 124 个污染地点使用的生物修复技术中有 96 处（占 77%）使用的都是土著微生物。 1.2 外来微生物在受污染的环境中，当土著微生物生长过慢，或者是由于污染物毒性过高造成土著微生物数量下降的时候，可人为接种一些适宜该污染物降解的与土著微生物有良好相容性的高效菌。 1.3 基因工程菌将目的基因导入细菌体内使其表达，产生所需要的蛋白的细菌称为基因工程

菌。Chapracarty等为消除海洋污染，将假单胞菌属的不同菌株(CAM、PCT、SAL、 NH)中四种降解性质粒结合转移至一个菌中，构建出一株可以同时降解芳香烃、多环芳烃、萜烃和脂肪烃的“超级细菌”。该细菌可在几小时之内消除浮油，但利用天然菌则需要一年以上的时间。 1.4其他微生物比如藻类和微型动物等，藻类的放氧使缺氧的水体变成好氧状态，从而为微生物降解污染物提供了电子受体，使降解过程可以顺利进行。微型动物则通过吞噬过多的藻类和一些病原微生物对水体净化起到间接作用。 2影响微生物修复的关键因素 2.1微生物营养盐 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%。 2.2生物因子微生物之间的协同作用在环境污染的治理中尤为重要，一株假单胞菌分泌的生长因子对能利用溴化十二烷基三甲基铵的黄单胞菌属的生长和降解很必要，微生物之间还可以互相分解不完全降解物或共代谢产物。微生物与植物之间也可发生相互作用，Radwan等研究表明，细菌可稳固地吸附在大型海藻表面，使其表面单位体积细菌的数量大大增加，海藻光合作用产生的02加速了细菌对有机物的降解。 2.3电子受体污染物分解的最终电子受体包括02、有机物分解的中间产物、无机酸根（如硝酸根和硫酸根)和铁离子等。土壤、地下水环境中往往是缺氧的，故供02可提高污染物的降解速度。为了增加土壤中的溶解氧，可以对土壤鼓气或添加产氧剂。当环境中的0，耗尽后，硝酸根、硫酸根和铁离子等也可以作为有机物降解的电子受体。向被石油污染的含水土层投加硝酸盐和硫酸盐可以促进原位降解石油类烃，投加硫酸盐也可促进苯的降解®，根据这些结果形成了向地下含水层投加硫酸盐进

菌。Chapracarty 等为消除海洋污染，将假单胞菌属的不同菌株（CAM、PCT、SAL、 NAH）中四种降解性质粒结合转移至一个菌中，构建出一株可以同时降解芳香烃、多环芳烃、萜烃和脂肪烃的“超级细菌”。该细菌可在几小时之内消除浮油，但利用天然菌则需要一年以上的时间。 1.4 其他微生物比如藻类和微型动物等，藻类的放氧使缺氧的水体变成好氧状态，从而为微生物降解污染物提供了电子受体，使降解过程可以顺利进行。微型动物则通过吞噬过多的藻类和一些病原微生物对水体净化起到间接作用。 2 影响微生物修复的关键因素 2.1 微生物营养盐 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%。 2.2 生物因子微生物之间的协同作用在环境污染的治理中尤为重要，一株假单胞菌分泌的生长因子对能利用溴化十二烷基三甲基铵的黄单胞菌属的生长和降解很必要，微生物之间还可以互相分解不完全降解物或共代谢产物。微生物与植物之间也可发生相互作用，Radwan 等 [2]研究表明，细菌可稳固地吸附在大型海藻表面，使其表面单位体积细菌的数量大大增加，海藻光合作用产生的 O2 加速了细菌对有机物的降解。 2.3 电子受体污染物分解的最终电子受体包括 O2、有机物分解的中间产物、无机酸根(如硝酸根和硫酸根)和铁离子等。土壤、地下水环境中往往是缺氧的，故供 O2可提高污染物的降解速度。为了增加土壤中的溶解氧，可以对土壤鼓气或添加产氧剂。当环境中的 O2耗尽后，硝酸根、硫酸根和铁离子等也可以作为有机物降解的电子受体。向被石油污染的含水土层投加硝酸盐和硫酸盐可以促进原位降解石油类烃，投加硫酸盐也可促进苯的降解 [3]，根据这些结果形成了向地下含水层投加硫酸盐进

行生物修复的方法，在苯含量高达100mmol/L的地下水中投加硫酸盐84d后苯被充分降解。另外，沉积物可在F3+存在的还原性条件下矿化苯和芳香烃。近年研究发现有些微生物代谢过程中可产生氧分子，在厌氧条件下促进苯的降解。厌氧生物可以将氯酸盐或高氯酸盐甚至亚氯酸盐还原为氯化物同时产生氧分子。研究表明只要向土壤中投加67μg/L的亚氯酸盐就可以促进苯的降解，该方法可在污染环境的生物修复中广泛应用。 2.4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。一种南极洲假丝酵母在植物油或十一烷上培养时可产生胞外表面活性物质来加速对碳氢化合物的降解。 3微生物修复环境的现状 3.1石油污染的微生物修复石油生产和运输造成的污染随处可见，如油轮泄漏、石油加工、输油管道破裂等造成水体和土壤的污染。降解石油的微生物广泛分布于海洋、淡水、陆地、寒带、温带、热带等不同环境中，能够分解石油烃类的微生物包括细菌、放线菌、霉菌、酵母以及藻类等共100余属、200多种，而环境条件对微生物存在数量有限制作用同。1972年生物修复技术首次被用来清除美国宾夕尼亚洲管线泄漏的汽油。 1989年微生物修复技术被首次大规模在大面积被原油污染的美国阿拉斯加海域上使用。2010年4月，墨西哥湾超过2亿加仑的原油泄漏，一种嗜油菌在4个月内消除了漏油的75%。2010年7月，23t石油降解微生物被投放至大连湾输油管道爆炸现场进行初期清理，这是有史以来最大规模地投施微生物降解石油污染并取得了良好效果的尝试[1。 3.2重金属污染土壤的微生物修复重金属由于其特殊的化学性质，对环境造成了很大的负面影响。微生物由于其多样性和高度可变性，因此可以广泛应用于重金属土壤的修复。真菌细胞内普遍存在一种对金属离子具有亲和能力的金属硫蛋白，它们结合进入细胞内的重金属离子，使其以不具有生物活性的无毒的螯合物形式存在。彭书传等⑧报道了硫酸

行生物修复的方法，在苯含量高达 100mmol/L 的地下水中投加硫酸盐 84d 后苯被充分降解。另外，沉积物可在 Fe3+存在的还原性条件下矿化苯和芳香烃。近年研究发现有些微生物代谢过程中可产生氧分子，在厌氧条件下促进苯的降解。厌氧生物可以将氯酸盐或高氯酸盐甚至亚氯酸盐还原为氯化物同时产生氧分子。研究表明只要向土壤中投加 67μg/L 的亚氯酸盐就可以促进苯的降解，该方法可在污染环境的生物修复中广泛应用。 2.4 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。一种南极洲假丝酵母在植物油或十一烷上培养时可产生胞外表面活性物质来加速对碳氢化合物的降解。 3 微生物修复环境的现状 3.1 石油污染的微生物修复石油生产和运输造成的污染随处可见，如油轮泄漏、石油加工、输油管道破裂等造成水体和土壤的污染。降解石油的微生物广泛分布于海洋、淡水、陆地、寒带、温带、热带等不同环境中，能够分解石油烃类的微生物包括细菌、放线菌、霉菌、酵母以及藻类等共 100 余属、200 多种，而环境条件对微生物存在数量有限制作用 [5]。1972 年生物修复技术首次被用来清除美国宾夕尼亚洲管线泄漏的汽油。 1989 年微生物修复技术被首次大规模在大面积被原油污染的美国阿拉斯加海域上使用。2010 年 4 月，墨西哥湾超过 2 亿加仑的原油泄漏，一种嗜油菌在 4 个月内消除了漏油的 75％。2010 年 7 月，23t 石油降解微生物被投放至大连湾输油管道爆炸现场进行初期清理，这是有史以来最大规模地投施微生物降解石油污染并取得了良好效果的尝试 [6]。 3.2 重金属污染土壤的微生物修复重金属由于其特殊的化学性质，对环境造成了很大的负面影响。微生物由于其多样性和高度可变性，因此可以广泛应用于重金属土壤的修复 [7]。真菌细胞内普遍存在一种对金属离子具有亲和能力的金属硫蛋白，它们结合进入细胞内的重金属离子，使其以不具有生物活性的无毒的螯合物形式存在。彭书传等 [8]报道了硫酸

盐还原菌去除Cd2过程中，EPS对Cd2的去除有积极作用，其贡献的最大去除率达到10%。铜绿色假单胞菌、变形杆菌可使Hg离子转化成元素Hg,经10后挥发掉 Hg达75%。Van Roy等研究表明，硫酸盐还原细菌可以将硫酸盐还原成硫化物，进而使土壤环境中重金属产生沉淀而钝化。 3.3富营养化水体的微生物修复富营养化水体的脱N主要依靠微生物来完成。脱N过程中NH-N氧化为亚硝态氮是整个过程的限速步骤，很少发现亚硝酸盐在环境中积累。氨氧化主要是通过氨氧化菌来完成，该菌是好氧性化能自氧微生物，其中也有少数能够忍受缺氧的环境，另外一些异养真菌和细菌也可以氧化氨，例如甲烷氧化菌可能通过甲烷单加氧酶将氨氧化。李正魁等o用丙烯酸羟乙酯(2-hydroxyethylacrylate)聚合而成的多孔性载体固定硝化细菌和反硝化细菌，采用SBR工艺净化富营养化水体中N素，每批次停留时间为8d。每批次出水的TN和NH-N浓度比进水下降7O%和 84%左右，C0D去除率达到68%。1992年美国Moulin Vert水渠使用C1ear-F1ol2003 个月，NH-N从0.02mg/L降为0，C0D降低84%，B0D降低了74%，无毒性检出。由于菌剂不断矿化污泥，恢复了水渠的自净容量，连续几年接种处理后便完成了水渠的修复工程。李捍东等利用微生物菌液喷洒技术治理南宁市的一污染水塘，经过5个多月的运行，TN去除率高达70%以上，处理后池塘各项指标达到景观娱乐用水C类水质标准，并除去了以前水面疯长形成的绿油漆状的水花。水生植物也是去除水体中N的重要工具和载体。一方面，水生植物可直接吸收利用水中的N 和P等营养元素：另一方面，水生植物表面附着的微生物在除N过程中起着重要作用。 4结论微生物修复是一种低能耗、环境友好、操作方便的环境修复技术，与物理化学方法相比即经济，又能彻底清除污染物。并且自然界中的微生物种类繁多，可变性高，我们可以合理地筛选出符合各种特殊需求的微生物。就目前的研究而言，微生物修复最大的不足在于见效慢，这也是目前微生物修复无法取代化学修复的重要因素。另外，微生物修复也具有受理化及环境因子的影响较大，生物代谢过程中会产生一些有毒的代谢废物，降解特定污染物的微生物难以筛选等缺点。实验室条件下效果较好的微生物修复技术在实际应用中可能行不通。因此微生物修

盐还原菌去除 Cd2 +过程中，EPS 对 Cd2 +的去除有积极作用，其贡献的最大去除率达到 10%。铜绿色假单胞菌、变形杆菌可使 Hg 离子转化成元素 Hg，经 10h 后挥发掉 Hg 达 75%。VanＲoy 等 [9]研究表明，硫酸盐还原细菌可以将硫酸盐还原成硫化物，进而使土壤环境中重金属产生沉淀而钝化。 3.3 富营养化水体的微生物修复富营养化水体的脱 N 主要依靠微生物来完成。脱 N 过程中 NH4 +-N 氧化为亚硝态氮是整个过程的限速步骤，很少发现亚硝酸盐在环境中积累。氨氧化主要是通过氨氧化菌来完成，该菌是好氧性化能自氧微生物，其中也有少数能够忍受缺氧的环境，另外一些异养真菌和细菌也可以氧化氨，例如甲烷氧化菌可能通过甲烷单加氧酶将氨氧化。李正魁等 [10]用丙烯酸羟乙酯(2-hydroxyethylacrylate)聚合而成的多孔性载体固定硝化细菌和反硝化细菌，采用 SBR 工艺净化富营养化水体中 N 素，每批次停留时间为 8d。每批次出水的 TN 和 NH4 +-N 浓度比进水下降 70%和 84%左右，COD 去除率达到 68%。1992 年美国 Moulin Vert 水渠使用 Clear-Flo12003 个月，NH4 +-N 从 0.02mg/L 降为 0，COD 降低 84%，BOD5降低了 74%，无毒性检出。由于菌剂不断矿化污泥，恢复了水渠的自净容量，连续几年接种处理后便完成了水渠的修复工程。李捍东等 [11]利用微生物菌液喷洒技术治理南宁市的一污染水塘，经过 5 个多月的运行，TN 去除率高达 70%以上，处理后池塘各项指标达到景观娱乐用水 C 类水质标准，并除去了以前水面疯长形成的绿油漆状的水花。水生植物也是去除水体中 N 的重要工具和载体。一方面，水生植物可直接吸收利用水中的 N 和 P 等营养元素；另一方面，水生植物表面附着的微生物在除 N 过程中起着重要作用。 4 结论微生物修复是一种低能耗、环境友好、操作方便的环境修复技术，与物理化学方法相比即经济，又能彻底清除污染物。并且自然界中的微生物种类繁多，可变性高，我们可以合理地筛选出符合各种特殊需求的微生物。就目前的研究而言，微生物修复最大的不足在于见效慢，这也是目前微生物修复无法取代化学修复的重要因素。另外，微生物修复也具有受理化及环境因子的影响较大，生物代谢过程中会产生一些有毒的代谢废物，降解特定污染物的微生物难以筛选等缺点。实验室条件下效果较好的微生物修复技术在实际应用中可能行不通。因此微生物修