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'安徽农业科学,JournaIofAnhuiAgri.Sci.2006,34(7):1422-1424责任编辑金琼琼责任校对金琼琼微生物在污染治理中的应用刘灵芝,陈志刚(沈阳农业大学土地与环境学院,辽宁沈阳110161)摘要环境污染已成为当今世界所面临的一个重要问题。应用生物降解能力使有害废物无害化或低毒害化,是当今环境治理的主要研究方向。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。关键词环境污染;生物技术;微生物;生物降解中图分类号O939.9文献标识码A文章编号0517-661(12006)07-1422-03ApplicationofMicrobiologyTechnologyinPollutionTreatmentLIULing-zhietal(ShenyangAgricuIturaIUniversity,Shenyang,Liaoning110161)AbstractTheenvironmentaIpoIIutionhasbecomeanimportantprobIemthattheworIdhastobefaced.ThroughtheappIicationofthebiodegradationtechnoIogy,thepoisonoussubstancecanbeturnedintothenonpoisonousorIittIepoisonous.ThebiotechnoIogybecomesthemainwaytosoIveenvironmen-taIprobIem.Microbes,asthemainspeciesofdegradationinthebiosphere,makegreatprogressincontroIIingofwaterpoIIution,soIidwaste,heavymetaIpoIIution,wastecompound,petroIeumcontamination,dischargegasandsoon.KeywordsEnvironmentaIpoIIution;BioIogytechnoIogy;Microbes;Biodegradation伴随着人口增加、经济发展和大规模工业化进程,进入生物降解能力和极端环境微生物的筛选、鉴定;"污染物生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物降解基因的分离、鉴定和特殊工程菌的构建;#生物恢复解,致使环境问题成为当今世界所面临的一个重要问题。同的实际应用和工程化。时,长期以来形成的重经济发展、轻环境治理的状况,使我国2.1污水治理环境中的污染物,在自然界中经过迁移、转的环境污染问题尤为突出。加入世贸组织后,环境保护已不化,绝大多数将归入水体,引起水体不断受到污染的胁迫。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,使水体富营的持续发展。因此,绿色区的环境保护和污染区的环境治理养化现象日趋严重。通常情况下,只要这种污染不超过阀迫在眉睫[1,2]。值,污染的水体在物理、化学和生物的综合作用下,是可以得1生物技术在环境治理中的优势到净化的,这种净化主要源于水体中的微生物能直接或间接环境生物技术是利用生物的生理活动,建立高效净化污地把污染物作为营养源,在满足微生物生长需要的同时,又染环境以及将污染物转化为资源的人工技术系统[3]。其中,使污染物得以降解,达到净化水质的目的[9]。生物降解是指通过天然生物学活性使化合物分解的过程。目前,世界各国在应用微生物治理污水方面积累了较丰在该过程中,利用生物制剂使有害废物无害化或低毒害化,富的经验,具备了一定的研究基础,应用于污水治理的生物从而达到生物修复的目的[4,5]。应用于污染物治理的生物降技术包括生物发酵技术[10]、生物强化技术[11]、生物反应器技[12-14]解技术具有成本低、消耗低、效率高、作用条件温和及不产生术以及活性污泥等治理技术。生物技术治理污水的竞二次污染等显著优点[6]。争优势是成本低,可以对不同浓度的污染物进行治理,并且生物降解主要依赖于微生物的降解作用,特别是细菌和可以产生可利用的沼气。其缺点是产生污泥,缺乏运行的稳真菌作为最原始的循环者,在自然界的物质循环中,具有不定性和可预测性。可代替的作用。自然界中的微生物具有数量大、种类多、分微生物治理污水过程中,分离净化污水的高效菌株已成布广、适应性强、代谢强、繁殖快等特点,在水体自净和污染为主要研究内容。如现已分离到的可治理高浓度生活废水、[15,16]物的降解转化中起着决定性的作用。近半个世纪以来,随着净化池塘、解决水体富营养化等问题的光合细菌;对矿分子生物学的突破性进展和对微生物代谢机制的深入研究,井排水经济有效的Pesulforibriodesnlfuricans菌株等。对于从自然环境中分离筛选的菌种,具降解污染物的能利用微生物生理生化知识和遗传工程手段,对微生物的代谢力往往有限,原因在于许多污染物的降解是多种微生物共代途径和遗传机制进行优化和改造,在提高其生物降解能力,谢的结果。微生物在可用作碳源和能源的基质上生长时,常拓宽降解范围及加强环境适应性等方面不断取得进展。不常会伴随着一种非生长基质的不完全转化,即共代谢作用。仅在实验室研究中,而且在实际应用中越来越显示出微生物[7]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在解决环境问题中的巨大潜力。结构,而微生物降解生长基质的初始酶专一性不高,在将生2微生物在污染治理中的应用长基质降解的同时,将非生长基质进行了转化。而攻击降解应用微生物的高效降解、转化能力治理环境污染,在污产物的第2种酶,则具有较高专一性,不会把非生长基质的水治理、固体废弃物处理、重金属降解、化合物分解、石油修[8]产物当作生长基质的产物继续转化。因此,在纯培养情况复等方面均取得了良好的效果。其治理过程分为:!高效下,局部转化的产物会聚集起来。而在混合培养条件下,这基金项目沈阳农业大学青年基金资助(200409)。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作者简介刘灵芝(1974-),女,辽宁沈阳人,硕士,讲师,从事微生物教铺平道路,共代谢产物可以继续降解。在污水的治理中,由学与科研工作。收稿日期2006-01-10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
34卷7期刘灵芝等微生物在污染治理中的应用1423降解效率,常需将多种微生物混合培养,而混合培养中微生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物的种类与比例又成为高效降解的制约因素。因此,必须针用,并取得了良好的应用效果。如徐海岩等利用构建的氧化对微生物进行遗传学改造,通过分子生物学手段,定向选育亚铁硫杆菌抗砷工程处理含砷金粗矿,试验菌株抗砷能力高[23]出降解能力高的工程菌株,大幅度提高微生物的降解能力,于不含抗砷质粒的对照菌,脱砷率超过75%,脱砷速率加[17,18]以满足不同污染物处理要求。快。在矿粉提金过程中消除了砷污染,经济效益和社会效益!.!固体废弃物治理固体废弃物污染严重影响我国的环可观。境质量。我国固体废弃物年产量约为6.2亿I。历年堆积量!.#毒害性化合物污染治理毒害性化合物多为人工合成2超过60亿I,占地2万多hm。由于污染造成的经济损失每的杀虫剂、除草剂、防腐剂以及石油化学排放的污染物。目年在1000亿元以上。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目前我国处理城市垃圾的方法主要是填埋、堆放和焚大比例。它们共同特点是对人有致畸、致突变和致癌作[24,25]烧。前2种方法不仅占用土地资源,而且有害物质会通过渗用。漏、扩散等途径造成二次污染,同时,固体废弃物焚烧产生的去除此类物质的微生物降解技术是一门新兴的修复技二口恶英等有害物质会严重危害人类的健康与生产。利用微术。由于微生物的生长离不开碳源和能源,因而大多数污染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物在有氧条件下,通过微生物分解作用,可作为微生物的营[19]化,是经济而有效的处理固体废弃物方法。养物质,构成微生物食物网的一部分,重新进入生物地球化微生物技术治理固体废弃物的优势是:可以有选择地浓学循环,达到净化目的。此外,自然界中许多厌氧微生物也缩或去除污染物;节省运营和投资成本;废物总体积显著降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,低;可以将废弃物转化为再利用资源。其缺点在于反应速度经过合理的诱导驯化,微生物可将毒害性化合物彻底矿化,慢,某些固体废弃物难以降解。尽管如此,人们相信生物降并产生有益的资源,如CH4、H2等。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。大量研究表明,微生物降解有机污染物的基因通常与质据统计,全世界年产合成高分子材料达1亿多I,其中粒有关,许多有毒化合物,尤其是复杂芳烃类化合物的生物[26]80%为塑料“,白色污染”日趋严重。因此,开发具有可被生降解,往往有降解性质粒的参与。如现已鉴定出10余个物降解的材料已十分紧迫。微生物合成的聚!羟基丁酸脂编码降解氯代芳族化合物功能的质粒。该质粒可编码生物(PHB)具有可塑、可降解特性,用其生产生物降解塑料已得到降解过程中的一些关键性酶类,在一般情况下,质粒的有无人们的广泛重视。1992年,英国帝国化学工业公司(ICI)率先对宿主并无影响,但在有毒物质存在的情况下,由于质粒能生产了150I生物可降解塑料,随后我国无锡轻工业大学生给宿主带来具有选择优势的基因,因而具有极其重要的意[20]物工程学院也对此展开了研究,并取得了一定进展。义。对降解质粒编码基因的深入研究将有助于改建微生物!."重金属污染治理重金属污染主要源于采矿活动、石降解途径,构建具有广泛底物的降解能力的工程菌,制造出油业和电镀厂等工业的超量排放以及电池等含重金属固体环境友好的除污菌剂。此外,将各供体细胞的不同降解性质的废弃物。已经发现,许多微生物能在较高浓度的金属离子粒转移到同一个受体细胞中,可构建多质粒菌株,大大提高[20]环境中生存并解除重金属对自身的毒害作用。菌株的降解效率。如美国采用连续融合法,将解芳烃、解萜确切地讲,微生物并不具备降解重金属的能力,而是在烃和解多环芳烃的质粒,分别移植到一解脂烃的细菌细胞治理过程中将重金属浓缩成为更易于处置的形式。因此细内,构成的新菌株只需几个小时就能降解原油中60%的烃,[27,28]菌固定金属又称生物浓缩、生物积累、生物吸附或生物吸收。而天然菌株则需1年以上。如现已筛选出的可以在稀薄溶液中累积占自身干重25%以!.$石油污染治理石油污染分陆地石油污染和水域石油[21]上铅、镉的海藻(如Ascophyllum和Sargassum),表现出了污染。其中陆地石油污染通常会导致地下水蓄水层的污染,对重金属极强的抗性。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微生物在拮抗高浓度金属离子的毒害过程中,原核微生时间才能复原。应用微生物技术治理石油污染,是将污染物物通常可通过阳离子、阴离子外流系统,促进离子的排放,如转化为无毒性终产物的有效方法。该技术虽然起步较晚,却金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)和真养产碱杆菌(Al-发展迅速。其优点是成本低,工程规模小,可将污染物降解caligeneseutrophus)对镉、锌、钴等离子的抗性;真核微生物则为无害物质。缺点是难以治理复杂的混合污染物,难以将实多采取合成某种螯合剂或结合因子的方式,将金属离子螯合验室条件转化为大规模实践,治理过程较为缓慢。成复合物,从而避免了对细胞的毒害,如粗糙脉孢菌(Neu-研究表明,细菌是降解石油的重要分解菌,如假单胞菌rosporacrassa)中的金属硫蛋白、粟洒裂殖酵母(Schizosaccha-属(Pseudomonas)、杆菌属(Flauobacterium)、棒杆菌属romycespombe)中的重金属螯合肽。此外,微生物亦可通过酶(Corynebacterium)、弧菌属(Vibro)、无色标菌属(Achromobac-促或化学反应,将有毒物质低毒化或无毒化,最终消除重金ter)、微球菌属(Micrococcus)、放线菌属(Actinomyces)等均有降[29]属污染,如铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)和大肠埃希解石油的能力。此外,霉菌、酵母菌等真核微生物也是石[22]氏菌(Escherichiacoli)等对汞的还原。油降解的主要类群。由于大多数微生物对重金属的抗性系统主要由质粒上微生物对碳氢化合物的降解速率很大程度受环境中低的基因编码,且抗性基因亦可在质粒与染色体间相互转移,含量的营养盐、磷酸盐及含氧化合物所限制,因此,适当地改
1424安徽农业科学2006年变营养条件,可大大加快石油的降解速率。我国科研人员从Press,1999.[6]RONALDMATLAS.BioremediationofpetioIeumbiodegradatio[nJ].BioSci,淄博市被石油污染的地下水、排水沟中采集水样,经富集培1995,4(55):332-338.养分离筛选出10株除油菌。据测定单菌株降油率在20%~[7]余莉萍,尹华,彭辉.环境生物技术的应用及发展趋势[J].城市环境与城市生态,2002,1(52):52-54.50%,混合菌群的除油率可达71.4%。在模拟反应器中混合[8]宋稳成,杨仁斌,郭正元,等.现代生物技术与环境保护:现状和展望菌群的除油率达53.1%。在现场治理时,投菌11d后,混合[J].云南环境科学,2002,2(14):19-22.[30][9]沈韫芬.微型生物在污水处理中的原理、作用和应用[J].生物学通报,菌群除油率保持在35%左右。如果在混合菌群培养液1999,3(47):1-4.里,加入亲油性营养液作为表面活性剂,可以促使微生物对[10]程树培.环境生物技术[M].南京:南京大学出版社,1994.[11]陈力武.处理城市污水的细胞固定化技术简介[J].城市环境,1999,13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(1):21-22.[31]解速率。[12]全向春,刘佐才,范广裕,等.生物强化技术及其在废水治理中的应用!."大气污染治理我国100多座城市,大气质量达到1级[J].环境科学研究,1999,1(23):22-26.[13]BRINDLED,STEPHENSONT.TheappIicationofmembrancebioIogicaIreac-标准的不到1%,大气污染十分严重。因此减少废气排放和torsforthetreatmentofwastewate[rJ].BiotechnoIogyandBioengineering,使用废气净化设施是治理大气污染的必然趋势。1996,4(96):601-610.[14]周建仁,白韬光.膜—生物反应器处理高浓度生活污水的中试研究利用微生物技术治理大气污染的优势是可将污染物转[J].环境工程,2002,2(51):43-45.化为无害物质,成本较应用理化方法降低60%~80%,缺点[15]WSKAYAMAY,MIYAKEJ.PhotobioreactorfortheimprovementofsoIarhy-drogenproductionefficiencybyrhodobactertiaspgaeroidesr[vC]//PAULEA,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PAUSTIANK,ELLIOTTET,etaI.FifthISEBA.Kyoto:KyotoInternationaI的处理。ConferenceHaII,2000:117.[16]NANDIR,SENGUPTAS.MicrobiaIproductionofhydrogen:anoverview[J].目前,应用微生物技术去除空气和废气中污染物的工CritRevMicrobioI,1998,2(41):61-84.艺,如生物过滤,生物除污已取得较好效果。现已了解到微[17]高延耀,夏四清,周增炎.城市污水生物脱氮除磷机理研究进展[J].上生物可通过4种途径完成CO的固定。通常情况下,主要方海环境科学,1999,1(81):16-18.2[18]李小明,陈昭宜.环境生物技术与水污染控制[J].湖南大学学报,式为还原戊糖磷酸循环途径,极端条件下,可采取TCA循环、1998,2(55):78-82.乙酰-COA循环及3-羟基乙炔化合物循环途径固定CO。微[19]GILBERTSOMENN,HOLLANERA.EnvironmentaIbiotechnoIogy,teducing2riskfromenvironmentaIchemicaIthroughbiotechnoIogy[M].NewYorkand生物通过不同的固定途径,可有效地降低大气中CO2含量。London:PIenumPress,1988:81-110,143-341.如从海水环境中分离出的固定CO2的微藻,在最适条件下,[20]金晓红,任化炜.环境生物技术应用于环境保护的新进展[J].环境保护,2002,2:18-19.[32,33]在150L光反应器中培养,1g微藻每天可固定2gCO2。[21]郭学军,黄巧云,赵振华,等.微生物对土壤环境中重金属活性的影响此外,微生物在去除SO、NO等有毒气体中也表现出极大的[J].应用与环境生物学报,2002,(81):105-110.2[22]林雅兰,田哲贤.微生物对重金属的抗性及解毒机理[J].微生物学通潜力。报,1998,2(51):37-39.[23]徐海岩,颜望明,刘振盈,等.利用氧化亚铁硫杆菌抗砷工程菌Tf-59#展望(PSDX3)处理含砷金精矿[J].应用与环境生物学报,1997,3(4):366-微生物在污染治理中具有广泛的应用前景,为提高微生370.物降解能力,扩大其应用范围,分离、重建高效、广谱降解微[24]王连生.有机污染化学[M].北京:科学出版社,1991:197-205,276-278.生物具有重要意义。同时,在微生物对污染物的适应及其降[25]郭楚玲,郑天凌,洪华生.多环基烃的微生物降解与生物修复[J].海洋解遗传学机制,微生物净化的高效性及安全性,研究成果从环境科学,2000,1(93):24-29.[26]KERSTIGUST,JANETKJANSSON.EcoIogicaIriskassessmentofthedeIiber-实验室研究向工程应用的转移,以及高效、准确评估技术的atereIeaseofgeneticaIIymodifiedmicroorganism[sJ].AMBIO,1993,22(4):应用等方面,尚需加大投入和作进一步研究。236-262.[27]孙铁珩,宋玉芳.污染土壤中多环芳烃生物降解的调控研究[J].应用我国的环境微生物技术研究尚处于起步阶段,与国际先生态学报,1998,(96):640-644.进水平还有很大差距,应根据我国的国情,充分利用我国的[28]刘和,陈英旭.环境生物修复中高效基因工程菌的构建策略[J].浙江大学学报,2002,2(82):208-212.资源优势,借鉴国外先进技术和经验,重点加强环境生物技[29]郑天凌,庄铁城,蔡立哲,等.微生物在海洋污染环境中的生物修复作术的研究与开发,以期取得更好的环境效益和经济效益。用[J].厦门大学学报:自然科学版,2001,4(02):524-534.[30]赵荫薇,王世明,张建法.微生物处理地下水石油污染的应用研究[J].参考文献应用生态学报,1998,(92):209-212.[1]陈坚.环境生物技术[M].北京:中国轻工业出版社,1999.[31]JOHNHSKINNER.Bioremediationresearchissue[sJ].EnvironmentaISci-[2]田云,卢向阳.环境生物技术[J].环境科学与技术,2003,2(62):51-53.enceResearchSeries,199(141):61-70.[3]刘德绍,郑强.关于环境生物技术在水污染治理中的研究与应用[J].[32]LEUJY.CHANGCH.ReductionofcarbondioxideusingmicroaIgaefixation重庆环境科学,2001,2(31):56-59.system[C]!PAULEA,PAUSTIANK,ELLIOTTET,etaI.FifthISEBA.Ky-[4]MADSENEL.Metermininginsoitnbiodegradation.factsandchaIIenge[sJ].oto:KyotoInternationaIConferenceHaII,2000:201.EvrionSciTechnoI,1991,2(510):1663-1672.[33]解庆林,王敦球,李金城.环境生物技术的发展现状[J].桂林工学院学[5]ALEXANDERM.Biodegradationandbioremediation[C].CaIifornia:Academic报,2001,2(12):191-194.#""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#"""科技论文写作规范———引言""""扼要地概述研究工作的目的、范围、相关领域的前人工作和知识空白、理论基础和分析、研究设想、研究方法和实验设""计、预期结果和意义等。一般文字不宜太长,不需作详尽的文献综述。在最后引出文章的目的及试验设计等。“引言”两字""""#省"略。"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#"
微生物在污染治理中的应用作者:刘灵芝,陈志刚作者单位:沈阳农业大学土地与环境学院,辽宁沈阳,110161刊名:安徽农业科学英文刊名:JOURNALOFANHUIAGRICULTURALSCIENCES年,卷(期):2006,34(7)被引用次数:1次参考文献(33条)1.陈坚环境生物技术19992.田云;卢向阳环境生物技术[期刊论文]-环境科学与技术2003(02)3.刘德绍;郑强关于环境生物技术在水污染治理中的研究与应用[期刊论文]-重庆环境科学2001(01)4.MADSENELMetermininginsoitnbiodegradation.factsandchallenges1991(10)5.ALEXANDERMBiodegradationandbioremediation19996.RONALDMATLASBioremediationofpetioleumbiodegradation[外文期刊]1995(05)7.余莉萍;尹华;彭辉环境生物技术的应用及发展趋势[期刊论文]-城市环境与城市生态2002(02)8.宋稳成;杨仁斌;郭正元现代生物技术与环境保护:现状和展望[期刊论文]-云南环境科学2002(04)9.沈韫芬微型生物在污水处理中的原理、作用和应用1999(07)10.程树培环境生物技术199411.陈力武处理城市污水的细胞固定化技术简介1999(01)12.全向春;刘佐才;范广裕生物强化技术及其在废水治理中的应用[期刊论文]-环境科学研究1999(03)13.BRINDLED;STEPHENSONTTheapplicationofmembrancebiologicalreactorsforthetreatmentofwastewater[外文期刊]1996(06)14.周建仁;白韬光膜-生物反应器处理高浓度生活污水的中试研究[期刊论文]-环境工程2002(01)15.WSKAYAMAY;MIYAKEJPhotobioreactorfortheimprovementofsolarhydrogenproductionefficiencybyrhodobactertiaspgaeroidesrv200016.NANDIR;SENGUPTASMicrobialproductionofhydrogen:anoverview1998(01)17.高延耀;夏四清;周增炎城市污水生物脱氮除磷机理研究进展1999(01)18.李小明;陈昭宜环境生物技术与水污染控制1998(05)19.GILBERTSOMENN;HOLLANERAEnvironmentalbiotechnology,teducingriskfromenvironmentalchemicalthroughbiotechnology198820.金晓红;任化炜环境生物技术应用于环境保护的新进展[期刊论文]-环境保护2002(02)21.郭学军;黄巧云;赵振华微生物对土壤环境中重金属活性的影响[期刊论文]-应用与环境生物学报2002(01)22.林雅兰;田哲贤微生物对重金属的抗性及解毒机理1998(01)23.徐海岩;颜望明;刘振盈利用氧化亚铁硫杆菌抗砷工程菌Tf-59(PSDX3)处理含砷金精矿[期刊论文]-应用与环境生物学报1997(04)24.王连生有机污染化学199125.郭楚玲;郑天凌;洪华生多环基烃的微生物降解与生物修复[期刊论文]-海洋环境科学2000(03)26.KERSTIGUST;JANETKJANSSONEcologicalriskassessmentofthedeliberatereleaseofgeneticallymodifiedmicroorganisms1993(04)27.孙铁珩;宋玉芳污染土壤中多环芳烃生物降解的调控研究1998(06)28.刘和;陈英旭环境生物修复中高效基因工程菌的构建策略[期刊论文]-浙江大学学报2002(02)29.郑天凌;庄铁城;蔡立哲微生物在海洋污染环境中的生物修复作用[期刊论文]-厦门大学学报(自然科学版)
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