水污染微生物修復(fù)技術(shù)探析

陳 亮， 王 超， 胡曉宇， 范 強(qiáng)

(武漢沃田生態(tài)科技有限公司，湖北 武漢 430074)

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水污染微生物修復(fù)技術(shù)探析

陳 亮， 王 超， 胡曉宇， 范 強(qiáng)

(武漢沃田生態(tài)科技有限公司，湖北 武漢 430074)

指出了微生物修復(fù)是生物修復(fù)技術(shù)的一種，越來(lái)越受到人們的重視。闡述了微生物修復(fù)技術(shù)的概念，分析了微生物菌的主要來(lái)源，總結(jié)了微生物修復(fù)各種污染物的機(jī)理及研究現(xiàn)狀，提出了微生物修復(fù)技術(shù)存在的問(wèn)題及解決辦法，并對(duì)今后的研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

水污染；微生物；修復(fù)技術(shù)

1　引言

水是人類生存的重要基礎(chǔ)物質(zhì)之一，水質(zhì)的好壞直接影響著人類的正常生活。資料顯示，2014年全國(guó)423條主要河流、62座重點(diǎn)湖泊(水庫(kù))的968個(gè)國(guó)控地表水監(jiān)測(cè)斷面(點(diǎn)位)開展了水質(zhì)監(jiān)測(cè)，V類、劣V類水質(zhì)斷面分別占6.8%、9.2%，主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、總磷和5日生化需氧量。如何快速、有效地解決地表水體污染問(wèn)題，已經(jīng)成為推進(jìn)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。微生物技術(shù)修復(fù)水污染以其效率高、成本低、易操作、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)二次污染等特點(diǎn)日益受到人們的重視。

2　微生物修復(fù)的定義

微生物修復(fù)是生物修復(fù)技術(shù)的一種，屬于生態(tài)修復(fù)的范疇。生態(tài)修復(fù)是指利用生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力，輔以人工措施，使那些在自然突變和人類活動(dòng)影響下受到破壞的自然生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建工作，恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)原本的面貌。生物修復(fù)是指利用植物、動(dòng)物和微生物吸收、降解、轉(zhuǎn)化環(huán)境中的污染物，使污染物的濃度降低到可接受的水平。微生物修復(fù)是以微生物的代謝活動(dòng)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)有害物質(zhì)進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化，重新建立水體生態(tài)平衡，從而達(dá)到治理水體的效果。

3　微生物的來(lái)源

3.1土著菌修復(fù)

現(xiàn)階段用于水體生態(tài)修復(fù)的微生物的主要來(lái)源有3種：土著菌、馴化菌和工程菌。自然界存在著大量的微生物菌株資源，即土著菌，它是多種有益微生物的混合群，是自然界中不可缺少的一部分。土著微生物按好嫌氣性分有好氣菌、嫌氣菌；按菌種分有酵母菌、曲霉菌、放線菌、乳酸菌、芽孢菌等。土著菌為特異性優(yōu)勢(shì)菌的開發(fā)與篩選提供了豐富的資源。

3.2馴化菌修復(fù)

土著菌從中篩選并經(jīng)馴化可以獲得去污高效菌株或微生物類群，直接用于水處理工程。例如常規(guī)廢水生物處理工程設(shè)施中的微生物類群，往往是直接從自然環(huán)境中獲取的微生物，經(jīng)過(guò)馴化之后，形成理想的群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢(shì)種群，執(zhí)行其凈化功能。印染廢水、農(nóng)藥生產(chǎn)廢水均可以從自然界直接篩選馴化微生物獲得降解、凈化。這類污染物的降解一般需要多種菌株的參與，單一菌株難以完成有機(jī)污染物特別是人工合成污染物降解的復(fù)雜過(guò)程。污染水體中的微生物往往是微生物與水處理工程獲取菌株的重要場(chǎng)所，從農(nóng)藥污染的水體中篩選馴化菌種用以處理農(nóng)藥生產(chǎn)廢水，從石油污染的水體或土壤中篩選馴化菌種用以清除石油污染等都是目前廣泛應(yīng)用的、較為快速而成熟的獲取菌種的途徑。

3.3基因工程菌修復(fù)

基因工程菌是指運(yùn)用分子生物學(xué)和遺傳工程技術(shù)的手段改造微生物菌種特性，使之獲得高降解活性以及特異或廣譜降解污染物的優(yōu)良性能，從而達(dá)到特異凈化水體的目的。美國(guó)率先在水污染治理構(gòu)建中應(yīng)用工程菌。Chakrabaryty等[1]在1個(gè)菌株中導(dǎo)入4種假單胞菌的遺傳基因得到工程菌。該菌具有非凡的能力，能夠同時(shí)降解脂肪烴、芳烴、多環(huán)芳烴，降解石油的速度快、效率高。Kolenc等融合質(zhì)粒轉(zhuǎn)入嗜冷性的G5菌株中形成新的工程菌G5T，在溫度低至0 ℃時(shí)仍可利用甲苯為唯一碳源。我國(guó)科學(xué)家在處理化工廢水、重金屬污染水體方面的研究也取得了突出進(jìn)展。

4　微生物修復(fù)的機(jī)理

4.1微生物對(duì)耗氧有機(jī)物的凈化

水體在受到污染后，一般能夠進(jìn)行一定程度的自然凈化。在這個(gè)過(guò)程中，自然界存在的微生物起著很重要的作用，包括降解、共代謝、去毒和激活作用[2]。如細(xì)菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物等可利用污染物質(zhì)作為生物氧化基質(zhì)，產(chǎn)生ATP并在好氧條件下將有機(jī)污染物徹底氧化為CO2和H2O；假單胞菌屬、不動(dòng)桿菌屬、諾卡菌屬和節(jié)桿菌屬等在碳源和能源型基質(zhì)上生長(zhǎng)時(shí)，可將一些非生長(zhǎng)基質(zhì)的物質(zhì)共代謝轉(zhuǎn)化；藻類、原生動(dòng)物、真菌和細(xì)菌等可通過(guò)細(xì)胞內(nèi)酶的作用改變污染物分子結(jié)構(gòu)，形成的產(chǎn)物被分泌到胞外或被徹底氧化為CO2釋放出來(lái)。

4.2微生物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化

微生物在水體修復(fù)中，通過(guò)氧化、還原、光合、同化、異化作用等過(guò)程把有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單的化合物[3]，保證水質(zhì)的正常功能，從而改善水體環(huán)境質(zhì)量，恢復(fù)水體生態(tài)平衡。微生物在水體碳、氮、磷、硫4種主要元素循環(huán)及生物控藻作用中都起到非常重要的作用，它可以有效控制4種元素在水體中的含量和存在形式，釋放毒藻素，激發(fā)食藻生物繁殖，促進(jìn)形成有益微生物菌落，分解有機(jī)物，消除有害物質(zhì)NH4-N、H2S以及過(guò)量的氮、磷元素等，抑制藻類在水體中的大量繁殖，進(jìn)一步提高水體透明度和DO，有效凈化水體，最終為恢復(fù)水體自凈功能和促進(jìn)富營(yíng)養(yǎng)化水體的生物修復(fù)提供有效的幫助和有力支持。

4.3微生物對(duì)重金屬的作用

微生物處理重金屬是利用細(xì)菌、真菌(酵母)、藻類等生物材料及其生命代謝活動(dòng)去除或積累廢水中的重金屬，并通過(guò)一定的方法使金屬離子從微生物體內(nèi)釋放出來(lái)，從而降低廢水中重金屬離子的濃度。細(xì)菌主要通過(guò)吸附作用、氧化還原作用、淋濾作用、協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的富集與轉(zhuǎn)化[4]。而真菌則是通過(guò)吸附作用和絡(luò)合作用實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的富集與轉(zhuǎn)化。菌根對(duì)重金屬的作用則體現(xiàn)在：通過(guò)分泌特殊的分泌物等形式改變植物根際環(huán)境，改變重金屬的存在狀態(tài)，降低重金屬毒性；影響菌根植物對(duì)重金屬的積累和分配，使菌根植物體內(nèi)重金屬積累量增加，提高植物的富集效果；在菌根植物對(duì)重金屬的吸收或運(yùn)輸、遷移或積累等過(guò)程中，AM(Arhusclar mycorrhiza)真菌很可能參與調(diào)控這些相關(guān)功能基因的表達(dá)；菌根真菌向宿主植物傳遞營(yíng)養(yǎng)，使植物幼苗成活率提高，宿主植物抗逆性增強(qiáng)，生長(zhǎng)加快，間接地促進(jìn)植物對(duì)重金屬的修復(fù)作用。

4.4植物-微生物的聯(lián)合作用

植物和微生物的耦合作用是水生植物應(yīng)用于水體修復(fù)的重要機(jī)制[5]。人工濕地對(duì)氮的去除主要通過(guò)微生物的硝化—反硝化作用途徑；根際微生物和植物的聯(lián)合作用可以改變磷的存在形態(tài)，從而加速磷的去除；在有機(jī)物和重金屬污染環(huán)境中，根際微生物通過(guò)增強(qiáng)植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性促進(jìn)污染物的去除。

4.5微生物對(duì)有機(jī)物的凈化作用

微生物的活動(dòng)是污水中有機(jī)物降解的主要機(jī)制或凈化污水的主要力量，研究發(fā)現(xiàn)COD和BOD的去除與各種微生物數(shù)量有明顯的相關(guān)性[6]，去除因素與微生物的數(shù)量和活性直接相關(guān)。人工濕地內(nèi)存在明顯的好氧菌和厭氧菌群，在植物的根、莖上好氧微生物占優(yōu)勢(shì)，而在濕地植物的根系區(qū)則既有好氧微生物、也有兼性厭氧微生物的活動(dòng)。有機(jī)物的生物降解主要經(jīng)歷3個(gè)階段：①水解酸化過(guò)程，復(fù)雜大分子、不溶性有機(jī)物在細(xì)胞外酶作用下水解為小分子、溶解性有機(jī)物，然后這些小分子、有機(jī)物滲透到細(xì)胞體內(nèi)，分解產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)酸、醇、醛等；②產(chǎn)酸過(guò)程，在產(chǎn)酸細(xì)菌的作用下，將前階段產(chǎn)生的各種有機(jī)酸分解轉(zhuǎn)化為乙酸和H2、CO2；③產(chǎn)甲烷過(guò)程，產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用乙酸、乙酸鹽、CO2和H2或其他含碳化合物產(chǎn)生甲烷。

4.6微生物對(duì)石油類污染物的凈化

石油烴是鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴的復(fù)雜混合物。鏈烷烴的代謝機(jī)理是脫氫作用、羥化作用和過(guò)氧化作用[7]。通常正烷烴的生物降解是由氧化酶酶促進(jìn)行的，首先烷烴氧化成相應(yīng)的伯醇，然后經(jīng)由醛轉(zhuǎn)化成脂肪酸，脂肪酸通過(guò)β-氧化降解成乙酰輔酶A，后者或進(jìn)入三羧酸循環(huán)，分解成CO2和H2O，并釋放出能量，或進(jìn)入其他生化過(guò)程。鏈烷烴也可直接脫氫形成烯烴，烯烴再進(jìn)一步氧化成醇、醛，最后形成脂肪酸；或氧化成為一種烷基過(guò)氧化氫，然后直接轉(zhuǎn)化成脂肪酸。有的微生物還可以通過(guò)亞末端氧化形成仲醇，再依次氧化成酮、酯，酯水解形成伯醇和脂肪酸，再進(jìn)一步氧化分解。

環(huán)烷烴是石油烴中難于被微生物降解的烴類。環(huán)烷烴沒(méi)有末端甲基，它的生物降解原理和鏈烷烴的亞末端氧化相似，經(jīng)混合功能氧化酶氧化后產(chǎn)生環(huán)烷醇，然后脫氫形成酮，再進(jìn)一步氧化得內(nèi)酯，或直接開環(huán)生成脂肪酸。

苯與短鏈烷基苯在脫氫酶及氧化還原酶的作用下，經(jīng)二醇的中間過(guò)程代謝成鄰苯二酚和取代基鄰苯二酚。后者可在鄰位或間位處斷裂，形成羧酸。多環(huán)芳烴的降解首先通過(guò)微生物產(chǎn)生的加氧酶進(jìn)行定位氧化反應(yīng)。真菌產(chǎn)生單加氧酶，將氧原子加到苯環(huán)上，形成環(huán)氧化物，然后加入H2O產(chǎn)生反式二醇和酚；細(xì)菌產(chǎn)生雙加氧酶，將兩個(gè)氧原子加到苯環(huán)上，形成過(guò)氧化物，然后氧化成順式二醇，脫氫產(chǎn)生酚。環(huán)的氧化是微生物降解多環(huán)芳烴的限速步驟。

4.7微生物對(duì)有毒有機(jī)物的凈化

眾多研究表明氯的脫除是氯代芳香族有機(jī)物生物降解的關(guān)鍵過(guò)程[8]，好氧微生物可通過(guò)雙加氧酶/單加氧酶作用使苯環(huán)羥基化，形成氯代兒茶酚，進(jìn)行鄰位、間位開環(huán)、脫氯；也可在水解酶作用下先脫氯后開環(huán)，最終礦化。不同好氧微生物脫氯降解的生化機(jī)制(包括共代謝作用)不同，賦予降解途徑的多樣化，但大多以氯代兒茶酚1,2雙加氧酶催化的鄰位裂解途徑為主，即修飾鄰位裂解途徑。氯代芳香族污染物厭氧生物降解是通過(guò)微生物還原脫氯作用，逐一脫氯形成低氯代中間產(chǎn)物或被礦化生成CO2+CH4的過(guò)程。另外研究還發(fā)現(xiàn)在厭氧條件下，苯類、PAH可發(fā)生轉(zhuǎn)化、降解，形成CO2/CH4。

含氟芳香族化合物生物降解的關(guān)鍵是脫氟[9]。在好氧條件下進(jìn)行水解或氧化分解是脫氟的途徑之一，開環(huán)以后所形成的非芳香族化合物的氟主要是通過(guò)水解的途徑脫氟。目前，鹵素化合物的厭氧脫鹵主要集中在含氯芳香族化合物，這些化合物能在不同還原條件下被降解，在脫硝條件下，3-氯苯甲酸和4-氯苯甲酸能被降解，然而3-氯苯甲酸在鐵還原和產(chǎn)甲烷條件下也能被降解。在厭氧環(huán)境下，單氟芳香族化合物在脫硝條件下也能被降解，但含氟芳香族化合物對(duì)生物降解有強(qiáng)烈的抑制作用。

5　水體微生物修復(fù)

5.1對(duì)重金屬的修復(fù)

目前，我國(guó)水體重金屬污染十分嚴(yán)重。造成水體重金屬污染的主要原因是人為污染源，主要包括采礦和冶煉、金屬加工、化工、廢電池處理、電子、造革和染料、大氣干濕沉降、農(nóng)藥和化肥的使用等。目前國(guó)內(nèi)對(duì)微生物修復(fù)水體重金屬的報(bào)道主要集中在水體底泥的微生物修復(fù)、水生植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)和礦山重金屬污染修復(fù)研究等方面。

廖佳等[10]從鉛鋅礦區(qū)分離篩選出耐鉛鋅真菌HA為米曲霉(Aspergillusoryzae)，當(dāng)鉛、鋅初始濃度為100 mg/L、pH值為5.0時(shí)，HA對(duì)鉛、鋅離子的去除率均達(dá)到最高，分別為97.8%、54.1%，當(dāng)HA接種量為1 mL時(shí)，其對(duì)鉛、鋅去除率的增長(zhǎng)率達(dá)到最大。HA細(xì)胞中羥基、烷基、酰胺基、羰基、磷酸基等參與了Pb2+、Zn2+的吸附過(guò)程。

周俊等[11]利用瀝浸微生物對(duì)濃縮污泥與添加聚丙烯酰胺(PAM)的脫水污泥進(jìn)行生物瀝浸處理。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)生物瀝浸處理，兩種污泥中Zn的溶出率分別為66.65%、59.13%，Cu的溶出率分別為13.31%、23.55%。

5.2對(duì)工業(yè)廢水的修復(fù)

印染廢水是一類有機(jī)物含量高、色度高、生化性能差的難降解廢水。通過(guò)人工創(chuàng)造適于微生物生存和繁殖的環(huán)境，可以使微生物大量繁殖，以提高微生物降解代謝有機(jī)物為無(wú)機(jī)物來(lái)處理廢水。目前在印染廢水處理方面常采用的技術(shù)有：膜生物反應(yīng)器、固定化微生物、SBR法、微生物絮凝劑等。膜曝氣-生物膜反應(yīng)器(MABR)是一種新型的膜-生物廢水處理工藝，在MABR中采用基因工程菌生物膜可以強(qiáng)化難降解污染物的生物去除。劉春等[12]在SPG膜表面形成基因工程菌生物膜，運(yùn)行SPG膜曝氣-生物膜反應(yīng)器(SPG-MABR)處理阿特拉津廢水。結(jié)果表明，氣壓為300 kPa、生物量為25 g/m2、液體流速為0.05 m/s時(shí)，SPG-MABR反應(yīng)器對(duì)阿特拉5d的去除率可以達(dá)到98.6%。生物膜表面逐漸被其他微生物細(xì)胞覆蓋，基因工程菌分布減少，生物膜內(nèi)部仍以基因工程菌細(xì)胞為主。

楊興興等[13]通過(guò)基因工程手段增加厭氧氨氧化菌亞硝酸鹽還原酶(nitritereductase，nirS)的表達(dá)量，運(yùn)用質(zhì)粒載體pGEM-T克隆nirS基因。瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)顯示，nirS基因重組工程菌在440bp處有明顯的目的條帶；nirS基因重組工程菌擴(kuò)大培養(yǎng)7-8h后即達(dá)到生長(zhǎng)曲線穩(wěn)定期，引入外加氮源后，菌體生長(zhǎng)情況更優(yōu)。通過(guò)不同菌液投加量以及處理不同初始濃度的亞硝酸鈉溶液，檢測(cè)nirS基因重組工程菌的性能。結(jié)果表明：當(dāng)nirS基因重組工程菌投加30mL(細(xì)菌數(shù)為2.3×107個(gè)∕mL)，亞硝酸鹽初始質(zhì)量濃度為40mg/L時(shí)，亞硝酸鹽去除率達(dá)到90%以上。

5.3對(duì)石油類污染物的修復(fù)

隨著石油能源的開采以及廣泛應(yīng)用，水體環(huán)境石油污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，找到高效的石油降解菌株成為水體石油污染生物修復(fù)的一個(gè)重要研究方向。余薇等[14]從污染水環(huán)境中分離篩選到SY2、J7、H233株具有較好石油降解能力的菌株，經(jīng)生理生化及16SrDNA分子鑒定，分別為枯草芽孢桿(Bacillus subtilis)、惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)。結(jié)果表明：最優(yōu)條件下，SY2石油烴降解率最高可達(dá)61.27%，J7達(dá)68.40%，H23達(dá)83.64%。氣相色譜分析石油烴降解前后的全烴組成分析進(jìn)一步證實(shí)其均具有良好的石油烴降解能力。為基于微生物的石油水體污染生物修復(fù)提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。

5.4對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)

微生物修復(fù)是一種利用特異微生物的新陳代謝來(lái)消耗減少水體中富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方法。周小穎等[15]以碳素纖維(CF)為生物膜載體，研究了CF和生物碳素纖維(BCF)去除污水氮磷的動(dòng)力學(xué)特征。結(jié)果表明：CF和BCF對(duì)氮磷均有較好的去除效果，其中BCF對(duì)TP的去除率大于90%。

萬(wàn)田英等[16]研究了光合細(xì)菌投加量對(duì)湖泊污染修復(fù)的作用效應(yīng)。結(jié)果表明：PSB投加百分比與上覆水CODMn、總氮、總磷含量及沉積物總磷呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與上覆水氨氮及沉積物有機(jī)質(zhì)之間呈極顯著的相關(guān)性(P<0.01)。

何騰霞等[17]研究了耐冷反硝化細(xì)菌PseudomonasputidaY-12去除亞硝酸鹽氮和總氮的影響。結(jié)果表明：Y-12菌株去除亞硝酸鹽氮和總氮的最佳碳源為檸檬酸鈉，在15 ℃和pH值為7.2條件下，該菌以檸檬酸鈉為唯一碳源對(duì)亞硝酸鹽氮和總氮去除率分別達(dá)到了100%和81.8%；反硝化脫氮產(chǎn)生了19559.82 mg/m3CO2和0.11 mg/m3N2O；在15 ℃，150 r/min搖床培養(yǎng)條件下，48h內(nèi)菌株Y-12對(duì)景觀水體中亞硝酸鹽氮和總氮去除率分別達(dá)到了37.7%和51.5%。

6　問(wèn)題與展望

微生物技術(shù)凈化水體雖然在實(shí)際應(yīng)用中取得了一些成效，但其仍存在一定的局限性。水體生態(tài)環(huán)境是一個(gè)多成分的動(dòng)態(tài)的生態(tài)環(huán)境，其理化特征時(shí)刻都受到外界環(huán)境的影響。而微生物修復(fù)水體環(huán)境的效率直接受到溫度、溶解氧、pH值等多種因素的影響。因而，要篩選或培育對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、修復(fù)的污染物種類多的菌株或菌群是微生物修復(fù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。

水體生態(tài)環(huán)境中的污染物錯(cuò)綜復(fù)雜，還存在著許多生物難降解的物質(zhì)，微生物資源仍需要進(jìn)一步的開發(fā)。環(huán)境中某些物質(zhì)的對(duì)某些微生物存在毒性，使得污染物在降解轉(zhuǎn)化過(guò)程所涉及的生化反應(yīng)受到抑制而影響處理效果。許多有效微生物的代謝途徑仍不清楚，某些菌在處理污染物的同時(shí)。有可能會(huì)產(chǎn)生毒性更大的中間代謝物，有導(dǎo)致二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

工程菌釋放到環(huán)境中的生態(tài)影響存在很多不確定因素，是否對(duì)人類自身的生存和環(huán)境生態(tài)的平衡造成不利影響還沒(méi)有明確答案，對(duì)于污染降解基因在各種有效

降解菌體內(nèi)的定位尚需做大量的研究工作。這也導(dǎo)致大量工程菌停留在了實(shí)驗(yàn)室階段，距離實(shí)際運(yùn)用還有很大的差距。

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2016-05-06

省院合作專項(xiàng)項(xiàng)目；湖北省環(huán)?？蒲许?xiàng)目(編號(hào)：2015HB06)

陳亮(1982—)，男，工程師，主要從事生態(tài)修復(fù)相關(guān)的工作。

X820.2

A

1674-9944(2016)16-0010-04