微生物在生態(tài)修復(fù)中的研究

劉子軒

山東第一醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000

相較于傳統(tǒng)生態(tài)修復(fù)技術(shù)，微生物在近幾年來成為了生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的對(duì)象。主要原因在于微生物技術(shù)不會(huì)對(duì)水體和土壤環(huán)境造成二次污染，且處理時(shí)間相對(duì)較短[1]。因此，探究微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用有利于人與自然和諧共處。

1 微生物對(duì)持久有機(jī)物的降解

從宏觀角度來看，石油化工企業(yè)及農(nóng)藥制造企業(yè)等現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營過程中會(huì)產(chǎn)生多種化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)帶來的影響作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自然生態(tài)的恢復(fù)能力，對(duì)部分環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。

持久性有機(jī)污染物主要為有機(jī)磷農(nóng)藥、鹵代有機(jī)化合物等，這些污染物廣泛存在于大氣、水、土壤等環(huán)境中，給民眾的生命安全帶來了巨大威脅。這些污染物屬于環(huán)境外來化合物，天然的微生物由于缺乏與之相匹配的酶系統(tǒng)，故而難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的有效降解。但近些年通過將微生物進(jìn)行長期的接觸馴化，依托遺傳變異和質(zhì)粒傳遞特性促使部分微生物逐漸產(chǎn)生了一定的降解能力[2]。

有關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，黃桿菌和甲單胞菌都能夠產(chǎn)生一種膜結(jié)合性有機(jī)磷水解酶，該水解酶具有高水平組合型表達(dá)特征，對(duì)硫磷結(jié)構(gòu)的化合物具有較強(qiáng)的降解活性[3]。通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，這種水解酶的酸堿度和溫度范圍相對(duì)較廣，一般情況下不會(huì)受到環(huán)境因素的影響導(dǎo)致失活現(xiàn)象發(fā)生，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。這種酶能夠裂解多種化學(xué)鍵，如P-F、P-CN等。近些年來隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，國內(nèi)眾多優(yōu)秀學(xué)者采用固定化的方法，對(duì)有機(jī)磷水解酶的應(yīng)用作用展開了進(jìn)一步的探討。某研究團(tuán)隊(duì)將三苯甲基瓊脂糖作為載體，通過疏水作用將酶分子固定在該載體上。從后續(xù)降解反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)溶劑能夠與酶發(fā)生生化反應(yīng)，通過解吸效應(yīng)有效提高了農(nóng)藥的溶解度。后續(xù)某研究團(tuán)隊(duì)又將三苯甲基瓊脂糖改為聚酰胺纖維，采用共價(jià)結(jié)合法進(jìn)一步提高了降解效果。

由于微生物的生物周期比較長，酶純化效率具有一定的局限性，因此難以實(shí)現(xiàn)廣泛的生產(chǎn)。基于此，有關(guān)研究團(tuán)隊(duì)將研究重點(diǎn)落在了大腸桿菌宿主的表達(dá)系統(tǒng)上。該研究團(tuán)隊(duì)通過強(qiáng)啟動(dòng)子lac 有效提高了有機(jī)磷水解酶在大腸桿菌細(xì)胞表面上的表達(dá)水平。隨后通過固定化細(xì)胞，將其作為生物反應(yīng)器進(jìn)行應(yīng)用。

2 重金屬污染土壤的微生物修飾

重金屬一直以來都是引起土壤污染問題的主要元兇，當(dāng)土壤受到重金屬污染時(shí)，重金屬會(huì)在農(nóng)作物的體內(nèi)積聚，進(jìn)而對(duì)食物鏈產(chǎn)生嚴(yán)重影響，危害民眾的生命健康。微生物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)原理較為復(fù)雜，從宏觀角度來看，微生物在土壤重金屬生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中，通過對(duì)重金屬的吸收沉淀和氧化物還原等各類生化反應(yīng)來達(dá)到降低重金屬毒性的效果，并促進(jìn)土壤生態(tài)能力的恢復(fù)[4]。

有關(guān)學(xué)者發(fā)現(xiàn)[5]，以硅酸鹽或者氫氧化物形式結(jié)合的金屬離子廣泛存在于芽孢桿菌的表面，變價(jià)金屬能夠以同價(jià)態(tài)的形式存在，而細(xì)菌的代謝活動(dòng)恰巧可以將這些重金屬離子通過氧化還原進(jìn)行吸收。部分細(xì)菌可以通過分泌硫與磷酸等物質(zhì)促進(jìn)土壤中重金屬離子的沉淀，還有一些細(xì)菌在沉淀過程中與重金屬進(jìn)行共沉淀。氧化亞鐵桿菌和氧化硫桿菌都能夠通過氧化還原電位達(dá)到去除土壤以及沉積物中重金屬的良好效果。

部分學(xué)者認(rèn)為，微生物之所以能夠在生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，主要原因在于其新陳代謝。首先，微生物通過新陳代謝能夠?qū)χ亟饘僭剡M(jìn)行價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換，或者通過新陳代謝刺激植物根系發(fā)育，促進(jìn)植物對(duì)重金屬離子的吸收作用，從而降低重金屬離子在土壤或植物中的毒性影響。其次，微生物可以產(chǎn)生有機(jī)酸，有機(jī)酸能夠絡(luò)合金屬離子使土壤溶液中的金屬含量增加，利于超富集植物吸收。再次，部分微生物能夠通過胞外絡(luò)合作用等一系列生理過程，影響重金屬的毒性作用，將高毒性轉(zhuǎn)變?yōu)榈投拘裕谝欢ǔ潭壬洗龠M(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)。此外，微生物還能夠與植物根系相互作用，促使根系分泌金屬絡(luò)合劑，以抑制重金屬的毒性作用。

某研究人員為探究不同修復(fù)區(qū)域土壤降解菌總數(shù)，設(shè)置了4 個(gè)生物修復(fù)區(qū)域。其中A 區(qū)噴灑游離態(tài)菌液，B、C、D 區(qū)均為對(duì)照組。由表1 可以發(fā)現(xiàn)，A區(qū)土壤降解菌總數(shù)發(fā)生了明顯變化。

表1 不同修復(fù)區(qū)域土壤降解菌總數(shù)

3 微生物對(duì)水體富營養(yǎng)化修復(fù)

微生物對(duì)水體富營養(yǎng)化的修復(fù)原理是通過吸收轉(zhuǎn)化的方式對(duì)污染物進(jìn)行降解，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的凈化。微生物是生態(tài)系統(tǒng)的分解者，對(duì)養(yǎng)分循環(huán)和污染物去除起到了至關(guān)重要的作用。現(xiàn)階段部分城市地區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)由于接納了過量的無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象，而微生物能夠通過對(duì)氮的氨化與反硝化等作用以及對(duì)磷的分解作用，有效驅(qū)動(dòng)水體中的氮磷元素。現(xiàn)階段有關(guān)部門廣泛采用微生物修復(fù)劑向被污染的河水湖泊流域中投放經(jīng)人工馴化培養(yǎng)的優(yōu)選活性微生物，以達(dá)到生態(tài)修復(fù)的良好效果。微生物修復(fù)劑能夠快速提高水體中微生物的含量，發(fā)揮微生物的代謝作用，提高水體污染物的降解速率。

微生物修復(fù)劑按照結(jié)構(gòu)可以劃分為游離態(tài)和固定化兩種。固定化是指采用物理化學(xué)手段，將游離的微生物固定在某個(gè)區(qū)域內(nèi)，在保持微生物活性的同時(shí)還能夠進(jìn)行反復(fù)利用，以此提高生物修復(fù)效果。固定化微生物修復(fù)劑的類型多種多樣，例如固定藻、固定化細(xì)胞等。相較于傳統(tǒng)懸浮生物處理技術(shù)，固定化微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)能夠確保生物總量始終維持在較高濃度范圍內(nèi)，有效減輕生態(tài)修復(fù)的負(fù)荷，以此提高生態(tài)修復(fù)效果。并且運(yùn)用該技術(shù)產(chǎn)生的淤泥總量較少，不會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生較大的污染影響。

美國某公司曾在上世紀(jì)90年代左右研發(fā)出一種微生物修復(fù)劑，該微生物修復(fù)劑被廣泛應(yīng)用于湖泊與池塘等水體的清潔和修復(fù)中[6]。有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用該微生物修復(fù)劑3 個(gè)月后，水體中的氮氧質(zhì)量濃度由原本的0.02 mg/L 降至0，氮氧化物去除率高達(dá)85%左右，并且沒有檢測(cè)出毒性。后續(xù)美國某生態(tài)實(shí)驗(yàn)室又研發(fā)出一種名為葉可清的微生物制劑，該微生物制劑由32 種活性菌混合而成，投入水體后能夠有效降低水體營養(yǎng)鹽濃度和有機(jī)污染物的含量。該實(shí)驗(yàn)試劑曾用于某富營養(yǎng)池塘水體中，3 h后發(fā)現(xiàn)磷酸鹽濃度下降了67%，取得了較高的成效。

我國學(xué)者陳建及其研究團(tuán)隊(duì)在城市景觀湖泊中加入了微生物修復(fù)劑，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)水體中的藍(lán)藻生物含量明顯減少了70%以上，說明微生物修復(fù)劑能夠有效抑制水華生長。在后續(xù)的一項(xiàng)相關(guān)性研究中發(fā)現(xiàn)向水體中投入有效的微生物菌群后，水體中的葉綠素含量、氮磷含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可以有效改善水體的透明度及其中溶解氧的含量。

我國學(xué)者馬文林[7]及其研究團(tuán)隊(duì)利用微生物生態(tài)修復(fù)劑對(duì)城市公園水體進(jìn)行了富營養(yǎng)化的水體修復(fù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該城市公園水體中的化學(xué)需氧量質(zhì)量濃度保持在50 mg/L 以下能夠有效滿足景觀用水的需求。并且在該微生物修復(fù)劑投入水體10 d后，水質(zhì)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的好轉(zhuǎn)。投入近1 個(gè)月時(shí)，降解效果達(dá)到最佳，最終能夠有效維護(hù)水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡。表2 為不同修復(fù)劑下藻密度去除率。

表2 不同修復(fù)劑下藻密度去除率

固定化菌藻技術(shù)是一種將微生物與菌藻共生技術(shù)相結(jié)合的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)能夠利用藻類和細(xì)菌2 種生物之間的生理功能協(xié)同作用，達(dá)到污水凈化的效果。從本質(zhì)上來講，藻類和細(xì)菌之間存在某種協(xié)同進(jìn)化關(guān)系，藻類能夠通過光合作用釋放氧氣并吸收氮磷等無機(jī)營養(yǎng)鹽向周圍釋放無機(jī)物，而細(xì)菌能夠?qū)⒃孱惙纸獾奈镔|(zhì)及藻細(xì)胞供給自身用于吸收利用。藻類通過光合作用釋放的氧氣又為微生物生長提供了豐富的氧源，微生物代謝釋放的二氧化碳也促進(jìn)了藻類的光合作用，因此細(xì)菌與藻類共生的生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于水體修復(fù)領(lǐng)域中。

生物膜法也是微生物在生態(tài)修復(fù)中用到的重要技術(shù)。生物膜是指將微生物附著在某些載體表面形成膜狀，生物膜與被污染水體接觸后，就會(huì)吸收降解水體中的氮磷等無機(jī)營養(yǎng)鹽，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。通常情況下生物膜上固定的細(xì)菌對(duì)環(huán)境變化的耐受力較強(qiáng)，且產(chǎn)生的污泥量較少。由于生物膜法在處理有機(jī)物污染和輕度氨氮污染水體領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用效果和價(jià)值，因此該技術(shù)是近年來國內(nèi)眾多學(xué)者及其研究團(tuán)隊(duì)研究的重點(diǎn)方向。生物膜法降解污染物質(zhì)主要包括以下幾個(gè)階段：首先污染物會(huì)向生物膜表面擴(kuò)散，其次會(huì)從生物膜的外部向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，再次微生物通過分泌酵素與催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終代謝生成物并排出生物膜。

4 結(jié)語

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的當(dāng)前，我國在生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域中需要充分重視微生物技術(shù)的應(yīng)用，利用微生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤和水體中污染物的降解，對(duì)污染源進(jìn)行科學(xué)有效的控制，最終促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良好改善，落實(shí)可持續(xù)發(fā)展理念。