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1、污染水体的生物修复技术研究进展摘 要 详细介绍了污染水体生物修复技术的特点 ,综述了近年来国内外水体生物修复技 术的研究和应用现状 ,并评述了水体生物修复技术存在的问题以及污染水体生物修复的发 展方向。 关键词 污染水体 生物修复 微生物 水生植物 1 前 言随着我国工农业的快速发展以及人口的不断增长 ,城市化进程的加剧和人民生活水平的步 提高 ,用水量急剧增加 ,污水排放量相应增加 ,导致淡水资源短缺和水环境污染问题日益突 出。据报道 ,我国目前有 50 %的河道和 80 %以上的湖泊受到污染 ,许多湖泊已达不到地 表水 类水质标准 1。水体污染致使水体生态系统遭受严重破坏 ,自净能力减弱
2、,甚至消亡 ,同时 ,景观水体水质恶化对 该地区居民的日常生活造成极大影响 ,这些均严重制约了我国社会经济的可持续发展和影 响了人民的身体健康。由此可见 ,受污染水体的综合治理和修复已刻不容缓。目前 ,污染水体的修复技术主要有截污技术、底泥疏浚和底泥覆盖技术、人工曝气富氧 技术、人工岸边植被技术、清水冲污技术和生物修复技术等 ,但采取截污、底泥疏浚和覆 盖、曝气富氧、清水冲污以及岸边植被缓冲带的建设等在某种程度上都属于辅助治理手段 ,不 能彻底改善水质 ,而生物修复技术则是最具发展前景的主体修复技术。 2 污染水体生物修复技术的特点污染水体的生物修复技术是新近发展起来的一项清洁环境的低投资、高
3、效益 ,便于应用、 发展潜力巨大的新兴技术 ,它利用特定生物 (特别是微生物 )对水体中污染物的吸收、转化 或降解 ,达到减缓或最终消除水体污染、恢复水体生态功能的生物措施 ,这一过程是受控或 自发的 2。与传统的物理化学修复技术相比 ,生物修复技术具有以下优点 : (1)费用省 ,仅为现有环境工程技术的几分之一 ,如采用生物清淤比机械清淤费用将节省 80 %以上 ; (2)环境影响小 ,不会形成二次污染或导致污染物的转移 ; (3)可最大限度地降低 污染物浓度 ; (4)可用于处理常规污染治理技术难以应用的场地 ,如受污染的地面水体、受 石油污染的洋面、受污染的土壤和地下水 3 ,4。 微生
4、物是地球生态系统中最重要的分解者 ,其对环境中污染物的代谢作用是生物修复的技 术基础 ,因此 ,环境中微生物群落对其中污染物的去除起着决定性的作用。水质恶化的水体 中污染物之所以难以降解的主要原因是环境体系中不存在或存在少量可降解污染物的微生 物 ,即使存在少量可降解污染物的微生物 ,也会由于竞争和捕食作用等微生物的生态关系使 其很难大量繁殖并发挥降解污染物的能力 ;水体的温度、 pH、盐度、溶解氧及营养等外部收稿日期 :2003-10-09;修订日期 :2003-11-21基金项目 :河海大学创新基金 (2003412343) 作者简介 :李继洲 (1974),男 ,甘肃兰州人 ,博士 ,主
5、要从事污染水体修复技术研究。 E2mail :lijizhou citiz. net 湖泊等大水体的特点和治理技 修复被三氯乙烯等有机卤代化合物和芳香烃污染的 水体。Vandenberg 等9 发明了保藏假单胞菌的生物 26环境污染治理技术与设备第 6 卷环境条件不适的情况下也不利于微生物降解能力的 发挥 ;加之在自然条件下微生物对水体的自净速度 是很慢的 ,必须采取人为的强化措施才能加快这一 进程 ,所以 ,通常所说的生物修复一般是指人为强化 条件下的生物修复。 3 污染水体生物修复技术种类及研究现状迄今 ,已开发出多种有关污染水体生物修复的 方法及其实施技术 ,这些方法主要包括接种微生物
6、法、土著微生物培养法和高等生物修复法等 ,其工程实施主要有原位修复技术、异位修复技术和原位 2 异 位联合修复技术。生物修复中可利用的生物包括微 生物(细菌、真菌)、原生动物和高等动/植物等多种 生物,其中微生物对水体中污染物的降解起主要作 体生物修复技术,在流动水体中,无固定设备和完全 自然状态下,用喷洒微生物的方法把被污染河道水 体中有机物转化为无机物,这种 CBS 微生物生态系 统主要包括光合细菌、乳酸菌、放线菌和酵母菌等含 有多个属、几十个具备各种功能的微生物,构成了降 解功能强大的微生物菌群,它不仅可以去除水体中 有机污染物、消除恶臭和解决水体富营养化问题,而 且对底泥有一定的消化作
7、用,采用该种生物制剂修 复重庆桃花溪水体,取得了较好的试验效果7 。Nu2 mata8 培养出一种含假单胞菌和硝化 细菌的新型微 生物,可在 24 h 内降解 30 mg/ L 的三氯乙烯,可用于制剂,可以很好地保存菌种,含有活性假单胞菌的液 术工程实施的可行性 用,针对受污染河流、 ,采用原位修复技术则更具经 济和技术合理性。原位生物修复技术不需要搬运或输送污染水体 (包括底泥和岸边受污染的土壤),而是在受污染区 域直接进行污染水体的原位处理 ,修复过程主要依 赖于被污染水体微生物的自然降解能力和人为创造 的适宜微生物降解的条件。污染物降解的主体 微生物一般采用土著微生物 ,有时也加入经过人
8、工 驯化和培养的微生物以及商品化的适宜微生物菌 剂。而通过向污染水体添加原生动物、种植高等植 物和驯养高等动物等手段 ,建立并丰富水体的生态 系统 ,也可以达到净化水体的宏观效果。污染水体 的生物修复技术研究现状详述如下 : 311 接种微生物技术这种技术适用于当水体中污染物的降解菌很少 甚至没有 ,在现场富集培养降解菌存在一定难度时 的情况 ,它是通过向水环境中引入菌种来实现的5。 目前 ,向水环境中引入的菌种可以从待修复水体中 的土著微生物中富集而得 ,也可以从其他环境中分 离得到 ,甚至可以使用基因工程菌 ,因此 ,投加微生 物按来源可分为土著微生物、外来微生物和基因工 程菌。向水体中投
9、加菌种净化水体的技术是从清除 海洋石油污染开始的。从受石油污染水体中可以分 离出高效除油菌株 ,这些菌株经过驯化、富集、筛选 和培养后可制成生物制剂用于海洋及淡水水域有机 污染物的生物修复6。针对城市内陆河的有机污染 ,美国 CBS (Central Biological System)公司的科学家开发研制了 CBS 水体制剂可用于水环境的现场修复。水体中存在一些有益微生物菌群 ( EM 菌),包 括光合细菌 ( Photosynthesis bacteria)、硝化细菌 ( Ni2 trobacter 或 Nitrosomonas)、芽孢杆菌 ( Bacillus)、乳酸 菌( Lactob
10、acillus)、枯草杆菌 ( Subtilis)、放线菌 ( Acti2 nomyces)和酵母菌 ( Microzyme)等 ,对污染水体特别是 水产养殖水体的修复是非常有效的 ,近年来采用有 益微生物修复水体取得了一定的研究成果。中国科 学院淡水渔业研究中心采用光合细菌修复鳗鱼养殖 池水 ,水中氨氮下降 5711%,溶解氧增加 5416%,对 虾养殖池投放光合细菌后 ,氨氮去除率达 58 %,硫 化氢去除率为 50 %,溶解氧增加 1316 %10。陈繁忠 等11 从淡水养鱼池底泥分离出一种光合细菌 ,在实 验室研究了菌种投加量、光照条件、温度、盐度和常 用水产杀虫剂 ,如硫酸铜、敌百虫
11、用量等条件对净化 养殖池水质效果的影响 ,取得了优化的试验效果。 在使用光合细菌修复大观河水的研究中 ,BOD5、 CODCr、TN、TP 和 SS 等水质指标的去除率分别可达 8114% 8417%、76 % 7819%、63 % 6513%、 3617%5215%和 7216%9313 %;对成都府南河 某些河段进行光合细菌处理后 ,水中 CODCr 的去除 率可达 6213%7711%,特别是使用高活性包埋载 体将光合细菌包埋固定后 ,可增强水体的修复效 果12 。美国 Alken2Myray 公司生产的美菌方 Alken clear2F10 就是利用酶和光合细菌的功能 ,修复水产 养殖
12、水体的先进产品13 。近年来 ,随着环境微生物技术的发展 ,基因工程 菌在污染水体的修复方面愈来愈显示出其优势。基 因工程菌是将不同细菌的降解基因进行重组 ,将分 第 1 期李继洲等 :污染水体的生物修复技术研究进展属于不同细菌个体中的污染物代谢途径组合起来以 构建具有特殊降解功能的超级降解菌 ,可以有效地 提高微生物的降解能力 ,从而提高生物修复效果。 早在 1970 年 ,美国就有以铜绿假单胞菌 ( P1 aerugi2 nosa)作为宿主微生物 ,将恶臭假单胞菌 (P1 putida) 等微生物携带的降解质粒转入其中的基因表达 ,构 建了同时带有多种降解性质粒的“超级微生物” ,将 其用
13、于修复海上溢油污染 ,几个小时内便可去除浮 油 ,而在自然条件下这些浮油需要一年时间才能被 降解 14 。对于接种有效微生物或基因工程菌的技术 石油烃的降解速度19 ,目了 Exxon Valdez 原油泄露所造成阿拉斯加污染区域前国内外学者对此颇有争议 ,主要是考虑到环境的。Levy 等20 发明了一种用于 水和陆地环境中有机或无机污染物控制的污染物减 少剂 ,适于修复被石油、柴油和汽油等污染的水体。 安全性因素。因此,采用生物酶、表面活性剂和营养 物质等激活土著微生物的降解活性成为被广泛认可 的一种水体生物修复手段。 312 培养土著微生物技术 这是一种污染水体的微生物强化修复技术 ,它
14、通过向水体中投加营养物质、无毒表面活性剂、电子 受体或共代谢基质来激活水环境中本身具有降解污 染物能力的微生物 (即土著微生物 ),充分发挥土著 微生物对污染物的降解能力 ,从而达到水体修复的 目的 15 。 31211 投加营养物 (激活剂 )的强化水体修复技术通过投加营养物刺激水体微生物发挥修复作用 最为成功、规模最大的例子是 1989 年美国 Exxon 公 司和美国环保局联合实施的“阿拉斯加研究计划”。 在阿拉斯加威廉王子海湾石油污染修复工程中 ,科 学家们有控制地投加 2 种亲油性肥料 (氮源是含尿 素的油酸 ,磷源是三 (42 月桂烷基 )磷酸酯 )作为微生 物营养成分。研究发现
15、,与对照海滩相比 ,加入肥料 的海滩沉积物表层、亚表层的异氧菌和石油烃降解 菌的数量增加了 12 个数量级 ,石油类污染物的降 解速度提高了 23 倍 ,多环芳烃的浓度明显下降 , 整个修复过程加快了近 2 个月的时间 16 。Bragg 等17 的研究表明 ,在修复过程中 ,石油的生物降解 速率主要取决于沉积物孔隙中含氮营养物的浓度、 石油污染负荷和已发生的自然生物降解程度。徐亚 同等 18 采用 Probiotic Solutions 公司的水体净化促生 液 (主要含有多种酶、有机酸、微量元素和维生素等 成分 ),对上海徐汇区上澳塘黑臭水体进行生物修复 试验 ,研究发现 ,该促生液可使水体
16、中微生物由厌氧 向好氧演替 ,生物由低等向高等演替 ,同时水体中生 物多样性增加 ,使污染水体向良性生态系统转化 ,从而促进水体中污染物的降解 ,并有助于富氧和达到 有效消除水体黑臭的作用。 31212 投加表面活性剂的强化水体修复技术表面活性剂 (生物的或合成的 )由于能够增强憎 水性化合物的亲水性和生物可利用性 ,从而有助于 提高环境中微生物的数量和有机污染物的降解速 率 ,因此成为一种重要的污染水体生物修复的强化 手段。目前已有许多关于利用微生物表面活性剂对 受烷烃和原油污染的土壤和洋面进行生物修复的报 道 ,如利用铜绿假单胞菌合成的海藻糖酯 ,大大提高31213 投加电子受体或共代谢基质
