微生物在污染环境生物修复中的应用

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1、 3 国家计委、 教育部 “十五”211工程重点学科建设项目(211ECMS)资助33 通讯作者收稿日期:2005207225 改回日期:2005211204微生物在污染环境生物修复中的应用3张逸飞1 钟文辉133王国祥2(11 南京师范大学化学与环境科学学院 南京 210097 ;21 南京师范大学地理科学学院 南京 210097)摘 要 生物修复是一项利用生物特别是微生物治理污染的技术。与理化修复方法相比具有投资少、 对环境影响小的优点。本文重点分析了影响微生物修复的关键因素,包括生物因素、 营养因素、O2和电子受体、 表面活性剂和共代谢物等,并介绍了微生物在生物修复中成功应用的实例,讨论

2、了生物修复所具有的优势和存在的不足及今后研究重点。关键词 环境污染 微生物 生物修复 脱氮 石油Application of microorganism in bioremediation of contaminated environment. ZHANG Yi2Fei1,ZHONG Wen2Hui1,WANG Guo2Xiang2(1. College of Chemistry and Environmental Science , Nanjing Normal University , Nanjing 210097 ,China;2. College of Geographical Sc

3、ience , Nanjing Normal University , Nanjing 210097 ,China) ,CJEA,2007 ,15 (3) :198202Abstract Bioremediation is a technique that uses living organisms ,micro2organism in particular , to remove pollutantsfrom contaminated environments. Bioremediation has gained momentum in recent years because of its

4、 low investment re2quirement and environmental impact as compared with other remediation techniques and has thus become a viable andpromising mode for restoring contaminated sites. In this paper ,key factors , including biological factors , nutrient factors ,O2and electronic receptors , surfactants

5、,co2metabolites , that affect bioremediation are discussed , some successful examplesof bioremediation are given , and the merits and demerits of bioremediation expounded.Key words Environment pollution , Microorganism , Bioremediation , Denitrification , Petroleum(Received July 25 ,2005 ;revised No

6、v. 4 ,2005)生物修复(Bioremediation)又称为生物恢复(Biorestoration) ,是指利用生物特别是微生物的代谢潜能消 除或减少污染地区有害物质浓度的技术5。自1989年以来生物修复技术已被用于清除受污染农田、 地下 水、 河流、 湖泊和海洋等环境中的污染物,这些污染物包括石化产品、 多环芳烃、 卤代烷烃、 卤代芳烃6以及 引起水体富营养化的其他成分等。虽然微生物不能降解重金属,但可转移重金属或降低其毒性。实践表 明,生物修复是治理大面积污染的一种实用性强的技术。生物修复通常分为原位修复和异位修复。原位修 复是指通过在污染地点投加刺激物或人工培养的微生物加速污染物

7、质的分解,使污染物在当地降解。异位 修复则是指将被污染的土壤或水移至专门的反应器中进行修复。生物修复常以原位修复为主,因不需另建 处理设施,且修复的场地可以照常用于生产,并可与其他技术结合使用,降解过程迅速,费用低5 ,7。1 影响污染环境微生物修复的几个关键因素成功的生物修复需具备的前提条件一是必须存在具代谢活性的微生物,这些微生物在降解或转化化合 物时必须达到一定的速率,且不会产生有毒物质;二是目标化合物必须能够被微生物利用,污染场地不含对 降解菌种有抑制作用的物质,否则需先行稀释或将该抑制剂无害化;三是污染场地或生物反应器的环境条 件必须有利于微生物生长或保持活性;四是技术费用必须尽可能

8、低。实际应用中常采用投加具有高代谢活 性微生物(生物扩张法)和投加营养物、 电子受体或共代谢物以及改变生物生活的条件(生物刺激法)等方 法。111 生物因素 在自然状态下环境中存在大量可降解污染物质的微生物5,但其浓度一般很低。当环境被污染时由于第15卷第3期中 国 生 态 农 业 学 报Vol. 15 No. 32 0 0 7年5月Chinese Journal of Eco2AgricultureMay , 2007微生物受驯化,降解该种污染物的微生物数量会逐渐增多。如在自然状态下可降解烃类的微生物只占微生 物总数的1 % ,但在石油污染的环境中这一比例可上升至10 %8。添加可降解污染物

9、质的外源微生物可强化对污染物质的降解,有助于达到理想的处理效果。采用质粒转移、 基因工程技术和原生质体融合技术等 构建工程菌在环境生物修复中具有比较好的应用前景9。但由于生物工程菌在自然环境中缺乏竞争优势,及其可能潜在的对生态安全的威胁,目前环境治理中应用很少。 植物在水体和土壤生物修复中也可起一定的作用。植物可直接吸收污染物质,通过转化和输送,以非 植物性毒素的形式进行积累1013。另一方面,植物通过向土壤中分泌营养物质(单糖、 氨基酸、 脂肪族化合物、 芳香烃等)和酶以及传递O2到根部来刺激根系周围微生物生长,并改变土壤的生化活性,从而加速土壤的生物修复作用11 ,13。近年来研究表明植物

10、根系的分泌物不但可为微生物提供营养物14,同时可诱导微生物降解某些难降解的有毒物质如多氯联苯15 ,16。水生植物可向沉积物、 根围、 茎叶围释放营养物质和O21720,使沉积物中的微生物通过好氧的方式矿化污染物,提高微生物活性及对污染物的矿化能力。Rad2wan等21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。112 营养物质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22 ,23。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24 ,25。

11、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26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 %。113 O2和其他电子受体 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。O2是好氧性微生物的电子受体,石油类化合物和饱和芳香烃的降解均需要O2。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,

12、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27 ,28,投加硫酸盐也可促进苯的降解29,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30。另外,沉积物可在Fe3 +存在的还原性条件下矿化苯31和芳香烃32 ,33。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。氯酸盐还原菌对芳香烃的降解没有直接的作用,但 可为好氧微生物(如假单胞菌

13、)提供分子氧34。研究表明只要向土壤中投加67g/ 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35。114 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36 ,37。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3840。一种南极洲假丝酵母在植物油41或十一烷42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。目前在实际中应用较多的是非离子表面活性剂吐温80。115 共代谢物 微生物可通过共代谢加速降解一些难降解有机物。甲烷氧化菌可通过共代

14、谢降解多种污染物,包括对人体健康有严重威胁的三氯乙烯和多氯联苯等。研究表明在甲烷和溶解氧存在条件下三氯乙烯的降解率 可达到10 %20 %43。杜秀英等1发现用邻二氯苯作为初级营养共代谢物,可增强菌株对较高氯代二 英的降解能力。Robert等44发现混合培养微生物在含有柴油的基质中可将苯并芘矿化为CO2,在存在0107 %012 %柴油条件下可使10mol/ L苯并芘的矿化率在两周内达到33 %65 %。2 污染环境微生物修复效果及机理211 石油污染的微生物修复 针对石油污染的生物修复的研究较多。石油生产和运输造成的污染随处可见,如油轮泄漏、 石油加工第3期张逸飞等:微生物在污染环境生物修复

15、中的应用199 企业排污、 输油管道破裂等造成水体、 土壤和地下水的污染。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4547。由于自然界石油的降解是一系列微 生物共同作用的结果,没有一种微生物能降解石油中所包含的所有碳氢化合物,有些微生物本身并不能分 解碳氢化合物,但其在石油去除中发挥着重要作用43。1989年Exxon石油公司的油轮在阿拉斯加Prince Willian海湾发生溢油事故,溢油量达4170m3,污染海 岸线

16、长达500600km。为了消除污染,该公司采用原位生物修复措施,通过喷施营养物(N源、P源)加速海 滩上自然存在的微生物对污染石油的降解,使石油污染程度明显减轻,并未向周围海滩及海水中扩散24。 美国犹他州某空军基地采用原位生物降解修复航空发动机油污染的土壤,在土壤湿度保持8 %12 %条件 下,添加N、P等营养物质,并通过在污染区打竖井增加O2供应。13个月后土壤中平均油含量由410mg/ kg 降至38mg/ kg。荷兰一家公司应用研制的回转式生物反应器,使土壤在反应器内与微生物充分接触,并通 过喷水保持土壤湿度,在22 处理17d后,土壤含油量由10006000mg/ kg降至50250mg/ kg。 虽然可降解碳氢化合物的微生物在自然界中广泛存在,但是土著微生物不能很好地降解像石油这样复 杂混合物中的所有成分23,另一方面自然状态下微生物浓度较低。