微生物修复（精选12篇）
微生物修复 篇1
自然界中, 微生物是十分重要的污染物分解者, 而目前在土壤修复领域, 微生物修复技术正日渐受到关注。在河南和江苏等地, 受污染的土壤经过微生物修复, 基本恢复了耕地功能。
“微生物是自然界最重要的污染物分解者, 微生物修复技术被公认为是最具潜力的修复技术。”土壤修复专家、北京三色微谷集团董事长王立平表示。
微生物技术助力土壤修复
近日, 环保部与国土资源部联合发布了2005~2013年全国土壤污染状况调查公报。结果显示, 在实际调查面积630万平方公里中, 全国土壤总超标率为16.1%;部分地区土壤污染较重, 其中镉、汞、砷、铜等重金属污染问题突出。
“随着我国经济社会的快速发展和人口的不断增加, 土壤污染总体上呈加剧趋势。”中国环境科学研究院土壤污染与控制研究室研究员李发生表示。
一些地区粮食重金属含量超标的情况十分严重。国土资源部副部长、国务院第二次全国土地调查领导小组办公室主任王世元介绍, 全国中重度污染耕地大约有近5000万亩。
“我国土壤污染比其他国家都要严重, 日益加剧的污染趋势可能还要持续30年。”中国土壤学专家、南京农业大学教授潘根兴表示。
据了解, 当前我国土壤污染呈转移扩散之势, 出现了由工业向农业扩散、城区向农村蔓延、地表向地下渗透、上游向下游转移、水土污染向食物链延伸的趋势, 加强土壤污染防治已刻不容缓。
严峻的污染问题催生了土壤污染修复行业, 各种土壤修复技术也应运而生。除了传统的化学、植物等修复路径之外, 微生物修复近年来越来越活跃。
日前, 中国高科技产业化研究会公布的最新结果显示, 通过微生物修复, 可使镉污染产区稻米上餐桌。也就是说, 通过微生物修复技术, 原本受污染土地的农作物不再“危险”。
“多年前就有行业专家提出过‘以菌抑菌’的理念。”王立平告诉笔者, 通过推动植物、动物、微生物与人类的和谐共生共存, 恢复环境的原生态, 还原土壤的原生态, 实现食品的原生态。
王立平此前曾带领科研人员在河南兰考进行过试验, 使用其自主研发的有益微生物“三色原菌剂”的示范组平均亩产达到了507.5公斤, 地块土壤细、松软、通透性好、层次分明, 且长在土壤中的小麦根系比一般的多50%, 须根长而粗;未使用“三色原菌剂”的地块平均亩产量只有355公斤。
“这项科技成果已在辽宁、黑龙江、吉林、新疆、湖北恩施、福建、江苏等20多个省、市、县进行了9年多示范推广, 建立了多个种植、养殖、水产等农业项目示范区, 水稻、蔬菜、果业项目不仅可恢复土壤活力, 还可增产15%~80%。”王立平表示。
此外, 佛山金葵子植物营养有限公司研发的微生物产品“金无踪”, 能改变土壤中重金属的离子形态, 降低重金属的活性, 消除重金属对农作物的毒害, 降低农产品的重金属含量。经检测, 在中轻度污染的稻田土壤里, 稻米镉含量降低幅度达23%~57%, 达到国家食品卫生标准。
有望进入土壤修复市场
微生物修复技术并非只在实验室内有效, 在实战上也已取得了良好的成果。笔者了解到, 在河南省濮阳市, 有一块因为中原油田开采过程中形成的2.9万亩油区石油污染地, 多年来一直无法耕作。几年前, 河南省地矿局地质环境调查院承担了该地块的土壤修复技术研究项目。研究人员以微生物修复技术为主, 利用植物的协同作用与自行研制的营养液相配合, 辅以物理和化学法。最终, 这块土地石油污染物降解率达到85%, 含盐量降低85%, 治理后的土地基本恢复耕地功能。
而在江苏省盐城市新洋农场也有一块受到污染和地力下降的稻田。2008~2010年期间, 科研专家对这块地施用微生物菌剂进行修复, 结果显示, 在同样中等偏下的地力条件下, 分蘖肥和穗肥每亩平均少施5公斤, 每亩有效穗数达23.09万穗, 比对照田增长了18.28%, 每亩单产达到678.54公斤, 比对照田增产15.47%。
笔者注意到, 环保部、发改委和国家统计局即将完成的全国第四次环保产业调查结果显示, 我国土壤修复产业产值尚不及环保产业总产值的1%;同时, 在我国环境服务业中, 涉及土壤治理的生态修复企业占3.7%。
“与大气、水污染治理相比, 我国的土壤污染治理几乎没有起步, 总体差距较大。但一旦市场打开, 规模将远远大于大气和水污染的治理。”环保部生态司司长庄国泰表示。这意味着, 微生物修复技术有望快速进入土壤修复市场并产生巨大的经济效益。
然而, 由于多数人对于微生物修复技术缺乏了解, 该技术及产品的推广难度较大。从国家层面上看, 一方面是土壤污染不断加剧, 另一方面则是土壤污染的防治和修复技术落后, 尤其是政府对土壤污染治理与修复领域的研发投入偏弱。
环保部南京环境科学研究所土壤污染防治研究中心主任、首席专家林玉琐表示, 我国制定了防治大气污染、水污染、海洋污染的法律, 但防治土壤污染的法律却过于分散、零星。特别是一些土壤保护和管理的地方性法规还没有制定, 对土壤污染的控制与治理还缺乏系统的政策框架。
“相对于水污染和大气污染治理, 土壤污染治理的成本更高。”北京师范大学水科学院教授王红瑞在接受笔者采访时表示, 地表水有自净功能, 而土壤不但没有这种功能, 反而具有污染的累积性和积聚性。这就决定了受污染的土壤必须先充分监测、论证、修复完成, 才能开发利用。
专家表示, 从长期看, 国家有关部门应帮助、督促地方用信贷、税收等市场手段促使企业主动减少各类污染排放, 率先严格治理已有的各种污染。同时, 可考虑扶持和鼓励地方率先打破部门分割, 统筹各方力量, 在一定范围内建立并完善覆盖国土、农业、环境等各领域的土壤污染监测体系和管理体制, 率先建立起土壤污染的行政问责制度, 在全国范围内谋求土壤污染治理的“治本”之策。
微生物修复 篇2
微生物修复石油污染土壤营养平衡的研究
摘要：以陕北延安南郊石油采油区的烃污染土壤作为供试土壤,供试菌剂为实验室从陕北土壤中的土著菌种驯化而来的优良菌群,通过一系列试验考察了氮磷的`添加量、添加比例对微生物降解石油烃过程的影响.研究发现添加NH4Cl、1NH4NO3、CO(NH2)2的体系中,降解效果明显,其中添加NH4Cl的体系,通过30天的降解,降解率最高达45.10%,生物活性增加1倍.进一步的试验表明,添加营养物质的比例以C:N:P=360:6:1为最佳,与C:N:P=540:6:1的体系相比,石油烃降解率高13%.作 者：林立宁 吴亚妍 LIN Lining WU Yayan 作者单位：西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西,西安,710055 期 刊：环保科技 Journal：ENVIRONMENTAL PROTECTION AND TECHNOLOGY 年，卷(期)：, 16(1) 分类号：X172 关键词：石油烃 营养盐 优良菌群 降解
现代生物技术在生物修复中的应用 篇3
关键词：现代生物技术；生物修复；应用
中图分类号： X171.4 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2016.14.052
我国在经济建设的同时，引发了一系列的环境问题，这也使得我国环境污染问题日渐严重。虽然我国一直在采取相应措施加以控制，但是环境污染依然日渐加剧，这个时候如何在发展经济的同时有效的对环境进行保护，已成为首要问题。现代生物技术是人们通过对环境污染的不懈研究，总结出的重要方法之一，其也在为环境污染问题上如何解决提供了重大依据。
1 生物修复与现代生物技术的主要内容
1.1 生物修复技术
生物修复技术包括两大类：一是微生物修复，也是目前国内外广泛应用的生物修复技术的主导，人们对它的研究也非常重视。主要是通过微生物的降解功能，有效的对环境中的污染物进行分解与清除，来进行对环境污染的控制。微生物修复的成本低，因其本身的特性，不会造成环境的二次污染。在最大限度上有效的解决了以往环境治理的问题，得到了广泛认可；二是植物修复，主要是通过对植物的种植，来对环境中的重金属、放射元素污染以及降解困难的有机物进行有效分解。通过研究表明，植物可以通过自身的生物特性，净化土壤与水质，使土壤与水质得到有效恢复，达到净化环境的目的。我国通过一系列的科学研究，表明植物是可以去除水中的N、P，能够起到一定的净化效果。
1.2 现代生物技术
现代生物技术是生物技术高新技术总称。是以DNA生物技术为根本，来进行生物研究工程[1]。其中包括微生物的生物研究、基因细胞工程、生物降解酶理论、蛋白质等相关的生物技术。21世纪以来，生物技术作为新兴技术一直受到国内外的广泛认识，发展非常迅猛。其特点是通过对微生物与植物来对环境进行“无公害”控制，在处理污染时的最终产物大多数是绿色无公害的生物稳定物质。能直接进行环境的治理，有效避免污染的多次转移，并且其造价相对较低，可以对其产品或副产品作为营养源来加以利用。
这种新型的治理污染方式，有效的解决了生态环境污染面临的问题，其不仅仅污染小，治理效果明显，还能有效的恢复当地原有的生态环境。环境中垃圾废弃物、工业污染等是常见的污染物，可以利用生物技术对其进行处理，改变其原有的分子结构，并且发挥生物降解这一特性，对各种产物和副产物进行从新利用，使得环境污染程度降到最低。其主要原理是利用酶的反应过程，从酶中得到一种活性蛋白质，达到对污染物分子的转换，分解和检测出环境中污染源。因其操作简单、反应条件简单、成本低、过程稳定、效果好等优点，使得其在生态环境治理上得到广泛应用。
1.2.1 核酸探针检测技术 核酸探针检测技术是常用的几种现代生物技术之一。它的主要应用原理是能与特定的核苷酸序列发生特异性互补的已知核苷酸片段作探针，来对DNA序列及片段长度的多态性进行分析。被标记过的探针可以直接探测细胞组织上面的同源核酸序列。具有较高的灵敏性与高度特异性，被广泛应用到对环境中微生物的检测与分析实验中。
1.2.2 酶免疫测定技术 酶免疫测定技术的主要原理是根据抗原与抗体之间的特异性，吸附到固相载体的表面，然后产生一种活性酶作为示踪物，通过与酶相结合，产生结合物沉积在底部，可以根据其颜色变化来进行判断环境中是否存有污染物。酶免疫测定技术具有选择性好、灵敏度高、使用等优点，被广泛应用到检测农药、污染物残留、生物污染等领域中。
1.2.3 生物曝气滤池处理 生物曝气滤池处理技术是对环境中的污水进行通过生物技术进行滤化，对污水进行采样处理，根据污水的水质特征，对微生物菌株的分离与筛选，找出最为合适的微生物，来对污水中的污染源进行分解，有效的对污水进行处理以及资源优化。
2 现代生物技术在生物修复中的应用
生物修复技术其最大的特点就是可以进行环境污染的大面积治理，最大限度的改善环境，并且不会产生二次污染。在通过现代技术的研究，构建了生物高效菌，其能加大微生物对化学物质、农药、有机物等污染物降解，从而达到提高降解效率的作用，有效对环境进行治理，这样也就证明运用现代生物科技可以有效的提高对污染物的清除与控制，并且效果明显[2]。因此生物强化技术加入到传统生物修复技术中，并且结合现代高新生物技术手段来对环境污染问题进行监测与探讨，已成为一种发展趋势。
在通过对微生物的研究表明，微生物最佳的修复时间在30℃，在阿维菌素的试验里，在污染土壤中放入阿维菌素，从中找出讲解效果最好的菌株进行温度测试，可以很清楚的看出在30℃左右效果最佳。我们的生活环境非常适合这种生物修复技术的进行，但是相对还是有一些局限性。它不仅仅只是作用于农药污染领域，其还在石油污染和水体污染的修复中应用也是非常广泛，并且都取得良好的效果。其中对污水的治理就是通过微生物自身的活动机理来对水质中的垃圾毒素进行清理和转换，为达到进化水质的目的。在最大程度上减少水质的污染，并且方法简单且成本低，还可以形成自身的生物循环从根本上解决问题。
3 生物技术的发展趋势
现代生物技术的广泛应用，有效的促进农业、工业与环境治理等多个方面飞速发展。可以通过现代生物技术，对我国丰富的遗传资源，进行合理研发，分离克隆有自主知识产权的基因和基因工程品种。在以“基因”为核心内容的生物产业中取得主动，实现单基因生物抗逆向持久性抗逆、生物性抗逆向非生物性抗逆的转移。借鉴国外成功的转基因经验，完成我国从基因组时代向基因组时代后期转换。因此，合理运用现代生物技术，研发转基因产品，是农业生物技术必要发展道路。
工业生物技术的可持续性发展离不开现代生物技术的进步。现如今人类社会发展离不开能源、人口、环境等问题，随着现代生物技术的飞速进展，使得人们可以设计和构建新一代的工业生物技术，可高效快速地将各类可再生物质资源转化为新的资源和能源。现代生物与工业生产的有机结合，可以有效解决工业生产中环境、能源等问题，在各个领域中都发挥着重要作用。其在生物修复中的作用更是重中之重，在环境污染的处理过程中，传统的物理与化学的处理方法，常常会出现二次污染，并且其应用费用较高。现代生物技术在处理各类环境污染均有较强的适应性，可将其作为代谢底物降解，有效的控制了二次污染。其在环境中的发展趋势将朝着生物技术改良与其他污染处理手段相结合的方向发展，可有效提高对生态环境的治理。
4 现代生物技术在生物修复中的问题探讨
生物技术发展到今天，已被广泛应用到环境治理的各大领域中去，并且得到相应的认可。生物修复技术可以应用到很多领域，如高效生物处理技术、污染事故的现场补救、污染场地的修复等多方面的环境工程项目中。现代生物技术以深入到我们生活中的多个方面并与之息息相关，给我们带来非常重要的作用。但是它在带来作用的同时相对也出现了许多的问题，我们通过生物技术培养出来的菌种在一定程度上破坏了污染环境地区的生态平衡，环境因素受到影响，通常带来可怕的生物灾难。如“水葫芦”事件中，水葫芦的泛滥，造成成了大规模生物入侵，给我国的生态环境造成了极大的影响[3]。要充分提高研究人员的工作水平与道德品质，和其对待生物研究的意识。要加强国际之间的合作与社会机制的强化，才能更好的克服这一系列的问题，使得环境与社会能得到共同的发展。
5 结语
现在生物技术及它相关的产业发展，是环境建设的必要环节，大力发展现代生物技术是发展经济建设的必要前提。随着科技在不断进步，生物修复技术将得到大力发展，其所产生的利益与作用将被人们广泛的应用到各个领域，进行科技生物技术大规模产业化，从根本上改变人类的生活生产方式。
参考文献
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[2] 王颖，郑旭煦，於煌，等.现代生物技术在环境工程中的应用[J].重庆工商大学学报：自然科学版，2007，24（01）：46-50.
[3] 高新林，夏英垚.现代生物技术在生物修复中的应用[J].科技视界，2014（01）：30-30.
土壤修复中的微生物技术 篇4
一、土壤修复中的微生物技术原理
土壤当中的大部分有机污染物可以被微生物降解与转化, 降低或消灭污染物的毒害性。微生物修复技术具体指的是利用天然存在的或经由培养的功能微生物群, 在适宜的条件中使微生物代谢功能得到促进或强化, 最终降低有毒污染物的活性, 或直接使其降解成为无毒物质。微生物降解有机污染物主要包括两种作用方式:一种是经由微生物所分泌的胞外酶进行降解作用;另一种是污染物经由微生物吸收至其细胞内之后, 由胞内酶进行降解作用。微生物从胞外环境中吸收摄取物质主要通过主动运输、被动扩散、胞饮作用、促进扩散以及基团转位等方式进行。
微生物降解与转化土壤中有机污染物的基本反应模式主要包括氧化作用, 醛、醇、甲基的氧化, 硫醚氧化, 氧化去烷基化, 过氧化, 芳环裂解, 苯环羟基化, 环氧化以及杂环裂解等反应形式;还原作用, 醇、乙烯基的还原, 以及芳环羟基化等反应形式;基团转移作用, 脱卤作用、脱羧作用以及脱烃作用等;水解作用, 以及包括酯化、氨化、缩合、乙酰化以及双键断裂等其他反应类型。
二、土壤污染的微生物修复技术的研究应用
1. 原位微生物修复。
原位微生物修复技术不破坏土壤的基本结构, 不需将土壤搬离现场, 主要用于修复被有机污染物污染的土壤。通常直接向污染土壤中供应营养盐、氧源以及外源微生物等, 以促进土壤中特异功能微生物和土著微生物的代谢活性, 提高生物降解能力。原位修复技术主要有生物培养法、投菌法和生物通气法等方法。生物培养法指的是定期向土壤中投加营养物以及在代谢过程中作为电子受体的过氧化氢, 以满足土壤中微生物的代谢活动, 污染物被彻底矿化成为CO2与H2O。投菌法采用的是直接向受污染土壤中接入外源污染物降解菌, 再投加营养物质的方式。生物通气法指的是进行鼓风机和抽真空机的安装, 在污染土壤中打上深井, 将空气强行排入后再抽出, 去除土壤中的挥发性有机物质。可加入一定量的氨气提供氟源, 以提升微生物活性、提高去除效率。
2. 异位微生物修复。
用异位微生物修复技术处理污染土壤时, 需要挖出污染土壤, 以进行集中的生物降解, 主要技术包括预制床技术、厌氧处理法、土壤堆积法、堆肥法以及生物反应器技术等。预制床技术是在不泄漏的平台铺上石子与砂子, 将遭受污染的土壤平铺其上 (15~30cm) , 加入营养液和水, 必要时, 加入表面活化剂, 定期翻动供氧, 使土壤中微生物生长的要求得到满足。达到消除污染的最终目的。过程中流出的渗滤液必须及时处理, 回灌至土层上以彻底清除。
3. 生物反应器技术。
把污染的土壤转移至微生物反应器, 加水混合搅拌成泥浆, 调节p H至适宜状态, 加入营养物质与表面活性剂, 并在提供氧气的同时, 使微生物与污染物得到充分的接触, 以加速降解污染物, 降解完成后进行过滤脱水再运回原地。此法的处理速度快, 效果较好, 但仅适用于小范围的污染治理工作。
4. 厌氧处理技术。
适用于包括三硝基甲苯、PCB等的高维度有机污染的土壤处理, 但处理条件难以得到有效的控制, 并容易产生中间代谢污染物, 因此也较少应用。
5. 土壤堆积法、堆肥法处理。
在污染土壤中直接掺入树枝、稻草、粪肥、泥炭等可以提高处理效果的易堆腐物质作为支撑材料, 使用机械或压气系统进行充氧, 加入石灰调节p H至适宜范围, 进行高温降解有机物的固相反应过程。
三、微生物修复技术的主要内容
1. 生物转化与降解。
研究方法为动态淋溶法, 即在存在和缺乏微生物活性的条件下, 进行一维和二维淋溶试验以达到稳定化金属污染物的目的。研究结果被用于建立地质化学模型, 模拟被固定金属的稳定性, 同时也适用于非生物以及微生物增强淋溶的动力学研究。
2. 分子生物学工程。
研究重点体现于生物修复的分子生物学和结构生物学两个方面。通过增强对于生物修复技术的理解以及强化改善生物修复微生物效能的研究, 筛选与鉴定全新的修复基因或者基因产品。
3. 团体动力学和微生态学。
主要研究的是生态系统中非生命与生命成分两者间的相互作用以及生态动力学过程, 以便了解与掌握此作用过程对于混合污染物的可移动性、降解持久性以及毒性的具体影响。
4. 生物修复技术评价。
研究内容为底层微生物代谢活性的定量确定;具有代谢活性的微生物生物量、硫酸盐、Fe (Ⅲ) 等还原活性的原位测定;电子给予体与电子受体、抑制剂等浓度与组合的选择和优化。
5. 生物地球化学动力学。
研究水力学、地质学、原位地球化学以及微生物学动态过程间的关系。通过研究地球化学与酶反应过程, 探索微生物诱导放射性核素以及有毒金属的还原作用。
6. 微生物修复技术的系统工程化。
描述参数化评价模型和复台地质系统中生物修复方法的开发应用, 以充当微生物修复技术的集成、预测以及优化的生物学工具。
7. 细菌运移。
重点研究微生物以及营养物质的流动与运移, 用于加速与优化生物修复速率的开发。目前主要用于异质性和生长对于饱和多孔介质微生物运移的影响, 好氧和厌氧环境条件中增强细菌运移和对于金属氧化物化学异质性的效果评估等方面的研究。
四、土壤修复微生物技术的发展趋势
滨海湿地的生物修复 篇5
鉴于日益突出的滨海湿地生态环境问题及生物修复技术的优越性,对滨海湿地的`生物修复技术进行了综述,首先从有机污染及重金属污染方面阐述了生物修复的两大技术应用:微生物修复及植物修复,然后提出最佳的修复技术--植物-微生物联合生物修复,最后指出进一步研究的方向,对滨海湿地的修复会有一定的帮助.
作 者：吉云秀 丁永生 丁德文 JI Yun-xiu DING Yong-sheng Ding De-wen 作者单位：大连海事大学,环境科学与工程学院,辽宁,大连,116026 刊 名：大连海事大学学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF DALIAN MARITIME UNIVERSITY 年，卷(期)：2005 31(3) 分类号：X171.4 关键词：滨海湿地 生物修复技术 植物-微生物联合生物修复★ 地方立法选项机制的思考
★ 固原地方文献开发利用的若干思考
★ 对我省地方文献工作的一点思考
★ 现阶段企业会计政策选择的理性思考
★ 地方文献与地方社会经济发展的几点思考
★ 地方文献信息服务工作的若干思考
★ 多元化视角下对大学生就业政策的思考
★ 苏北里下河地区湿地资源可持续利用的思考
★ 对广西地方文献资源网络建设的思考
微生物修复 篇6
关键词:景观水体生物操控生态修复
中图分类号:X524文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0125-01
The application of bio-manipulation technology on ecological restoration of scenic waters
Abstract:Scenic waters in cities were often excluded from outside water sources;lack of water circulation and accumulation of pollution substances resulted in ecological imbalance and the loss of landscape value.In this study,we applied the technology of water circulation to celebrate water mixing and enhance the growth of phytoplankton and their capacities of absorbing pollutants in waters.It could be a new integrative approach of restoration in scenic waters.
Key words:scenicwater,bio-manipulation,phytoplankton,Cladocera,filter-feeding fish,ecological restoration
城市景观水体与外围水网的隔绝,面源污染的不断汇集使水体受到污染,结果导致水质恶化、生态系统结构退化并失去景观价值。本试验是在静态水体中使用Solarbee太阳能循环增氧装置(美国Pump System Inc公司)连续对水体进行增氧以提高自净能力,并在水质许可和生物群落转化的“节点”适当投放鱼类,达到治理污染和恢复生态的双重目标。
1 材料与方法
1.1 试验设置
试验在张家港市万红苑小区的人工河塘内进行,时间为2009年3月至2009年9月。安装一台太阳能循环增氧装置,每天运转20小时。在4月10日枝角类大量繁殖时期向试验水体中投放鳙鱼(10g/m2)和鲫鱼(30g/m2),并于6月16日轮虫大量繁殖期间投放观赏鱼(75g/m2)。
1.2 水体中总氮、总磷的检测方法
总磷的测定:钼酸铵分光光度法(GB11893-89);
总氮的测定:碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法(GB11894-89)。
1.3 浮游生物的检测方法
分别用13号和25号浮游生物网采集水体中的浮游动物和浮游植物,鲁戈氏液固定,使用浮游动物计数框和浮游植物计数框对采集水样进行取样计数,取样5次,取其平均值。
2 试验结果
2.1 浮游藻类的变化趋势
水体中的浮游藻类多达27种,试验之初万红苑小区池塘的蓝藻组成以小颤藻和微囊藻等蓝藻为主,至试验后期则以小色球藻为主,色球藻个体非常小(5μm左右),其巨大的个体数量不足以代表其有巨大的生物量。另外,小色球藻为单细胞分布的,与微囊藻的群体状态不同,很少浮到水面上,并且其个体较小可以被浮游动物(轮虫,枝角类等)取食而进入食物链。
2.2 万红苑小区池塘水体中主要浮游动物类群的变化趋势
本试验水体中的主要浮游动物类群以枝角类(以鸟喙尖头溞(Penilia avirostris)为主,其密度在试验开始时出现快速上升,与水体循环增氧曝气后溶解氧增加、枝角类得以快速繁殖有关,高密度的枝角类抑制了藻类的生长。
当富营养化物质(污染物)被藻类吸收,并被转化到枝角类体内后,鱼类的捕食作用进一步将这部分物质转化富集到鱼类组织中,而不是由于枝角类因耗尽藻类而死亡后把污染物重新释放到水体中。
2.3 试验水体中的总氮与总磷的变化趋势
总磷的趋势与总氮的变化趋势相仿,但是在试验后期的起伏高于总氮,主要是动物排放的氨氮、尿素(酸)等可以被浮游植物直接吸收,而所排放的颗粒有机磷必须被分解为无机磷后才能被吸收,因此水体中的磷存在着排放与吸收的时间差;同时水体生物群落的不同浮游动物种群的变化并非一致,引起氮、磷的含量在一定小范围的浮动。藻类对氮、磷吸收作用是氮磷含量下降的主要原因之一,该过程已經被多方面的试验所证明,藻类吸收氮磷的特性因此经常被应用进行污染水体的治理和生态修复工作。
3结论
本试验的结果表明,连续循环增氧通过增加水体中溶解氧并破坏静态水体的分层现象,有效提高了水体浮游藻类的多样性,促进藻类对污染物的吸收;加快氮、磷及其它污染物质通过“藻类—浮游动物”生物链向更高营养等级的转化。
由此可见,循环增氧技术与生物操控技术的综合应用,可以快速有效地改善水体的水质状况,并通过人工补充缺失生物延长食物链,形成可持续的转化和富集污染物质的人工生物链条,建立长期稳定的人工生态系统是景观水体生态修复的最终目标。
参考文献
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石油污染土壤的微生物修复技术 篇7
石油污染物进入土壤后,会破坏土壤结构,影响土壤的通透性。油污粘着在植物根系上,阻碍植物根系的呼吸与吸收,影响植物生长。被污染的土壤还可能对地表水和地下含水层造成二次污染,石油污染物在粮食中积累,给人类带来致癌、致畸、致突变的“三致”作用。多年来科学工作者一直在广泛研究,寻求经济、有效、安全、简便的方法来消除土壤石油污染。
油田污染土壤的修复,可以采用物理方法、化学方法和生物方法,其中生物修复技术被认为是最有生命力的土壤清洁技术、是实现生态效应恢复的最有效措施,与前两者相比,具有操作简单、处理效果好、不产生二次污染、不破坏土壤环境等优点,而其中的微生物修复技术更是生物修复的核心技术。
1 微生物修复技术简介
微生物修复技术是利用土壤中的土著微生物或向污染土壤中投入经驯化的高效微生物,在适宜条件下通过菌的代谢活动降解石油污染物、修复污染土壤。
按照是否取土操作可分为两类:原位生物修复和异位生物修复。
原位修复技术的主要处理方法有生物通风法、投菌法和生物培养法,此法工艺简单、费用低、但处理速度慢,适用于渗透性好的土壤的治理。异位修复主要包括土地耕作法、预制床法、土壤堆肥法及泥浆生物反应器法,但是费用昂贵,所以只有在土壤严重污染时才采用该技术。
2 用于生物修复的微生物菌种
用于生物修复的微生物有三类,土著微生物、外来微生物和基因工程菌。
自然界中能降解烃类的微生物约100余属、200多种,分属于细菌、放线菌、霉菌、酵母以及藻类。常见的细菌有假单胞菌属、黄杆菌属、棒杆菌属、微球菌属、弧菌属、放线菌属等[1]真菌有假丝酵母菌属、红酵母属、木霉属、青霉属和曲霉属。一般认为,细菌分解原油比真菌和放线菌容易,但真菌降解效果好于细菌[2],而藻类和原生动物的降解能力不太显著。
当受污染环境中的土著微生物生长过慢、代谢活性不高时,我们可人为投加一些适宜该污染物降解的高效外来菌帮助降解。另外,采用基因工程技术还可将降解性质粒转移到一些能在受污染土壤中生存的菌体内,定向地构建高效降解污染物的工程菌。到目前为止,已发现自然界所含的降解性质粒多达30余种,其中主要的有假单胞菌属中的石油降解质粒,能编码降解石油组分及其衍生物。
3 微生物修复技术的主要类型
3.1 原位微生物修复
原位修复是指不移动受污染的土壤,在原位投放氮、磷营养物质或供氧,促进土著微生物的生长繁殖,或接种经驯化培养的高效微生物,利用其代谢作用有效的降解土壤中的污染物。
3.1.1 生物通风
又称土壤曝气,是基于改变生物降解环境条件(如通气状况等)而设计的,是一种强迫氧化的生物降解方法。其原理是在待治理的土壤中打至少两口井,安装鼓风机和抽真空机,将空气(空气中加入氮、磷等营养元素)强行排入土壤中,然后抽出,土壤中的挥发性毒物也随之去除。在抽提过程中可以加入一定量的氧气,有助于降解残余的有机污染物,如原油中沸点高、分子量大的组分。丁克强等研究了通气对石油污染土壤生物修复的影响,表明通气可为石油烃污染土壤中的微生物提供充足的电子受体,保持土壤pH稳定,从而促进了微生物的生物代谢活性,强化了对石油污染物的氧化降解作用[3]。
3.1.2 投菌法
投菌法是向受污染的土壤中投入高效降解菌,同时提供这些微生物生长所需营养,包括以N、P为主的常量营养元素和微量营养元素。其微生物可以是自然界筛选的微生物,也可以是基因工程菌。Mohn W W等对北极原油污染土壤现场接种抗寒微生物混合菌进行生物修复,1y后土壤中油浓度降到最初的1/20[4]。
研究表明,外源微生物由于对污染物的不适应而通常不能与土著微生物有效的竞争,因此只有在现存微生物不能降解污染物同时,我们才会考虑引进外源微生物。同时在应用时,我们还需在接种量上加大,使外源微生物形成优势菌群,以便迅速开始生物降解过程。
3.1.3 生物培养法
是以就地污染土壤作为接种物的好氧生物过程。即定期向土壤投加H2O2和营养,过氧化氢在代谢过程中作为电子受体,以满足土著降解菌的需要,将污染物彻底矿化成CO2和H2O。
Kaempfer向石油污染的土壤连续注入适量的氮、磷营养和NO-3、O2及H2O2等电子受体,经过2d后便可采集到大量的土壤菌株样品,其中大多为烃降解细菌[5]。
3.2 异位微生物修复
是把污染土壤挖出,在异地用生物手段进行处理,使污染物降解从而使污染土壤恢复原有的功能。主要包括土地耕作法、预制床法、土壤堆肥法及泥浆生物反应器法。
3.2.1 土地耕作法
土地耕作处理是现场处理土壤污染常用的方法。通过施肥、灌溉和耕作来增加土壤中的有效营养物和氧气,增加物质流动,同时控制一定的温度、湿度和pH值,以提高土壤微生物的活性,加快其对有机污染物的降解。
美国环保局1989年在阿拉斯加威廉王子湾采用生物耕作法对石油污染土壤进行生物修复。将8 600km海岸土壤中由于油轮泄漏造成的污去除时间由10~20y降低到2~3y[6]。
3.2.2 预制床法
土壤耕作处理最大的缺陷是污染物可能从处理区迁移,预制床的设计可以使污染物的迁移量减至最小,因为它具有滤液收集和控制排放系统。操作方法是在不泄露的平台上铺上沙子和石子,将污染土壤转移到平台上,并加入营养液和水,必要时加入表面活性剂,定期翻动供氧,充分满足土壤微生物的生长需要,处理过程中流出的渗滤液,及时回灌于土层,以彻底清除污染物。
张建等针对胜利油田滨一污水站产生的含油污泥,建立了面积2 400m2的预制床处理工程,使用石油降解菌菌剂对含油量为110 160mg的污泥进行了生物修复,经过160d的处理后,含油污泥中石油降解率可达52.75%[7]。
3.2.3 土壤堆肥法
是将含油废弃物与适当的材料相混合并堆放,依靠堆肥过程中微生物作用来降解石油烃类的过程,同时加入了土壤调理剂以提高微生物的生长和石油生物降解的能量。加入的调理剂可以是干草、割草、树叶、麦秆或肥料[8,9],其目的是为了提高土壤的渗透性,增加氧的传输,改善土壤质地,为建立庞大的微生物种群提供能源。
Balba M T等在科威特Burgan油田采用堆肥法处理石油污染土壤,连续处理10m后,土壤中石油污染物基本被降解[10]。
张文娟等研究堆制处理过程对污染土壤中的多环芳烃降解,结果表明堆制对6种难降解的多环芳烃都有不同程度的降解作用[11]。
3.2.4 泥浆生物反应器法
泥浆生物反应器法操作方法是先挖出土壤与水混合成泥浆,然后转入反应器,并将已被驯化的微生物加入到准备处理的土壤中[12]。同时加入一定量的营养物质和表面活性剂,调节适宜的pH,底部鼓入空气充氧,加速污染物的降解。这种方法能很好地控制降解条件,因而处理效果好、速度快,但处理成本要比土地耕作、堆肥等技术高。
Robert M等在生物反应器中使用白腐真菌,处理多环芳烃污染土壤36d后,土壤中低分子量多环芳烃的降解率为70%~100%,高分子量多环芳烃的降解率为50%~60%[13]。
4 影响生物修复的因素
4.1 石油的理化性质
石油产品的可降解性随其组分的种类和大小的不同而改变。一般而言,各类石油烃被微生物降解的相对能力如下:饱和烃>芳香烃>胶质和沥青。在饱和烃部分中,直链烷烃最容易被降解;在芳香烃部分中,二环和三环化合物较容易被降解,胶质和沥青则极难被微生物所降解[14,15]。
其次,石油烃的物理状态对其生物降解也有明显的影响。一般来说,分散到水中的油组分形成油包水型乳化液,油滴表面积越大,细菌对烃的利用率越高。而在土壤系统中,油被植物或土壤吸附限制其扩散,使微生物不能与之充分接触,影响了降解效果。
4.2 石油的浓度
研究表明,少量烃类可作为土壤有机质促进微生物活性,有利于污染物的降解。但当油浓度过高时,表现出石油降解率随着浓度的增大而降低的趋势。
Dibble J T等报道,当向土壤中添加油泥使土壤中烃浓度达到1.25%~5%时,土壤的呼吸强度增大,当烃浓度达到10%时,土壤的呼吸强度不再增大,当烃浓度达到15%时,土壤的呼吸强度下降[16]。
4.3 共代谢作用
共代谢主要是指微生物的“生长基质”和“非生长基质”共酶。“生长基质”是可以被微生物利用作为惟一碳源和能源的物质。而非生长基质(有些污染物)不能作为某些微生物的碳源和能源,其降解并不导致微生物的生长和能量的产生,它们只是在其他微生物利用生长基质时,被微生物产生的酶降解或转化成为不完全的氧化产物,这种产物进而可以被别的微生物利用并彻底降解。
例如许多微生物能以土壤中低分子量的多环芳烃化合物(双环或三环)作为惟一的碳源和能源,并将其完全无机化,但是共代谢更能促进四环或多环高分子量芳烃的降解[17]。
4.4 环境因子
4.4.1 温度
温度对微生物降解石油烃的影响主要是对石油烃物理状态、化学组成以及对微生物本身代谢活性及降解酶的影响。能降解石油的微生物有嗜冷菌、嗜热菌和中温菌等,在进行微生物修复时,要紧密结合当地的气候条件和环境因子。
Ward等研究了环境因素对温暖湖水中烃降解速率的影响,发现烃降解微生物整年活动,但石油烃降解速率与季节相关[18]。
4.4.2 营养物质的供给
微生物的生长繁殖需要碳、氢、氧、磷和其它各种矿物质元素。TPH(石油烃)污染物含有大量的碳和氢,而氮和磷相对缺乏,氮源和磷源是常见的生物降解限制因素,因此适时适量施用氮、磷肥料可以加快石油污染物的降解。研究表明,氮、磷营养物质最佳质量比为5.67∶1。就降解效果而言,无机氮比有机氮效果要好,硝酸氮比铵态氮要好[19]。
4.4.3 氧气
微生物对石油烃的降解可以在有氧条件进行,也可以在厌氧条件下进。一般而言,烃化合物在厌氧条件下的生物降解速率要比在好氧条件下慢得多。因此对于绝大多数好氧微生物实际中可采用翻耕土地方法提供充足氧、或向污染土壤中投加H2O2为微生物降解提供电子受体,强化它们对烃类污染物的去除效果。实验表明,在有氧时烃类经14d可降解20%以上,而厌氧条件下经223d降解不到5%。
5 微生物修复技术的不足及展望
生物修复技术在快速发展的同时还存在着许多的局限性,主要体现在:
①环境因素或污染物存在状态的改变都会使微生物的降解难以进行。
②生物修复时,当污染物浓度太低不足以维持一定数量的降解菌时,残余的污染物就会留在土壤中,使污染物不能达到100%的降解。
③特定的微生物只能够降解特定的化合物类型,化合物形态一旦变化就难以被原有微生物酶系降解。
④其它物质对微生物修复的抑制及促进效应及修复过程中的基因调控机理还有待研究。
在今后工作中,我们应着重做好以下工作:
①深入了解生物修复机理、修复过程的基因调控机制。
②通过基因工程构建高效降解菌。
③尽可能将微生物修复过程与当地实际气候条件和环境因子紧密结合。
总之,微生物修复技术以其效率高、治理费用低和现场可操作性强的特点,仍广泛应用于污染环境的治理。随着生物技术的发展,利用微生物修复技术治理污染土壤将会有巨大的发展潜力。
摘要：该文介绍了微生物修复技术的最新研究内容和方法、重点对石油污染土壤的微生物原位修复、异位修复研究进展及各自的优点、局限性进行了综述,并就石油对微生物修复的影响因素进行探讨,最后讨论了该技术在我国的研究趋势和前景。
微生物修复 篇8
对于土壤污染的传统修复一般采用物理化学方法处理。但该法常常需要建设固定的处理设施,投加化学药剂,在处理运行过程中还需要温度、压力、电力供应等条件,处理成本高,同时还会产生造成二次污染。生物修复技术是一种利用微生物的降解作用来实现恢复石油污染土壤生态系统的技术,其处理成本约为传统的物理化学方法的1/3～1/5。该技术由于其具有处理成本低、没有二次污染、处理条件温和等良好的技术特点,受到广泛重视并得到飞速发展,已经成为目前国内外环境治理技术的研究热点,有望成为十分有前景的环境污染治理的替代技术。国内外有很多文献报道,但大量的研究成果目前仅处于室内研究和现场小试阶段,生物修复的技术效果还不稳定,对高含油量的污染土壤的生物修复效果还不理想。
生物修复是近年来发展起来的一项清洁环境的低投资、高效益、便于应用、发展潜力较大的新兴技术。它是利用特定的生物(包括植物、微生物和原生动物)吸收、转化、清除或降解环境污染物,实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。主要包括两个方面:①利用具有特定的生理生化功能的植物或特异的微生物在原位修复污染场所(土壤或水体);②应用生物处理或生物循环过程,通过精心设计与合理应用阻断或减少污染源向环境的直接排放。因此,生物修复作用是将过去曾经受到污染的土壤或水体通过生物过程得以恢复或清除新污染的污染物。
1 炼油厂废水处理方案
石油是一种天然的烃类混合物,因此,在通常情况下,其中所含的各种烃类物质只要条件适宜,均可被微生物代谢降解,只是难易程度不同。实验研究表明:同系物的抗氧化性随着C原子数的增加而增加,饱和烃比不饱和烃、直链化合物比支链化合物都较易降解,环烷烃及多环化合物较难降解,沥青烃及极性化合物对生物降解最不敏感,含硫芳香化合物的降解速度比不含硫同系物低一倍。
针对石油的化学结构特点,炼油厂废水的再生常采用物理、化学和生物深度处理方法,其中膜分离、高级氧化技术和生物深度处理是当前研究的热点。膜分离技术主要用于炼油废水的脱油、去除悬浮物或者除盐[2];高级氧化技术中臭氧氧化在炼油废水回用中的应用较多,而电化学、光化学技术尚处于试验阶段;生物深度处理具有除污染效率高、运行可靠、费用低等优点,能够获得良好的再生水[3]。
目前,对于炼油厂水污染常采用悬浮载体生物氧化工艺。它是一种在固定填料生物接触氧化工艺的基础上发展而来,利用活性炭作为载体,其强烈的吸附能力,能使水中低浓度的污染质经吸附富集,浓缩于活性炭的孔隙中,在孔隙内部提高了有机物的浓度。既有生物流化床的优点,也有活性污泥法的特点,管理和运行十分方便。处理装置投加填料后经过4周左右(水温20 ℃上下)就可培养出良好的生物膜。针对炼油污水的微量有机物种类与数量均较多特点和水中溶解氧给微生物造成高速生长繁殖的有利条件,使填料表面形成一层致密、均匀呈褐色至浅褐色的生物膜[4]。生物膜上分布数量众多的球状细菌、杆状细菌、纤毛类原生动物、轮虫、环节动物等后生动物,十分有利于污染物的去除。由于生物膜的内层是处于厌氧状态,由于吸附富集大量有机物,提供了足够的碳源,以及NO3-N强烈的向内层渗透,厌氧菌在厌气条件下利用NO3-N中的氧而产生反硝化,变为N2逸出,实现了厌氧脱氮的作用。生物膜内厌氧层中细菌分泌的胞外酶可大量的进入活性炭微孔,将高分子和不溶性的有机物分解为低分子,以供外层好氧菌生化利用[5]。悬浮载体生物氧化工艺实验系统的处理规模为0.5～1.0 m3Ph。工艺流程见图1所示。
2 炼油厂周边土壤污染物的原位生物修复技术应用
对于土壤的修复,目前采用植物修复法和微生物修复法。植物修复技术即植物对环境的修复,它是利用植物及其微生物与环境之间的相互作用,对污染物进行清除、分解、吸收或吸附,使土壤环境得到重新恢复。针对土壤深度为20～30 cm的表层污染土壤常采用微生物生物修复技术和对于土壤深度为大于30 cm深层污染土壤常采用植物修复法。
目前,炼油厂因石油所导致的土壤污染多采用植物修复和微生物修复。
植物修复技术:利用植物体内所拥有的各种脂肪酶促使有机污染物的生物降解及强化有机污染物在根际微域的矿化作用。研究表明:植物根际微生物生态系统的物理、化学与生物学性质明显不同于非根系环境,根系中的微生物数量明显高于非根系土壤,根系可以促进许多污染物的降解。另外,植物根际本身释放出的各种分泌物或酶类在植物修复过程中也发挥着重要的作用,因而使植物的根和茎具有一定的代谢活性。而植物的根表面所形成的菌根现象,有效的促进了对有机污染物的降解作用。
微生物修复:研究发现土壤中降解石油微生物的数量为细菌总数的0.13 %～0.50 %,当石油污染存在时,其数量增加使其所占的比例可以上升到10 %以上。而且当石油泄漏后几天便可检测出石油降解菌数升高几个数量级,对于长期受石油污染的地区,不仅菌属种类明显增加,而且其降解石油的强度也高于无污染区。如:俄罗斯Komi Republic地区,由于石油泄露造成的2000 m2湿地严重污染,当使用名称为“Rhonder”的微生物制剂进行污染地区的土壤生物修复。经过50天的修复试验,土壤中石油含量从最始的0.458 %～0.738 %(w/w)下降到0.224 %～0.259 %,降解去除率达到了20 %～51 %。并且有70 %～85 %的土壤被绿草所覆盖[6]。
目前主要使用的微生物为:节核细菌属(Arthrobacter)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、分支杆菌属(Mycobacterium)、诺卡氏菌属(Nocardia)和短杆菌属(Brevibacterium)。并且研究发现:真菌在土壤石油类污染生物降解性要优于细菌,因此,目前筛选针对性的真菌孢子,选择合适的共生植物,接种形成有效的菌根是降解土壤有机污染的重要研究领域[7]。通过使用棒状杆菌属(Corynebacterium)的CX-ADX-7对荆门石化周边的污染土壤进行试验结果如图2所示。
3 结 论
炼油厂炼油废水以及周围的土壤是原油炼制、加工及油品水洗等过程中产生的一类污染物,其中所含污染物种类多,浓度高,对环境危害大。针对废水目前所采用的多为悬浮载体生物氧化工艺,此法不仅有生物流化床的优点,而且有活性污泥法的特点,在管理和维护上十分方便。而对炼油厂周边的土壤的生物修复则多采用植物修复法和微生物修复法。这些方法修复成本低,适合大面积推广。
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农药光生物降解与生物修复探析 篇9
随着农业病虫害的增多, 农药的使用量也与日剧增。我国20世纪末农药的投放量如表1所示[1]。与化肥相比, 农药具有毒性大、不易降解的特性, 对水环境和生态系统影响更为恶劣, 客观上造成我国水域环境及生态环境污染的日趋严峻。
2 光生物降解农药
2.1 光降解土壤中农药
2.1.1 有机氯类农药。
太阳光曝晒可增强土壤中有机氯类农药的降解:DDT可转化为DDE。γ-BHC的光解符合一级动力学方程, 其降解常数随土壤有机质含量增加而降低;当有机碳含量不变时, 光解常数随铁含量增加而提高, 低有机碳含量土壤中, Fe2O3对γ-BHC有明显的催化作用。
2.1.2 有机磷类农药。
研究表明, 土壤黏粒含量和土壤湿度是影响有机磷类农药光解的主要因素。光解速率随黏粒含量减少而增大;土壤湿度对光解速率影响随农药品种和土壤类型不同差异较大, 湿土壤明显有利于氟乐灵的光解。土壤的有机质含量对光解速率影响不明显。
2.1.3 有机氮类农药。
阿特拉津除草剂在粒度较小的土壤中光解速率较大, 光解深度也较大;阿特拉津的光解速率在湿土壤中大于在干土壤中;土壤的pH值对其光解速率也有影响, 即酸性和碱性土壤均可促进阿特拉津的光解, 在中性左右的土壤中, 它的光解速率会有一个最小值。另外, 土壤中腐殖酸和表面活性剂的存在均会增加阿特拉津的光解速率。
2.1.4 菊酯类农药。
光分解对拟除虫菊酯类农药在表土中的消解起了重要作用。在田间条件下它们能被阳光迅速降解, 因此它们几乎不存在从土壤迁移转化。氯氰菊酯等3种农药在0.5～1.0 mm粒径范围的土壤中光解速率最大, 在0.10～0.25 mm粒径范围内光解速率最小, 说明其合适的通气孔隙有利于农药在土壤中光解。
2.2 微生物降解土壤中农药
现代农业应用的农药是根治病、虫害的最有效的方法之一, 但农药能长时间地残留在环境中, 并随食物链移动, 产生生态毒害作用。土壤是农药在环境中的贮藏库和集散地。农药进入土壤后, 可以被淋溶、蒸发、吸附和降解。土壤中农药的生物降解是农药转化和解毒的主要途径。
农药的生物降解受土壤温度、含水量、pH值、有机质等多种因素的影响。有的农药既可在厌氧条件下降解, 又可在好氧条件下降解;有些农药则仅能在其中之一条件下进行降解。
现已明确参与农药降解与代谢的微生物有:一是细菌类。如极毛杆菌、黄杆菌、农杆菌、棒状杆菌、芽孢杆菌、芽孢梭菌。二是真菌类。如交链孢、曲霉、芽枝霉、镰刀霉、小从壳属、青霉属。三是放线菌类。如小单孢属、诺卡氏菌和链霉属。
土壤中的农药微生物代谢不同于矿化作用, 也不同于动物代谢。微生物对农药的代谢除使农药被氧化或还原而降解外, 它们还将农药作为营养或获得能源的物质。如在厌氧条件下很容易分解γ-BHC和α-BHC的契形梭菌, 能将BHC的这2种异构体分解为γ-4氯环乙烯和α-4氯环乙烯而获得本身生长所需能源。但不论是细菌、真菌还是放线菌, 其主要代谢反应或途径都是大致相同的, 即为β-氧化作用、乙醚裂解作用、环氧化作用和脱卤素作用等。此外, 只有微生物才能裂解芳香环类农药。
2.2.1 有机氯农药。
有机氯农药在土壤中较难降解, 但还是可以缓慢降解的。这类农药虽然在厌氧和好氧条件下均能进行微生物降解, 但在厌氧条件下降解速度更快。例如:DDT在厌氧条件下, 微生物能使之脱氯变为DDD, 或是脱氢脱氯变为DDE。DDD和DDE都可以进一步氧化为DDA。DDD、DDE的毒性虽比DDT低得多, 但仍有慢性毒性。DDT在好氧条件下分解很慢。
与DDT相比, BHC (丙体666) 比较容易降解。如前述, 厌氧条件下, 微生物很容易分解γ-BHC和α-BHC, 使之成为本身的能源。胡荣桂[2]研究表明, 稻田在淹水条件下, 84 d后土壤中微生物对γ-BHC可降解98.4%, 不淹水的稻田中微生物对γ-BHC只能降解34.5%。因此, 有人提出, 以加水的方法来促进微生物对旱地BHC的降解。
其他的有机氯农药, 如艾氏剂、异艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、氯丹等是环境中最稳定的农药, 因此其降解的速度非常缓慢。
2.2.2 有机磷农药。
有机磷农药在土壤中很易降解, 既能直接水解和氧化, 也能被微生物分解, 其降解速度随土壤温度、湿度和酸碱度增高而加快。如马拉硫磷可以水解, 也可在绿色木霉和极毛杆菌属作用下分解, 反应产物可彻底降解为磷酸盐、硫酸盐和碳酸盐等。
其他的有机磷农药, 如对硫磷、甲基对硫磷和乙基对硫磷, 能被枯草杆菌降解, 所含的硝基被还原为氨基。有些微生物能使对硫磷水解为P-硝基酚, 将其中的毒害成分降解为无毒物质。
2.2.3 菊酯类农药。
拟除虫菊酯类杀虫剂是一类结构类似天然除虫菊的人工合成农药。这类农药急性、慢性的毒性都低, 降解慢, 除了氰戊菊酯等个别品种外, 对人畜和环境较安全。
菊酯类农药在土壤表层, 能被阳光迅速降解, 在土层1 cm以下主要为生物降解。表2列出了3种菊酯类农药在不同土壤中降解的半衰期[3]。
2.3 光生物降解植物中农药
水系中在阳光辐射下藻类可引发产生H2O2、′O2、O2-等活性氧物质, 经过光化学反应又可生成氢氧自由基OH和RO2、R等有机自由基。这些活性物质, 对农药具有强烈地氧化、分解作用, 最终可将有机污染物分解为二氧化碳和水。
处于这种水系的待降解农作物, 通过吸附作用、生物富集作用、自身的呼吸作用等, 将上述活性自由基物质吸收于植物体内, 这些活性物质则可将植物体中的农药残留逐渐氧化、分解。例如, 对BHC农药, 则可使其产生脱氯反应, 而逐渐降解, 其降解产物在植物舒张收缩中随细胞放水排出体外。
在阳光下, 藻类产生一种过氧化氢酶, 这种氧化酶对苯胺类化学物质氧化速度很快;在阳光下, 藻类释放出一些光敏剂, 它可以敏化水系中各种反应, 加速对有毒污染物的降解。
在藻类存在的水系中, 藻引起的光强度减弱作用很小, 不会对光化学降解产生明显影响。
光生物降解技术, 可以移植到人工光生化反应器中进行, 其工作原理如图1所示。此时的光源将采用人造光源, 人造光源的光强在局部范围内可以比辐射于此的太阳光大许多。
3 生物修复
3.1 农田土壤的生物修复
农田污染是我国农业发展所面临的严峻问题, 据不完全统计, 全国受污染的耕地占其总面积的1/10以上, 不仅污染面积大, 而且每年由于土壤污染造成的粮食减产损失巨大, 达250万t[4]。
土壤污染一方面是由于自然现象如洪涝、火山爆发和矿化作用等因素造成;另一方面是由一系列的人类活动造成的, 如工业活动、石油开发、化肥农药的过度施用等, 导致土壤结构被破坏, 大量有害物质积累和残留。土壤的污染, 使得有毒及致癌物质在动植物体内富集, 通过食物链危害各类生物以至于人类。
3.1.1 农田生物修复机理。
生物修复技术是利用微生物及其他生物将存在于土壤中的有毒、有害有机污染物降解成二氧化碳和水或其他无害物质的技术和方法。与物理、化学修复技术相比, 生物修复技术具有安全、破坏性小、效果好、操作简单及无二次污染等优点。根据微生物的来源, 可将微生物修复分为自然衰减法、生物刺激修复技术和生物强化修复技术, 其中生物强化修复技术具有菌浓度高、降解能力强、降解迅速等特点, 在污染土壤修复中应用日益广泛。
3.1.2 生物强化修复土壤程序。
生物强化修复农田土壤, 工作程序如图2所示。
(1) 考察菌群。考察生物修复过程中污染物以及外源微生物对土壤微生态的影响:一方面, 有助于获得更加有效、对环境适应能力更强的污染物降解菌;另一方面, 是提高生物强化修复技术实际成功率的基础。
(2) 菌群筛选。将具有污染物降解能力的微生物分离出来是生物强化修复技术成功的基础。例如, 从微生物的微生态效应出发, 利用真菌和细菌的生长条件及降解石油方面的互补性, 构建了由细菌和真菌组成的混合菌剂, 接种这类混合菌对石油烃的降解率高于细菌和真菌分别降解率之和。
(3) 菌群固定化。利用微生物固定化技术, 可以将微生物接种入土壤中, 是一种保证外源微生物在陌生环境中生长并不断积累生物活性的有效途径。一方面载体 (土壤) 可以为微生物的生长提供附着的表面, 其载体的内部孔道可为各种微生物提供良好的保护性环境;另一方面载体内包埋的营养物质可有效促进微生物的生长。微生物固定化技术已经成功地应用于石油烃、苯酚、氯代苯酚等有机污染物的生物降解。
(4) 引入共底物。一些难降解的有机污染物在自然条件下不能被微生物所利用 (降解) , 而在可供微生物所利用的优质碳源存在时, 微生物可通过共代谢过程降解污染物。例如, 在邻苯二甲酸、二甲酯的生物降解过程中加入无机碳源, 不仅能促进微生物的生长, 而且对污染物的微生物降解也有明显的促进作用, 不失为提高生物强化修复效率的一条有效途径。
(5) 修复技术的联用。对某地区的土壤进行某一种单一的生物修复时, 有时会难以达到预期效果, 因此应当考虑合理地使用多种修复技术的联用。例如, 石油污染的土壤往往伴随着严重的盐污染。高浓度盐离子的存在会抑制微生物对石油污染的生物降解。如果将秸秆填埋发酵技术与生物强化修复技术结合起来会达到土壤修复目的。此时, 利用秸秆及其转化产物促进土壤中微生物的生长, 强化了石油烃的生物降解。
另外, 将土壤生物修复过程与适宜的作物种植相结合, 不仅可以提高生物修复的效率, 还可以获得一定的经济效益。
3.1.3 土壤生物修复实例。
土壤污染生物修复的实际应用, 许多发达国家均有成功案例。据Susan报道, 具有代表性的案例[5]如表3所示。
3.2 湖泊的生物修复
湖泊污染修复的关键是解决湖泊的富营养化问题。湖泊水体的富营养化实质是活性氮、磷元素不断从污染源进入水体而造成的污染。污染源主要是农业生产过程中 (化肥、农药等) 富含氮、磷的农田排水及人类生活污水和工业废水。此外, 还有湖底淤泥中沉积的有害物质, 其氮、磷的不断释放。
如何治理湖泊富营养化、恢复湖泊水体的功能是整个世界需要解决的难题。在过去几十年中, 世界各国科学家已经探索尝试了包括物理、化学、生物三大类几十种方法, 或工程费用昂贵, 或二次污染严重, 或治理速度太慢, 其效果都不尽人意。目前, 可供选择地生物修复湖泊技术有以下几种。
3.2.1 李召虎的“源、流、库”学说及其一体化治理技术。
李召虎根据其在美国参与美国公司湖泊富营养化治理的技术与经验, 导入植物生理学, 提出了“源、流、库”学说, 开发了适合我国特点的《湖泊富营养化 (源—流—库) 一体化治理技术》[6]。该技术采用生物学手段, 对源—湖泊上游源头排放的污染物、流—源头至湖泊水流中的污染物、库—进入湖泊水体的污染物, 进行一体化治理。通过发挥嗜养微生物对污染物的转化 (惰性化) 和清除养分的功能, 健全湖泊生态系统食物链, 彻底根除湖泊富营养化, 修复湖泊生态系统, 恢复水体自净功能。
李召虎利用微生物组合与其他天然生物产品对富营养水体中的有机物进行分解, 在分解的基础上将活性氮、磷物质转化为惰性物质。应用该项一体化治理技术, 已成功治理了富营养化湖泊水体1亿m3, 治理的湖泊面积从0.3 km2到数十平方千米。
3.2.2 EM法投放有效微生物。
李雪梅等在华南植物园往重度富营养化的人工湖投加多糖EM菌剂进行试验[7]。在1 000 m2的湖中投放60个固定了高浓度EM的泥球, 75 d后湖水的变化如表4所示。
湖水透明度的提高, 原因在于EM抑制了水体藻类的生长, 从水体叶绿素看, 投菌30 d, 表面就从3 780 mg/m3降到130 mg/m3, 下降了96.6%。从此案例看, EM治理湖泊富营养化是有效的。
3.2.3 Clear-FLO系列菌剂。
该菌剂是由美国一家公司研究开发的系列产品[7], 专门用于湖泊和池塘的生物清淤、养殖水体净化、河流修复及污泥去除等[8,9]。采用此菌种修复湖泊、河流亦有不少成功案例 (表5) 。
摘要：农药的大量使用, 增加了环境中的有毒元素, 是造成土壤环境污染的重要原因, 它能通过食物链的作用, 直接或间接地危害人类的生命和健康。采用光生物降解的方法, 可降解不同形态的中的农药含量, 与此同时, 采用生物修复的方法也可减少土壤的农药污染, 增加土壤有机肥的含量, 以便更好地保护土壤。
关键词：农药,光生物,降解,生物修复
参考文献
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微生物修复 篇10
1 农药污染土壤微生物修复
化学农药污染土壤的修复根据使用的修复主体不同, 可以分为物理修复、化学修复、生物修复等。物理、化学修复技术是指利用物理或化学的方法除去污染环境中的农药, 降低农药对生态环境的危害, 包括超声波、电离辐射、隔离、泵抽取和地上处理、土壤清洗、萃取、固化和稳定化等多种方法[1]。理化修复技术一般会影响土壤的结构和地下水所处的生态环境, 具有成本高、易形成二次污染的缺点。相对来说, 生物修复具有安全、有效、廉价和无二次污染等优点, 是利用活体生物对农药的降解作用, 将农药污染物分解成无毒或低毒的小分子化合物的过程。微生物种类繁多、代谢方式丰富多样、底物范围广, 使其在化学农药污染土壤的生物修复过程中发挥重要的作用, 成为有机化合物生物降解的首要因子, 是生物修复的主力军。
1.1 农药污染土壤修复中涉及的微生物种类
农药污染会破坏土壤功能, 威胁微生物多样性, 然而农药污染对微生物的影响是有选择性的。对于缺乏耐性的微生物来说, 污染物会抑制其生长繁殖, 造成数量减少甚至消失。而对于某些能利用污染物作碳源和能源的微生物来说, 污染物则会刺激其生长繁殖, 并通过生物作用将这些有毒物质转化成二氧化碳和水或其它无害物质[2,3]。微生物修复技术就是基于这一原理发展起来的。
农药污染土壤微生物修复技术的关键是获得高效降解菌株, 从农药污染环境中筛选分离具优良性状的菌种是最常用的一种方法。从20世纪60年代开始, 国内外就开始进行污染环境中异生物质的微生物降解研究, 科研工作者通过富集培养、分离筛选等技术获得了一大批能降解或转化化学农药的微生物, 涉及细菌、真菌、放线菌及藻类。其中, 以有机磷农药、有机氯农药降解菌种类最多, 近年来对磺酰脲类除草剂、酰胺类除草剂降解菌的筛选研究也逐渐增多。其中降解农药的真菌主要包括曲霉属 (Aspergillus) 、青霉属 (Pinicielium) 、根霉属 (Rhizopus) 、木霉属 (Trichoderma) 、镰刀菌属 (Fusarium) 、交链菌属 (Alternaria) 、头孢菌属 (Cephalospporium) 、毛霉属 (Mucor) 、胶霉属 (Gliocladium) 、链孢霉属 (Neurospora) 、根霉菌属 (Phizobium) 等。降解农药的放线菌主要有诺卡氏菌属 (Nocardia) 、链霉菌属 (Streptomyces) 、放线菌属 (Actinomyces) 、小单胞菌属 (Micromonospora) 、高温放线菌属 (Thermoactinomyces) 等。以细菌的种类最多, 包括假单胞菌属 (Pseudomonas) 、芽孢杆菌属 (Bacillus) 、节细菌属 (Arthrobacter) 、棒状杆菌属 (Corynobacterium) 、无色杆菌属 (Achromobacter) 、土壤杆菌属 (Agrobacterium) 、黄杆菌属 (Flavobacterium) 、微球菌属 (Micrococcus) 、黄单胞杆菌属 (Xanthomonus) 、埃希氏杆菌属 (Esherichia) 、产碱菌属 (Alcaligenes) 、气杆菌属 (Aerobacter) 、固氮极毛杆菌属 (Azotomonus) 、短杆菌属 (Brevibacterium) 、枝动杆菌属 (Mycopiana) 、极瘤细菌属 (Rhizobium) 、沙雷铁氏菌属 (Serratia) 、链球菌属 (Streptococcus) 、梭状芽孢杆菌属 (Costridium) 、八叠球菌属 (Sarcina) 、拟杆菌属 (Bacteroides) 、毛螺菌 (Lachnospira) 、硫杆菌属 (Thiobacillus) 、鞘氨醇单胞菌属 (Sphingomonas) 、鞘氨醇杆菌属 (Sphingobium) 。降解农药的藻类主要有衣绿藻属 (Chlamydomonas) 、小球绿藻属 (Chlorolla) 、菱属硅藻属 (Nitzichia) [4,5,6,7,8]。目前, 针对这些菌株, 科研工作者就相关的培养条件、降解特征、田间应用条件、降解效果等方面进行了研究, 为环境修复制剂的田间应用奠定了良好的基础。
1.2 化学农药污染土壤的微生物降解机制
化学农药污染土壤的修复过程是污染物在微生物作用下转化、降解的过程, 不同微生物对农药的降解机制存在差异。主要分为酶促与非酶促两种机制, 酶促降解是农药降解的主要方式。
酶促降解可分为一般有效性酶的代谢和共代谢。一般有效性酶的代谢包括广谱酶 (如水解酶、氧化酶) 的代谢和特异酶代谢, 当农药污染物浓度较高时, 微生物通过酶对农药分子的特殊毒性基团进行代谢, 使其失去毒性, 并在代谢过程中将农药分子当作自身需要的碳源物质, 从中获得生长所需的能量。化学农药降解过程中常见的酶类主要有水解酶类 (包括磷酸酶、对硫磷水解酶、酯酶、硫基酰胺酶、裂解酶等) 以及氧化还原酶类 (包括过氧化物酶、多酚氧化酶等) 。如LEWIS等由黄杆菌分离到一种酯酶或磷酸酯酶, 可降解对硫磷, 显著降低原药毒性, 同时还可水解另外10余种有机磷农药, 如久效磷、对氧磷和马拉硫磷等。另外, 从假单胞菌株中还分离到能切断氯苯胺灵酰胺键或酯键的降解酶, 从球形芽孢杆菌无细胞抽提物中分离到具有酰胺酶活性的物质, 可降解苯胺类除草剂等[9]。对有机磷水解酶的研究较为系统, 有机磷水解酶分为两类, 一类是来自Flavobacterium sp.和Brevundimonas diminuta MG的OPD (organophosphate degradation) 以及从Agrobacterium sp.中分离的OpdA;另一类是来自Pleslomonas M6的MPD (methyl parathion degradation) 和Pseudomonas WBC23菌株中的有机磷水解酶MPH (methyl parathion hydrolase) [10]。N-甲基氨基甲酸酯水解酶也是化学农药降解酶类之一, 这类酶可以降解氨基甲酸酯类农药成为酚或肟、烯醇以及胺和二氧化碳, 目前已从细菌Arthrobacter sp.WM111、Pseudomonas sp.CRL-OK、Blastobacter sp.M501和Pseudomonas aeruginosa等中纯化出多种水解N-甲基氨基甲酸酯的酶[11]。
共代谢是指某些有机物在环境中不能作为微生物的惟一碳源与能源, 必须由其它化合物存在提供碳源与能源时该有机物才能被降解的现象[12]。共代谢作用是化学农药降解的一种重要方式, 由于环境中污染物浓度都相对较低, 所以大多数农药污染物都是通过微生物的共代谢作用来降解的。仪美芹等分离出2株木霉菌及1株链格孢菌, 它们利用共代谢方式完成甲基对硫磷的降解[13]。虽然共代谢不能够彻底降解农药, 但通过共代谢的转化, 可能使得有机物更容易被其它微生物所降解, 从而加快污染物从环境中的消失速度。
非酶促降解是微生物降解化学农药的另一种方式, 是指微生物活动过程中由于pH值变化、产生某些辅助因子、化学物质而使有机物降解的现象, 如脱卤作用、脱烃作用、胺及酯的水解、还原作用、环裂解等。微生物还能参与光化学反应, 如微生物的产物能吸收光的能量转化成光敏体, 再把能量转移给农药分子, 使环境中化学农药转化分解[14,15]。
化学农药微生物降解机制的研究、降解酶的分离纯化等研究的进行为高效降解菌株的筛选、农药降解酶制剂的开发奠定了基础。目前, 已成功开发了一些农药污染环境修复制剂, 澳大利亚的OricaWatercare公司开发出有机磷水解酶制剂Landguard TM, 用于环境中有机磷农药污染的修复, 效果显著[16]。我国也有利用有机磷水解酶进行生物反应器和蔬菜表面有机磷污染的去除研究与实践[17]。
2 微生物在化学农药污染土壤修复中的应用
降解菌株的分离、筛选及其降解特性的研究都是为其应用做准备, 目前, 有关农药高效降解菌株的室内研究较多, 而实际的田间应用及效果评价则相对较为薄弱。然而, 由于活体菌剂受环境的影响较大, 将实验室分离的高效降解菌株发酵培养后直接施入被农药污染土壤并不能取得良好的降解效果, 应对其应用条件进行研究。洪源范等进行了甲氰菊酯降解菌 (Sphingomonas sp.) JQL4-5对污染土壤修复的实验, 实验结果表明土著微生物、土壤温度、pH值、添加降解菌的浓度以及甲氰菊酯的浓度对菌株降解能力的影响, 为该降解菌株的田间应用奠定了基础[7]。营养条件是决定土壤修复成功与否的关键因素之一, 在污染土壤加入外源的污染物降解菌的同时提供这些微生物生长所需的营养, 包括常量营养元素和微量营养元素, 能够有效提高田间修复效果。因此, 要根据降解菌株对营养条件的需求制成相应的制剂, 以提高降解菌株在田间对农药的降解效果。南京农业大学利用有机磷降解菌株DLL-1并附加适当营养元素制成的农药降解菌剂, 对辛硫磷、甲基对硫磷施用3d后的降解率分别为99.52%、98.83%, 2003年在山东省博兴县、滨城旧镇拱棚韭菜降解有机磷农药残留示范中, 也取得了良好的效果, 送检产品达到绿色食品卫生标准[18]。
3 农药污染土壤微生物修复的限制因素与展望
总之, 化学农药污染土壤的微生物修复作为一种高效、经济的清洁技术, 近年来得到了广泛的研究并取得了诸多成果。但总体来说, 目前对该类化学农药生物降解的研究还处于微生物菌种的筛选及降解产物的分析等方面, 主要局限于实验室研究, 大部分菌株的田间应用效果还不是很理想。这种现状主要是由于:第一, 凡是能够影响微生物活性的因素均能影响它们的降解性能, 包括pH值、温度、湿度和土壤类型等环境因子, 这些因素的不稳定造成了微生物土壤修复效果的差异, 限制了其在田间的应用。第二, 大多数的化学农药在土壤中的浓度较低, 低浓度的化合物很难维持降解细菌所需的群落。第三, 微生物修复往往需要添加营养物和诱导物, 存在二次污染的危险。第四, 富集有高浓度化学农药的微生物仍然存在于环境之中, 如何正确处理这些微生物也是亟待解决的问题。
微生物修复 篇11
4月初，河北省水产局印发了《河北省2014年蓬莱溢油生物资源养护与渔业生态修复增殖放流项目实施方案》，标志着我省最后一年的蓬莱溢油生物资源养护与渔业生态修复增殖放流项目启动实施。该方案在通过省局组织的专家论证后，已报经农业部渔业渔政管理局审核批准。
2014年度蓬莱溢油生物资源养护与渔业生态修复增殖放流项目计划在秦皇岛、唐山、滄州适宜海域增殖放流中国对虾、三疣梭子蟹、褐牙鲆、半滑舌鳎、杂色蛤、海蜇、红鳍东方鲀、梭鱼等8个渤海主要经济品种，放流苗种总量超过19亿单位。省局要求沿海三市渔业行政主管部门要进一步加强组织领导，建立相应的渔业资源增殖放流组织领导机构，切实对增殖放流项目组织实施、项目资金管理负起责任，并对放流苗种供应单位确定、苗种质量监管、检验检疫、现场验收监督、放流效果评估等环节提出了明确要求，确保高质量完成全年放流任务。
2012年起，蓬莱溢油生物资源养护与渔业生态修复增殖放流项目在我省渤海海域连续实施三年，通过该项目的实施，三年预计总计增殖放流中国对虾、三疣梭子蟹、褐牙鲆等主要海水经济品种苗种57亿单位以上，可有效养护修复渔业资源，改善海域生态环境，增加海洋捕捞产量和渔民收入，实现良好的生态、经济和社会效益。
富营养化水体的微生物修复技术 篇12
1 富营养化水体的微生物修复原理
微生物修复技术是在人为条件下, 利用微生物建立微生态系统, 加快水中物质循环和能量流动, 强化微生物对水体中过量氮、磷元素的高效吸附、转化和降解作用[1], 减轻水体富营养化程度, 修复水体自净功能。
2 微生物修复技术的优势
与传统的物理、化学修复技术相比, 微生物修复技术具有以下优点: (1) 处理费用低, 仅为传统环境工程技术的30%~50%; (2) 环境友好, 无二次污染; (3) 处理效率高, 处理时间短; (4) 控制操作简单[2]; (5) 可进行原位修复, 对环境干扰小[3]。
3 微生物修复技术成功具备的条件
微生物修复技术有效控制水体富营养化, 修复水体自净功能, 需要具备以下条件: (1) 富营养化水体不含对硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌等脱氮除磷微生物活性有抑制的物质, 否则需将该抑制物质无害化; (2) 必须存在具代谢活性的脱氮除磷微生物, 如有效微生物菌群 (EM) 、诺卡氏菌 (Nocardia) 、光合细菌 (PSB) 、Clear-Flo系列菌等, 且微生物脱氮除磷必须达到一定的速率; (3) 富营养化水体的环境条件必须有利于脱氮除磷微生物的生长和繁殖; (4) 技术费用低[4]。
4 微生物修复技术展望
目前, 无论是国内还是国外, 还没有任何一种修复技术能都彻底去除水体中的过量的氮、磷等营养物质, 控制水体富营养化。因此, 将微生物修复和其他物理化学方法、植物修复等联合起来是必然的发展趋势, 例如将微生物修复技术与水生植物生态工程联合起来, 彻底修复水体富营养化。同时, 应该通过高效菌株的筛选和构建基因工程菌积极开发微生物资源。此外, 进一步开展菌群间的协同作用机制和菌剂使用安全方面的研究, 积极开发复合菌群建立水域的微生态平衡, 使富营养化水体达到生态的自然平衡, 实现水质的健康持续改善。
摘要：讨论了富营养化水体微生物修复技术的原理、优势和成功的条件, 同时指出今后的发展方向。
关键词：富营养化,水体,微生物修复
参考文献
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