微生物技术治理环境污染

摘要：本文较为系统地概述我国环境发展与保护的现状，通过对环境保护和环境预防、治理的分析，从“可持续发展”方向分析和例证了微生物科学在环境应用上的价值和前途。 关键词：微生物 环境污染Abstract：This article systematically outlines the development and the protection present situation of our country environment, through the analysis of environment protection and environment prevention, government, the article analyzed and illustrated the value and future of microorganism science in environment application from sustainable development direction.key words： Microorganism Environmental pollution自然界存在着丰富的微生物种群，这些微生物虽然个体微小，但在环境污染净化中却扮演着不容忽视的重要作用。微生物是通过水和风的散播得以存在各处的，无论在水表、海底或在土壤中都有微生物的身影。微生物由于自身的生理特性，可以通过自发的或人为的遗传、变异等生物过程适应环境的变化，使之能以各种污染物尤其是有机污染物为营养源，通过吸收、代谢等一系列反应，将环境中的污染物转化为稳定无害的无机物。因而，在生物圈中微生物充当着分解者的角色。大约90%的陆地生产者都要通过分解者作用最终形成无机物归还大地。如果没有微生物的作用，仅历年积累下的生物残体就会堆积如山。通常我们可以看到这样一个现象：少量污水排入河川使得河水出现浑浊，但在经过一短时间的流动以后，河水逐渐变得清澈。这种现象就是微生物对排入水体污染物进行净化的一个典型例子。正是这种微生物对环境污染的降解作用保证了自然界正常的物质循环。以废水的生物处理为例，可分为好氧生物处理和厌氧生物处理。好氧生物处理利用好氧在有氧条件下的代谢作用，将废水中复杂的有机物分解成二氧化碳和水。这一过程需要在一定的处理构筑物内完成，其重要条件是保证充足的氧气供应、稳定的温度及水质。厌氧生物处理是利用在无氧条件下生长的厌氧或兼性微生物的代谢作用处理废水，其主要降解产物是甲烷和二氧化碳等。厌氧处理也需要在一定的处理构筑物内完成，一般需要保证温度、无氧或低溶解氧浓度。当今，微生物技术已成为废水处理中的主流方法。一、环境保护的现状我国是世界上环境污染最为严重的国家之一，大气、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。贵阳、重庆、北京、兰州等五个城市位于世界十大空气 污染最严重的城市中之列，全国600多个城市中、大气质量符合国家一级标准的不足1%。全国范围的酸雨危害的程度和区域日益扩大。全国每年污水排放达360亿吨，仅10%的生活污水和70%的工业废水得到处理，其中约有一半工业污水处理设施的出水达不到国家排放标准。其他未经处理的污水直接排入江河湖海，致使我国的水环境遭受严重污染和破坏。据统计， 全国七大水系和内陆河流的110个重点河段中，属4类和5类水体的占39%；城市地面水污染普遍严重，并呈进一步恶化的趋势，136条流经城市的河流中，属4类、5类和超过5类标准的高达76.8%；约50%的城市地下水受到不同程度的污染；全国大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富营养化程度逐年加剧；城市垃圾和工业固体废弃物与日俱增，工业废弃物累计堆积量已超过66亿吨，占地超过5万公顷，使200多个城市陷入垃圾包围之中。当前我国社会经济仍然保持着高度发展的态势，环境保护的压力将进一步加重，由人类活动所造成的环境污染和环境质量的恶化已成为制约我国社会和经济可持续发展的障碍。据中国社会科学院1998年度调查和估计，我国环境污染和生态破坏造成的经济损失每年超过2000亿 元人民币。如何在经济高速发展的同时控制环境污染，改善环境质量，以实现社会经济可持续发展之目标是我国目前亟待解决的重要问题。当今世界各国已普遍接受 “可持续发展”这一全新的概念，并围绕它制定和实施本国的环境保护及其相关的产业政策。可持续发展要求在保持经济高速发展的同时，必须保护好人类赖以生存的环境。环境和经济及贸易挂钩是当前国际政治及经济关系发展中的新形势。例如，在日元贷款中，环保贷款已成为非常重要的组成部分。ISO14000系列国际环境管理标准，将要求企业承担相应的环境保护责任，并对达到该标准的企业给予认证。没有得到认证的企业的产品，在出口时将有可能面临被国外政府以未承担环境保护的责任而拒绝进口；同时，国外大型企业也可能因害怕和这些未达到该标准的企业合作而影响其形象，从而中止和这些企业的合作。至2003年，ISO9000系列质量标准将和ISO14000系列环境管理标准统一成一个标准，从而将进一步强化环境保护对企业发展的重要意义。二、微生物技术治理环境污染问题的特点科技的发展也充分证明微生物技术是环境保护的理想武器，这一技术在解决环境问题过程中所显示的独特功能和显著优越性充分体现在它是一个纯生态过程，从根本上体现了可持续发展的战略思想。微生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点，加之其技术开发所预示的广阔的市场前景，受到了各国政府、科技工作者和企业家的高度重视。随着生物技术研究的进展和人们对环境问题认识的深入，人们已越来越意识到，现代生物技术的发展，为从根本上解决环境问题提供了无限的希望。目前微生物技术已是环境保护中应用最广的、最为重要的单项技术，其在水污染控制、大气污染 治理、有毒有害物质的降解、清洁可再生能源的开发、废物资源化、环境监测、污染环境的修复和污染严重的工业企业的清洁生产等环境保护的各个方面，发挥着极为重要的作用。应用微生物技术处理污染物时，最终产物大都是无毒无害的、稳定的物质，如二氧化碳、水和氮气。利用微生物方法处理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次转移，因此它是一种消除污染安全而彻底的方法。特别是现代微生物技术的发展，尤其是基因工程、细胞工程和酶工程等生物高技术的飞速发展和应用，使微生物处理具有更高的效率，更低的成本和更好的专一性，为微生物技术在环境保护中的应用展示了更为广阔的前景。微生物技术不仅单纯适用于环境污染治理，如今已相当广泛地应用于环境监测，成为环境质量预报和报警中的重要组成部分。三、微生物技术在环境污染治理领域的应用与发展空气、水体和土地资源的污染越来越严重，不但影响了国民经济的可持续发展，甚至已威胁到人类的健康、智力乃至生存，因此全球各国近几年都在寻找新的途径和方法，以治理和解决环境污染问题。以下重点介绍几项经多年开发，已接近产业化的微生物技术。1.微生物脱硫技术煤炭是世界能源的重要组成部分，我国是世界上最大的产煤国和煤消耗国，煤炭占我国一次能源的3/4，高硫煤储量约占总储量的1/3，并且高硫煤开采比例也逐年上升，而黄铁矿硫约 占总硫的60%。煤中通常含有0.257%的硫，如我国西南地区煤平均含硫量为3.23%，西北地区为3.05%，中南地区为2.02%，华北地区为1.65%。煤炭中的硫分为可燃硫和不燃硫。不燃硫主要是硫酸盐，可燃硫包括无机硫和有机硫。可燃硫经燃烧生成SO2随烟气排入大气，导致了严重的环境污染，造成的经济损失每年达数百亿元。据报道，1997年，我国的SO2年排放量已达2 346万吨，居世界第一位，62%的城市大气SO2日平均浓度超过国家三级标准；全国酸雨区面积已占国土面积的30%，华中酸雨区酸雨频率高达90%以上。预计2000年我国一次能源的消 耗量将超过12亿吨。SO2年排放量将会达到3822万吨。中国21世纪议程中指出：“发展少污染的洁净煤技术是中国政府履行国际公约、承担相应国际义务的重要方面，也是促进 中国以煤为主的能源系统向环境无害的可持续发展的模式转变的战略组成部分。”可见洁净煤是中国能源的未来。近年来研究人员把煤的物理选煤技术之一的浮选法和微生物处理相结合， 即把煤粉碎成微粒与水混合，并将微生物加入溶液中，让微生物附着在黄铁矿表面，使其表面变成亲水性，能溶于水。在浮选中其难以附着在气泡上，下沉至底部，从而把煤和黄铁矿分开。由于它仅处理黄铁矿的表面，因此脱硫时间只需数分钟即可，从而大幅度缩短了处理时间，可脱除无机硫约70%。另外，该法在把煤中的黄铁矿脱硫时，灰分也可同时沉底，所以也具有脱去灰分的优点。目前，浮选法微生物脱硫已成为国际上洁净煤技术开发的热点。2.微生物制浆和微生物漂白技术我国造纸行业年排放废水量达40亿吨，占全国工业废水排放量的1/6，其中有机污染物(以BOD计)达170万吨，约占全国工业废水中有机污染物总量的1/4。在用植物材料进行化学制浆与化学漂白过程中，含有大量木质素、半纤维素和有害物质的废液被倾倒入江河湖泊中，造成严重的环境污染和生态破坏。多年来，人们不懈地努力，试图开发出无污染和高效率的制浆造纸新工艺，以减少污染，保护环境。造纸工业中的制浆和漂白工序是污染物产生的主要工序。与化学法相比，虽然机械法制浆可 以大大提高纸浆得率，从而节省大量林木资源。但是，磨木浆的能量消耗很大，而且成品纸的强度等质量性能不如硫酸盐浆，因而限制了这项技术的发展。微生物技术可以帮助解决这些问题，其中最具吸引力和挑战性的是微生物制浆与微生物漂白。利用微生物与微生物酶类进行微生物制浆与微生物漂白具有很大的优势和潜力，因为微生物极易生长繁殖，酶催化反应具有高度专一性，反应条件温和，并且高效无污染。3.污染土壤的微生物修复当代工业的迅速发展，大量的人造化学物质排放入环境中，对资源和环境构成越来越严重的破坏。化石燃料的开采和使用，工业三废的排放，给我们赖以生存的环境 造成难以估量的污染，比如在国外仅石油的开采、运输、储存以及事故性泄漏等原因造成每年约有1000万吨石油烃进入环境(不包括石油加工行业的损失)，另外全世界各国每年大约使用1500万吨的各种农药广泛喷洒于面积巨大的农田，引起土壤、地下水、水系和海洋的严重 污染，破坏生态平衡，不仅制约了经济的发展，而且影响到人类的健康和生存。我国如华北 油田周围的很多农田由于原油污染而无法耕种，每年都要支付大量资金作为对农民的赔偿。黄河水系年平均含油最高可达4.82mg/L，辽河水系年平均含油最高可达7.68mg/L，明显地超过了国家三级地面水的标准（0.1mg/L。有的甚至污染到地下水资源，如山东淄博地区地下水最高含油达到了100mg/L以上，超过国家标准(0.1mg/L1000倍以上。全国各地的储油场所也已开始渗漏污染到地下水，严重威胁了地下水资源的水质，石油污染是1998年发生在渤海的1 万平方公里赤潮的主要原因之一。有鉴于此，世界各发达国家纷纷制定了环境修复计划，如：荷兰在80年代已投资15亿美元进行土壤污染的修复，德国在1995年一年就投资60亿美元净化土壤污染，英国、法国、日本、俄罗斯等也相应投巨资进行环境污染的修复。美国在90年代中，每年都投资几百亿美元进行污染环境的修复，如果采用传统的修复方法(物理和化学方法)来治理美国本土陆地上的环境污染，就需要投资1.7万亿美元，而如果采用微生物修复技术，而只需34006000亿美元的投资，也就是传统方法所需投资的1/51/3。在今后若干年内，美国市场对微生物修复技术服务及其微生物产品的需求将以每年15%或更高的速度增长，到2000年微生物修复技术的纯利润将超过5亿美元。针对严重污染的环境，我国尚未采取大规模的治理措施，仅在少数地区开展了治理，并以物理化学方法(如洗脱、吸附)为主，不仅投资成本高，而且也造成了二次污染。我们的国土面积比美国略大，且环境污染还更为严重，对全国范围的污染环境进行修复，若采用传统方法，即使考虑劳动力相对便宜的因素，其投资规模将仍然非常庞大，如采用微生物修复技术，不仅其投资规模大为缩小(仅需传统方法的1/51/3)，而且还没有二次污染。综上所述，环境污染的微生物修复技术是我国今后治理环境污染必须发展方向，具有广阔的市场和发展前景。四、微生物技术前景展望自本世纪70年代以来，发达国家就十分重视微生物技术在环境领域的应用，并开展了大规模的科研活动。已开发了一系列的微生物技术及其产品，并在世界上广泛