（微生物学专业论文）复合微生物对污染河流生物修复的初步研究.pdf

摘要 本论文利用复合微生物的生物修复技术对污染河流进行了小生境模拟实 验，并对其中的优势菌株生长特性及其产絮凝剂能力进行了初步探讨以期为复 合微生物在污染河流中的实际应用及其应用效果的提高提供一定的理论基础和 依据。根据本研究，得出如下结论： t 复合微生物的模拟应用实验效果表明，复合微生物对污染水体的水质具有一 定的净化效果使用量为2 9 左右时，对c o d 。，、n h 3 - n 、n 0 3 n 的降解率最 大，分别为6 9 2 、8 1 0 6 、5 4 3 2 ，而复合微生物使用量为1 2 时对水体 中p 0 4 3 _ p 的降解率最大为2 5 5 2 。 2 复合微生物的加入引起水体中的微生物功能菌群数量变化，其中复合微生物 添加量为4 9 时。实验第4 天，总菌和磷细菌达到最高峰，第1 0 天，反硝化 菌达到最高峰；当复合微生物添加量为l g 时，实验第4 天氨化菌达到最高峰。 3 根据复合微生物对水质的降解效果，选择其使用量为2 9 时，对水体中微生物 功能菌群与营养盐含量的相关性进行了研究，其中氨化菌与氨氮，硝化菌与 硝氮，磷细菌与磷酸盐均成正相关关系，相关性r 分别为0 7 4 ，o ，6 5 ，o 7 6 。 反硝化菌与硝氮成负相关关系，相关性r 为0 5 3 。 4 复合微生物的添加对底泥的降解效果不明显，可能是由于本实验时间较短， 复合微生物的添加具有一定的时效性所致。 5 不同碳源、氮源对4 株菌的影响效果不同。根据资料及实验结果，选择了4 株菌的优化培养基分别为：1 # ：葡萄糖4 0 9 ；蛋白胨1 0 9 ：酵母膏5 9 ； k h z p 0 45 9 ；m g s 0 4 ，7 f h o2 9 ：蒸馏水 1 0 0 0 m ：p h6 a ；t 2 8 ： 培养时间2 天。2 # ：蔗糖2 5 9 ：酵母膏1 0 9 ：蒸馏水1 0 0 0 m l ：p h7 0 ； t 3 7 ；培养时间l 一2 天。3 # ：葡萄糖2 5 9 , 牛肉膏1 0 9 ；蒸馏水1 0 0 0 m l ： p h 7 0 ：t 3 7 。c ：培养时间1 2 天。4 # ：葡萄糖2 0 9 ：胰蛋白胨2 0 9 ： 酵母啻5 9 ；k h 2 p 0 41 0 9 n a c i2 9 ；m g s 0 4 ，7 h 2 00 2 9 ；蒸馏水1 0 0 0 m l ； p h6 - 8 ；t3 0 ；培养时间l 一2 天。 6 不同碳源、氮源对4 株菌的絮凝性能影响不同，总体来看，1 # 絮凝性能最好， 4 # 菌株次之，2 # 、3 # 絮凝性能最差。 关键词：复合微生物污染河流生物修复微生物功能菌群微生物絮凝剂 p r i m a r y s t u d i e so nt h ea p p l i c a t i o no fc o m p o u n dm i c r o o r g a n i s m s i nb i o r e m e d i a t i o no fp o l l u t e d r i v e r y a n gc u i - y u n ( m a j o r e d i nm i c r o b i o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry u a n j u n - f e n g ( i n s t i t u t eo fa p p l i e de c o l o g y , s h a n g h a i n o r m a lu n i v e r s i t y , s h a n g h a i2 0 0 2 3 4 ) a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o n o f c o m p o u n dm i c r o o r g a n i s m s i nb i o r e m e d i a t i o no f p o l l u t e d r i v e rw a ss t u d i e di nt h i st h e s i s t h ec h a r a c t e ro f s e l e c t e db a c t e r i a ls t r a i n s a n dt h ea b i t t t yo f p r o d u c i n gf l o c c u l a n tw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d ，t h ep a p e rm a d eg o o d p r e p a r a t i o n sf o rt h ea p p l i c a t i o na n d t h ee f f e c to fc m t h r o u g ht h er e s e a r c h ，t h e r e s u l t sc a l lb eg a i n e da sf o l l o w s ： 1 c mh a dad e f i n i t ee f f e c to nw a s t e w a t e r w h e nt h eu s eo fc mw a sa b o u t2 9 ，t h e r e m o v e dr a t eo f c o d c r 、n h 3 - n 、n 0 3 - nw e r et h eb e s t c o m p a r e dt ot h eb l a n k ，c o d c r e m o v e dr a t ew a s6 9 2 ，n h 3 - nr e m o v e dr a t ew s a8 1 0 6 ，n 0 3 - nr e m o v e dr a t e w a s5 4 3 2 w h e nt h eu s eo fc mw a sa b o u tlg ，t h er e m o v e dr a t eo fp 0 4 3 pw a s 2 5 5 2 2 t h ep o p u l a t i o no ff u n c t i o n a lb a c t e r i ai nw a t e rb o d yv a r i e dw i t ha d d i n gc m w h e n t h eu s eo fc mw a s4 9 ，t h ea m o u n to f t h et o t a lb a c t e r i aa n d p h o s p h o r u sb a c t e r i aw e r e m a x i m u mi nt h ef o u r t hd a y ，t h ea m o t m t o f d e n i t r i f y i n gb a c t e r i aw e r e m a x i m u mi nt h e t e n t hd a y ：w h e nt h eu s eo fc mw a slg ，t h ea m o u n to f a r n m o n i f y i n gb a c t e r i aw e r e m a x i m u m 3 o nt h eb a s eo f d e g r a d i n ge f f e c to fc m t h ep a p e ri n v e s t i g a t e dt h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nm i c r o o r g a n i s m sa n dn u t r i e n ts a l ti nt h ew a t e rb o d y i ts h o w e dt h a tt h e c o r r e l a t i o nb e t w e e na m m o n i f y i n gb a c t e r i aa n dn h 3 - nw a s0 7 4 ；1 1 1 ec o r r e l a t i o n s b e t w e e nn i t r i f y i n g b a c t e r i a ，d e n i t r i f y i n g b a c t e r i aa n d n 0 3 - nw e r eo 6 5 ，一o 5 3 ， r e s p e c t i v e l y t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e np h o s p h o r u sb a c t e r i aa n dp 0 4 pw a s 0 7 6 ， 4 t h ed e g r a d i n gr a t eo fc mw a sv e r yl o wi nt h es e d i m e n t b e c a u s et h ee x p e d m e n t a l p e r i o dw a s t o os h o r t t h ee f f e c to f c mw a s l a g g a r d l y 5 d i f f r e n tc a r b o n sa n dn i t r o g e n sh a dd i f f e r e n te f f e c t so nt h eg r o w t ho f4s t r a i n s b a c t e r i a 。t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m p o s i t i o no ft h eo p t i m u mm e d i u m 1 # ： g l u c o s e4 0 9 ，p e p t o n e1 0 9 ，m i c r o z y m e5 9 ，k h 2 p 0 45 9 ，m g s 0 4 ，7 h 2 02 9 ，d i s t i l l e d w a t e r1 0 0 0 m l ，p h6 4 ，t2 8 ，c u l t u r et i m e 2 d a y s 2 # ：s a c c h a r o s e25 9 ， m i c r o z y m e i o g td i s t i l l e dw a t e r1 0 0 0 m l ，p h 7 0 ，t3 7 。c ，c u l t u r et i m e1 2 d a y s 3 # ： g l u c o s e2 5 9 ，b e e f t e a l o g ，d i s t i l l e d w a t e r1 0 0 0 m 1 p h7 0 ，t3 7 。c u l t u r e t i m ei 一2 d a y s 4 # ：g l u c o s e 2 0 9 tt r y p t o n e2 0 9 ，m i c r o z y m e5 9 ，k h 2 p 0 41 0 9 ，n a c i 2 9 m g s 0 4 7 h 2 00 2 9 d i s t i l l e dw a t e r10 0 0 m l ，p h6 8 t3 0 。c u l t u r et i m el 一2 d a y s 6 ，t h ea b i l i t yo fp r o d u c i n gf l o c c u l a n tw a sd i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n t c a r b o n sa n d n i t r o g e n s i naw o r d ，p r o d u c i n gf l o c c u l a n to f1 # b a c t e r i a ls t r a i nw a sb e a e rt h a no t h e r s t r a i a s k e yw o r d s ：c o m p o u n dm i c r o o r g a n i s m s ：p o l l u t e d r i v e r ；b i o r e m e d i a t i o n ：f u n c t i o n a l b a c t e r i a ：m i c r o b i a lf l o e c u l a n t 复台微生物对污染7 c 流生物修复的初步埘究 第一章文献综述 1 河流生态系统 1 1 河流生态系统的特点 河流是流水作用经过漫长的岁月形成并稳定下来的一种主要地貌类型，汇集地面 径流和地下径流，沟通内陆和大海，是自然界物质循环和能量流动的重要通途。 河流是一个天然的生态系统，由河流中的生物与环境组成。河流形态的多样性是 河流生物群落多样性的基础。河流从上游到下游，穿越各种地形，受到水文、气候、 季节变化等影响，形成复杂多样的生态环境。河流中栖息着许多生物类群，它们在生 态系统中分担着生产者、消费者和分解者的角色，构成了河流的生物群落，是河流治 理、恢复和保护的对象，也是河流生物自净的基础。 河流中的生物群落包括植物、动物和微生物，它们在河流生态系统的物质循环和 能量流动中起着非常重要的作用。其中河流中的植物是初级生产者，包括大型植物( 如 挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物) ，浮游植物和附着植物：动物是河流生 态系统中的消费者，属异养生物，以其他生物为食，包括浮游动物、底栖动物和游泳 动物；微生物是分解者，能够分解动植物的残体、粪便和各种复杂的有机化合物，吸 收某些分解产物，最终将有机物分解为简单的无机物，而这些无机物参与物质循环后 可被生产者重新利用。其中微生物的分解者主要是细菌和真菌，它们生活在河流中的 任何地方，包括水流、底泥石头和植物表面等。细菌和真菌在河流中将死亡的生物体 进行分解维持自然界的物质循环。由于有机物分解过程对于物质循环和能量流动具 有非常重要的意义，所以分解者在任何生态系统中都是不可缺少的成分。如果生态系 统中没有分解者，动植物遗体和残余有机物就会很快堆积起来，影响物质的再循环过 程，而生态系统中的各种营养物质就会很快发生短缺并导致整个生态系统的瓦解和崩 溃。河流中的生物类群不是简单地生活在一起，而是通过食物链紧密联系在一起，共 同承担着河流中的物质循环和能量流动。 1 2 河流污染现状及成因分析 随着全球经济和社会的发展，近5 0 年来，人类对淡水的消耗量增加了约三倍， 且这种发展趋势无法阻挡，由此产生的大量废水未加处理，不能循环使用，造成接受 水体污染，严重影响水生生态系统的结构、功能和水资源的利用，还直接危害人类的 身体健康。1 9 7 7 年联合国水会议秘书处发表公告，指出全世界4 0 亿人口中有7 0 得 不到安全的饮用水，全世界工业用水量为每年2 0 0 0 亿吨，其中2 0 被蒸发，8 0 变 成污水排入水体。目前，中国大部分城市和地区的淡水资源供给已受到水质恶化和水 生生态系统破坏的威胁，水环境质量继续恶化，导致了可利用水源的进一步减少和水 资源供需矛盾的加剧。据统计，我国现有污水的年排放量己达3 6 5 亿吨( 不含乡镇) ， 城市污水处理率只有7 ，大量( 8 0 ) 未经处理的污水排入各种水体，引起水环境 复台微生物对污染河流生物修复的丰j j 步i , j l y ( 不同程度的污染。从而造成全国1 3 以上的河段受到污染，9 0 以上的城市水域污染 严重。5 0 的重点城镇水源地达不到国家饮用水卫生标准。据调查，全国有监测的1 2 0 0 多条河流已有8 5 0 条受到污染，鱼虾绝迹的河道长达5 3 2 2 k m ，主要集中在辽_ 【j j 、海 河、淮河、长江中下游以及珠江三角洲等工业比较发达的地区。 造成城市河流污染的主要原因是由于不适当的城市生活和工业生产活动所引 起，特别是由于城市生活污水和工业废水的任意排放。生活污水中主要含有有机物和 氨、磷等营养物质，并含有大量细菌和病原体：工业废水中的主要污染物有：不溶性、 难溶性和可溶性固体致浊物，无机有毒有害物( 氰、铬、铅、汞、镉等) ，有机物( 分 为可生物降解有机物和难生物降解有机物) 以及油类物质和放射性物质等；它们对天 然纳污水体和人类可持续用水都具有很大的危害性。 2 微生物生态学 微生物的群落结构与功能是微生物生态学的研究主题之一。水体中的微生物与区 域环境有着密切的联系，并且在物质循环与能量流动中起若非常重要的作用；微生物 的数量及种群分布与水的类型、有机物含量、微生物的拮抗作用等多种因素密切相关。 2 1 微生物在生态系统中的主要功能 ( 1 ) 微生物是有机物的主要分解者。微生物最大的价值在于其分解功能。它们 能分解生物圈内存在的动物、植物和微生物残体等复杂的有机物质，并最后将其转化 成最简单的无机物，再供初级生产者利用。 ( 2 ) 微生物是物质循环中的重要成员。微生物参与所有的物质循环大部分元 素及其化合物都受到微生物的作用。在一些物质的循环中微生物是主要的成员，起 主要作用；而一些过程只有微生物才能进行，起独特作用；而有的是循环中的关键过 程，起关键作用。 ( 3 ) 微生物是生态系统中的初级生产者。光能营养和化能营养微生物是生态系 统的初级生产者，它们具有初级生产者所具有的两个明显特征，即可直接利用太阳能、 无机物的化学能作为能量来源，另一方面其积累下来的能量又可以在食物链、食物网 中流动。 ( 4 ) 微生物是物质和能量的贮存者。微生物和动物、植物一样也是有物质组成 和能量维持的生命有机体。在土壤、水体中有大量的微生物生物量，贮存着大量的物 质和能量。 ( 5 ) 微生物是地球生物演化中的先锋种类。微生物是最早出现的生物体，并进 化成后来的动、植物。 2 2 微生物功能类群 微生物功能类群是指相同或不同形态执行同一功能的一类微生物，即可以根据微 生物的生理特性将微生物分为不同的功能类群。如：蛋白质降解菌、脂肪降解菌、纤 复台微生物对污染州流生物修复的铷步蝴究 维素降解菌、淀粉降解菌、磷细菌、氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌等、各功能类 群一方面表现需要特定的生长条件，另一方面表现在物质转化中具有特定的功能。它 们在生态系统中发挥着重要作用。 2 2 1 微生物功能类群在氮素循环中的作用 水体中氮的形态可分为5 种：分子氮、氨、亚硝酸盐、硝酸盐及有机氮化物包括 从蛋白质到氨基酸、尿素、甲胺类等物质。这类物质极其复杂，至今还不十分清楚。 氮气是一种惰性气体。它在水中的溶解度极小，并与温度和压力有关。由于生物 固氮作用或脱氮作用的强度，因此不大可能会引起水中分子氮可检测的变化。在氮素 循环过程中微生物起着关键作用，水体中的氮循环见图1 1 ，包括生物固氮、氨化、 硝化、反硝化及同化作用，其中生物固氮、氨化、硝化以及反硝化是微生物特有的过 程。研究水生态系统中氮循环细菌的分布，对于深入研究水环境中氮循环过程，了解 复合微生物菌剂的作用具有重要意义。 沉积物 图1 - 1 天然水体中氮的循环 复合微生物对污染河流生物修复的扔步研究 ( 1 ) 固氮作用与固氮菌 固氮是大气中氮被转化成氨( 铵) 的生化过程。其对氮在生物圈中的循环有重要 作用，据推算每年全球有约2 5 5 x 1 0 8 吨氮被固定，这和反硝化过程失去的氮大致相 等。生物固氮是只有微生物或有微生物参与才能完成的生化过程。 具有固氮能力的微生物种类繁多，游离的主要有固氮菌、梭菌、克雷伯氏菌和蓝 细菌：共生的主要有根瘤菌和弗蓝克氏菌。在固氮细菌中，固氮酶促使氮气转化成氨， 这种酶主要由固氮酶和固氮还原酶组成。还原酶释放还原等价物，而固氮酶促使产生 还原过程中所需能量。固氮酶反应需要大量的a t p 和还原等价物。固氮酶内含有金 属一硫，包括铁，如：f e c o ，f e 一固氮酶，f e v a - - c o ，v a 一固氮酶或f e m o - - - c o ， m o 一固氮酶。 只有特定的细菌和藻青菌能进行固氮。我们应该知道只有在原核生物中才能进行 固氮，而高等生物( 真核生物) 不能进行固氮。固氮也仅存在于细菌中的特定属、种、 株内。固氮的不均匀分布主要归因于对氮活性的特殊要求。 ( 2 ) 氨化作用与氨化菌 微生物分解有机氮化物产生氨的过程称为氨化作用。大多数土壤细菌( 包括放线 菌) 和真菌都能分解有机氮生成氨，其中既有好氧菌也有厌氧菌，其中氨化能力强的 称为氨化微生物。如芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、变形杆菌、假单胞菌、链球菌、葡萄 球菌等属的许多种细菌和多种霉菌。 氨是细菌分解有机氮化物的主要产物。水体中的氨主要以铵离子n h 4 + 和不离解 氢氧化氨n h 4 0 h 两种形态存在。它们中的比例与水体的p h 密切相关。在水溶液中 它们处于平衡状态： n h d 0 h = n h 4 + + o h 从酸性到中性的水环境中，n h 3 是以n 4 + 的形式存在。在碱性环境中氨化作用 所产生的部分n h 3 将释放到大气中去，从而成为生物无法利用的部分氮。在大气生物 圈中的n h 3 和其他形式的氮很容易受到化学和光化学转化，经沉淀，这些含氮化合物 又重新回到岩石和水圈中。 氨化作用产生的氨，部分被微生物、植物同化，一部分被转化成硝酸盐。n h 。+ 很容易被许多植物和微生物同化，合成氨基酸和其他含氮化合物。在这些生物体中的 谷氨酸合成酶谷氨酰胺合成酶作用下，把氨加到有机物上，或在一酮一羧酸分子上 直接氨基化形成氨基酸。这两种同化途径的重要性在不同环境中是有差别的，并且受 到环境条件和不同种微生物的影响。 水环境中的动、植物和微生物残体以及它们的排泄物、代谢物所含有的有机氮化 物在蛋白质水解酶作用下首先水解，生成多肽与二肽，然后由肽酶进一步水解生成氨 基酸： 复合微生物对污染 1 流生物修复的初步研究 蛋白质鱼；i 堕斗多肽( 二肽) 骂氨基酸 氨基酸为微生物吸收，在体内继续降解。氨基酸在有氧条件下，通过氧化还原反 应脱氨基生成饱和脂肪酸、二氧化碳和氨： r c h m c 。h + 。专笋- r c o o 眦。：州h ， 或者产生相同碳原子的羟基酸 r c h n h 2 c o o h + h 2 。詈l + r c h 。h c o o h + n h 3 氨基酸在无氧条件下脱氨基，可以在发生或不发生还原反应的条件下进行，并生 成相应的饱和或不饱和脂肪酸 r c h n h 2 c o o h + h 2 0 r c h c o o h + n h 3 r c h n h 2 c o o h 堕_ r c h _ c h c o o h + n h 3 酶 。 氨基酸分解生成的有机酸在细胞内像碳水化合物一样，在有氧条件下进行三羧酸 循环，在无氧条件下则发生发酵分解。蛋白质的这种氨化作用产生的氨将会提高水的 p h ，促进甲烷发酵作用。 对于含硫的胱氨酸和蛋氨酸，它们分解还会产生h 2 s 。在有氧条件下进一步氧化， 发生硫化作用：在还原条件下与重金属生成黑色硫化物。 ( 3 ) 硝化作用与硝化菌 硝化作用是好氧条件下在无机化能硝化细菌作用下氨被氧化成硝酸盐的过程。它 的重要性是产生氧化态的硝酸盐，产物又可以参与反硝化作用。硝化作用分为两步进 行： n h 4 + + 3 2 0 2 n 0 2 - + 2 h + + h 2 0 + 2 7 6 k j n 0 2 一+ 1 2 0 2 - n 0 1 一+ 7 3 k j 把铵氧化成皿硝酸的代表性细菌是亚硝化单胞菌属，此外还有亚硝化叶菌属、亚 硝化螺菌属、亚硝化球菌属、亚硝化弧菌属。把亚硝酸氧化成硝酸代表性细菌是硝化 复合微生物对污染河流生物修复的卒步研究 杆菌属，此外还有硝化刺菌属、硝化球菌属。前者成为亚硝化菌，后者成为硝化菌， 两者统称为硝化细菌。 硝化细菌无所不在，主要存在于氨含量丰富的地方，比如肥料和老房子的砖墙上。 硝化细菌属于化能白养型，它们的生长不受有机物质的限制。它们存在于土壤、污水 处理系统、新鲜的水、沼泽地以及许多的好氧环境中。自然界中的硝化作用由专门的 化能自养的硝化菌完成。其硝化菌的生长速率受基质浓度、温度、p h 、和氧分压的 影响。虽然硝化是自然界中很普遍的一种生物过程但在无菌培养基中，硝化菌却生 长缓慢，需要消耗大量的氨和亚硝酸来获得足够的能量。 硝化作用形成的硝酸盐，在有氧环境中被植物、微生物同化。在缺氧环境中，则 被还原成分子态氮。 ( 4 ) 反硝化作用与反硝化菌 在厌氧条件下，环境中硝酸盐被还原成气态氮( n 2 或n 2 0 ) 的过程，称为反硝 化作用或称脱氮作用。大多数反硝化细菌是异养的兼性厌氧菌，如：假单胞菌属、色 杆菌属、微球菌属和芽孢杆菌属的一些种类。它能利用各种各样的有机基质作为反硝 化过程中的电子供体( 碳源) ，包括：碳水化合物、有机酸类、醇类等化合物。在反 硝化过程中有机物的氧化可表示为： 5 c ( 有机碳) + 2 h 2 0 + 4 n 0 3 一+ 2 n 2 + 4 0 h 一+ 5 c 0 2 在硝化作用过程中耗去的氧能被回收并重复用到反硝化过程中，使有机质氧化。 许多环境因素会影响反硝化细菌的活性其中主要的是：碳源及其浓度、硝酸盐浓度、 氧的浓度、p h 和毒物。 2 2 2 微生物功能类群在磷循环中的作用 水体中的磷可以以有机磷、可溶性磷酸盐和不溶性磷酸盐的形式存在，微生物在 有机磷的分解和不溶性磷酸盐的溶解方面具有一定作用。有机磷分解菌将有机磷分解 为无机磷无机磷分解菌溶解不溶性磷。 3 生物修复 3 1 生物修复的发展史 生物修复也称生物恢复或生物治理，是指生物尤其是微生物催化降解环境污染 物，减少或最终消除环境污染的受控或自发过程。一般是针对自然环境的污染而言， 如常见的地下水污染生物修复、土壤污染生物修复等。生物修复的基础是自然界中微 生物对污染物的生物代谢作用，但是，由于自然的生物修复过程一般较慢，难以实际 推广应用，因此一般指的是在人为促进条件下的生物修复。 早在2 0 世纪5 0 年代末和6 0 年代初，美国康奈尔大学马丁亚历山大与他的学生 因对环境中农药的污染和残毒问题的关注而开展了农药在土壤中可降解性的研究，为 6 复0 融生物对污染i t 0 流生物皓复的铆步 训究 后来生物修复技术在环境保护中的应用打下了基础，其后他峰持对不同的工业合成物 及污染物在土壤中的可降解性进行研究。但这时主要是针对土壤和地下水中一些污染 物的实验室降解研究，没有形成一种可应用于环境治理与恢复的技术。至2 0 世纪八 十年代就初步有这种趋势。9 0 年代就形成了一个轰轰烈烈的学科分支，并取得了相当 大的成功，从而成为一种被广泛应用的环境技术或生物技术，如斯坦福大学的麦卡蒂 和列利杨等开始系统地研究芳香族化合物在厌氧及好氧条件下降解的途径及机理。 2 0 世纪9 0 年代初期，美国阿拉斯加e x x o nv a d e z 的溢油污染在短期时f 白j 内得以消除， 微生物修复提供了一个很好的例证。在治理过程中，亚特拉斯等微生物学家提出了切 实可行的实地示范和治理方案，证实了环境中的土著微生物能够分解石油成分，而限 制这些微生物在自然条件下分解石油的因素是环境中n 、p 营养成分相对贫乏。与此 同时，密歇根州立大学的杰姆斯实验室，首次从污染河流中分离出了具有脱氯功能的 厌氧微生物一蒂氏脱硫念珠菌( d e s u l f o m o n i l et i e d j e i ) ，后来又提出了还原脱氯反应与 微生物的能量代谢是结合在一起的理论。 1 9 9 1 年3 月，在美国的圣地亚哥举行了第一届原位生物修复国际研讨会，来自北 美、欧洲、亚洲和澳洲的2 0 个国家的7 0 0 位学者与会，交流和总结了生物修复工作 中的实践和经验，并出版了两本论文集，使生物修复技术的推广和应用走上了更加迅 猛发展的道路。 我国由于长期以来，工、农业的迅速发展，工、农业污染物排放加剧使水体污 染日益严重，这些污染物多途径地进入环境后较难降解消失。结果对生态系统造成较 大的危害，因此对其进行有效治理是摆在我们面前急切需要解决的问题。可以预见， 生物修复技术在我国具有广泛的市场和发展前景。在2 l 世纪，生物修复技术将成为 我国生态环境保护领域最有价值和最具生命力的生物处理技术。 3 2 生物修复的机理 受污染的环境中有机物除小部分是通过物理、化学作用被稀释、扩散、挥发及氧 化、还原、中和而迁移转化外，主要是通过微生物的代谢活动将其降解转化的。 3 2 1 天然水体中污染物的转化现象 天然水体中污染物的转化实际上就是水体的自净，其定义有广义和狭义两种：广 义的定义指受污染的水体，经过水中物理、化学与生物作用，使污染物浓度降低，并 恢复到污染前的水平；狭义的定义是指水体中的微生物氧化分解有机物而使水体得以 净化的过程。 当河流受到大量污染物污染时，随着河流的流动，有机污染物逐渐得到降解，并 恢复到原先洁净的状态。其中发生的变化主要有：( 1 ) 污染物的浓度由高到低。( 2 3 生物相的变化。首先，异养细菌迅速氧化分解有机污染物而大量增殖，出现数量高峰； 然后，是以细菌为食料的原生动物出现数量高峰：最后出于有机物的矿化，利于藻类 短台微生物对污染j l i i l f c 生物修复的训步 j | _ 究 的生长，而出现藻类的高峰。( 3 ) 溶解氧浓度随着有机物被微生物氧化分解而大量消 耗，很快降至最低点：随后，由于有机污染物的无机化和藻类的光合作用，以及好氧 微生物数量的下降，溶解氧又渐渐恢复到原来的水平。 在这个过程中，有物理的作用( 如河流自身的稀释作用和有机颗粒的下沉) ，也 有化学和物化作用( 如氧化还原反应吸附沉淀，酸碱中和反应等等) 。但更重要的 是生物作用，即生物有机体对无机物和有机化合物的同化和异化作用。其中最活跃的 生物是细菌。大量的有机物正是通过微生物，特别是细菌的新陈代谢而被去除，其降 解有机物的速度比其它生物要快成千上万倍。 然而，水体对污染物的转化能力是有一定限度的，它受到水中溶解氧和温度的制 约。当水中有机物浓度过高，使水中的溶解氧为好氧微生物的呼吸过程所大量消耗时， 便会造成水体的缺氧，从而使好氧微生物的活动受到抑制，厌氧微生物的活动却活跃 起来。由于厌氧微生物对有机物的厌氧发酵，使有机物不彻底氧化，而产生许多具恶 臭的发酵中间产物，如腐胺、尸胺，以及h 2 s 、c h 4 、c 0 2 、n i l 3 - , 等。h 2 s 遇铁又能产 生黑色的硫化亚铁沉淀，于是水质变黑、发臭。 3 ，2 2 用于生物修复的微生物及其他生物 污染物的生物修复作用，本质上是开发利用微生物的新陈代谢能力及基因的多样 性。把污染物转化为无污染的终产物，重新进入生物地球化学循环中。因此，在生物 修复中首先需考虑适宜微生物的来源及其应用技术。其次，微生物的代谢活动需在适 宜的环境条件下习能进行，而天然污染的环境中条件往往较为恶劣，所以我们必须人 为提供合适的环境条件以强化微生物对污染环境的修复作用。 ( 1 ) 土著微生物。由于微生物的种类多、代谢类型多样，“食谱”广，儿自然界 存在的有机物都能被微生物利用、分解。对目前大量出现，且数量日益上升的众多人 工合成化学物，虽说它对微生物是“陌生”的，但由于微生物有巨大的变异潜力，这 些难降解甚至有毒的有机化合物，如杀虫剂、除草剂、增塑剂、塑料、洗涤剂等，都 已陆续地找到能分解它们的微生物种类。据报道，能够降解烃类化合物的微生物有7 0 多个属、2 0 0 余种；其中细菌约有4 0 个属。可降解石油烃的细菌即烃类氧化菌广泛分 布于土壤、淡水水域和海洋。表1 1 列举了某些难降解有机物和重金属及其相应的降 解转化微生物。 天然的水体和土壤是微生物的大本营，存在着数量巨大的各种各样的微生物，在 遭受有毒有害的有机物污染后，可出现一个天然的驯化选择过程，使适合的微生物不 断增长繁殖、数量不断增多。另外，有机物的生物降解通常是分步进行的，整个过程 包括了多种微生物和多种酶的作用，一种微生物的分解产物可成为另一种微生物的底 物，在有机污染物的净化过程中我们还可以看到生物种群的这一生态演替，我们可据 此来判断净化的阶段和进程。由于土著微生物降解污染物的巨大潜力，因此在生物修 复工程中充分发挥土著微生物的作用，不仅必要而且有实际的可能。 复合微生物对污染 呵流生物修复的初步研究 表1 - 1 难降解有机污染物和重金属及其相应的降解转化微生物 污染物降解菌参考文献 五氯酚f t a v o b a c t e r i u m 属( h uz h o n g c h e n g1 9 9 4 ) p h a n e r o c h a e t es o l d i d ( l a m a r ，r t e t ，a l1 9 9 4 ) p n a n a r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m ( k a n gg u y o u n ge t a l1 9 9 4 ) t r a m e f e sv e r s c o o y ( 1 , o g a n b ee 1a f 1 9 9 4 ) 氯酚r h o d o t o r u l ag l u t i n i s ( k a t a y a m a h i r a y a m ae t a l1 9 9 4 ) 多环芳烃( p a h ) 类 b a c i l l u s 属，m y c o b a c t e r i u m 属( m a u e ，g e t a l1 9 9 4 ) n o c a r d i a 属，s p h i n g o m o n a s 属 a l c a l i g e n e s 属，p s e u d o m o n a s 属 f 1 a v o b a c t e r i u m 属 高分子p a hm y c o b a c t e r i u ms p s t r a i np y r 一1 ( k e l l e y ，i e t a l1 9 9 5 ) 2 一硝基甲苯p s e u d o m o n a ss p j s 4 2 ( h a i g l e r ，b e e t a l1 9 9 4 ) 葸醌染料b a c i l l u ss u b t i l l a ( i t o h k e t a l1 9 9 3 ) 甲基溴化物 m e t h y l o c o o c u sc a p s u l a t u s( o r e m l a n d ，r s e t a l1 9 9 4 ) 氯苯p s e u d o m o n a ss p ( n i s h i 0 0 ，s f e t a l1 9 9 4 ) 多氯联苯( p c b ) p s e u d o m o n a s 属a l c a l i g e n e s 属( d e r c o v a ，ke ta l1 9 9 3 ) f i 油化合物b a c t e r o i d o s 属，w o l i n e l l a 属 ( j u n ，e h e t a l1 9 9 4 ) d e s u l f o m o n a s 属，d e s u j f o b a c t e r a 属 d e s u l f o c o c c u s 属，m e g a s p h a e z a 属 a c i n e t o b a c t e rs p ( k w o n ，k k e t a l1 9 9 4 ) n 一十六烷a c i n e t o b a c t e rs p ( e s p e c h e ，m e 1 9 9 4 ) 间硝基苯甲酸p s e u d o m o n a ss p ( n a d e a u ，l j 1 9 9 5 ) a c i d o v o f a x ，丑c i t i s ( m e r g a e r t ，j e t a l1 9 9 3 ) 3 一羟基丁酸聚合物 及其与3 一羟基戊酸v a r i o v o r a xp a t a d o x u s 聚合物的共聚体 b a c i l l u s 属，s t r e p t o m y c e s 属 a s p e r i g i l l u sf u m l g a t u s p e n i c i l l i u m 属 氯化愈创木酚a c i n e t o b a c t e rj u n i i ( g o n z a l e z ，b e t a l1 9 9 3 ) 农药：莠去津等r h o d o c o c c u ss p , b - 3 0 ( b e h k i ，r m e t a l1 9 9 4 ) 8 硫丹 a s p e r g i l u sn i g e r( m u k h e n e e ，i e t a l1 9 9 4 ) 1 ，4 - 二氧六环 a c t i n o m y c e sc b l1 9 0 ( p e r a l e s ，r ，e e ta i1 9 9 4 ) 9 堡垒燮兰塑翌堕塑型堕圭塑堡里堕塑生型塑 2 4 - 二氯苯氧乙酸 p s e u d o m o 口s sc a p a c i a( d a u g h e r t y ，dd e t a l1 9 9 5 ) 2 4 ，5 一t b u r k h o l d e n ac e p a c j aa c l1 0 0 ( s a u b a r a s ，d l e ta l1 9 9 5 ) 高浓度脂类 p s e u d o m o d a ss p ( c h a p p e ，p e t8 1 1 9 9 4 ) a e r o m o n a sh y d r o p h i l a s t a p h y l o c o c c u ss p 水胺硫动性球菌属( 赵金辉等1 9 9 5 ) 甲胺磷 p s e u d o m o n a ss o w s 一5( 肖华胜等1 9 9 5 ) 单甲脒p s e u d o m o n a sm e n d o c i n ad r 一8( 刘志培等1 9 9 5 ) 洁霉素 a e t o o n a ss p ( 罗国维等1 9 9 5 ) 重金属：c o p s e u d o m o n a s ( y a s m i n ，s e t a l1 9 9 1 ) p bc ac rd e s u l o “b r i od e s u l f o r i c a n s( k a f k e w i t z 。d e t a l1 9 9 4 ) a mp 1c i t r o b a c t e rs p ( m a c a s k i e ，l e e t a l1 9 9 4 ) n i 2 +d e s u l f o v 伯r i 0s p ?( 吴乾箐等1 9 9 5 ) c r 6 +d e s u l f o v i b r i os p ( 汪频等1 9 9 4 ) c d r h i z o p u so t y z a e( h u a n g ，c e t a l1 9 9 4 ) 有机汞b a c i l l u ss p ( n a k a m u r a ，k e t a l1 9 9 4 ) ( 2 ) 外来微生物。在废水生物处理和有机垃圾堆肥中我们已成功地用投菌法来 提高有机物降解转化的速度和处理效果，如应用珊瑚色诺卡氏菌来处理含腈废水，用 热带假丝酵母来处理油脂废水等。因此，在天然受污染的环境中，当合适的土著微生 物生长过慢，代谢活性不高，或者由于污染物毒性过高造成微生物数量反而下降时， 我们可以人为地投加一些适宜该污染物降解的高效菌。 目前用于生物修复的高效降解菌大多系多种微生物混合而成的复合菌群，其中不 少已被制成商业化产品。如光合细菌( p s b ，p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a ) ，这是一类在厌 氧光照下进行不产氧光合作用的原核生物的总称，它在厌氧光照及好氧黑暗条件下都 能以有机物为基质进行代谢和生长，因此对有机物有很强的降解能力，同时对硫、氮 素的转化也起了很大的作用。目前华东师大、无锡海德生物工程公司等已有p s b 菌 液、浓缩液、粉剂及复合菌剂出售，多应用于水产养殖水体，已显出一定成效。有上 海玉垒环境生物技术公司生产的玉垒菌，是一类高温放线菌，为游动放线菌属 ( a c t i n o p l a n c e ) 中的新种，其中的y l 活性生物复合剂h 1 5 经用于苏州河支流新泾 港程家桥河段后，1 8 0 天内对底泥中有机物( 在有外来污染物不断进入的条件下) 的 降解率为2 0 左右，对促进底泥的矿化也显示出一定的效果。美国c b s 公司开发的 复合微生物菌剂，内含光合细菌，酵母菌，乳酸菌，放线菌，硝化菌等多种微生物， 经对成都府南河、重庆桃花溪等严重有机污染河道的试验，对水体的c o d 、b o d 、 n h 3 一n 、t p 及底泥中的有机质均有一定的降解转化效果。日本a n e w 公司研制的e m 塞垒堂圭塑堕堕鳖型堕生丝堡星塑型生业! i 生物制剂，由光合细菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌等微生物组成。 ( 3 ) 基因工程菌。自然界中的土著菌，通过以污染物作为其唯一的碳源或以共 代谢等方式，对环境中的污染物具有一定的净化功能，有的甚至达到效率极高的水平， 但是对于r 益增多的大量人工合成化合物，就显得有些不足。采用基因工程技术，将 降解性质粒转移到一些能在污水和受污j f ：壤中生存的菌体内定向地构建高效降解难 降解污染物的工程菌的研究具有实际意义。 7 0 年代以来，发现了许多具有特殊降解能力的细菌，这些细菌的降解能力由质 粒控制。到目前为止，已发现自然界所含有的降解性质粒多达3 0 余种，主要有4 种 类型：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：如樟脑、辛