污染环境的生物修复

1、污染环境的生物修复环境污染的生物修复途径包括两个方面: 一是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;二是利用具有特殊生理生化功能的植物或特异微生物来修复污染场所(土壤或水体,降解效率可以通过改变土壤理化条件(包括温度、湿度、pH、供氧量及营养添加等来完成,也可接种特殊驯化与构件的工程微生物提高降解速率。1 生物修复生物修复是指人为控制条件下利用生物的生命代谢活动,使污染环境中有毒有害物减量化或使其完全无害化, 实现环境净化、生态效应恢复的新兴生物技术。包括微生物修复和植物修复。对无机(主要是重金属污染的生物修复主要是通过植物修复,而对有机污染的生物修

2、复则主要靠微生物的降解、吸收与转化等途径。生物修复的主要优点有:(1 处理费用低,如污染土壤生化治理费用约为焚烧处理的1/21/3;(2 处理效率高,经过生化处理,污染物残留量可达到很低水平;(3 对环境影响小, 无二次污染, 生化治理最终产物为CO2、水和脂肪酸,对人类无害;(4可以就地处理,避免了技术过程的二次污染,节约了处理费用;(5不破坏生物生长所需要的土壤环境;(6便于应用。生物修复技术虽然已经取得了长足的发展,但受生物特性的限制, 生物修复技术还存在着许多的局限性:(1微生物不能降解污染环境中的所有污染物。污染物的难生物降解性、不溶性以及污染物土壤腐殖质或泥土结合在一起,常使生物修

3、复难以进行。营养物的添加配比菌对碳、氢及各种微量元素的需求。氮、磷元素的缺乏是影响细菌生长繁殖的主要原因。(2生物修复要求对地点状况的工程前考察往往费时、费钱。(3一些低渗透性土壤往往不宜采用生物修复技术。(4特定的微生物只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的微生物酶系降解。(5微生物活性受温度和其他环境条件的影响。(6有些情况下,生物修复不能将污染物全部去除,因为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。2 生物修复技术主要有原位修复技术和异位修复技术, 还有原位-异位联合修复技术等。原位修复技术是指在受污染的地区直接采用生物修复技术,不需将

4、污染物挖掘和运输,一般采用土著微生物, 有时也加入经过驯化和培养的微生物以加速处理,常常需要用各种工程化措施进行强化。关键是激活土著微生物群落的降解活性、接种外源微生物种、添加营养成分如N、P 等、在厌氧条件下提供外源电子受体、筛选出高效吸收或降解污染物的生物突变体,能在污染土壤、沉积物、地表水或地下水中表现出对有机污染物较高的吸收能力或降解效率。异位修复技术是指将被污染的土壤或地下水从被污染地挖掘或抽取出来,经运输后,再将污染物移入具有一定生物反应条件的容器、池塘中或进行生物堆积进行治理的技术。异位修复技术也是一个好氧过程,通常采用固相或流体系统进行。土壤或沉积物若采用生物堆积时,需添加一定

5、的堆积辅料,如秸秆、碎木片等,以增加堆积物对水分、空气的保持力,同时也可改善其物理性能而便于操作。对规模较大的工程性堆积,往往需要设置专用管道通入堆积物中以定时注入空气。必要时还需补充养分并接种高效微生物菌种。3 微生物条件生物修复主要是利用土著微生物代谢能力、活化土著微生物降解能力或者添加具有高速分解难降解化合物能力的特定微生物, 针对不同的污染环境, 可利用不同的修复微生物及改善其生长条件14。3.1 土著微生物对于污染环境的修复, 低处理成本是技术开发的首要条件, 因此利用土著微生物的污染物代谢能力是设计生物修复的关键环节, 如地下水的原位生物修复多依靠天然生物修复作用。对具有高效降解能

6、力的土著微生物特性研究始终是环境生物技术领域的研究重点。目前对通过添加外源性物质促进土著微生物生长的强化生物修复技术研究较多。如生物激活剂法是指通过向受污染水体中投加无毒且不含菌种的可促进土著微生物生长的水体净化促进液的方法, 是目前地表水体修复常用的一种生物强化法, 一般这种制剂含有降解污染物的多种酶和促进微生物生长的有机酸、微量元素、维生素等成分, 可加速水体净化过程中微生物生长的演替。用于地下水有机污染修复的生物通气法则是将加压后的空气注射到污染地下水的下部, 气流加速地下水中有机物的挥发和降解, 通过增加或延长停留时间促进生物降解, 提高修复效率。最为有效的用于石油污染土壤异位生物修复

7、的预制床堆腐工艺原理是在被污染土壤中加入膨松剂后于预制床上堆成条状或圆柱状, 通过人工补充营养、空气, 并加以适度搅拌, 保证好氧条件而实现土著微生物对有机污染物的降解16。使用电动力学技术强化生物修复也是一种有效的手段。它是利用电渗析、电迁移和电泳等电动力学效应加速污染环境中有机污染物和微生物运动,利用电极反应和电流热效应为地下生物降解创造有利条件。研究表明, 电动力学技术能有效地强化原位生物修复, 而且该技术不破环生态环境, 安装和操作简单, 具有广阔的应用前景。3.2 微生物的适应性机制研究证明, 当微生物暴露于一种有机物时,它不仅可以获得对该种有机物的适应性, 同时对其它具有相似结构的

8、有机物也具有适应性。在预先暴露于某一污染环境后, 降解该环境中特有污染物的微生物数量及其占总异养微生物群体的比例将大大增加, Bauer 等将这种现象称为“交叉驯化”。目前对微生物的适应性机理还不十分清楚, 其可能的机制有3 种: 特定酶的诱导和抑制; 基因突变产生新的代谢群体; 有机体的选择性富集9。对生物修复而言, 微生物的适应性对环境中的污染物降解十分重要, 微生物的适应性机制研究对污染物的无害化生物降解具有重要指导作用。3.3 微生物的表面展示技术微生物表面展示技术作为一种新的技术平台在重金属污染环境生物修复中的应用日趋成熟。表面展示技术是利用基因工程手段将外源基因或一组一定长度的随机

9、寡核苷酸片段克隆到特定的表达载体中, 使其表达产物与外膜蛋白或噬菌体外壳蛋白以融合蛋白的形式呈现在细胞表面或噬菌体表面。革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌和酵母中已建立多个表面展示短肽和蛋白质的系统。在微生物细胞表面展示外源蛋白对污染环境的生物修复有着重要的意义, 展示金属结合蛋白( 肽 的微生物可用于污染土壤和工业废水的净化, 展示有机磷水解酶的微生物将用于有机磷污染物的脱毒。微生物表面展示技术将成为污染环境生物修复的有效策略, 但这一技术的研究还是一个新领域, 要使其得到应用还有许多问题需要解决。4 结论与展望生物修复作为环境生物技术的核心部分, 因其本身具有快速、高效及费用低廉的优点, 被称为是

10、一种环境友好替代技术, 近年来在基础和应用研究上取得了重大进展, 显现出良好的开发前景, 在国内受到日益广泛的重视。然而, 在实验室条件下成功的生物修复技术, 并不表明在污染处理现场能得到成功应用, 其中存在技术放大的问题, 如微生物的降解效率问题, 干扰因素的影响评估问题等。一般说来, 实验室进行的微生物降解研究, 大多是在很好的人为调控的理想状态下以单组分纯种微生物进行, 被干扰因素极少, 因此很容易对结果做出解释; 而现场的污染物与其他的物质混杂在一起, 污染物的降解是包括土著微生物在内的多种微生物联合作用的结果, 而且干扰生物降解的因素很多, 实验室得出的所谓最佳条件在现场条件下可能根本无法实施 , 或即使实施 也得不到同样的结果27。此外, 对生物修复技术的现场放大除了微 生物技术外, 还涉及如环境地学、水利学、环境化学及土壤学等多学 科知识, 因此生物修复技术的应用是一项复杂的系统工程