污染環(huán)境的生物修復(fù)

1、污染環(huán)境的生物修復(fù)環(huán)境污染的生物修復(fù)途徑包括兩個方面: 一是應(yīng)用生物處理或生物循環(huán)過程,通過精心設(shè)計與合理應(yīng)用阻斷或減少污染源向環(huán)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異微生物來修復(fù)污染場所(土壤或水體,降解效率可以通過改變土壤理化條件(包括溫度、濕度、pH、供氧量及營養(yǎng)添加等來完成,也可接種特殊馴化與構(gòu)件的工程微生物提高降解速率。1 生物修復(fù)生物修復(fù)是指人為控制條件下利用生物的生命代謝活動,使污染環(huán)境中有毒有害物減量化或使其完全無害化, 實現(xiàn)環(huán)境凈化、生態(tài)效應(yīng)恢復(fù)的新興生物技術(shù)。包括微生物修復(fù)和植物修復(fù)。對無機(jī)(主要是重金屬污染的生物修復(fù)主要是通過植物修復(fù),而對有機(jī)污染的生物修

2、復(fù)則主要靠微生物的降解、吸收與轉(zhuǎn)化等途徑。生物修復(fù)的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1 處理費(fèi)用低,如污染土壤生化治理費(fèi)用約為焚燒處理的1/21/3;(2 處理效率高,經(jīng)過生化處理,污染物殘留量可達(dá)到很低水平;(3 對環(huán)境影響小, 無二次污染, 生化治理最終產(chǎn)物為CO2、水和脂肪酸,對人類無害;(4可以就地處理,避免了技術(shù)過程的二次污染,節(jié)約了處理費(fèi)用;(5不破壞生物生長所需要的土壤環(huán)境;(6便于應(yīng)用。生物修復(fù)技術(shù)雖然已經(jīng)取得了長足的發(fā)展,但受生物特性的限制, 生物修復(fù)技術(shù)還存在著許多的局限性:(1微生物不能降解污染環(huán)境中的所有污染物。污染物的難生物降解性、不溶性以及污染物土壤腐殖質(zhì)或泥土結(jié)合在一起,常使生物修

3、復(fù)難以進(jìn)行。營養(yǎng)物的添加配比菌對碳、氫及各種微量元素的需求。氮、磷元素的缺乏是影響細(xì)菌生長繁殖的主要原因。(2生物修復(fù)要求對地點(diǎn)狀況的工程前考察往往費(fèi)時、費(fèi)錢。(3一些低滲透性土壤往往不宜采用生物修復(fù)技術(shù)。(4特定的微生物只降解特定的化合物類型,化合物形態(tài)一旦變化就難以被原有的微生物酶系降解。(5微生物活性受溫度和其他環(huán)境條件的影響。(6有些情況下,生物修復(fù)不能將污染物全部去除,因為當(dāng)污染物濃度太低不足以維持一定數(shù)量的降解菌時,殘余的污染物就會留在土壤中。2 生物修復(fù)技術(shù)主要有原位修復(fù)技術(shù)和異位修復(fù)技術(shù), 還有原位-異位聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等。原位修復(fù)技術(shù)是指在受污染的地區(qū)直接采用生物修復(fù)技術(shù),不需將

4、污染物挖掘和運(yùn)輸,一般采用土著微生物, 有時也加入經(jīng)過馴化和培養(yǎng)的微生物以加速處理,常常需要用各種工程化措施進(jìn)行強(qiáng)化。關(guān)鍵是激活土著微生物群落的降解活性、接種外源微生物種、添加營養(yǎng)成分如N、P 等、在厭氧條件下提供外源電子受體、篩選出高效吸收或降解污染物的生物突變體,能在污染土壤、沉積物、地表水或地下水中表現(xiàn)出對有機(jī)污染物較高的吸收能力或降解效率。異位修復(fù)技術(shù)是指將被污染的土壤或地下水從被污染地挖掘或抽取出來,經(jīng)運(yùn)輸后,再將污染物移入具有一定生物反應(yīng)條件的容器、池塘中或進(jìn)行生物堆積進(jìn)行治理的技術(shù)。異位修復(fù)技術(shù)也是一個好氧過程,通常采用固相或流體系統(tǒng)進(jìn)行。土壤或沉積物若采用生物堆積時,需添加一定

5、的堆積輔料,如秸稈、碎木片等,以增加堆積物對水分、空氣的保持力,同時也可改善其物理性能而便于操作。對規(guī)模較大的工程性堆積,往往需要設(shè)置專用管道通入堆積物中以定時注入空氣。必要時還需補(bǔ)充養(yǎng)分并接種高效微生物菌種。3 微生物條件生物修復(fù)主要是利用土著微生物代謝能力、活化土著微生物降解能力或者添加具有高速分解難降解化合物能力的特定微生物, 針對不同的污染環(huán)境, 可利用不同的修復(fù)微生物及改善其生長條件14。3.1 土著微生物對于污染環(huán)境的修復(fù), 低處理成本是技術(shù)開發(fā)的首要條件, 因此利用土著微生物的污染物代謝能力是設(shè)計生物修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 如地下水的原位生物修復(fù)多依靠天然生物修復(fù)作用。對具有高效降解能

6、力的土著微生物特性研究始終是環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。目前對通過添加外源性物質(zhì)促進(jìn)土著微生物生長的強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)研究較多。如生物激活劑法是指通過向受污染水體中投加無毒且不含菌種的可促進(jìn)土著微生物生長的水體凈化促進(jìn)液的方法, 是目前地表水體修復(fù)常用的一種生物強(qiáng)化法, 一般這種制劑含有降解污染物的多種酶和促進(jìn)微生物生長的有機(jī)酸、微量元素、維生素等成分, 可加速水體凈化過程中微生物生長的演替。用于地下水有機(jī)污染修復(fù)的生物通氣法則是將加壓后的空氣注射到污染地下水的下部, 氣流加速地下水中有機(jī)物的揮發(fā)和降解, 通過增加或延長停留時間促進(jìn)生物降解, 提高修復(fù)效率。最為有效的用于石油污染土壤異位生物修復(fù)

7、的預(yù)制床堆腐工藝原理是在被污染土壤中加入膨松劑后于預(yù)制床上堆成條狀或圓柱狀, 通過人工補(bǔ)充營養(yǎng)、空氣, 并加以適度攪拌, 保證好氧條件而實現(xiàn)土著微生物對有機(jī)污染物的降解16。使用電動力學(xué)技術(shù)強(qiáng)化生物修復(fù)也是一種有效的手段。它是利用電滲析、電遷移和電泳等電動力學(xué)效應(yīng)加速污染環(huán)境中有機(jī)污染物和微生物運(yùn)動,利用電極反應(yīng)和電流熱效應(yīng)為地下生物降解創(chuàng)造有利條件。研究表明, 電動力學(xué)技術(shù)能有效地強(qiáng)化原位生物修復(fù), 而且該技術(shù)不破環(huán)生態(tài)環(huán)境, 安裝和操作簡單, 具有廣闊的應(yīng)用前景。3.2 微生物的適應(yīng)性機(jī)制研究證明, 當(dāng)微生物暴露于一種有機(jī)物時,它不僅可以獲得對該種有機(jī)物的適應(yīng)性, 同時對其它具有相似結(jié)構(gòu)的

8、有機(jī)物也具有適應(yīng)性。在預(yù)先暴露于某一污染環(huán)境后, 降解該環(huán)境中特有污染物的微生物數(shù)量及其占總異養(yǎng)微生物群體的比例將大大增加, Bauer 等將這種現(xiàn)象稱為“交叉馴化”。目前對微生物的適應(yīng)性機(jī)理還不十分清楚, 其可能的機(jī)制有3 種: 特定酶的誘導(dǎo)和抑制; 基因突變產(chǎn)生新的代謝群體; 有機(jī)體的選擇性富集9。對生物修復(fù)而言, 微生物的適應(yīng)性對環(huán)境中的污染物降解十分重要, 微生物的適應(yīng)性機(jī)制研究對污染物的無害化生物降解具有重要指導(dǎo)作用。3.3 微生物的表面展示技術(shù)微生物表面展示技術(shù)作為一種新的技術(shù)平臺在重金屬污染環(huán)境生物修復(fù)中的應(yīng)用日趨成熟。表面展示技術(shù)是利用基因工程手段將外源基因或一組一定長度的隨機(jī)

9、寡核苷酸片段克隆到特定的表達(dá)載體中, 使其表達(dá)產(chǎn)物與外膜蛋白或噬菌體外殼蛋白以融合蛋白的形式呈現(xiàn)在細(xì)胞表面或噬菌體表面。革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌和酵母中已建立多個表面展示短肽和蛋白質(zhì)的系統(tǒng)。在微生物細(xì)胞表面展示外源蛋白對污染環(huán)境的生物修復(fù)有著重要的意義, 展示金屬結(jié)合蛋白( 肽 的微生物可用于污染土壤和工業(yè)廢水的凈化, 展示有機(jī)磷水解酶的微生物將用于有機(jī)磷污染物的脫毒。微生物表面展示技術(shù)將成為污染環(huán)境生物修復(fù)的有效策略, 但這一技術(shù)的研究還是一個新領(lǐng)域, 要使其得到應(yīng)用還有許多問題需要解決。4 結(jié)論與展望生物修復(fù)作為環(huán)境生物技術(shù)的核心部分, 因其本身具有快速、高效及費(fèi)用低廉的優(yōu)點(diǎn), 被稱為是

10、一種環(huán)境友好替代技術(shù), 近年來在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究上取得了重大進(jìn)展, 顯現(xiàn)出良好的開發(fā)前景, 在國內(nèi)受到日益廣泛的重視。然而, 在實驗室條件下成功的生物修復(fù)技術(shù), 并不表明在污染處理現(xiàn)場能得到成功應(yīng)用, 其中存在技術(shù)放大的問題, 如微生物的降解效率問題, 干擾因素的影響評估問題等。一般說來, 實驗室進(jìn)行的微生物降解研究, 大多是在很好的人為調(diào)控的理想狀態(tài)下以單組分純種微生物進(jìn)行, 被干擾因素極少, 因此很容易對結(jié)果做出解釋; 而現(xiàn)場的污染物與其他的物質(zhì)混雜在一起, 污染物的降解是包括土著微生物在內(nèi)的多種微生物聯(lián)合作用的結(jié)果, 而且干擾生物降解的因素很多, 實驗室得出的所謂最佳條件在現(xiàn)場條件下可能根本無法實施 , 或即使實施 也得不到同樣的結(jié)果27。此外, 對生物修復(fù)技術(shù)的現(xiàn)場放大除了微 生物技術(shù)外, 還涉及如環(huán)境地學(xué)、水利學(xué)、環(huán)境化學(xué)及土壤學(xué)等多學(xué) 科知識, 因此生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程