水污染微生物修复技术探析

2016-11-30胡晓宇

绿色科技 2016年16期

关键词：菌株水体重金属

陈亮，王超，胡晓宇，范强

(武汉沃田生态科技有限公司，湖北武汉 430074)

水污染微生物修复技术探析

陈亮，王超，胡晓宇，范强

(武汉沃田生态科技有限公司，湖北武汉 430074)

指出了微生物修复是生物修复技术的一种，越来越受到人们的重视。阐述了微生物修复技术的概念，分析了微生物菌的主要来源，总结了微生物修复各种污染物的机理及研究现状，提出了微生物修复技术存在的问题及解决办法，并对今后的研究重点进行了展望。

水污染；微生物；修复技术

1　引言

水是人类生存的重要基础物质之一，水质的好坏直接影响着人类的正常生活。资料显示，2014年全国423条主要河流、62座重点湖泊(水库)的968个国控地表水监测断面(点位)开展了水质监测，V类、劣V类水质断面分别占6.8%、9.2%，主要污染指标为化学需氧量、总磷和5日生化需氧量。如何快速、有效地解决地表水体污染问题，已经成为推进我国生态文明建设一个迫切需要解决的问题。微生物技术修复水污染以其效率高、成本低、易操作、持续时间长、无二次污染等特点日益受到人们的重视。

2　微生物修复的定义

微生物修复是生物修复技术的一种，属于生态修复的范畴。生态修复是指利用生态系统的自我恢复能力，辅以人工措施，使那些在自然突变和人类活动影响下受到破坏的自然生态系统的恢复与重建工作，恢复生态系统原本的面貌。生物修复是指利用植物、动物和微生物吸收、降解、转化环境中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平。微生物修复是以微生物的代谢活动为基础，通过对有害物质进行降解和转化，重新建立水体生态平衡，从而达到治理水体的效果。

3　微生物的来源

3.1土著菌修复

现阶段用于水体生态修复的微生物的主要来源有3种：土著菌、驯化菌和工程菌。自然界存在着大量的微生物菌株资源，即土著菌，它是多种有益微生物的混合群，是自然界中不可缺少的一部分。土著微生物按好嫌气性分有好气菌、嫌气菌；按菌种分有酵母菌、曲霉菌、放线菌、乳酸菌、芽孢菌等。土著菌为特异性优势菌的开发与筛选提供了丰富的资源。

3.2驯化菌修复

土著菌从中筛选并经驯化可以获得去污高效菌株或微生物类群，直接用于水处理工程。例如常规废水生物处理工程设施中的微生物类群，往往是直接从自然环境中获取的微生物，经过驯化之后，形成理想的群落结构和优势种群，执行其净化功能。印染废水、农药生产废水均可以从自然界直接筛选驯化微生物获得降解、净化。这类污染物的降解一般需要多种菌株的参与，单一菌株难以完成有机污染物特别是人工合成污染物降解的复杂过程。污染水体中的微生物往往是微生物与水处理工程获取菌株的重要场所，从农药污染的水体中筛选驯化菌种用以处理农药生产废水，从石油污染的水体或土壤中筛选驯化菌种用以清除石油污染等都是目前广泛应用的、较为快速而成熟的获取菌种的途径。

3.3基因工程菌修复

基因工程菌是指运用分子生物学和遗传工程技术的手段改造微生物菌种特性，使之获得高降解活性以及特异或广谱降解污染物的优良性能，从而达到特异净化水体的目的。美国率先在水污染治理构建中应用工程菌。Chakrabaryty等[1]在1个菌株中导入4种假单胞菌的遗传基因得到工程菌。该菌具有非凡的能力，能够同时降解脂肪烃、芳烃、多环芳烃，降解石油的速度快、效率高。Kolenc等融合质粒转入嗜冷性的G5菌株中形成新的工程菌G5T，在温度低至0 ℃时仍可利用甲苯为唯一碳源。我国科学家在处理化工废水、重金属污染水体方面的研究也取得了突出进展。

4　微生物修复的机理

4.1微生物对耗氧有机物的净化

水体在受到污染后，一般能够进行一定程度的自然净化。在这个过程中，自然界存在的微生物起着很重要的作用，包括降解、共代谢、去毒和激活作用[2]。如细菌、真菌、藻类和原生动物等可利用污染物质作为生物氧化基质，产生ATP并在好氧条件下将有机污染物彻底氧化为CO2和H2O；假单胞菌属、不动杆菌属、诺卡菌属和节杆菌属等在碳源和能源型基质上生长时，可将一些非生长基质的物质共代谢转化；藻类、原生动物、真菌和细菌等可通过细胞内酶的作用改变污染物分子结构，形成的产物被分泌到胞外或被彻底氧化为CO2释放出来。

4.2微生物对富营养化水体的净化

微生物在水体修复中，通过氧化、还原、光合、同化、异化作用等过程把有机污染物转变为简单的化合物[3]，保证水质的正常功能，从而改善水体环境质量，恢复水体生态平衡。微生物在水体碳、氮、磷、硫4种主要元素循环及生物控藻作用中都起到非常重要的作用，它可以有效控制4种元素在水体中的含量和存在形式，释放毒藻素，激发食藻生物繁殖，促进形成有益微生物菌落，分解有机物，消除有害物质NH4-N、H2S以及过量的氮、磷元素等，抑制藻类在水体中的大量繁殖，进一步提高水体透明度和DO，有效净化水体，最终为恢复水体自净功能和促进富营养化水体的生物修复提供有效的帮助和有力支持。

4.3微生物对重金属的作用

微生物处理重金属是利用细菌、真菌(酵母)、藻类等生物材料及其生命代谢活动去除或积累废水中的重金属，并通过一定的方法使金属离子从微生物体内释放出来，从而降低废水中重金属离子的浓度。细菌主要通过吸附作用、氧化还原作用、淋滤作用、协同效应实现对重金属的富集与转化[4]。而真菌则是通过吸附作用和络合作用实现对重金属的富集与转化。菌根对重金属的作用则体现在：通过分泌特殊的分泌物等形式改变植物根际环境，改变重金属的存在状态，降低重金属毒性；影响菌根植物对重金属的积累和分配，使菌根植物体内重金属积累量增加，提高植物的富集效果；在菌根植物对重金属的吸收或运输、迁移或积累等过程中，AM(Arhusclar mycorrhiza)真菌很可能参与调控这些相关功能基因的表达；菌根真菌向宿主植物传递营养，使植物幼苗成活率提高，宿主植物抗逆性增强，生长加快，间接地促进植物对重金属的修复作用。

4.4植物-微生物的联合作用

植物和微生物的耦合作用是水生植物应用于水体修复的重要机制[5]。人工湿地对氮的去除主要通过微生物的硝化—反硝化作用途径；根际微生物和植物的联合作用可以改变磷的存在形态，从而加速磷的去除；在有机物和重金属污染环境中，根际微生物通过增强植物对环境的适应性促进污染物的去除。

4.5微生物对有机物的净化作用

微生物的活动是污水中有机物降解的主要机制或净化污水的主要力量，研究发现COD和BOD的去除与各种微生物数量有明显的相关性[6]，去除因素与微生物的数量和活性直接相关。人工湿地内存在明显的好氧菌和厌氧菌群，在植物的根、茎上好氧微生物占优势，而在湿地植物的根系区则既有好氧微生物、也有兼性厌氧微生物的活动。有机物的生物降解主要经历3个阶段：①水解酸化过程，复杂大分子、不溶性有机物在细胞外酶作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后这些小分子、有机物渗透到细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇、醛等；②产酸过程，在产酸细菌的作用下，将前阶段产生的各种有机酸分解转化为乙酸和H2、CO2；③产甲烷过程，产甲烷细菌利用乙酸、乙酸盐、CO2和H2或其他含碳化合物产生甲烷。

4.6微生物对石油类污染物的净化

石油烃是链烷烃、环烷烃、芳香烃的复杂混合物。链烷烃的代谢机理是脱氢作用、羟化作用和过氧化作用[7]。通常正烷烃的生物降解是由氧化酶酶促进行的，首先烷烃氧化成相应的伯醇，然后经由醛转化成脂肪酸，脂肪酸通过β-氧化降解成乙酰辅酶A，后者或进入三羧酸循环，分解成CO2和H2O，并释放出能量，或进入其他生化过程。链烷烃也可直接脱氢形成烯烃，烯烃再进一步氧化成醇、醛，最后形成脂肪酸；或氧化成为一种烷基过氧化氢，然后直接转化成脂肪酸。有的微生物还可以通过亚末端氧化形成仲醇，再依次氧化成酮、酯，酯水解形成伯醇和脂肪酸，再进一步氧化分解。

环烷烃是石油烃中难于被微生物降解的烃类。环烷烃没有末端甲基，它的生物降解原理和链烷烃的亚末端氧化相似，经混合功能氧化酶氧化后产生环烷醇，然后脱氢形成酮，再进一步氧化得内酯，或直接开环生成脂肪酸。

苯与短链烷基苯在脱氢酶及氧化还原酶的作用下，经二醇的中间过程代谢成邻苯二酚和取代基邻苯二酚。后者可在邻位或间位处断裂，形成羧酸。多环芳烃的降解首先通过微生物产生的加氧酶进行定位氧化反应。真菌产生单加氧酶，将氧原子加到苯环上，形成环氧化物，然后加入H2O产生反式二醇和酚；细菌产生双加氧酶，将两个氧原子加到苯环上，形成过氧化物，然后氧化成顺式二醇，脱氢产生酚。环的氧化是微生物降解多环芳烃的限速步骤。

4.7微生物对有毒有机物的净化

众多研究表明氯的脱除是氯代芳香族有机物生物降解的关键过程[8]，好氧微生物可通过双加氧酶/单加氧酶作用使苯环羟基化，形成氯代儿茶酚，进行邻位、间位开环、脱氯；也可在水解酶作用下先脱氯后开环，最终矿化。不同好氧微生物脱氯降解的生化机制(包括共代谢作用)不同，赋予降解途径的多样化，但大多以氯代儿茶酚1,2双加氧酶催化的邻位裂解途径为主，即修饰邻位裂解途径。氯代芳香族污染物厌氧生物降解是通过微生物还原脱氯作用，逐一脱氯形成低氯代中间产物或被矿化生成CO2+CH4的过程。另外研究还发现在厌氧条件下，苯类、PAH可发生转化、降解，形成CO2/CH4。

含氟芳香族化合物生物降解的关键是脱氟[9]。在好氧条件下进行水解或氧化分解是脱氟的途径之一，开环以后所形成的非芳香族化合物的氟主要是通过水解的途径脱氟。目前，卤素化合物的厌氧脱卤主要集中在含氯芳香族化合物，这些化合物能在不同还原条件下被降解，在脱硝条件下，3-氯苯甲酸和4-氯苯甲酸能被降解，然而3-氯苯甲酸在铁还原和产甲烷条件下也能被降解。在厌氧环境下，单氟芳香族化合物在脱硝条件下也能被降解，但含氟芳香族化合物对生物降解有强烈的抑制作用。

5　水体微生物修复

5.1对重金属的修复

目前，我国水体重金属污染十分严重。造成水体重金属污染的主要原因是人为污染源，主要包括采矿和冶炼、金属加工、化工、废电池处理、电子、造革和染料、大气干湿沉降、农药和化肥的使用等。目前国内对微生物修复水体重金属的报道主要集中在水体底泥的微生物修复、水生植物-微生物联合修复技术和矿山重金属污染修复研究等方面。

廖佳等[10]从铅锌矿区分离筛选出耐铅锌真菌HA为米曲霉(Aspergillusoryzae)，当铅、锌初始浓度为100 mg/L、pH值为5.0时，HA对铅、锌离子的去除率均达到最高，分别为97.8%、54.1%，当HA接种量为1 mL时，其对铅、锌去除率的增长率达到最大。HA细胞中羟基、烷基、酰胺基、羰基、磷酸基等参与了Pb2+、Zn2+的吸附过程。

周俊等[11]利用沥浸微生物对浓缩污泥与添加聚丙烯酰胺(PAM)的脱水污泥进行生物沥浸处理。结果表明，经过生物沥浸处理，两种污泥中Zn的溶出率分别为66.65%、59.13%，Cu的溶出率分别为13.31%、23.55%。

5.2对工业废水的修复

印染废水是一类有机物含量高、色度高、生化性能差的难降解废水。通过人工创造适于微生物生存和繁殖的环境，可以使微生物大量繁殖，以提高微生物降解代谢有机物为无机物来处理废水。目前在印染废水处理方面常采用的技术有：膜生物反应器、固定化微生物、SBR法、微生物絮凝剂等。膜曝气-生物膜反应器(MABR)是一种新型的膜-生物废水处理工艺，在MABR中采用基因工程菌生物膜可以强化难降解污染物的生物去除。刘春等[12]在SPG膜表面形成基因工程菌生物膜，运行SPG膜曝气-生物膜反应器(SPG-MABR)处理阿特拉津废水。结果表明，气压为300 kPa、生物量为25 g/m2、液体流速为0.05 m/s时，SPG-MABR反应器对阿特拉5d的去除率可以达到98.6%。生物膜表面逐渐被其他微生物细胞覆盖，基因工程菌分布减少，生物膜内部仍以基因工程菌细胞为主。

杨兴兴等[13]通过基因工程手段增加厌氧氨氧化菌亚硝酸盐还原酶(nitritereductase，nirS)的表达量，运用质粒载体pGEM-T克隆nirS基因。琼脂糖凝胶电泳检测显示，nirS基因重组工程菌在440bp处有明显的目的条带；nirS基因重组工程菌扩大培养7-8h后即达到生长曲线稳定期，引入外加氮源后，菌体生长情况更优。通过不同菌液投加量以及处理不同初始浓度的亚硝酸钠溶液，检测nirS基因重组工程菌的性能。结果表明：当nirS基因重组工程菌投加30mL(细菌数为2.3×107个∕mL)，亚硝酸盐初始质量浓度为40mg/L时，亚硝酸盐去除率达到90%以上。

5.3对石油类污染物的修复

随着石油能源的开采以及广泛应用，水体环境石油污染问题日益严重，找到高效的石油降解菌株成为水体石油污染生物修复的一个重要研究方向。余薇等[14]从污染水环境中分离筛选到SY2、J7、H233株具有较好石油降解能力的菌株，经生理生化及16SrDNA分子鉴定，分别为枯草芽孢杆(Bacillus subtilis)、恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)。结果表明：最优条件下，SY2石油烃降解率最高可达61.27%，J7达68.40%，H23达83.64%。气相色谱分析石油烃降解前后的全烃组成分析进一步证实其均具有良好的石油烃降解能力。为基于微生物的石油水体污染生物修复提供了应用基础。

5.4对富营养化水体的修复

微生物修复是一种利用特异微生物的新陈代谢来消耗减少水体中富营养物质的方法。周小颖等[15]以碳素纤维(CF)为生物膜载体，研究了CF和生物碳素纤维(BCF)去除污水氮磷的动力学特征。结果表明：CF和BCF对氮磷均有较好的去除效果，其中BCF对TP的去除率大于90%。

万田英等[16]研究了光合细菌投加量对湖泊污染修复的作用效应。结果表明：PSB投加百分比与上覆水CODMn、总氮、总磷含量及沉积物总磷呈显著的负相关关系(P<0.05)，与上覆水氨氮及沉积物有机质之间呈极显著的相关性(P<0.01)。

何腾霞等[17]研究了耐冷反硝化细菌PseudomonasputidaY-12去除亚硝酸盐氮和总氮的影响。结果表明：Y-12菌株去除亚硝酸盐氮和总氮的最佳碳源为柠檬酸钠，在15 ℃和pH值为7.2条件下，该菌以柠檬酸钠为唯一碳源对亚硝酸盐氮和总氮去除率分别达到了100%和81.8%；反硝化脱氮产生了19559.82 mg/m3CO2和0.11 mg/m3N2O；在15 ℃，150 r/min摇床培养条件下，48h内菌株Y-12对景观水体中亚硝酸盐氮和总氮去除率分别达到了37.7%和51.5%。

6　问题与展望

微生物技术净化水体虽然在实际应用中取得了一些成效，但其仍存在一定的局限性。水体生态环境是一个多成分的动态的生态环境，其理化特征时刻都受到外界环境的影响。而微生物修复水体环境的效率直接受到温度、溶解氧、pH值等多种因素的影响。因而，要筛选或培育对环境适应性强、修复的污染物种类多的菌株或菌群是微生物修复的长远之计。

水体生态环境中的污染物错综复杂，还存在着许多生物难降解的物质，微生物资源仍需要进一步的开发。环境中某些物质的对某些微生物存在毒性，使得污染物在降解转化过程所涉及的生化反应受到抑制而影响处理效果。许多有效微生物的代谢途径仍不清楚，某些菌在处理污染物的同时。有可能会产生毒性更大的中间代谢物，有导致二次污染的风险。

工程菌释放到环境中的生态影响存在很多不确定因素，是否对人类自身的生存和环境生态的平衡造成不利影响还没有明确答案，对于污染降解基因在各种有效

降解菌体内的定位尚需做大量的研究工作。这也导致大量工程菌停留在了实验室阶段，距离实际运用还有很大的差距。

[1]KOLENC R J，INNISS W E，GLICK B R，et al.Transfer and expression of mesophilic plasmid-mediated degradative capacity in a psy chro trophic bacterium[J].Applied & Environmental Microbiology,1988,54(3):638～641.

[2]李素玉.环境微生物的分类与检测技术[M].北京;化学工业出版社,2005,142～143.

[3]郑焕春,周青.微生物在富营养化水体生物修复中的作用[J].中国生态农业学报,2009,17(1):197～202.

[4]孙嘉龙,肖唐付,周连碧,等.微生物与重金属的相互作用机理研究进展[J].地球与环境,2007,35(4):367～374.

[5]胡智勇,陆开宏,梁晶晶.根际微生物在污染水体植物修复中的作用[J].环境科学与技术,2010,33(5):75～80.

[6]冯琳.潜流人工湿地中有机污染物降解机理研究综述[J].生态环境学报,2009,18(5):2006～2010.

[7]张子间,刘勇弟,孟庆梅,等.微生物降解石油烃污染物的研究进展[J].化工环保,2009,29(3):193～198.

[8]徐向阳,任艳红,黄绚,等.典型有机污染物微生物降解及其分子生物学机理的研究进展[J].浙江大学学报:(农业与生命科学版),2004,30(6):684～689.

[9]周钰明,徐飞高,吴敏.含氟有机废水的生物技术处理[J].现代化工,2003,23(6):48～50

[10]廖佳,冯冲凌,李科林,等.耐性真菌HA吸附铅、锌的影响因素及吸附机理研究[J],微生物学通报,2015,42(2):254～263.

[11]周俊,刘奋武,崔春红,等.生物沥浸对城市污泥脱水及其重金属去除的影响[J].中国给水排水，2014(1):86～89.

[12]刘春,龚鹏飞,肖太民,等.SPG膜曝气-基因工程菌生物膜反应器处理阿特拉津废水研究[J].环境科学,2014(8):3018～3023.

[13]杨兴兴,陈学萍,刘冬秀,等.nirS基因重组工程菌降解亚硝酸盐的初步研究[J].工业用水与废水,2014(6):19～22.