微生物在环境保护中的应用研究进展

2017-07-29李宝玉杨映洁

现代农业科技 2017年12期

李宝玉+杨映洁

摘要现代微生物技术在环境微生物检测和治理中起到至关重要的作用。本文就微生物在大气污染治理、工业废水处理、农药残留控制、环境净化等领域的应用，以及在环境保护中作用原理及在未来环境保护中的发展前景展开阐述，旨在为微生物在环境保护领域的应用与发展提供借鉴。

关键词微生物；环境保护；作用原理；发展前景

中图分类号 Q939.99；X505 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）12-0177-02

Abstract Modern microbial technology plays a crucial role in environmental microbial detection and governance. In this paper，the application of microorganism in the fields of air pollution control，industrial waste water treatment，pesticide residues control and environmental purification was elaborated，its action principle and development prospects in environmental protection were expounded，so as to provide references for application and development of microorganism in environmental protection.

Key words microorganism；environmental protection；action principle；development prospects

微生物是指个体难以或无法用肉眼观察的一切微小生物的总称，包括细菌、病毒、真菌、少数藻类以及一些小型的原生生物[1]。微生物个体微小、种类繁多，涵盖了众多有益和有害的生物种类，由于其体积微小、体表面积大、吸收多、转化快、自身生长繁殖迅速，已经被广泛应用于食品安全、医药医学、工农业、环境保护等诸多领域[2]。

由于现代科学技术发展迅猛，人民生活水平快速提高，各个领域间的技术发展也是飞奔猛进，人们在生产、生活中对化工产品的需求量越来越大，但是随之而来的环境问题却一直困扰着人们。

目前，我国的环境保护工作进入“以环境优化促进经济增长”[3]的阶段，而利用微生物进行环境治理是便捷、高效、无污染的措施。随着科学技术的发展，微生物技术的优势已经越来越明显，利用微生物进行环境治理已经不断深入和完善。实践表明，微生物技术将成为环境保护的重要手段。各国都在大力研发微生物技术，今后微生物技术在环境保护领域中将占据更高的市场。

1 微生物在大气污染治理中的应用

随着工业的迅速发展，人口激增，进而带来的是一系列的大气污染问题，从而引起各种危害，如臭氧层被破坏、酸雨发生越发频繁、温室效应等。現主要从4个方面介绍微生物在大气污染治理中的应用，包括NOx的微生物净化技术、微生物烟气脱硫技术、微生物除臭技术、二氧化碳的微生物固定技术[4]。

1.1 NOx的微生物净化技术

NOx的微生物净化技术原理是利用脱氮菌在外加氮源的环境下，将大气中有害气体NOx还原成无害气体N2，在进行还原的同时，脱氮菌利用NOx作为氮源营养物质进行自身增殖，如此循环还原，从而达到多次净化的作用[5]。爱德荷国家工程的实验室研究人员利用脱氮菌进行脱氮，已经将氮净化率提高到99%[6]。该方法能有效去除废气中的NOx，因其工艺流程简单、能源消耗低、净化效率高、无二次污染、能进行循环利用等优点，可以推广用于其他工业有害气体的治理，从而达到有害气体的再利用。现在，各国的科学家正在研究将NOx的微生物净化技术与细胞固定化技术相结合，从而寻找对有害气体NOx进行净化的更便捷、易操作的方法。

1.2 微生物烟气脱硫技术

现阶段，对烟气中的SOx、H2S的治理有2个方法：一种方法是利用化学反应原理，将SOx、H2S转变成H2SO4；另一种方法便是利用氧化亚铁硫杆菌的特性，吸收大气污染中的SOx，同时利用吸收液中的微生物使Fe2+和Fe3+进行相互转化。由于Fe3+具有较强的氧化性，是良好的氧化剂，所以Fe3+的浓度越高，氧化性越强，脱硫的速度也就越快[7]。同时，反应生成的Fe2+又可以作为氧化亚铁硫杆菌的营养源物质，转化成产物Fe3+，再次加快SO2的消化、吸收。研究表明，现在的氧化亚铁硫杆菌的脱硫率已经达到95%以上[8]，并且脱硫技术可以运用于煤炭中硫的去除、工业硫化氢气体的净化。

1.3 微生物除臭技术

由于工业气体污染包含多种污染成分，其中还夹杂着部分固体颗粒，产生臭气，故科学家研究出微生物除臭技术，用于处理工业污染引起的臭气。微生物除臭技术[9]是先将臭气溶于水中，然后运用微生物的体表面积大、细胞膜和细胞壁可以吸附溶于水中的臭气的特性，将臭气分解为可溶性物质，使工业污染中的臭气被消除；同时，微生物利用臭气中的成分作为自己的营养物质，进行自身的生长繁殖，增加了微生物的数量，加快除臭环节的进行。此技术净化效率高、成本低，是可以推行的工业除臭技术。德国、荷兰等国家已经开发了生物臭气处理装置，除臭效率可达1万～15万m3/h[10]。

1.4 二氧化碳的微生物固定技术

二氧化碳污染是最常见的气体污染，可利用物理、化学技术进行去除，但微生物的各种条件更为优越，能在进行污染物治理的同时实现自身的生长繁殖，故使用微生物进行碳的固定，产生许多有利的物质，如有机酸、多糖、维生素、氨基酸等。常见的固碳微生物有螺旋藻、小球藻、真养产碱杆菌等进行固定作用，分解二氧化碳[11]。

2 微生物在工业废水处理中的应用

微生物对工业废水进行处理的方法是利用其生化反应，通过酶催化对工业废水起到转移和转化作用，从而使工业废水得到净化、循环利用。微生物技术处理工业废水主要是进行有机物的降解、重金属离子的处理及其他物质的除杂。

2.1 废水中有机物的降解

微生物降解污水中的有机物是利用微生物的新陈代谢过程中需要进行物质间的吸收利用，产生容易分解的代谢物，周而复始，使污水中的有机物被分解完全[12]。

20世纪70年代微生物絮凝剂已经问世，其来源为微生物，来源广泛，安全性高，是自然的新型水处理剂[13]，现已经应用于高浓度、难治理的农药废水中。高效微生物的研究应用是解决农药废水实现高效、快捷处理的关键[14]，可以利用EM菌、小球绿藻、芽孢杆菌等对农药残留的有机磷、硫等物质进行消化吸收。经过科学家们的研究，降解率已经从72.3%[15]升高至99.7%[16]，同时，中国科学院与中国科学院武汉病毒研究所从污泥中分离出假单细胞，其在18 h内能将1 000 mg/L甲胺磷降解75%左右[17]。

2.2 含重金属离子的处理

微生物治理重金属离子主要是靠真菌，由于真菌生长速度快、菌丝绵长、附着力强，利用静电吸附作用和霉菌体内的催化转化作用及络合作用，使重金属被吸附消化[18]，而且微生物的代谢产物可以自行分解，具有成本低、效率高的优势。近年来有研究表明，已经利用微生物从废水中分离、净化、回收铜、汞、铬等重金属，多次净化率高达99.9%[19]。

另外，1998年Kuhn[20]利用海藻酸钠固定生支动胶菌除去溶液中95.9%的Cd2+。至此，科学家开始利用各种生物技术与现代科技技术相互结合，除去了废水中99%的重金属离子，实现了废水再利用，达到了净化水质的效果。

2.3 废水中其他物质的去除

废水中除了有机杂质、重金属外，还有其他有色颗粒存在。目前，对有色废水的处理是采用微生物絮凝剂进行脱色，该处理剂是利用生物分解性，将细菌、真菌等微生物发酵、提取、精制而成。研究表明，它克服了无机高分子和合成有机高分子絮凝剂本身固有的缺陷，现在已经研发了微生物絮凝剂NOC-1对发酵后的有色废水、造纸碱性黑液等进行脱色，发现其脱色效果显著，可使废水变为清澈、透明[21]。

3 微生物在环境净化中的应用

19世纪末，经济日益增长，环境问题越发严重，随着微生物治理方法的出现，标志着人类利用微生物进行环境保护的工程开始，经过上百年的研究，微生物已经在治理环境中被广泛应用。

3.1 废弃物的降解、转化

微生物由于代谢类型的多样化，几乎能降解环境中的各种天然物质，尤其是有机化合物。现在国内外已经普遍采用微生物技术降解转化石油、农药、重金属、多氯联苯（PCB）等未能被利用的污染物。大量研究发现，采用红色诺卡氏菌与酿酒酵母结合，能够完全降解毒性极其稳定的多氯联苯[23]。日本环境科学与民间企业共同研究发现一种可以分解PCB的微生物，分解率可达64.5%[24]。中国科学院微生物研究所筛选出高效降解RDX的棒状杆菌、降解TNT的芽孢杆菌，其降解率高达90%以上。故微生物是现代工业发展的坚强后盾。

3.2 环境监控

微生物无处不在，现在已经利用微生物的特性进行环境监控：用粪便污染指示菌（大肠杆菌、克雷伯氏菌）检测水质[25]；用鼠伤寒沙门氏菌检验物质的突变性及致癌性[26]；用荧光细菌的灵敏性快速检测环境中的毒物[27]。

3.3 固体废物堆肥处理

固体废物中水分充足，营养物质充分，有大量的微生物群存在，在一定温度下，只要有适宜的条件，微生物便会大量繁殖，并进行生物分解，从而引发堆肥发酵，发酵后的堆肥可以为作物提供生长所需的养分。最近研究发现，白腐真菌对含苯的有毒物质具有很强的耐受、降解能力，有利于进行堆肥的处理[27]。

3.4 活性污垢处理废水

活性污垢是指经过人工培养，含有有机物和细菌的污水，经过微生物的不断生长代谢，产生絮状、有很强吸附能力的微生物团。活性污垢适用于工业废水、造纸、合成纤维废水等的处理，可实现废水净化与循环利用，从而提高物质的再利用率[28]。

4 微生物在其他污染治理中的应用

微生物除了应用于大气、废水的污染治理外，还可以应用于其他方面的治理，例如生活垃圾、农药、土壤等处理。生活垃圾主要是白色污染，这需要运用微生物的分解原理，对塑料袋进行分解；农药残留主要是多余的有机磷、硫，引起藻类的疯狂增长，而导致赤潮、蓝藻水华等危害，近年发现可以利用EM菌抑制蓝藻的生长，同时控制水中氮的含量；土壤中微生物的利用方面，主要是利用根瘤菌起到固氮的作用，将空气中的氮转化为植物光合作用所需的物质，从而进行生命的正常活动；后期，开始利用嗜热及嗜温细菌、硝化细菌、蛋白及果胶水解微生物、固氮微生物和纤维素分解微生物对固体废物进行堆肥处理，让微生物快速分解并进行自身的生长，从而提高土壤肥力，利于作物生长[22]。

5 微生物在环境保护中的发展趋势

随着科学的发展，人类越来越重视环境保护，微生物對环境保护的作用越来越重要，其体现的经济效益、环境效益引发企业、科学界的关注。微生物在环境保护中的发展呈现以下发展趋势。

5.1 综合利用

为使物质资源得到充分利用并减少能源消耗，微生物污染治理趋向综合利用。根据各微生物的固有特性，如微生物菌体、微生物体内酶等将生活垃圾、固体废弃物制成沼气池发电，产生能源供人类使用。当前的微生物技术已经日趋成熟，由于其经济高、投资少、重利用率高的优点，已经成为各个发达国家青睐的城市垃圾处理途径。目前，世界各国有200多座垃圾沼气田处于运营阶段，不仅收获了电力资源，还获取了肥力资源。

5.2 从治理到预防

早期工农业因追求经济效益而忽略环境治理，现在世界各国已经高度重视环境保护，正在研发各种环境保护技术措施，同时时刻关注重要的世界性环境问题，采取相应的方法防患于未然。微生物环保技术是首选的环境治理方案。现阶段各国正在研发微生物农药用以代替化学农药，从而减少化学农药带来的污染，如分解快、毒性低的微生物杀虫剂等。

5.3 完善微生物环境保护技术

目前，对微生物技术的研究都应放在基础研究与应用相结合上，大规模推广微生物技术，构建生物反应器，优化运行条件，研究新方法，高效地进行环境保护与污染治理。

5.4 开发微生物资源

微生物具有种类繁多、资源丰富、繁殖快、生存条件要求低的特点，根据现阶段国际社会对微生物的重视情况，各国应该继续开发微生物资源，使其应用于更多的领域。继续寻找新物种，如耐热性菌、抗耐性强的菌种、在特殊环境下仍可以生存的菌落，使之更多地用在环境保护上。同时，由于微生物结构简单，可以从分子水平对微生物进行深入研究，运用基因工程及生物技术，让微生物技术更好地服务于人类[29]。

6 结语

综上所述，微生物在环境治理过程中起着重要的作用，应该对微生物进行更深入的研究，将其可利用率提高到最大化。目前，我国的微生物应用已经取得很大的成功，然而进一步的研究仍需要科技、经济的持续投入。大力开展以微生物技术为主体的环境保护技术研究，将推进微生物技术在环境保护中的应用，通过微生物技术的不断发展，满足国内需求，并占领国外市场。

7 参考文献

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