微生物在生态修复中的研究

2023-12-30刘子轩

工业微生物 2023年6期

关键词：生物膜水体重金属

刘子轩

山东第一医科大学生物医学科学学院，山东济南 250000

相较于传统生态修复技术，微生物在近几年来成为了生态修复领域重点研究的对象。主要原因在于微生物技术不会对水体和土壤环境造成二次污染，且处理时间相对较短[1]。因此，探究微生物生态修复技术的应用有利于人与自然和谐共处。

1 微生物对持久有机物的降解

从宏观角度来看，石油化工企业及农药制造企业等现代工业企业在生产经营过程中会产生多种化学物质，这些化学物质带来的影响作用远远超过自然生态的恢复能力，对部分环境造成了严重污染。

持久性有机污染物主要为有机磷农药、卤代有机化合物等，这些污染物广泛存在于大气、水、土壤等环境中，给民众的生命安全带来了巨大威胁。这些污染物属于环境外来化合物，天然的微生物由于缺乏与之相匹配的酶系统，故而难以实现对其的有效降解。但近些年通过将微生物进行长期的接触驯化，依托遗传变异和质粒传递特性促使部分微生物逐渐产生了一定的降解能力[2]。

有关数据调查显示，黄杆菌和甲单胞菌都能够产生一种膜结合性有机磷水解酶，该水解酶具有高水平组合型表达特征，对硫磷结构的化合物具有较强的降解活性[3]。通过实验分析发现，这种水解酶的酸碱度和温度范围相对较广，一般情况下不会受到环境因素的影响导致失活现象发生，具有较强的稳定性。这种酶能够裂解多种化学键，如P-F、P-CN等。近些年来随着科学技术的高速发展，国内众多优秀学者采用固定化的方法，对有机磷水解酶的应用作用展开了进一步的探讨。某研究团队将三苯甲基琼脂糖作为载体，通过疏水作用将酶分子固定在该载体上。从后续降解反应实验中发现，有机溶剂能够与酶发生生化反应，通过解吸效应有效提高了农药的溶解度。后续某研究团队又将三苯甲基琼脂糖改为聚酰胺纤维，采用共价结合法进一步提高了降解效果。

由于微生物的生物周期比较长，酶纯化效率具有一定的局限性，因此难以实现广泛的生产。基于此，有关研究团队将研究重点落在了大肠杆菌宿主的表达系统上。该研究团队通过强启动子lac 有效提高了有机磷水解酶在大肠杆菌细胞表面上的表达水平。随后通过固定化细胞，将其作为生物反应器进行应用。

2 重金属污染土壤的微生物修饰

重金属一直以来都是引起土壤污染问题的主要元凶，当土壤受到重金属污染时，重金属会在农作物的体内积聚，进而对食物链产生严重影响，危害民众的生命健康。微生物对重金属污染土壤的修复原理较为复杂，从宏观角度来看，微生物在土壤重金属生态修复领域中，通过对重金属的吸收沉淀和氧化物还原等各类生化反应来达到降低重金属毒性的效果，并促进土壤生态能力的恢复[4]。

有关学者发现[5]，以硅酸盐或者氢氧化物形式结合的金属离子广泛存在于芽孢杆菌的表面，变价金属能够以同价态的形式存在，而细菌的代谢活动恰巧可以将这些重金属离子通过氧化还原进行吸收。部分细菌可以通过分泌硫与磷酸等物质促进土壤中重金属离子的沉淀，还有一些细菌在沉淀过程中与重金属进行共沉淀。氧化亚铁杆菌和氧化硫杆菌都能够通过氧化还原电位达到去除土壤以及沉积物中重金属的良好效果。

部分学者认为，微生物之所以能够在生态修复领域中发挥重要作用，主要原因在于其新陈代谢。首先，微生物通过新陈代谢能够对重金属元素进行价态转换，或者通过新陈代谢刺激植物根系发育，促进植物对重金属离子的吸收作用，从而降低重金属离子在土壤或植物中的毒性影响。其次，微生物可以产生有机酸，有机酸能够络合金属离子使土壤溶液中的金属含量增加，利于超富集植物吸收。再次，部分微生物能够通过胞外络合作用等一系列生理过程，影响重金属的毒性作用，将高毒性转变为低毒性，在一定程度上促进生态系统的修复。此外，微生物还能够与植物根系相互作用，促使根系分泌金属络合剂，以抑制重金属的毒性作用。

某研究人员为探究不同修复区域土壤降解菌总数，设置了4 个生物修复区域。其中A 区喷洒游离态菌液，B、C、D 区均为对照组。由表1 可以发现，A区土壤降解菌总数发生了明显变化。

表1 不同修复区域土壤降解菌总数

3 微生物对水体富营养化修复

微生物对水体富营养化的修复原理是通过吸收转化的方式对污染物进行降解，以实现对生态系统的净化。微生物是生态系统的分解者，对养分循环和污染物去除起到了至关重要的作用。现阶段部分城市地区水生态系统由于接纳了过量的无机营养物质，导致水体出现富营养化现象，而微生物能够通过对氮的氨化与反硝化等作用以及对磷的分解作用，有效驱动水体中的氮磷元素。现阶段有关部门广泛采用微生物修复剂向被污染的河水湖泊流域中投放经人工驯化培养的优选活性微生物，以达到生态修复的良好效果。微生物修复剂能够快速提高水体中微生物的含量，发挥微生物的代谢作用，提高水体污染物的降解速率。

微生物修复剂按照结构可以划分为游离态和固定化两种。固定化是指采用物理化学手段，将游离的微生物固定在某个区域内，在保持微生物活性的同时还能够进行反复利用，以此提高生物修复效果。固定化微生物修复剂的类型多种多样，例如固定藻、固定化细胞等。相较于传统悬浮生物处理技术，固定化微生物生态修复技术能够确保生物总量始终维持在较高浓度范围内，有效减轻生态修复的负荷，以此提高生态修复效果。并且运用该技术产生的淤泥总量较少，不会对水体产生较大的污染影响。

美国某公司曾在上世纪90年代左右研发出一种微生物修复剂，该微生物修复剂被广泛应用于湖泊与池塘等水体的清洁和修复中[6]。有关实验结果显示，使用该微生物修复剂3 个月后，水体中的氮氧质量浓度由原本的0.02 mg/L 降至0，氮氧化物去除率高达85%左右，并且没有检测出毒性。后续美国某生态实验室又研发出一种名为叶可清的微生物制剂，该微生物制剂由32 种活性菌混合而成，投入水体后能够有效降低水体营养盐浓度和有机污染物的含量。该实验试剂曾用于某富营养池塘水体中，3 h后发现磷酸盐浓度下降了67%，取得了较高的成效。

我国学者陈建及其研究团队在城市景观湖泊中加入了微生物修复剂，通过对实验进行观察，发现水体中的蓝藻生物含量明显减少了70%以上，说明微生物修复剂能够有效抑制水华生长。在后续的一项相关性研究中发现向水体中投入有效的微生物菌群后，水体中的叶绿素含量、氮磷含量均呈现下降趋势，可以有效改善水体的透明度及其中溶解氧的含量。

我国学者马文林[7]及其研究团队利用微生物生态修复剂对城市公园水体进行了富营养化的水体修复，实验结果表明，该城市公园水体中的化学需氧量质量浓度保持在50 mg/L 以下能够有效满足景观用水的需求。并且在该微生物修复剂投入水体10 d后，水质已经出现了明显的好转。投入近1 个月时，降解效果达到最佳，最终能够有效维护水体生态系统的平衡。表2 为不同修复剂下藻密度去除率。

表2 不同修复剂下藻密度去除率

固定化菌藻技术是一种将微生物与菌藻共生技术相结合的生态修复技术，该技术能够利用藻类和细菌2 种生物之间的生理功能协同作用，达到污水净化的效果。从本质上来讲，藻类和细菌之间存在某种协同进化关系，藻类能够通过光合作用释放氧气并吸收氮磷等无机营养盐向周围释放无机物，而细菌能够将藻类分解的物质及藻细胞供给自身用于吸收利用。藻类通过光合作用释放的氧气又为微生物生长提供了丰富的氧源，微生物代谢释放的二氧化碳也促进了藻类的光合作用，因此细菌与藻类共生的生态修复系统被广泛应用于水体修复领域中。

生物膜法也是微生物在生态修复中用到的重要技术。生物膜是指将微生物附着在某些载体表面形成膜状，生物膜与被污染水体接触后，就会吸收降解水体中的氮磷等无机营养盐，从而达到净化水质的目的。通常情况下生物膜上固定的细菌对环境变化的耐受力较强，且产生的污泥量较少。由于生物膜法在处理有机物污染和轻度氨氮污染水体领域具有较高的应用效果和价值，因此该技术是近年来国内众多学者及其研究团队研究的重点方向。生物膜法降解污染物质主要包括以下几个阶段：首先污染物会向生物膜表面扩散，其次会从生物膜的外部向内部进行扩散，再次微生物通过分泌酵素与催化剂发生化学反应，最终代谢生成物并排出生物膜。