论文部分内容阅读
[摘 要]微生物与人类的生活密切相关，在生态环境中发挥着重要的作用。生物修复技术已成功应用对于修复污染环境，并取得很好的成果。本文介紹了生物修复技术，着重叙述了微生物修复技术极其应用，从而说明了微生物在生态环境中的重要性和相关研究进展。
[关键词]生物修复 微生物修复 生态环境 研究进展
中图分类号：Q93 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0280-01
0 引言
生物修复（bioremediation）技术是指利用特定的生物吸收、转化、清除或降解环境污染物，从而修复被污染环境或消除环境中污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。它是一类低耗能、高效和环境安全的环境生物技术。它主要是利用土著微生物的代谢能力、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。生物修复技术又包括动物修复、植物修复、微生物修复等技术，其中犹以微生物修复重要。本文主要叙述了微生物修复技术的定义与应用，从而介绍了微生物对污染环境修复中的研究进展。
1 微生物修复定义
微生物修复技术主要是利用自然环境中生息的微生物或投加的特定微生物，在人为促进工程化条件下，分解污染物，修复被污染的环境。目前受污染的环境主要有土壤、水体等，微生物修复正是利用微生物将其中有毒有害有机污染物降解为无害的无机物质的过程。
2 微生物修复应用
2.1 微生物对持久有机物的降解
随着工农业生产的发展，持久性有机物对环境的污染及带来的危害越来越引起人们的关注。现代工业特别是石油化工、农药等的不断发展，使进入环境的化学物质种类和数量猛增，远远超过了自然界的恢复能力，从而导致了环境的严重污染。持久性有机污染物因滞留性、生物蓄积性和长半衰期，难降解、高毒、三致性及生殖毒性，广为人们所关注。它们持久滞留于环境中，对生态环境和人体健康构成了严重威胁。
持久有机污染物主要有有机磷农药、芳香族类化合物、卤代有机化合物等，它们在大气、水环境、土壤中广泛存在，对人类产生了巨大威胁。这些环境有机污染物通常被认为是环境外来化合物，一般天然微生物由于缺乏与之降解相适应的完整酶系统，所以表现出难以生物降解。但是在长期的接触驯化过程中，微生物的遗传变异和质粒传递特性，使很多微生物具有了降解或部分降解的能力。下面讨论一下人们所关注的有机磷农药的微生物降解。
据研究，假单胞菌及黄杆菌等均能产生一种高水平组合型表达的膜结合性有机磷水解酶，该酶对多种对硫磷结构的化合物都有降解活性，其pH、温度的范围广，稳定性强，底物范围广泛，可裂解包括P-O，P-F，P-CN，P-S等化学键。自可以从上两种微生物中将有机磷水解酶提纯起，人们尝试了借助固定化方法进行有机磷水解酶的应用，载体先是选用三苯甲基琼脂糖，依赖疏水作用将酶分子固定其上，而降解反应体系中补充的为增大农药溶解度的有机溶剂会引起酶与载体的解吸效应。为此将载体改用为聚酰胺纤维，采用共价结合法获得了良好的固定效果。
因微生物生长周期较长，酶纯化效率又低、成本高，无法广泛地应用于生产。人们便将更多的目光集中在大肠杆菌宿主的表达系统上，使用强启动子lac实现有机磷水解酶大肠杆菌细胞表面高水平的表达，然后固定化细胞，发展成为生物反应器。
2.2 重金属污染土壤的微生物修饰
土壤受到重金属污染后，可能导致重金属在农作物体内积累，造成食物链污染，严重威胁人体健康。
微生物对重金属的修复机理比较复杂，目前学术界还没有形成统一认识。一些学者认为，微生物修复技术是在人为优化的条件下，利用自然环境中的微生物或人为投加的特效微生物对重金属吸收、沉淀、氧化、还原等过程，降低土壤中重金属的含量或毒性，使污染的土壤恢复生态功能。有学者发现，Cu，Cd，Pb能以硅酸盐或氢氧化物形式结合在芽孢杆菌细胞的表面。变价金属在环境中可以同价态形式存在，细菌的代谢活动可将这些重金属离子氧化还原。某些细菌可向胞外分泌硫和磷酸等物质使环境中的重金属离子沉淀，或在细菌的成矿过程中伴随有重金属的共沉淀。氧化硫杆菌、氧化亚铁杆菌等可通过提高氧化还原电位、降低酸度等滤除污泥、土壤和沉积物中的重金属。
另一些学者认为，新陈代谢是微生物修复功能实现的生理基础，在新陈代谢过程中微生物通过对重金属元素的价态转化或通过刺激植物根系的发育影响植物对重金属的吸收，从而降低土壤中重金属含量或毒性。微生物通过产生有机酸、提供质子或与重金属络合的有机阴离子交换或络合金属离子，使土壤溶液中的金属含量增加，有利于超富集植物吸收。某些菌还能通过胞外络合作用、胞外沉淀作用、胞内积累与转化等生理过程将重金属由高毒性变为低毒性。
微生物还可与植物根系相互作用，形成菌根或刺激根系分泌重金属络合剂、螯合剂，抑制重金属的毒性，或促进植物对重金属的吸收富集，降低土壤中重金属的含量。
重金属污染土壤的修复是一个系统工程，单一的修复技术很难满足实际的需要，以生物修复为主，注重植物、动物和微生物协同作用，辅以物理、化学及农业生态措施，加快重金属毒性消解，促进生物吸收富集，从而提高生物修复的综合效率。
3 展望
利用微生物对污染环境的修复既经济又安全，在环境治理过程中有着非常大的潜力。但在自然环境中散在分布的污染物不能进行集中处理，受污染环境中化合物成分变化影响大，pH波动也较大，有可能抑制降解菌的生长及对环境污染物的降解速度，以致达不到实际需要，使受污染环境不能有效地维持降解菌的生物量。
对此，我们可以创建具有新代谢途径、矿化能力强、降解范围广、效果好的环境污染物降解超级工程菌，这有很强大的优势，无疑为解决环境污染提供了新途径，对改善环境、控制环境污染都有极其重要的意义，这也是目前最有希望和前途的一种手段。
对于不能直接作为微生物生长基质的环境有机污染物的降解，可运用微生物共代谢机制，选择合适的生长基质来诱导产生所需的酶及足够的能量，驱动污染物的最初转化。
参考文献
[1] 史雅娟，吕永龙，任鸿昌，等.持久性有机污染物研究的国际发展动态等[J].世界科技研究与发展，2003，25（2）：73-78.
[2] 贺永华，胡立芳，沈东升，朱荫湄。污染环境生物修复技术研究进展.科技通报，2007，23（2）：271-276.
[3] 周启星，魏树，刁春燕.污染土壤生态修复基本原理及研究进展.农业环境科学学报，2007，26（2）：419-424.
[关键词]生物修复 微生物修复 生态环境 研究进展
中图分类号：Q93 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0280-01
0 引言
生物修复（bioremediation）技术是指利用特定的生物吸收、转化、清除或降解环境污染物，从而修复被污染环境或消除环境中污染物，实现环境净化、生态效应恢复的生物措施。它是一类低耗能、高效和环境安全的环境生物技术。它主要是利用土著微生物的代谢能力、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。生物修复技术又包括动物修复、植物修复、微生物修复等技术，其中犹以微生物修复重要。本文主要叙述了微生物修复技术的定义与应用，从而介绍了微生物对污染环境修复中的研究进展。
1 微生物修复定义
微生物修复技术主要是利用自然环境中生息的微生物或投加的特定微生物，在人为促进工程化条件下，分解污染物，修复被污染的环境。目前受污染的环境主要有土壤、水体等，微生物修复正是利用微生物将其中有毒有害有机污染物降解为无害的无机物质的过程。
2 微生物修复应用
2.1 微生物对持久有机物的降解
随着工农业生产的发展，持久性有机物对环境的污染及带来的危害越来越引起人们的关注。现代工业特别是石油化工、农药等的不断发展，使进入环境的化学物质种类和数量猛增，远远超过了自然界的恢复能力，从而导致了环境的严重污染。持久性有机污染物因滞留性、生物蓄积性和长半衰期，难降解、高毒、三致性及生殖毒性，广为人们所关注。它们持久滞留于环境中，对生态环境和人体健康构成了严重威胁。
持久有机污染物主要有有机磷农药、芳香族类化合物、卤代有机化合物等，它们在大气、水环境、土壤中广泛存在，对人类产生了巨大威胁。这些环境有机污染物通常被认为是环境外来化合物，一般天然微生物由于缺乏与之降解相适应的完整酶系统，所以表现出难以生物降解。但是在长期的接触驯化过程中，微生物的遗传变异和质粒传递特性，使很多微生物具有了降解或部分降解的能力。下面讨论一下人们所关注的有机磷农药的微生物降解。
据研究，假单胞菌及黄杆菌等均能产生一种高水平组合型表达的膜结合性有机磷水解酶，该酶对多种对硫磷结构的化合物都有降解活性，其pH、温度的范围广，稳定性强，底物范围广泛，可裂解包括P-O，P-F，P-CN，P-S等化学键。自可以从上两种微生物中将有机磷水解酶提纯起，人们尝试了借助固定化方法进行有机磷水解酶的应用，载体先是选用三苯甲基琼脂糖，依赖疏水作用将酶分子固定其上，而降解反应体系中补充的为增大农药溶解度的有机溶剂会引起酶与载体的解吸效应。为此将载体改用为聚酰胺纤维，采用共价结合法获得了良好的固定效果。
因微生物生长周期较长，酶纯化效率又低、成本高，无法广泛地应用于生产。人们便将更多的目光集中在大肠杆菌宿主的表达系统上，使用强启动子lac实现有机磷水解酶大肠杆菌细胞表面高水平的表达，然后固定化细胞，发展成为生物反应器。
2.2 重金属污染土壤的微生物修饰
土壤受到重金属污染后，可能导致重金属在农作物体内积累，造成食物链污染，严重威胁人体健康。
微生物对重金属的修复机理比较复杂，目前学术界还没有形成统一认识。一些学者认为，微生物修复技术是在人为优化的条件下，利用自然环境中的微生物或人为投加的特效微生物对重金属吸收、沉淀、氧化、还原等过程，降低土壤中重金属的含量或毒性，使污染的土壤恢复生态功能。有学者发现，Cu，Cd，Pb能以硅酸盐或氢氧化物形式结合在芽孢杆菌细胞的表面。变价金属在环境中可以同价态形式存在，细菌的代谢活动可将这些重金属离子氧化还原。某些细菌可向胞外分泌硫和磷酸等物质使环境中的重金属离子沉淀，或在细菌的成矿过程中伴随有重金属的共沉淀。氧化硫杆菌、氧化亚铁杆菌等可通过提高氧化还原电位、降低酸度等滤除污泥、土壤和沉积物中的重金属。
另一些学者认为，新陈代谢是微生物修复功能实现的生理基础，在新陈代谢过程中微生物通过对重金属元素的价态转化或通过刺激植物根系的发育影响植物对重金属的吸收，从而降低土壤中重金属含量或毒性。微生物通过产生有机酸、提供质子或与重金属络合的有机阴离子交换或络合金属离子，使土壤溶液中的金属含量增加，有利于超富集植物吸收。某些菌还能通过胞外络合作用、胞外沉淀作用、胞内积累与转化等生理过程将重金属由高毒性变为低毒性。
微生物还可与植物根系相互作用，形成菌根或刺激根系分泌重金属络合剂、螯合剂，抑制重金属的毒性，或促进植物对重金属的吸收富集，降低土壤中重金属的含量。
重金属污染土壤的修复是一个系统工程，单一的修复技术很难满足实际的需要，以生物修复为主，注重植物、动物和微生物协同作用，辅以物理、化学及农业生态措施，加快重金属毒性消解，促进生物吸收富集，从而提高生物修复的综合效率。
3 展望
利用微生物对污染环境的修复既经济又安全，在环境治理过程中有着非常大的潜力。但在自然环境中散在分布的污染物不能进行集中处理，受污染环境中化合物成分变化影响大，pH波动也较大，有可能抑制降解菌的生长及对环境污染物的降解速度，以致达不到实际需要，使受污染环境不能有效地维持降解菌的生物量。
对此，我们可以创建具有新代谢途径、矿化能力强、降解范围广、效果好的环境污染物降解超级工程菌，这有很强大的优势，无疑为解决环境污染提供了新途径，对改善环境、控制环境污染都有极其重要的意义，这也是目前最有希望和前途的一种手段。
对于不能直接作为微生物生长基质的环境有机污染物的降解，可运用微生物共代谢机制，选择合适的生长基质来诱导产生所需的酶及足够的能量，驱动污染物的最初转化。
参考文献
[1] 史雅娟，吕永龙，任鸿昌，等.持久性有机污染物研究的国际发展动态等[J].世界科技研究与发展，2003，25（2）：73-78.
[2] 贺永华，胡立芳，沈东升，朱荫湄。污染环境生物修复技术研究进展.科技通报，2007，23（2）：271-276.
[3] 周启星，魏树，刁春燕.污染土壤生态修复基本原理及研究进展.农业环境科学学报，2007，26（2）：419-424.