摘要：微生物技術修復水污染以其效率高、成本低、無二次污染等特點日益受到人們的重視。微生物在水體污染治理中的作用主要表現在以下幾個方面：水體污染的微生物檢測，以及微生物制劑技術，生物膜法，生物柵修復技術，生物吸附劑等方面在理水體污染的作用
重金屬污染以及富營養化治理工程中的研究成果及主要方法，提出了微生物修復研究中存在的問題并對今后的研究重點進行了展望。
關鍵詞：水污；治理；微生物作用
水體污染是指排入水體的污染物在數量上超過了該物質在水體中的本底含量和水體的環境容量，從而導致水體的物理特征、化學特征和生物特征發生不良變化，破壞了水體固有的生態系統。近年來，隨著對環境資源開發利用力度的日益增加，過度開發造成的環境污染也日益顯著，我們也為此付出了幾百倍于西方國家的環境代價，其中以水環境的污染尤為突出，許多流域的水污染負荷已遠遠超過了水環境的容量［１－２］。這些污染物主要來自于工業廢水、農業廢水和生活污水等，涉及到有毒有機污染物、重金屬以及導致水體富營養化的氮、磷元素營養物質。傳統的水污染治理方法主要為物理及化學方法，物化方法雖然具有一定的成效，但都存在著對環境干擾大、運行成本高、容易產生二次污染等缺點。利用微生物來修復污染水體可以最大程度地克服傳統物化方法的缺點，并且微生物資源豐富、實地操作性強，正日益成為水污染修復的研究熱點［３］。
１.微生物修復技術概述［４］
微生物修復技術是２０世紀８０年代以來出現和發展的治理環境污染的微生物工程技術。它以微生物的代謝活動為基礎，通過對有毒有害物質進行降解和轉化，修復受破壞的生態平衡以達到治理環境的目的。微生物修復的關鍵是能針對處理體系中的污染物找到相應的高效降解菌株。在水污染治理中，高效降解菌株既可以從長期污染的水體或廢水生物裝置中篩選、分離、富集培養得到，也可以通過誘變、原生質體融合、基因工程等技術來構建。微生物修復作用若要有效、持續地運行，從菌種選育、劑型開發到處理工藝的選擇、優化實施都非常重要。
２.微生物修復污染水體的研究進展
2.１微生物修復有毒有機物污染水體
通常排放的工業廢水中常能檢測到包括多環芳烴、鹵代烴、雜環類化合物在內的各種有毒有機物，這些污染物質的共同特點是毒性大、成份復雜、化學耗氧量高。盡管這類污染物屬于難降解有機物，但已發現一些好氧及厭氧微生物能夠通過不同代謝途徑將其降解、礦化，這就為微生物修復有毒有機物污染的水環境提供了可能。以多環芳烴（ＰＡＨｓ）為例，許多細菌、真菌、藻類都具有降解轉化多環芳烴的能力。目前人們已分離出多種以多環芳烴為惟一碳源和能源的微生物，另外還發現一些絲狀真菌如白腐真菌、美麗小克銀漢霉菌（Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍｅｌｌａｅｌｅｇａｎｓ）等能對四環以上的ＰＡＨｓ進行共代謝反應。一般來說，多環芳烴苯環數量越少，結構越簡單，就越容易被微生物降解。共代謝作用可以提高微生物降解多環芳烴的效率，增大微生物對碳源和能源的利用范圍，使復雜的多環芳烴被降解的機會增大。尤其是利用各種微生物之間的各類共代謝作用進一步提高廢水的可降解性。但是共代謝工藝的過程調控非常困難，很難保證共代謝促進作用達到最佳的程度，而且處理后的產物復雜，在實際操作中依靠共代謝過程使有毒有機污染物徹底降低到清潔水平的做法存在風險。微生物降解多環芳烴的一般途徑都需要氧氣的參與，通過產生加氧酶催化苯環裂解是ＰＡＨｓ降解的重要步驟。細菌降解多環芳烴的第一步是產生雙加氧酶，通過加氧產生羥基化反應來斷開苯環。多環芳烴苯環的降解主要取決于微生物產生加氧酶的能力。有毒有機物的生物處理技術已經取得較快的發展，根據不同的水質，不同的微生物作用機理，形成了許多技術路線，包括共代謝技術、細胞固定化技術、好氧生物反應器技術、厭氧－膜生物反應器技術、厭氧水解酸化預處理技術等。每種技術路線都是針對如何最大限度提高有機廢水的可生化性以及如何提高有效微生物對底物的適應性和降解活性而設計的
。但是值得注意的是：篩選或構建的高效菌株引入水體后必須是對環境無害的，尤其是基因工程菌必須限制在一個可控制的范圍內，而且微生物在降解污染物的過程中不應產生比有機物母體毒性更大更不易分解的代謝物，必須考慮轉化產物對生態系統的安全性［５］。
２.２微生物修復重金屬污染水體
國內外應用微生物技術修復重金屬污染水體的實例很多，所用的生物資源也非常豐富，從細菌、放線菌到酵母菌、霉菌以及海藻類等都有涉及。所進行的研究多是從篩選耐受菌株開始，進而研究其耐受機理。能耐受高濃度重金屬的微生物本身會存在一種使細胞免受重金屬毒害的保護制，而這種機制很可能就是微生物對重金屬所產生的作用方式。微生物對重金屬產生的作用方式有３類：一是吸附作用，微生物是一種特殊的離子交換劑，菌體細胞表面存在著各種離子基團，能夠進行物理吸附和伴隨生化反應的生物吸附。微生物吸附是一個復雜的過程，細胞表面結構的差異決定了微生物吸附效果的差異，并且吸附力還會受到環境酸堿度、溫度、金屬離子的初始濃度以及共存離子的影響。二是絮凝作用，一些微生物能產生具有絮凝活性的代謝物，如一些多糖類、蛋白類的高分子物質。這些物質含有多種官能團，分泌到細胞外能使水中的膠體懸浮物互相凝聚沉淀。到目前為止，已開發出的對重金屬離子有絮凝作用的生物有細菌、霉菌、放線菌、酵母菌和藻類等１２個品種。三是產生生物化學反應，微生物通過產生氧化－還原，甲基化和去甲基化等生化反應將毒性重金屬離子轉化為無毒物質或沉淀，此過程與代謝和酶密切相關。硫酸鹽生物還原法是一種典型生物化學法，該法是在厭氧條件下硫酸鹽還原菌（ＳＢＲ）通過異化的硫酸鹽還原作用，將硫酸鹽還原成Ｈ２Ｓ，重金屬離子和Ｈ２Ｓ反應生成溶解度很低的金屬硫化物而被去除。
３.微生物治理水體污染的方法
３.１水體污染的微生物檢測
傳統的生物監測以水蚤、藻類或魚類等為受試對象，實驗周期比較長，操作過程過于繁瑣。目前針對傳統檢測方法的不足，提出了新的生物毒性監測技術—發光細菌法。發光細菌是一類含有熒光素、熒光酶、ＡＴＰ等發光物質，在有氧條件下通過細胞內生化反應而產生微弱熒光。發光細菌在毒性物質的作用下，細胞活性下降，導致發光強度降低。因此可以根據發光細菌發光強度的變化來快速判斷毒性物質的毒性大小。
３.２利用宏基因組學原理治理水體污染
宏基因組學主要研究從環境樣品獲得的基因組中所包含的微生物的遺傳組成及其群落功能，避免了傳統微生物學基于純培養研究的限制，為充分認識和開發利用未培養微生物、并從完整的群落水平上認識微生物的活動提供了可能。對這些未培養微生物多樣性及群落功能的研究將大大擴展對生命的了解，應用宏基因組技術可以有效地從環境中分離新的基因、發現化合物合成途徑和生物催化劑，用于各種復雜污染物的處理。宏基因組技術獲得的微生物生態學信息可以在廢水處理的各種反應器系統、污染物降解過程中微生物的作用和調控、富營養作用、營養物循環及微生物對環境和氣候相互作用的監測等研究中發揮重要作用［６］。
３.3微生物制劑技術
選育高效菌株制成為微生物復合制劑處理污染水體。其過程以酶促反應為基礎，通過生物體內產生的具有催化功能的特殊蛋白質作為催化劑，凈化污水、分解淤泥、消除惡臭。微生物制劑技術主要優點是能迅速提高污染介質中的微生物濃度，并可望在短期內提高污染物的生物降解速率，另外生物反應通常條件溫和，投資省、費用少、消耗低，而且效果好、過程穩定、操作簡便。其缺點是保持良好的水體改善效果，需根據水體變化情況，不斷投加，可作為水體生態修復過程中的輔助措施。微生物制劑技術適合封閉緩流水體，在藻類大量爆發前使用，可彌補微生物制劑通常見效時間較長的缺點。
３.４生物膜法處理技術
將微生物群體附著于某些載體的表面上呈膜狀，通過與污水接觸，生物膜上的微生物攝取污水中的有機物作為營養吸收并以同化。生物膜具有固定細菌，對環境變化耐受能力強，降解效率高、產生污泥少的特點。主要工藝方法有生物廊道、生物濾池、物接觸氧化池等。生物膜法對于受有機物及氨氮輕度污染水體有明顯的效果，日本、韓國等都有對江河大水體修復的工程實例。
３.５生物柵修復技術
生物膜一種為參與污染物凈化的微生物、原生動物、小型浮游動物等提供附著生長條件的設施。生物柵修復技術是將生物膜技術與水生植物加以結合用以擴大生物附著表面積的一種新穎污染凈化技術。在曝氣的件下，微生物生存的基礎環境由原來的氣、液兩相轉變成氣、液、固三相，這種轉變為微生物創造了更豐富的存在形式，形成更為復雜復合式生態系統。污染水體流經時，懸浮物被填料和根系阻擋截留，有機質通過植物、生物膜的吸附及同化、異化作用而除去［７］。
３.６投放微生物法
最常投放的微生物有光合細菌（ＰＳＢ）和高效微生物群（ＥＭ）。光合細菌能將富營養化水體中的磷吸收轉化、氮分解釋放、有機物迅速轉化為可被水生物吸收的營養物。光合細菌有游離態和固定化兩種，采用人工培養高密度光合細菌，通過一定的方法投入水體，可加速水體的物質循環，最終達到凈化水體的目的成都府南河綜合治理工程中，在疏浚底泥、人工曝氣的基礎上，曾用水面潑灑法向水體投放ＰＳＢ，同時放養一定數量的魚類，并在淺水區引種水生植物，重建了該水體的生態平衡。高效微生物群菌是采用獨特的發酵工藝把經過仔細篩選出的好氣性和兼氣性微生物加以混合后培養出的微生物群落。含
有１０個屬８０多種微生物，其中主要的代表性微生物有光合細菌、乳酸菌、酵母菌和放線菌４類。各種微生物在其生長過程中產生的有用物質及其分泌物質，成為微生物群體相互生長的基質和原料，通過相互間的共生關系，形成了一個復雜而穩定的微生物系統，發揮多種功能。例如福州市內河的治污計劃，將投入３２０個裝有投放高效微生物群混合液的濾料網箱，并在底泥中注入高效微生物群菌的固體制劑，在河水和底泥中大量繁殖，以削減河水及底泥中的污染物，消除水體惡臭，治理周期約２個月［８］。
３.７微生物對水體重金屬的轉化機制和生物吸附劑治理重金屬水體污染的作用
微生物對重金屬離子具有一定的適應性，并在重金屬化合物環境中生長、代謝。其代謝產物或細胞自身的一些還原物將氧化態的毒性金屬離子還原為無毒性或低毒性的沉淀，通過微生物氧化還原以及甲基化、去甲基化等作用實現重金屬離子價態之間的轉變及無機態和有機態之間的轉化，實現有毒有害的金屬元素轉化為無毒或低毒賦存形態的重金屬離子或沉淀物，從而達到水體或生態環境的污染治理目的。
生物吸附劑是利用一些微生物如細菌、真菌、藻類對重金屬的吸附作用，并以這些微生物為主要原料通過明膠、纖維素、二氧化硅、海藻酸鹽、聚丙烯酰胺、二異氰酸苯酯、膠原、金屬氫氧化物沉淀等材料固定化顆粒制得。生物吸附應用于重金屬廢水的凈化在工藝上是可行的，在技術上更表現極大的優越性和競爭力，無論是從吸附性能、ｐＨ值適應范圍還是
運行費用等方面都優于其他方法。
４.微生物在治理水體污染中的前景
微生物因其多樣性，適應性強，在治理水體污染中有很大的潛力，因此要大力開發微生物，研究其在治理水體污染中的機理和作用，使其更好的為人類服務。
參考文獻：
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