生物修复技术研究现状

生物修复技术研究现状与发展前景姚倩钰（湖南农业大学环境与资源学院）摘要：生物修复技术是环境生物技术的重要组成部分，是一类低耗、高效和环境安全的生物技术。随着生物技术的飞速发展,生物修复技术将在污染环境的治理中显示出明显的优势,并在预防环境污染和治理环境污染方面起到越来越重要的作用,将成为一种经济有效的污染环境治理方法。关键词:生物修复污染环境土壤生物修复水体生物修复生物修复(bioremediation)主要依靠细菌、真菌甚至高等植物以及细胞游离酶的自然代谢过程降解、去除环境中的污染物。从广义上说,生物修复包括微生物修复、植物修复和细胞游离酶生物修复等3大主要类型。应用环境生物修复技术处理污染物时,最终产物大都是无害的、稳定的物质,如二氧化碳、水、氮气等,而且这种处理方法能一步到位,避免了污染物的多次转移。它与传统的去除和清除环境中污染物的方法,如物理方法、化学方法也是不同的。比较而言,生物方法是最本质的和可以循环使用且永续受益的。生物修复技术有许多方面的优点:可以使污染物完全从环境中去除,处理时间短,对周围环境影响较小,并且资金需要量小,不会产生二次污染,尤其原位修复(in-sitere-mediation)可以使污染物在原地被清除,操作简单,使人类直接暴露在污染物下的机会减小[1]。1生物修复的历程1972年美国清除宾夕法尼亚州的Ambler管线泄漏的汽油是史料所记载的首次应用生物修复技术。开始时生物修复的应用规模很小,处于试验阶段。直到1989年,美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染以后,才首次大规模应用生物修复技术。利用生物修复技术，在投入了特殊的氮、磷营养盐以后,促进了土著石油降解菌的生长和繁殖,加速了油污的降解。阿拉斯加海滩污染后生物修复的成功最终得到了政府环保部门的认可,所以可以认为此次生物修复技术的成功应用是修复史上的里程碑[2]。美国从1991年开始实施庞大的土壤、地下水、海滩等环境危险污染物的治理项目。欧洲各发达国家从20世纪80年代中期就对生物修复进行了初步研究,并完成了一些实际的处理工程。德国、荷兰等国位于欧洲前列。我国的生物修复处于刚刚起步阶段,在过去的十几年中主要是跟踪国际生物修复技术的发展,大面积应用的例子还较少。最初的生物修复主要是利用细菌治理石油、农药之类的有机污染。随着研究的不断深入,生物修复又应用在地下水、土壤等环境的污染治理上。生物修复已由细菌修复拓展到真菌修复、植物修复、动物修复,由有机污染物的生物修复拓展到无机污染物的生物修复。2生物修复的研究现状根据被修复的污染环境,可以分为土壤生物修复、水体生物修复。根据生物修复所利用的生物类群,可以分为微生物修复、植物修复和动物修复。根据生物修复中人工干预的程度,可以分为自然生物修复和人工生物修复。后者又可分为原位生物修复和异位生物修复。目前,作为环境科学研究中一个富有挑战性的前沿领域,生物修复的研究已进入一个相当活跃的时期。目前,世界上不同国家对生物修复方面的研究和开发有三大特点:欧洲国家以对传统废物的处理系统的强化和改进为主,从而处理特定的化学污染物并提高降解能力,他们的研究涉及面广,从理论到实际应用兼有,同时对有前景的环境产品的开发也做得很出色。其中,生物空气过滤器就是他们的发明和创造,已广泛应用。美国的特点是侧重于不同污染地的土壤和水体的整治和修复,尤其是外源有机污染物的治理,这些毒物多是来源于军事工业及其生产所致,其特点是目的性强,但缺少长远的目标,这种现象也体现在项目的资助多是短期的,主要以达到一定的标准和解决污染问题为目的。而日本则将其重点放在解决全球性的环境修复,体现在以生物氢气为动力的研究和利用微生物对大气中二氧化碳进行固定,以减轻和消除工业革命造成的大气二氧化碳含量上升的问题[3]。我国对生物修复的研究成果也逐年增多,尤其体现在对污染环境中的重金属采用生物技术处理方面。例如,重金属超积累植物的不断发现,即利用植物于土壤污染的治理修复,已成为环境污染治理研究领域的一个前沿性课题,近10年来,在超积累植物的找寻培育、植物根际微生物共存体系研究、植物对重金属的耐忍性、超量吸收及其解毒机制以及植物修复工艺方面已有不少研究,并取得长足的进展。现代分子生物学的发展以及基因工程技术的应用有可能使植物修复技术取得根本性的突破[4],但在有机污染植物修复方法的工作中的成果还较少,其中主要着眼于持久性有机污染物(POPs)的研究,即一些化学性质稳定、难以生物降解、容易在生物体中富积、且对生态环境影响重大的有机物质[5]。国内对POPs的植物修复的研究刚刚起步,除了PAHs与DDT方面的研究外,其他方面几乎全是空白。然而国内的POPs污染不容乐观。因此,在国内开展植物修复的机理研究,探索有效修复有机物污染的环境的植物是必要的,同时也是紧迫的[6]。3生物修复的应用现状3.1土壤的生物修复3.1.1石油污染石油污染生物修复的应用开始于1989年美国消除阿拉斯加泄漏石油的污染。阿根廷1992年曾在PuertoRosales集散地施用肥料,靠土著微生物清除了700吨油罐的泄漏。目前我国有学者用苜蓿草与微生物共同对矿物油和多环芳烃污染土壤进行修复研究。3.1.2重金属污染目前从活性污泥、污泥消化池以及土壤中都分离出了对镉有耐受性质和还原能力的细菌。研究人员采用一种转基因水生植物盐蒿和陆生植物拟南芥、烟草移除土壤中的汞。铅的植物修复研究最多,并且已商业化。3.1.3农药污染国内研究中,已经从农药厂污泥中分离到降解甲基对硫磷的混合菌群,由两种菌M6和P3组成,均为假单胞菌。混合在一起可以有效降解甲基对硫磷。此外,从真菌华丽曲霉(A.ornatus)中提取到可以降解乐果的酶。3.2水体的生物修复近年来,随着工农业的迅猛发展,大量废物进入海洋,造成海洋环境状况不断恶化,甚至发生了海洋污染灾害,如石油污染、农药污染、赤潮灾害等。微生物降解是石油污染去除的主要途径,治理方法主要有加入高降解能力的菌株,改变环境因子,促进微生物代谢能力。在许多情况下,生物修复可在现场处理,而对受污染的沉积物,则一般使用生物反应器治理。海洋环境存在着对甲胺磷降解能力强的微生物,它们可以甲胺磷作唯一碳源和能源促进其生长、繁殖。已从海滩和海水中分离筛选出10株降解甲胺磷的细菌菌株,从红树林滩土分离筛选了8株。江苏省海洋水产研究所从自然界分离出降解养殖水体中氮的硝化细菌、能对致病菌有裂解作用的噬菌蛭弧菌,并加以筛选,得到了能有效改善养殖水体环境的微生态制剂。湖泊污染的生物修复常用的方法有微生物修复法、植物修复法。在美国南达科他州的Homestake矿,使用含假单胞菌的生物转盘处理废水、铜和铁。在废弃汽油加油站地下水污染的生物修复中,加入过氧化氢、铵盐和磷酸盐溶液,处理10个月后,石油烃类被完全去除。4生物修复的发展前景综合前人的工作,尚需深入研究的问题有:继续对超累积植物的寻找及超累积机理的研究;进一步加强对白腐真菌的应用研究;高分子有机污染物降解过程中的共代谢机理;植物根区修复作用的原理及其促进机制;通过遗传工程构建高效降解的微生物菌株,创造超积累型转基因植物;生物降解潜力的指标与生物修复水平的评价;生物修复与理化方法结合的综合技术的研究;污染的资源化及生物修复的产业化。总之,应用生物系统对人为带来的污染物进行有效清洁是生物修复的目标。成功的生物修复需要多学科的共同合作,包括污染生态学、分子生物学与生物技术、土壤化学、植物学、微生物学和环境工程学。特别是,对生物技术方法与微生物学原理的深刻理解将助于这一技术的进一步发展和更有效、更广泛的应用。通过吸收、借鉴、采纳已有生物修复的成功和失败的经验,特别是结合我国国情,加强研究,将会使我国污染土壤及地下水和地表水的生物修复的工作进入到一个崭新的阶段。参考文献:[1]夏北成.环境污染物生物降解[M].北京:化学工业出版社,2001.[2]陈玉成.污染环境生物修复工程[M].北京:化学工业出版社,2003.[3]杨柳春,郑明辉,刘文彬,等.有机物污染环境的植物修复研究进展[J].环境污染治理技术与设备,2002,(4):1-5.[4]CunninghamSP,SHANNJR,CROWLEYDe,etal.PhytoremediationofcontaminatedwaterandsoilAmericanChemicalSociety[J].WashingtonDC,1997,(1):2-17.[5]SCHNOOJL,LICHTLA,MCCUTCHEONCSetal.Phy-toremediationoforganicandnutrientcontaminants[J].EnvyRon.Sci.&Technol,1995,(29):318-323.[6]RODGERSJD,BUNCENJ.Treatmentsfortheremediationofnitroaromaticexplosives[J].Watt.Res.,2001,(35):2101-2111.[7]CoatesJD,etal.TrendsinBiotechnology,2000,18(10):408.[8]NadimF,etal.JournalofPetroleumScience&Engineering,2000,26(1～4):169.[9]HomerG,etal.ActaBiotechnological,2000,20(3～4):335.[10]AtaganaHI,etal.Biodegradedating,2003,14(4):297.[11]刘军,等.水利渔业,2005,25(1):63～65.[12]何翊,吴海.化学通报,2005,68(1):36～42.