微生物法和微生物生态法的评价和选用

年·环境治理·油气田环境保护第卷第期微生物法和微生物生态法的评价和选用‘向兰焦运实王绍玲中国科学院化工冶金研究所中国石油天然气总公司石油规划设计总院娜运扬石油大学北京摘要微生物法和徽生物生态法作为生粉治理方案的两大类型,已日益受到环保工作者的重视。这两种类型的治理方法各有特点,各有利弊。如何选择使用主要取决于污染场所中污染形成的时间长短、污染程度、污染物浓度、污染物中是否含有污水、是否雷要快速治理等。应明确指出的是,采用生物治理法虽可在多种情况下大大降低污染物的浓度,但从长远来看,还不能单纯依靠降低污染物的排放浓度,而是应从低浓度污染物对人和环境产生的长期影响着眼,制定出一套治理标准,这样才能准确评价生物治理技米在环境保护中所起的真正作用。主题词环境保护石油污染生物防治细菌控制评价优化设计应用亡夕,沙九趁,,!∀#∃%∃&∋()∗(∃!%+∀,!∀−#,.!∋%!/∋.0∃(.0,.%%#∃.!#−∀∃!,.%%#∀1,degreeofpollution,eoneentrationofPollutants,whethertoneedimmediateeontrol,whethertohavesewage.国家自然科学甚金资助项目向兰,1992年获中国科学院化工冶金研究所生物冶金物理化学专业博士学位,同年任该所助理研究员。主要从事生物化工方面的研究工作,现为国家自然科学羞金资助项目“难处理含油废水生物降解机理及工程研究”的负责人。通讯地址:北京中关村北二条一号中国科学院化冶所四部.邮政编码:1。。080第5卷第1期向兰等:微生物法和微生物生态法的评价和选用in即llutantsand50on.Itshouldbemadeelearanddefinitethattheadoptionofbiologi-ealeontrolmethodeanundermosteonditionsgreatlyredueetheeoneentrationofpollu-tants,butinthelongrunweeannotmerelydePendonredueingtheeffluenteoncentra-tionofpollutantsand,what15more,shouldelarifythelong一terminflueneeofloweon-eentrationPollutantsuPonPeoPleandenvironmentanddrawupasetofstandards50astobeabletoaeeuratelyevaluatethetrueaetionofbiologiealeontrolteehnologyonenvi-ronmentalProteetion.SUBJECTHEADINGenvironmentalproteetion,petroleumPollution,biotieeontrol,baeterialeontrol,evaluation,aPPlieation作为生物治理的两种基本方法,微生物法和微生物生态法均可用于一些有机污染场所的治理,但具体治理方案应视污染场所的污染情况而定川。欲使治理方案最佳,必须在确定方案之前,预先估计污染场所的有关情况,尤其是要求治理的时间期限、污染物浓度等,从而提高治理效果。以下就微生物法及微生物生态法的特点,选择生物治理方案的原则及其应用指南和生物治理持效性等几方面详述对方法的评价和选用。微生物法的特点微生物法的主要优点是能迅速提高污染介质中的微生物浓度,并可望在短期内提高污染物的生物降解速率。然而,无论使用购买的成品菌株或培养的现场菌株,微生物法均有其不足之处。L使用成品菌株据观察,成品菌株有时难以适应已含有多种微生物的污染介质。导致这种现象的原因很多,其中最主要的原因是,菌株从自然环境中分离出来后,在实验室中保存的时间越长,它的适应力就越差,返回自然环境后的存活率也就越低。因此,在选购菌株治理环境污染时,必须查明所选菌株在实验室的保存时间。2.使用培养的现场菌株通过大量培养一种或数种采自污染现场具有降解能力的菌株,再将其应用于该污染现场的治理,以克服使用成品菌株的一些局限性。但此法也有其局限性。3.微生物法的缺点和局限性¹使用现行的微生物分离方法可能会使所得到的菌株并不十分理想,从而使得实验室分离的有效菌株与污染现场所需的治理菌株性能之间存在着一定差距。目前常用的分离方法是:将稀释的污染土样或水样溶液加入含有主要营养物(N、P等)和微量营养物(微量元素)的琼脂培养基平皿上,培养一定时间以后,待平皿上出现一个或多个菌落时,将单个菌落移入其它含有污染物的琼脂培养基平皿中,此时培养出来的菌落通常可降解相应浓度的污染物。进一步研究这些菌落对污染物的降解能力及其对营养物的需要量,就可筛选并培养出降解能力较强的菌株。微生物法假定在平皿中培养起来的微生物是污染现场中具有较强活力和重要作用的菌株,但由于琼脂培养基及培养条件往往对细菌具有选择性,故上述假定并不一定符合实际。º微生物法通常在纯培养环境中研究所分离的菌株行为。虽然许多微生物具有降解能力,但当油气田环境保护1995年它们处于混合微生物群体中时(如自然界)所表现出来的降解能力与它们处于单独培养时相比会有所不同。因此,许多细菌在治理现场污染时所表现出来的降解能力不如其在实验室的降解能力强。在自然界中,许多菌类共存而形成群体或聚生群,它们或相互竞争,或相互捕食,在某些情况下有机物的充分降解必须依靠许多菌类的代谢活动。菌落群的综合生物降解能力主要取决于群体中微生物相互作用所表现出来的协同效应。因此,虽然用纯培养方式可揭示微生物的一些生长规律,但无法确知它们在混合培养环境(如自然环境)中所具有的性能。»微生物法不太适用于地下污水层的治理。若将菌株直接投放于地下污水层中,仅能使投放点附近区域的治理效果有所改善。¼另一特殊局限源于国家政策。美国国家环保局(EPA)为了贯彻执行毒物控制条例(TSCA),制定了一系列条文来指导在生物治理过程中如何应用微生物方法。EPA在1988年提出在污染现场使用自然菌落群将被视为在释放微生物,因此首先必须得到有关部门的许可。微生物生态法的特点微生物生态法的基本原理是通过调节污染场所的微生物生态状况,加速现场微生物降解有机污染物的过程。1.微生物生态微生物生态是指影响微生物生存和发展的物理、化学和生物等环境条件。由于微生物所处的环境不同,这些环境条件及其对微生物的影响是不同的。(1)土壤环境中的微生物生态土壤是微生物生存和发展的最适宜环境。土壤中的有机质(动植物遗体)和矿物质(营养元素和微量元素)为微生物的生存和发展提供了有利的条件,因而使得土壤具有“微生物天然培养基”的称号。土壤中微生物的分布,首先受土壤有机质含量、湿度和pH值的影响,且随土壤类型的不同而有很大的差异。例如,在有机质含量丰富的黑土、草甸土、磷质石灰土和暗棕壤中,微生物的数量较多,而棕钙土、砖红壤及滨海盐土中,微生物的数量则较少。我国微生物工作者于60一80年代进行的研究工作表明〔,」,在石油污染的土壤中,存在着和石油性质相关的微生物。其次,在同一土壤类型的不同土壤层次中,由于水分、养分、通气性、温度等环境因子的差异,微生物数量亦各不相同。在表层土壤中,有机质含量丰富,微生物稠密,从而使表层土壤在土壤中具有最大的生物学意义。(2)水体环境中的微生物生态水是一种很好的溶剂,水体中溶解有氮、磷、硫等无机营养物以及以污水、枯叶、动物残体等形式进入水中的有机物,这些物质的含量尽管不如其在土壤中的含量丰富,但基本上能供给微生物生存和发展所需要的营养,使水体中能存在各种微生物。在我国各油田的水体中,尤其是含油污水中,还存在着和石油相关的多种微生物阁。因此,水体也是微生物广泛分布的第二个天然环境。水体中的微生物主要来源于土壤、空气、污水或死亡腐败的动物尸体等,特别是土壤微生物,常随同土壤被雨水侵蚀和冲刷而进入江河、湖泊、海洋等水环境中,因而在水体中几乎可找到土壤中的大部分微生物种类。这些微生物的分布主要受水体中营养物质的影响,例如,在营养物质含量丰富的水体中,含微生物的数量亦大;此外,水体温度和水体中溶解氧的含量也是影响微生物分布的重要因子。例如,中温水体内的微生物数量比低温水体内的多,深水层内的好氧微生物较少,厌氧微第5卷第l期向兰等:微生物法和微生物生态法的评价和选用生物较多,而表层水内好氧微生物较多,厌氧微生物较少。2.微生物生态法的特点与微生物法比较,微生物生态法是通过调节污染场所的物理、化学及生物等环境条件来加速现场微生物降解有机污染物的过程,似乎不应受TSCA条文的限制。微生物生态法利用存在于污染土壤或污水中的已有细菌进行治理,可避免在使用微生物法过程中遇到的许多问题(如细菌之间的相互竞争性、菌种的适应性及持效性)。与微生物法相比,化学试剂(如氧、过氧化氢或无机培养基)在污水中的扩散速率比微生物要快,所以微生物生态法常用来就地处理污水。在下列情况下,微生物生态法的应用将受到限制:¹当污染刚发生时,污染现场的微生物活性不强甚至已经死亡,微生物活性的恢复或重新培殖需要较长时间,提高微生物对污染物的降解能力也需较长时间;º污染物浓度太高,对自然微生物产生有害影响,使其有效降解能力降低;»如果制定的污染物环境标准浓度太低,用生物法治理可能达不到要求。虽然存放于实验室的微生物能将水中许多污染物的浓度降至10一’数量级,但目前环保规定的一些污染物的允许浓度仍远低于此值,例如规定水中二嗯二烯的允许浓度不得超过0.013x10一”。此外,随着检测手段的日益现代化,制定的环保管理条例越来越严,如果规定污染物的浓度应低于10一’2,那么,微生物生态法也许就不适用了。与微生物法相类似,微生物生态法的另一个缺点是难以确定需要的治理时间。由于使用微生物生态法时没有外加菌种,故所需的治理时间可能比采用微生物法长。在污染物对人体或环境能很快产生有害影响而需立即治理的场所,如果采用微生物生态法,就难以达到要求。选择生物治理方案的基本原则及其应用指南生物治理方案的选择,主要取决于污染场所的污染时间、污染物浓度和类别,要求治理的期限等因素,一旦选定了生物治理方案后,应结合污染现场的具体情况,对选定的方案进一步进行论证,按照生物治理法的特点及应用范围,对上述两种生物治理方法进行优化选择,发挥各自的优势,选出最佳生物治理方法,达到治理目标。两种治理方法的利弊比较见表1。1.微生物法应用指南在下述情况下,采用微生物法进行生物治理能收到较好效果:¹污染场所形成的时间不长º污染场所含浓度很高(如数量级为10一2)的污染物»污染场所含有浓度较高的有毒金属和有机污染物¼污染场所需要快速治理½污染场所含有的污染物浓度虽然很低,却仍然达不到环境标准。上述¹在新形成的污染场所里细菌较少,对污染物的降解作用不大,为了加快治理进度,应外加能降解污染物的细菌;上述º由于污染物浓度太高,导致污染场所里的大部分细菌失活,故应添加能降解高浓度污染物的菌种;上述»中,必须选用经过驯化的对有毒金属有较强耐力的菌株;上述¼中,必须选用对污染物分解速率较快的菌株;油气田环境保护1995年表1生物治理方案中两种治理法的利弊比较[lj生物治理方式使用成品菌优点¹可迅速提高微生物浓度º有可能在短期内提高污染物的生物降解速率微{生「一—物】、。,,二、,。瀚法}1义用石开曰优切困¹可迅速提高微生物浓度º有可能在短期内提高污染物的生物降解速率»比成品菌具有更强的现场生存能力缺点¹现场适应和保存可能有困难º没有地区针对性»与在实验室比较,菌株在现场的降解能力可能有所下降¼可能需多次添加菌种½在水处理中应用,其应用可能受TSCA条文限制¹现场适应性差º与实验室相比,菌株在现场的降解能力可能有所下降»细菌繁殖可能需较长时间¼在水处理中应用,其应用可能受TSCA条文限制徽生物生态法¹评估和应用过程较为简单º较微生物法更适于处理污水费用少于微生物法»其应用不受TSCA条文限制¹难以确知治理所需时间º难以估计最终可能达到的污染