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水污染修复过程中微生物技术的应用以及作用
浏览次数:1054次 日期:2017-02-13

摘要:微生物技术修复水污染以其效率高、成本低、无二次污染等特点口益受到人们的重视。微生物在水体污染治理中的作用主要表现在以下几个方面:水体污染的微生物检测,以及微生物制剂技术,生物膜法,生物栅修复挫术,生物吸附剂等方面在治理水体污染的作用本文简述了微生物挫术在修复水体有毒有机物(多环芳烃类为代表)污染、重金属污染以及富营养化治理工程中的研究成果及主要方法,提出了微生物修复研究中存在的问题并对今后的研究重点进行了展望

 

  水体污染是指排入水体的污染物在数量上超过了该物质在水体中的本底含量和水体的环境容量,从而导致水体的物理特征、化学特征和生物特征发生不良变化,破坏了水体固有的生态系统,近年来,随着对环境资源开发利用力度的日益增加,过度开发造成的环境污染也日益显著,我们也为此付山了几百倍于西方国家的环境代价,其中以水环境的污染尤为突出,许多流域的水污染负荷已远远超过了水环境的容量,这些污染物主要来自于于工业废水、农业废水和生活污水等,涉及到有毒有机污染物、重金属以及导致水体富营养化的氨、磷元素营养物质。传统的水污染治理方法主要为物理及化学方法,物化方法虽然具有一定的成效,但都存在着对环境干扰大、运行成本高、容易产生二次污染等缺点利用微生物来修复污染水体可以最大程度地克服传统物化方法的缺点,并且微生物资源丰富、实地操作性强,正日益成为水污染修复的研究热点。

1.微生物修复技术概述

  微生物修复技术是20世纪80年代以来出现和发展的治理环境污染的微生物工程技术。它以微生物的代谢活动为基础通过对有毒有害物质进行降解和转化,修复受破坏的生态平衡以达到治理环境的目的。微生物修复的关键是能针对处理体系中的污染物找到相应的高效降解菌株。在水污染治理中.高效降解菌株既可以从长期污染的水体或废水生物装置中筛选、分离、富集培养得到,也可以通过诱变、原生质体融合、基因工程等技术来构建。微生物修复作用若要有效、持续地运行,从菌种选育、剂型开发到处理工艺的选择优化实施都非常重要。

2.微生物修复污染水体的研究进展

2.1微生物修复有毒有机物污染水体

    通常排放的工业废水中常能检测到包括多环芳烃、卤代烃、杂环类化合物在内的各种有毒有机物,这些污染物质的共同特点是毒性大、成份复杂、化学耗氧量高。尽管这类污染物属于难降解有机物,但已发现一些好氧及厌氧微生物能够通过不同代谢途径将其降解、矿化,这就为微生物修复有毒有机物污染的水环境提供了可能。以多环芳烃(PAHs)为例,许多细菌、真菌、藻娄都具有降解转化多环芳烃的能力,目前人们已分离出多种以多环芳烃为惟一碳源和能源的微生物,另外还发现一些丝状真菌如白腐真菌、美丽小克银汉霉菌

Cunninghmnella elegans)等能对四环以上的PAHs进行共代谢反应。一般来说,多环芳烃苯环数量越少,结构越简单,就越容易被微生物降解共代谢作用可以提高微生物降解多环芳烃的效率,增大微生物对碳源和能源的利用范围,使复杂的多环芳烃被降解的机会增大。尤其是利用各种微生物之间的各类共代谢作用进一步提高废水的可降解性,但是共代谢工艺的过程调控非常困难,很难保证共代谢促进作用达到最佳的程度,而且处理后的产物复杂,在实际操作中依靠共代谢过程使有毒有机污染物彻底降低到清洁水平的做法存在风险,微生物降解多环芳烃的一般途径都需要氧气的参与,通过产生加氧酶催化苯环裂解是PAHs降解的重要步骤。细菌降解多环芳烃的第步是产生双加氧酶,通过加氧产生羟基化反应来断开苯环多环芳烃苯环的降解丰要取决于微生物产生加氧酶的能力。有毒有机物的生物处理技术已经取得较快的发展,根据不同的水质,不同的微生物作用机理,形成了许多技术路线,包括其代谢技术、细胞固定化技术、好氧生物反应器技术、厌氧-膜生物反应器技术、厌氧水解酸化项处理技术等。每种技术路线都是针对如何最大限度提高有机废水的可生化性以及如何提高有效微生物对底物的适应性和降解活性而设计的但是值得注意的是:筛选或构建的高效菌株引入水体后必须是对环境无害的,尤其是基因工程菌必须限制住个可控制的范围内,而且微生物在降解污染物的过程中不应产生比有机物母体毒性更大更不易分解的代谢物,必须考虑转化产物对生态系统的安全性。

2.2微生物修复重金属污染水体

    国内外应用微生物技术修复重金属污染水体的实例很多,所用的生物资源也非常丰富,从细菌、放线菌到酵母菌、霉菌以及海操类等都有涉及,所进行的研究多是从筛选耐受菌株开始,进而研究其耐受机理。能耐受高浓度重金属的微生物本身会仔在一种使细胞免受重金属毒害的保护机制,而这种机制很可能就是微生物对重金属所产生的作用方式。微生物对重金属产生的作用方式有3类 一是吸附作用,微生物是一种特殊的离子交换剂,菌体细胞表面存住着各种离子基因,能够进行物理吸附和伴随生化反应的生物吸附微生物吸附是一个复杂的过程,细胞表面结构的差异决定了微生物吸附效果的差异,并且吸附力还会受到环境酸碱度、温度、金属离子的初始浓度以及共存离子的影响,二是絮凝作用,一些微生物能产生具有絮凝活性的代谢物,如些多糖类、蛋白质的高分子物质,这些物质含有多种官能团,分泌到细胞外能使水中的胶体悬浮物互相凝聚沉淀。到目前为止,已开发出的对重金属离子有絮凝作用的生物有细菌、霉菌、放线菌、酵母菌和藻类等12个品种。三是产生生物化学反应,微生物通过产生氧化一还原,甲基化和去甲基化等生化反应将毒性重金属离子转化为无毒物质或沉淀,此过程与代谢和酶密切相关,硫酸盐生物还原法是一种典型生物化学法,该法是在厌氧条件下硫酸盐还原菌(SBR)通过异化的硫酸盐还原作用,将硫酸盐还原成H.S,重金属离子和H2S反应生成溶解度很低的金属硫化物而被去除。

3微生物治理水体污染的方法

3.1 水体污染的微生物检测

    传统的生物监测以水蚤、藻类或鱼类等为受试对象,实验周期比较长,操作过程过于繁琐,目前针对传统检测方法的不足,提出了新的生物毒性监测技术发光细菌法。发光细菌是一类含有荧光素、荧光酶、ATP等发光物质,在有氧条件下通过细胞内生化反应而产生微弱荧光,发光细菌在毒性物质的作用下,细胞活性下降,导致发光强度降低因此可以根据发光细菌发光强度的变化来快速判断毒性物质的毒性大小。

3.2利用宏基因组学原理治理水体污染

  宏基因组学主要研究从环境样品获得的基因组中所包含的微生物的遗传组成及其群落功能,避免了传统微生物学基于纯培养研究的限制,为充分认识和开发利用未培养微生物并从完整的群落水平上认识微生物的活动提供了可能,对这些未培养微生物多样性及群落功能的研究将大大扩散对生命的了解,应用宏基因组技术可以有效地从环境中分离新的基因发现化合物合成途径和生物催化剂,用于各种复杂污染物的处理,宏基因组技术获得的微生物生态学信息可以住废水处理的各种反应器系统、污染物降解过程中微生物的作用和调控、富营养作用、营养物循环及微生物对环境和气候相互作用的监测等研究中发挥重要作用。

3.3微生物制剂技术

  选育高效菌株制成为微生物复合制剂处理污染水体。其过程以酶促反应为基础,通过生物体内产生的具有催化功能的特殊蛋白质作为催化剂,净化污水、分解淤泥、消除恶臭。微生物制剂技术丰要优点足能迅速提高污染介质中的微生物浓度,并可以在短期内提高污染物的生物降解速率,另外生物反应通常条件温和,投资省、费用少、消耗低,而且效果好、过程稳定、操作简便。其缺点是要保持良好的水休改善效果,需根据水体变化情况,不断投加,可作为水体生态修复过程中的辅助措施微生物制剂技术适合封闭缓流水体,在藻类大量爆发前使用,可弥补微生物制剂通常见效时间较长的缺点

3.4生物膜法处理技术

  将微生物群体附着于某些载体的表面上呈膜状,通过与污水接触,生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养吸收并加以同化。生物膜具有固定细菌,对环境变化耐受能力强,降解效率高、产生污泥少的特点。主要工艺方法有生物廊道、生物滤池、生物接触氧化池等。生物膜法对十受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果,日本、韩国等都有对江河大水体修复的工程实例。

3.5生物栅修复技术

  生物膜种为参与污染物净化的微生物、原生动物、小型浮游动物等提供附着生长条件的设施生物栅修复技术是将生物膜技术与水生植物加以结合用以扩散大生物附着表面积的一种新颖污染净化技术在曝气的件下,微生物生存的基础环境由原来的气、液两相转变成气、液、固三相,这种转变为微生物创造了更丰富的存在形式,形成更为复杂的复合式生态系统

污染水体流经时,悬浮物被填料和根系阻挡截留,有机质通过植物、生物膜的吸附及同化、异化作用而去除。

3.6投放微生物法

  最常投放的微生物有光合细菌(PSB)和高效微生物群(EM)。光合细菌能将富营养化水体中的磷吸收转化、氮分解释放、有机物迅速转化为可被水生物吸收的营养物。光合细菌有

游离态和固定化两种,采用人工培养高密度光合细菌,通过一定的方法投入水体,可加速水体的物质循环,最终达到净化水体的同的成都府南河综合治理工程中,在疏浚底泥、人工曝气的基础上,曾用水面泼洒法向水体投放PSB,同时放养一定数量的鱼类,并在浅水区引种水生植物,重建了该水体的生态平衡高效微生物群菌是采用独特的发酵工艺把经过仔细筛选出

的好气性和兼气性微生物加以混合后培养出的微生物群落,含有10个届80多种微生物,其中主要的代表性微生物有光合细菌、乳酸菌、酵母菌和放线菌4类各种微生物在其中生长过程中产生的有用物质及其分泌物质,成为微生物群体相互生长的基质和原料,通过相互间的共生关系,形成了一个复杂而稳定的微生物系统,发挥多种功能。例如福州市内河的治污计划,将投入320个装有投放高效微生物群混合液的滤料网箱,并在底泥中注入高效微生物群菌的固体制剂,在河水和底泥中大量繁殖,以削减河水及底泥中的污染物,消除水体恶臭,治理周期约2个月。

3.7微生物对水体重金属的转化机制和生物吸附剂治理重金属水体污染的作用

    微生物对重金属离子具有一定的适应性,并在重金属化台物环境中生长、代谢。其代谢产物或细胞自身的一些还原物将氧化态的毒性金属离子还原为无毒性或低毒性的沉淀,通过微生物氧化还原以及甲基化去甲基化等作用实现重金属离子价态之间的转变及无机态和有机忿之间的转化,实现有毒有害的金属元素转化为无毒或低毒赋存形态的重金属离子或沉淀物,从而达到水体或生态环境的污染治理目的生物吸附剂是利用些微生物如细菌、真菌、藻类对重金属的吸附作用,并以这些微生物为主要原料通过明胶、纤维素、二氧化硅、海藻酸盐、聚丙烯酰胺、二异氰酸苯酯、胶原、金属氢氧化物沉淀等材料固定化颗粒制得生物吸附应用于重金属废水的净化在工艺上是可行的,在技沭上更表现极大的优越性和竞争力,无论是从吸附性能、pH值适应范围还星运行费用等方面都优于其他方法。

4.微生物在治理水体污染中的前景

  微生物因其多样性,适应性强,在治理水体污染中有很大的潜力,同此要大力开发微生物,研究其在治理水体污染中的机理和作用,使其更好的为人类服务。





 
 
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