第24卷第2期　2004年5月承德民族师专学报JournalofChengdeTeachers'CollegeforNationalitiesVol.24No.2May.2004　

收稿日期:2003-06-05作者简介:张温典(1965-),女,承德民族师专化学系副教授。

环境污染及其生物修复的研究张温典1,　姚钢乾2(1.承德民族师专,　河北　承德　0670002.承德旅游职业学院,　河北　承德　067000)

摘要:随着人类生活水平的提高,各种各样的污染越来越严重,环境污染对人类造成的伤害日渐明显,引起了人类高度的重视。人类治理环境污染的方法越来越多,也更加完备。特别是生物治理的方法,由于它无第二次污染的优点,现已广泛被研究和应用,它会给环境污染的治理带来光明的前景。本文介绍了环境污染的类型,可以对污染的环境进行修复的各种重要微生物。关键词:环境污染;治理方法;生物修复中图分类号:X172 文献标识码:B 文章编号:1005-1554(2004)02-0054-03

1　环境污染的类型随着人类生活水平的日益提高,相应产生越来越多的生活污水、人粪便,有机固体废弃物(包括厨余),生活用品废弃物等生活垃圾。随着现代工业的不断发展,工业合成的非天然物质日益增多。例如:有机磷农药、有机氯农药、塑料、合成洗涤剂等,不宜被现存的微生物分解,它们在土壤和水中停留的时间较长,严重污染环境。同时工业产生废水。废水源源不断地排入江、河、湖、海,严重污染水体。由于长期的污、废水灌溉农田和废水的土地处理,有机固体废弃物的填埋处置,造成地下水和土壤的严重污染。各种类型的工厂和汽车产生大量的废气,废气中含有CO、CO2、NOx、SO2、H2S、NH3、碳氢化合物、酚、氰、粉尘及附着在其上的各种微生物,甚至致病的微生物。人类健康受到极大损害。SO2和NOx导致酸雨产生。大量CO2排入大气引起世界性气候异常,引起全气球行性温室效应和厄尔尼诺现象。氮氧化合物和碳氢化合物经阳光下反应形成光化学烟雾,含有的有害物质如NO、O3和过氧乙酰硝酸酯(PAN)等,造成大气二次污染,引起人类许多疾病。50年代后公害问题相继发生。美国洛杉矶的光化学烟雾、伦敦烟雾、日本四日市的哮喘病、熊本由于汞引起的水俣病及神通川骨痛病,均对人类造成极大伤害。总而言之,废水、废气、固体废弃物三大公害严重污染人类的生存环境。我们国家的环境污染问题的解决已迫在眉睫。2　对污染环境的常规治理方法为了治理有毒污染物的污染,使用物理的、化学的或物理化学的方法对环境进行修复。最传统的修复方法是将污染的土壤挖出,卫生填埋或施用土壤改良剂等进行土壤修复,或者是将污染的地下水抽出来处理进行地下水修复。如今已开发出多种新的物理和化学修复方法。例如物理修复采用污染物萃取技术或热处理技术去除污染物;化学修复使用氧化还原剂,如氧化物、过氧化物,还使用光解、紫外—氧化处理和还原脱氯等方法分解污染物;物理化学法有固化法、玻璃化法、电化学法、空气吹脱法以及热频加热等。3　生物修复的方法由于生物修复法与物理法、化学法相比,具有经济高效的优点,更重要的是可以达到无害化。微生物是对废弃物进行生物处理,净化环境的工作主体。在自然界中存在许多优良菌种,有的可以快速的降解对环境的污染物。使得微生物在环境保护和环境治理中,在保持生态平衡方面与其他生物一样起着举足轻重的作用。微生物有其容易发生变异的特点,随着新污染物的产生和数量的增多,微生物的种类可随之相应增多,显现出更加多样性。这使其又有别于其他生物,在环境污染治理中,微生物的作用更独树一帜。3.1　可用于治理环境污染的微生物自20世纪70年代以后,许多极端环境生活的微生物引起了人们的极大兴趣和关注,开发极端微生物资源来修复环境有着广阔的前景。降解微生物

—54—张温典,姚钢乾/著环境污染及其生物修复的研究种类繁多,以下列表简介。主要降解细菌及其作用基质举例类群和代表种群作用基质好氧革兰阴性杆菌和球菌假单胞菌属(Pseudomonas)石油烃、苯甲酸、PAHs、氯代脂肪烃、氯苯、PCP、DDT甲基球菌属(Methylococcus)2,4-D、有机磷农药、甲草胺、克百威甲基单胞菌属(Methylomonas)石油烃、卤代脂肪烃莫拉氏菌属(Moraxella)石油烃、氯代苯胺不动杆菌属(Acinetobacter)石油烃、PCBs黄杆菌属(Flavobacterium)石油烃、PAHs、氯代脂肪烃、PCP、2,4-D产碱菌属(Alcaligenes)石油烃、PAHs、PCBs、2,4-D

兼性厌氧革兰阴性杆菌埃希氏菌属(Escherichia)林丹肠杆菌属(Enterobacter)DDP

气单胞菌属(Aeromonas)PAHs孤菌属(Vibrio)石油烃异化性硫酸盐或硫还原菌脱硫细菌类烃类、卤代烃类革兰阳性产芽孢杆菌和球菌芽孢杆菌属(Bacillus)石油烃、偶氮染料梭菌属(Clostidium)氯代脂肪烃、偶氮染料、林丹DDT放线菌和相关微生物棒杆菌属(Corynebacterium)石油烃、PCBs节杆菌属(Arthrobacter)石油烃、氯代脂肪烃、PCP、PCBs

放线菌属(Actinomyces)石油烃分支杆菌属(Mycobacterium)石油烃、烷基苯、PAHs、氯代脂肪烃、PCP

诺卡氏菌属(Nocardia)石油烃、PAHs红球菌属(Rhodococcus)PAHs、氯小单孢菌属(Micromonospora)石油烃带附器的细菌生丝微菌属(Hyphomicrobium)氯代烷烃化能自养菌亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)卤代脂肪烃古细菌(甲烷菌)产甲烷菌类烃类、卤代烃类 无机污染物包括重金属、放射性元素、硝酸盐和氰化物等。研究表明许多微生物,包括细菌、真菌和藻类可以生物积累(bioaccumulation)和生物吸着(boisorption)外部环境中的多种阳离子和核素(Gadd)[1],达到降解重金属的污染。例如能吸收铀的生物:链霉菌属(Streptomyces.)、绿产色链霉菌(S.Viridochromogenes)、铜绿假单孢菌(Pseudomonasaeruginosa)、青霉菌(Penicillium)、少根根霉(Rhizopusarrhizus)、啤酒酵母(Saccharomycercerevisiae)等;能吸收银的生物:铁氧化硫杆菌(Thiobacillusferrooxidans)、芽孢杆菌(Bacillus)、茎点霉菌(Phoma)、酵母等。许多微生物能使金属甲基化或去甲基化。最常甲基化的元素依次是汞、砷和硒,其次是碲、铝和镉。金属甲基化可以使金属挥发。例如硒甲基化形成可挥发的二甲基硒和二甲基二硒。金属甲基化可以是去毒的过程,可以保护生物体免受有毒金属的毒害。与重金属元素甲基化有关的微生物:气单胞菌(Aeromonashydrophila)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)、色杆菌属(Chromobacterium)、匙形菌属(Clostridiumcochlearium)、斯氏梭菌(Clostridiumsticklandii)、产气肠杆菌(Enterobacteraerogenes)、粗糙脉孢霉(Neurosporacrassa)、荧光假单胞菌(Pseudomonas—55—张温典,姚钢乾/著环境污染及其生物修复的研究 fluorescenic)等可以将Hg甲基化;不动杆菌属(Acinetobacter)、气单胞菌属(Aeromonas)、产碱菌属(Alcaligenes)、大肠埃希氏菌Escherichiacoli)、假单胞菌属(Pseudomonas)等可以将Pb甲基化;气单胞菌属(Aeromonas)、真杆菌属(Flavobacterium)、甲烷杆菌属(Methanobaterium)、粉红粘帚霉(Gliocladiumroseum)、特异青霉(Penicilliumnotatum)、金黄葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、灰绿曲霉(Aspergillusglaucus)、杂色曲霉(Aspergillusversicolor)、土生假丝酵母(Candidahumicola)、短柄帚霉(Scopulariopsisbrevicaulis)等可以将As甲基化等。卤代烷烃(脂肪烃)广泛用作工业溶剂、消洗剂、气雾推进剂和化工合成的中间体。最常见的卤原子是氯。主要有二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯。卤代脂肪烃引起的地下水、地表水和土壤的污染很普遍。能降解此类物质的常见微生物有:好氧菌:氨氧化菌、欧洲亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)(Baker)[2]荚膜甲基球菌(Methylococcus)(甲烷营养菌)(Atlas)[3]。厌氧菌:产甲烷富集培养物、甲烷杆菌、脱硫杆菌、反硝化富集培养物、假单胞菌(反硝化)、厌氧同生菌、产乙酸同生菌、硫酸还原富集培养物、梭菌等。卤代芳香族化合物作为溶剂、杀草剂、杀菌剂和杀虫剂被广泛的使用。能降解氯代芳烃化合物的细菌菌株有:洋葱假单胞菌P.cepacia)、假单胞菌(Pseudomonas)、反硝化产碱菌Alcaligenedenitrificans)、节杆菌(Arthrobactersp.)、马铃薯坏腐棒杆菌(Corynebacteriumsepdonicum)、恶臭假单胞菌(P.putida)、富氧产碱菌(Alcaligeneeutrophus)、黄杆菌属(Flavobacteriumsp.)、固氮菌属(Azotobactersp.)、皮氏假单胞菌(Pseudomonaspickettii)、氯酚红球菌(Rhodococcuschlorophenollicus)等。硝基芳香烃类化合物有硝基苯、硝基甲苯、硝基酚、硝基苯甲酸盐及多硝基芳香类等。它们是工业上的一大类重要硝基化和物,广泛用于生产农药、染料、炸药、医药、多聚体及其他化工产品。随着其生产和使用,硝基芳香烃多途径进入环境中,污染环境。这些残留物的毒性和致突变性很高。能降解硝基芳香烃的细菌有:假单胞菌属(Pseudomonas)、莫拉氏菌(Moraxella)、生胞盐杆菌属(Sporohalobacter)、红球菌属(Rhodococcus)、红细菌属(Rhodobacter)、产碱菌属(Alcaligenes)、丛主单胞菌属(Comamonas)、节杆菌属(Arthrobacter)、韦荣氏球菌属(Veillonella)、埃希氏菌属(Escherichia)、分枝杆菌属(Mycobacterium)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、梭菌属(Clostrldium)、甲烷八叠球菌(Methanosarcina)、产甲烷菌属(Methanogenium)等。对自然界能共代谢各个基质微生物的数量研究不多。据有关报道,土壤中能共代谢2,4-D的细胞数目为(0.2×0.8)×106个/克(Fournieretal,1981);从污水中分离到的细菌中有20%～75%细菌能共代谢DDT,污水中有90×106个/ml的细菌可共代谢农药(Pfaender和Alexander,1973)。3.2　基因工程菌治理环境污染举例分子生物学的发展为人们提供了修饰微生物遗传组成的技术,可构成新建的微生物。这些新的微生物具有现代微生物不具备的分解代谢能力,或者能在现有微生物不适合的条件下进行分解活动。这对于改进生物修复效果,提高降解速度是非常重要的。通过用质粒介导转移染色体基因等方法可以构建基因工程菌。利用基因工程菌降解基因污染物的报道越来越多。例如Wackett[4](1995)构建的假单胞菌株可以代谢五氯乙烷,Lee等[5](1995)构建的恶臭假单胞菌可以同时降解苯、甲苯和对二甲苯,Duque等[6](1993)构建了一株假单胞菌可以利用TNT作为碳源和氮源,Fujita等[7]构建了一株假单胞菌可以降解TCE。具有抗逆功能的工程菌有Springael等[8]构建的真养产碱菌(Accaligeneseutrophus),除可以降解2,4-D,二氯联苯和三氯联苯等外,还可以耐受高浓度的锌和镍。然而经过构建形成的降解菌真正应用在生物修复的只有几种。曾经将一种构建的2,3,2,5-四氯联苯的恶臭假单胞菌用于土壤泥浆法治理[9](Lajoie