论文部分内容阅读
【摘 要】空气、土壤以及水体中有毒有害化学物质的污染加重是现阶段许多工业化国家面临的主要环境问题。随着污染的加重，寻找一种高效、经济且对环境扰动小的治理方法逐渐成为人们关注的焦点，近年来生物修复技术作为一种环境友好替代技术发展迅速。生物修复即利用微生物降解环境中有毒有害物质或者减少污染物浓度的一种修复方法。随着生物技术的不断发展，各国广泛开展生物修复技术治理污染环境的试验研究，并且应用于污染土壤、地下水、地表水的修复中。
【关键词】生物修复；金属污染；石油污染；污染治理
随着人口的迅猛增长、工农业生产的迅速发展，人类对化学品的依赖程度不断提高，化学品在生产、储存、运输、装卸和处置的过程中都会有大量有毒有害物质释放到空气、土壤和水体中，使得土壤、水体及空气中有毒有害化学物质的污染加重，这已经成为世界各国面临的主要环境问题。寻找一种高效、经济、持久且对环境扰动小的治理方法成为目前关注的焦点。
在二十世纪50年代末和60年代初，在Cornell大学任教的Martin.Alexander与他的学生展开了农药在土壤中可降解性的研究，为后来生物技术在环境保护中的应用打下了基础[1]。但人类利用生物修复技术处理现场仅有30年的历史，首次记录实际使用生物修复是在1972年，于美国宾夕法尼亚洲的Ambler清除管线泄漏的汽油[2]。最初生物修复的应用范围仅限于试验阶段，直到1989年，埃克逊油轮在阿拉斯加泄油事件为生物修复技术的大规模应用提供了机会，同时生物修复技术也得到了广泛认可。1991年，第一届原位生物修复国际研讨会在美国的圣地亚哥举行，各国学者在会上对生物修复工作中的经验进行了交流和总结，进一步促进了生物修复技术的推广和应用[3]。2002年10月Science专门刊登环境微生物技术的研究特辑[4]。可以预料，生物修复将是21世纪初环境生物技术的主攻方向之一。
1.生物修复技术的概念
生物修复（bioremediation），是指利用生物的生命代谢活动减小存在于环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程。生物修复方法是利用土著的、引入的微生物的代谢作用进行消除或富积有毒有害物质的生物学过程。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。总体而言，生物修复技术是一类低耗、高效和环境安全的环境生物技术。
大体上，可以将生物修复分为原位生物修复和异位生物修复。原位生物修复（就地生物修复）即污染土壤或水体不经过搬运或运输，而是通过投加微生物、营养盐、电子受体等方法进行原位生物降解。异位生物修复即利用物理化学方法将受污染物质搬离原地进行集中生物降解，通常对于污染严重的土壤与水体多采用该技术。
2.生物修复技术的研究与应用
2.1生物修复技术在金属污染中的应用
随着电镀、制革、印染、化工等工业的发展，重金属的使用越来越广泛，伴随而来的重金属污染的问题也日趋严重。环境中的痕量重金属如铅、铬、镉等可通过食物链最终在生物体内累积，对人的神经系统、肝脏、骨骼具有毒害作用，甚至产生三致（致癌、致畸、致突变）作用，极大地危害了人类健康；而镍不仅被认为是致癌物质，还会通过基因遗传影响后代。因此，有效地去除重金属污染也成为当前一个十分迫切的任务。
传统的处理重金属的物理化学方法很多，如化学沉淀法、离子交换法、电解法、反渗透法、萃取法、活性炭吸附法、膜分离法等[5-6]。它们各有优点，但不同程度地存在着投资大、能耗高、操作困难、易产生二次污染等缺点，特别是在处理低含量重金属污染时，其操作费用和原材料成本相对过高。随着生物技术的发展，20世纪80年代人们逐渐将低含量重金属污染治理的研究重点转向了生物修复技术。
重金属污染土壤生物修复技术，是利用生物作用，削减、净化土壤中重金属或降低重金属毒性，该技术主要通过2种途径来达到净化作用。①通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性；②通过生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化与固定作用。生物修复技术主要包括微生物修复和植物修复2种类型。
微生物法去除環境中的重金属主要是利用微生物改变金属原子、金属离子的形态使其沉淀，以达到去除有毒重金属的目的；或者利用微生物改变金属离子的价态使金属溶于液体中，从而易于从土壤中滤除。此外，还发现海藻、酵母菌等对金属具有较强的生物吸附能力。Hap等[7]发现从工业废水中分离出的Enterobacter cloacae，Klebsiella spp.微生物可以适应环境中高浓度的镉、铅、铬，而且细胞繁殖过程中对镉的去除率达63%～70%。Donmez和Aksu[8]分离出的Candida spp.酵母菌对环境中镍、铜的去除率分别为57%～71%、52%～68%，但是去除率受到介质中起初金属浓度、pH值（最适宜pH值为3～5）的影响。
植物修复技术是利用植物对某种污染物具有特殊的吸收富集能力，将环境中的污染物转移到植物体内或将污染物降解利用，对植物进行回收处理，达到去除污染与修复生态的目的。植物修复的机理通常包括植物固定、植物挥发和植物吸收3种方式，其中植物吸收技术是目前应用最多、最有发展前景的土壤重金属污染植物修复技术。植物修复具有成本低、可提高土壤肥力、避免二次污染以及对环境扰动小等优点，被广泛应用于土壤重金属污染治理中。
2.2生物修复技术在石油污染中的应用
随着工业化进程的不断加快，全球对于石油的需求量也随之增加。然而石油在开采与运输过程中由于泄漏对土壤、水体等环境造成的污染也越来越严重。石油中含有多种烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等复杂烃类化合物，其中多环芳香烃（PAHs）还被认为是一种致癌、致诱变物质[9-10]。1989年3月，美国埃克森公司“瓦尔德斯”号油轮在阿拉斯加州威廉王子湾搁浅，泄漏5万吨原油。沿海1300公里区域受到污染，当地鲑鱼和鲱鱼近于灭绝，数十家企业破产或濒临倒闭；1991年1月，海湾战争期间，伊拉克军队撤出科威特前点燃科威特境内油井，多达150万吨石油泄漏，污染沙特阿拉伯西北部沿海500公里区域；2010年4月，位于美国南部墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸，事故造成的原油泄漏形成了一条长达100多公里的污染带，造成严重污染。 石油泄漏过程中不仅破坏了海洋等生态环境，而且通过土壤、植物等进入食物链直接危害到了人类健康。美国国家环保局已将l6种PAHs确定为污染环境的优先去除污染物。与传统的去除PAHs的物理化学方法相比，生物修复方法不是将污染物从一种环境物质转移到另一种环境物质，而是将污染物降解或者固定，从而减少了二次污染，节省了投资，因此得到广泛应用。
石油污染的生物修复研究，萌芽自20世纪70年代，到了90年代显著增加，尤其是2000年以后，其研究方向更为多元化[11]。1984年，针对美国密苏里州西部石油运输泄漏事件，采用了添加氮磷营养物质、人工曝气的方法进行原位生物修复，经过32个月的运行。苯、甲苯和二甲苯的浓度从20mg/L～30mg/L降低到0.05mg/L～0.1mg/L。均得到了良好的处理效果。1989年，利用生物修复的方法修复受石油污染的阿拉斯加海滩是生物修复技术大规模应用的最成功的例子。在我国，石油污染土壤、地下水的生物修复技术还处于研究阶段。秦煜民、隋智慧等[12]人在对辽河石油污染土壤的生物修复可行性研究中分离出微球菌、黄杆菌、假单胞菌和无色杆菌4种可以降解石油中碳氢化合物的菌种，当H2O2和油酸钠的用量分别为8850mg/L和166mg/L时，24h内生物除油率可达48%。张旭等[13]人取淄河滩含石油土壤。通过加入富集细菌、翻耕调湿、加菌和翻湿相结合3种生物修复室内模拟实验，发现石油半衰期由自然土壤的990d减少到346d；在翻耕和调节土壤含水率的条件下。石油半衰期由对照样的173d减少为90d；在综合生物治理条件下，石油半衰期缩短为42d。
石油污染生物修复技术目前的主要研究方向包括：添加辅助营养物质或辅助乳化剂、石油污染降解过程的生物标记研究、菌株具体降解途径、工程示范研究，但由于石油污染成分复杂，不同微生物可利用的石油底物不同，降解途径也不同，因此传统的石油污染生物修复研究存在效率不高、难以维持等问题。
3.生物修复技术的应用前景展望
生物修复技术是20世纪90年代迅速发展起来的一项污染环境治理技术，实践证明，采用生物技术修复污染环境与传统的物理化学技术相比可以节省大量投资、可以就地进行、对周围环境的影响较小、可以最大限度地去除环境中的污染物。
生物修复是目前环境工程领域应用广泛、较为重要的一项技术，是一种环境友好替代技术，从经济和环境的发展角度来看具有很大的诱惑力，在国内外受到日益广泛的重视。我国关于生物修复的研究起步较晚，目前尚处于小试与中试阶段，还需进一步发展。
参考文献：
[1] ALEXANDER M. Biodegradation and bioremediation [M]. USA Aca demic Press， Aan Diego， Califirnia， 1999.
[2] 李树文，孟文芳，巩学敏，李文玉.污染环境生物修复技术的应用前景[J].河北建筑科技学院学报，2005，22 （2）：7-9.
[3]刘娜，杨云龙.生物修复技术在污染环境修复中的应用研究[J].科技情报开发与经济，2005，15（3）：173-175.
[4] Ash C， Karr R A， Penissi E， et al. [J]. Science， 2002， 296：1055-1077.
[5] 唐受印， 汪大晕.废水处理工程[ M].北京：化学工业出版社.
[6] 徐根良.[J].水处理技术，1991，17（2）：77-86.
[7] Haq R， Zaidi S K. Shakoori A R. Cadmium resistant Enterobacter cloacae and Klebsiella sp. isolated from industrial effluents and their possible role in cadmium detoxification [J]. World J Microbial Biotechnology， 1999（15）： 283-290.
[8] Denmez G， Aksu Z. Bioaccumulation of copper（H）and nickel（H）by the non-adapted and adapted growing Candida spp [J]. Water Res， 2001， 35（6）：1425-1434.
[9] White KL. An overview of immunotoxicology and carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons [J]. Environmental Carcinogenesis Review， 1 9 8 6， C4： 63-202.
[10] Palhmann R， Pelkonen O. Mutagen city studies of different polycyclic aromatic hymns： the significance of enzymatic factors and molecular structures [J]. Carcinogenesis， 1987（8）：773-778.
[11] 黃艺，礼晓，蔡佳亮.石油污染生物修复研究进展[J].生态环境学报2009，18（1）：361-367.
[12] 秦煜民，隋智慧，魏有权.应用生物修复技术处理石油污染土壤[J].石油与天然气化工，2003，31（6）：333-335.
[13] 张旭，李广贺，黄巍.石油烃污染土层生物修复模拟实验研究[J].清华大学学报（自然科学版）.2000，40（11）；106-108.
【关键词】生物修复；金属污染；石油污染；污染治理
随着人口的迅猛增长、工农业生产的迅速发展，人类对化学品的依赖程度不断提高，化学品在生产、储存、运输、装卸和处置的过程中都会有大量有毒有害物质释放到空气、土壤和水体中，使得土壤、水体及空气中有毒有害化学物质的污染加重，这已经成为世界各国面临的主要环境问题。寻找一种高效、经济、持久且对环境扰动小的治理方法成为目前关注的焦点。
在二十世纪50年代末和60年代初，在Cornell大学任教的Martin.Alexander与他的学生展开了农药在土壤中可降解性的研究，为后来生物技术在环境保护中的应用打下了基础[1]。但人类利用生物修复技术处理现场仅有30年的历史，首次记录实际使用生物修复是在1972年，于美国宾夕法尼亚洲的Ambler清除管线泄漏的汽油[2]。最初生物修复的应用范围仅限于试验阶段，直到1989年，埃克逊油轮在阿拉斯加泄油事件为生物修复技术的大规模应用提供了机会，同时生物修复技术也得到了广泛认可。1991年，第一届原位生物修复国际研讨会在美国的圣地亚哥举行，各国学者在会上对生物修复工作中的经验进行了交流和总结，进一步促进了生物修复技术的推广和应用[3]。2002年10月Science专门刊登环境微生物技术的研究特辑[4]。可以预料，生物修复将是21世纪初环境生物技术的主攻方向之一。
1.生物修复技术的概念
生物修复（bioremediation），是指利用生物的生命代谢活动减小存在于环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的环境能够部分或完全恢复到原初状态的过程。生物修复方法是利用土著的、引入的微生物的代谢作用进行消除或富积有毒有害物质的生物学过程。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。总体而言，生物修复技术是一类低耗、高效和环境安全的环境生物技术。
大体上，可以将生物修复分为原位生物修复和异位生物修复。原位生物修复（就地生物修复）即污染土壤或水体不经过搬运或运输，而是通过投加微生物、营养盐、电子受体等方法进行原位生物降解。异位生物修复即利用物理化学方法将受污染物质搬离原地进行集中生物降解，通常对于污染严重的土壤与水体多采用该技术。
2.生物修复技术的研究与应用
2.1生物修复技术在金属污染中的应用
随着电镀、制革、印染、化工等工业的发展，重金属的使用越来越广泛，伴随而来的重金属污染的问题也日趋严重。环境中的痕量重金属如铅、铬、镉等可通过食物链最终在生物体内累积，对人的神经系统、肝脏、骨骼具有毒害作用，甚至产生三致（致癌、致畸、致突变）作用，极大地危害了人类健康；而镍不仅被认为是致癌物质，还会通过基因遗传影响后代。因此，有效地去除重金属污染也成为当前一个十分迫切的任务。
传统的处理重金属的物理化学方法很多，如化学沉淀法、离子交换法、电解法、反渗透法、萃取法、活性炭吸附法、膜分离法等[5-6]。它们各有优点，但不同程度地存在着投资大、能耗高、操作困难、易产生二次污染等缺点，特别是在处理低含量重金属污染时，其操作费用和原材料成本相对过高。随着生物技术的发展，20世纪80年代人们逐渐将低含量重金属污染治理的研究重点转向了生物修复技术。
重金属污染土壤生物修复技术，是利用生物作用，削减、净化土壤中重金属或降低重金属毒性，该技术主要通过2种途径来达到净化作用。①通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性；②通过生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化与固定作用。生物修复技术主要包括微生物修复和植物修复2种类型。
微生物法去除環境中的重金属主要是利用微生物改变金属原子、金属离子的形态使其沉淀，以达到去除有毒重金属的目的；或者利用微生物改变金属离子的价态使金属溶于液体中，从而易于从土壤中滤除。此外，还发现海藻、酵母菌等对金属具有较强的生物吸附能力。Hap等[7]发现从工业废水中分离出的Enterobacter cloacae，Klebsiella spp.微生物可以适应环境中高浓度的镉、铅、铬，而且细胞繁殖过程中对镉的去除率达63%～70%。Donmez和Aksu[8]分离出的Candida spp.酵母菌对环境中镍、铜的去除率分别为57%～71%、52%～68%，但是去除率受到介质中起初金属浓度、pH值（最适宜pH值为3～5）的影响。
植物修复技术是利用植物对某种污染物具有特殊的吸收富集能力，将环境中的污染物转移到植物体内或将污染物降解利用，对植物进行回收处理，达到去除污染与修复生态的目的。植物修复的机理通常包括植物固定、植物挥发和植物吸收3种方式，其中植物吸收技术是目前应用最多、最有发展前景的土壤重金属污染植物修复技术。植物修复具有成本低、可提高土壤肥力、避免二次污染以及对环境扰动小等优点，被广泛应用于土壤重金属污染治理中。
2.2生物修复技术在石油污染中的应用
随着工业化进程的不断加快，全球对于石油的需求量也随之增加。然而石油在开采与运输过程中由于泄漏对土壤、水体等环境造成的污染也越来越严重。石油中含有多种烷烃、环烷烃、芳香烃和烯烃等复杂烃类化合物，其中多环芳香烃（PAHs）还被认为是一种致癌、致诱变物质[9-10]。1989年3月，美国埃克森公司“瓦尔德斯”号油轮在阿拉斯加州威廉王子湾搁浅，泄漏5万吨原油。沿海1300公里区域受到污染，当地鲑鱼和鲱鱼近于灭绝，数十家企业破产或濒临倒闭；1991年1月，海湾战争期间，伊拉克军队撤出科威特前点燃科威特境内油井，多达150万吨石油泄漏，污染沙特阿拉伯西北部沿海500公里区域；2010年4月，位于美国南部墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸，事故造成的原油泄漏形成了一条长达100多公里的污染带，造成严重污染。 石油泄漏过程中不仅破坏了海洋等生态环境，而且通过土壤、植物等进入食物链直接危害到了人类健康。美国国家环保局已将l6种PAHs确定为污染环境的优先去除污染物。与传统的去除PAHs的物理化学方法相比，生物修复方法不是将污染物从一种环境物质转移到另一种环境物质，而是将污染物降解或者固定，从而减少了二次污染，节省了投资，因此得到广泛应用。
石油污染的生物修复研究，萌芽自20世纪70年代，到了90年代显著增加，尤其是2000年以后，其研究方向更为多元化[11]。1984年，针对美国密苏里州西部石油运输泄漏事件，采用了添加氮磷营养物质、人工曝气的方法进行原位生物修复，经过32个月的运行。苯、甲苯和二甲苯的浓度从20mg/L～30mg/L降低到0.05mg/L～0.1mg/L。均得到了良好的处理效果。1989年，利用生物修复的方法修复受石油污染的阿拉斯加海滩是生物修复技术大规模应用的最成功的例子。在我国，石油污染土壤、地下水的生物修复技术还处于研究阶段。秦煜民、隋智慧等[12]人在对辽河石油污染土壤的生物修复可行性研究中分离出微球菌、黄杆菌、假单胞菌和无色杆菌4种可以降解石油中碳氢化合物的菌种，当H2O2和油酸钠的用量分别为8850mg/L和166mg/L时，24h内生物除油率可达48%。张旭等[13]人取淄河滩含石油土壤。通过加入富集细菌、翻耕调湿、加菌和翻湿相结合3种生物修复室内模拟实验，发现石油半衰期由自然土壤的990d减少到346d；在翻耕和调节土壤含水率的条件下。石油半衰期由对照样的173d减少为90d；在综合生物治理条件下，石油半衰期缩短为42d。
石油污染生物修复技术目前的主要研究方向包括：添加辅助营养物质或辅助乳化剂、石油污染降解过程的生物标记研究、菌株具体降解途径、工程示范研究，但由于石油污染成分复杂，不同微生物可利用的石油底物不同，降解途径也不同，因此传统的石油污染生物修复研究存在效率不高、难以维持等问题。
3.生物修复技术的应用前景展望
生物修复技术是20世纪90年代迅速发展起来的一项污染环境治理技术，实践证明，采用生物技术修复污染环境与传统的物理化学技术相比可以节省大量投资、可以就地进行、对周围环境的影响较小、可以最大限度地去除环境中的污染物。
生物修复是目前环境工程领域应用广泛、较为重要的一项技术，是一种环境友好替代技术，从经济和环境的发展角度来看具有很大的诱惑力，在国内外受到日益广泛的重视。我国关于生物修复的研究起步较晚，目前尚处于小试与中试阶段，还需进一步发展。
参考文献：
[1] ALEXANDER M. Biodegradation and bioremediation [M]. USA Aca demic Press， Aan Diego， Califirnia， 1999.
[2] 李树文，孟文芳，巩学敏，李文玉.污染环境生物修复技术的应用前景[J].河北建筑科技学院学报，2005，22 （2）：7-9.
[3]刘娜，杨云龙.生物修复技术在污染环境修复中的应用研究[J].科技情报开发与经济，2005，15（3）：173-175.
[4] Ash C， Karr R A， Penissi E， et al. [J]. Science， 2002， 296：1055-1077.
[5] 唐受印， 汪大晕.废水处理工程[ M].北京：化学工业出版社.
[6] 徐根良.[J].水处理技术，1991，17（2）：77-86.
[7] Haq R， Zaidi S K. Shakoori A R. Cadmium resistant Enterobacter cloacae and Klebsiella sp. isolated from industrial effluents and their possible role in cadmium detoxification [J]. World J Microbial Biotechnology， 1999（15）： 283-290.
[8] Denmez G， Aksu Z. Bioaccumulation of copper（H）and nickel（H）by the non-adapted and adapted growing Candida spp [J]. Water Res， 2001， 35（6）：1425-1434.
[9] White KL. An overview of immunotoxicology and carcinogenic polycyclic aromatic hydrocarbons [J]. Environmental Carcinogenesis Review， 1 9 8 6， C4： 63-202.
[10] Palhmann R， Pelkonen O. Mutagen city studies of different polycyclic aromatic hymns： the significance of enzymatic factors and molecular structures [J]. Carcinogenesis， 1987（8）：773-778.
[11] 黃艺，礼晓，蔡佳亮.石油污染生物修复研究进展[J].生态环境学报2009，18（1）：361-367.
[12] 秦煜民，隋智慧，魏有权.应用生物修复技术处理石油污染土壤[J].石油与天然气化工，2003，31（6）：333-335.
[13] 张旭，李广贺，黄巍.石油烃污染土层生物修复模拟实验研究[J].清华大学学报（自然科学版）.2000，40（11）；106-108.