微生物菌剂在环境污染治理中的研究和应用进展∗

晏丽娟, 王 玲, 张海芹

(苏州天瑞环境科技有限公司, 江苏 昆山 215300)

随着我国社会经济的快速发展以及城镇化进程的加快, 环境污染问题日益严峻, 包括地表水、 地下水、 土壤等被严重污染, 其中有大量的难降解污染物, 这些污染物威胁着人类的生存空间和生态稳定的可持续性发展[1]。 在自然环境中存在的某些特定微生物对污染物有一定的降解作用, 依靠自身的分解能力达到自然净化的作用[2]。 微生物菌剂技术在水污染控制、 大气污染治理, 有毒有害物质降解、 环境污染修复等环境保护的各个方面发挥着重要的作用[3]。 该技术具有针对性强、 见效快、 操作简便等特点, 最终产物大都是无毒无害的、 稳定的物质, 如二氧化碳、 水和氮气等, 在环境污染治理中具有广泛的应用前景[4]。

1 微生物菌剂在环境污染治理中的研究进展

微生物菌剂最早被成功研制出现在欧美、 日本等国家, 而且在治理工业废水和生活污水等领域中得到广泛应用, 并且形成了成熟的系列化产品--微生物复合菌剂[5]。 1983 年, 著名的日本琉球大学比嘉照夫教授研制出的微生物菌剂EM 在环境污染治理方面取得了显著的成果, 尤其是在种植业和养殖业方面[6]。 美国普罗生物技术有限公司研发的 MicroPlex-N,MicroPlex-RL 系列用于石油、 制浆造纸、 化工废水及市政污水处理中[7]。 国内对微生物菌剂的研发起步稍晚于国外, 虽然技术没有国外成熟, 但也取得一些进展, 20 世纪80 年代以来,成熟运用废污水工程案例中的微生物菌剂产品有除COD 系列、除氨氮系列、 除臭除油系列和除蓝藻系列, 以及由高校和科研院所联合研发的特种废水处理菌剂、 低温生物强化菌剂、 高浓度有机物降解菌剂等已经在工业废水、 污染河流或湖泊修复中起到一定的作用。 在地下水修复技术中也有相应的研究成果,如Geobacter 和Shewanella 等在研究重金属污染的地下水治理中, 为了提高微生物的降解速率, 研制出在特殊情况下, 使得微生物与纳米线相结合, 产生远距离传输电子的能力[8]。 在畜牧、 水产养殖及垃圾、 污水、 粪便处理等方面广泛应用的 “神威” 微生物制剂是我国自主研发的, 已经经过多地的实际应用, 取得了良好的经济、 社会和生态效益[9]。

2 微生物菌剂在环境污染治理中的应用

2.1 微生物菌剂用于地表水生物修复治理

目前, 微生物菌剂法作为一种治理水体污染的绿色手段,已广泛应用于受污染的且需要及时修复的水体, 包括黑臭水体、 湖泊及近岸海域等。

2.1.1 黑臭水体污染治理

黑臭水体生物修复中利用微生物菌剂修复是比较成熟且效果良好的方法之一。 黑臭水体修复的土著微生物来源于目的水体, 有利于形成优势菌群, 可快速的降解黑臭水体中的污染物。 庄景[10]采用土著微生物培养微生物菌剂, 投加到受生活污水污染的河道中, 进行黑臭河道修复。 研究表明: 经过一段按时间的处理, 河道水体的COD、 氨氮、 TP 等的去除率分别提高至43%、 58%、 56%。 在提高微生物菌剂利用率方面, 李广胜等[11]针对北方某城市黑臭河道, 得出微孔曝气和微生物菌剂结合后, 大大地提高了氧利用率, 进而消除了黑臭, 降低河道藻类污染的机率, 黑臭污染得到较好的遏制。 由于工程实例中所采用的微生物菌剂是纯生物物质, 与化学制剂不同, 不存在二次污染的问题, 具有良好的环境效益和广阔的市场前景。

2.1.2 湖泊水体污染治理

湖泊作为重要的地表水资源, 湖泊富营养化是不容忽视的污染问题之一, 造成水体富营养化的原因复杂多变, 继而为修复工程带来难题。 通过微生物利用本身的生物学特性修复富营养化水体中的氮、 磷营养元素和有机污染物, 改良水质, 是近年来的研究热点并且取得了一定的成果。 目前已经取得成果的现场案例有 “永川市护城河水体修复、 马鞍山雨水湖鹊岛内湖水体治理” 等工程, 运用了一种投放微生物菌种的典型水体修复技术—CBS 技术[12]。 另外一种研究方向是减少湖泊水体中的有害藻类的数量, 即将藻类致病菌或病毒投入富营养化水体中, 让其染病死亡。 在云南滇池水体修复过程中, 史顺玉等研制出能溶解蓝藻等的溶藻菌类, 命名为DC23, 经过试验后,结果显示, 投入此类菌类的污染水体中叶绿素含量有明显下降的趋势[13]。

2.1.3 近岸海域水体污染治理

近海海洋作为人类宝贵的资源、 赖以生存的生态系统的重要组成部分, 为了合理利用和有效保护近海生态系统, 在社会经济发展的同时兼顾生态保护和修复变为社会焦点。 2017 年“7.16” 大连海洋溢油事件发生后的环境修复中, 将降解石油的活性菌种负载在沸石载体上, 促其形成生物膜, 加速了石油净化, 10 个月后的油污平均去除率达到58.14%[14]。 吸附降解是研究最初的机理, 近来已经发现, 海洋微生物对重金属不止是吸附降解作用, 还有氧化、 甲基化、 还原等作用, 最终降低重金属的危害。 海洋污染的种类繁多, 成分复杂, 不同污染类型降解需要不同的微生物, 最佳适用条件也不同, 将微生物菌剂修复技术应用到实际案例中依然面临诸多挑战。

2.2 微生物菌剂用于地下水生物修复治理

地下水污染研究主要集中于重金属和石油烃的污染。 由于地下水地质条件复杂, 并且水体是不断迁移和循环, 所以隐蔽性和危害性是地下水污染治理的两大难点。 地下水原位生物修复技术, 其中包括微生物修复和植物修复。 该技术大部分处于试验阶段, 实际应用较少。

2.2.1 石油烃污染治理

近年来石油对环境的污染日渐严重, 而且石油烃污染的累积会对人类和动植物的健康也产生严重影响, 高鹏飞等[15]从松原油田石油污染的土壤中, 筛选出3 种高效降解石油烃菌株,并对菌株进行鉴定、 培养, 按照最优条件制备出混合微生物固体菌剂, 用于修复修室内模拟石油污染的地下水, 结果表明,运行30 天后, 石油烃浓度由34.6 mg/L 降至3.3 mg/L, 地下水中石油烃降解效果明显。

2.2.2 重金属污染治理

国内外学者根据重金属污染特点, 利用原位生物修复技术, 结合现代基因手段, 筛选出高效降解特性的微生物, 从而提高重金属污染修复效率。 有学者研制出一种趋磁细菌[16], 顾名思义就是利用此种微生物修复重金属污染时吸附环境中的铁元素后在体内形成具有磁性的铁化合物, 在外界磁场的作用下, 可以做定向运动, 投加到废水中, 直止吸附特定的重金属完成后, 在磁场分离器中分离, 结果表明, 此种方法去除重金属(如Fe2+、 Cr3+和Ni2+等)可达95%以上。

2.3 微生物菌剂用于土壤生物修复治理

土壤是微生物的大本营。 微生物修复技术作为土壤生物修复技术中的热点之一, 重点在于筛选和培养出降解效率高的微生物菌株, 提高功能微生物在土壤中的活性、 寿命和安全性,并优化得到修复过程中适宜的生存、 降解污染物的条件, 以达到最佳的修复效果[17]。

2.3.1 石油污染治理

土壤中的石油污染占相当大大的比例, 石油的主要成分有烷烃、 二甲苯、 苯、 甲苯等多种复杂芳香烃, 这些物质进入土壤后难以自然降解, 进一步会造成地下水污染, 会给周围生态环境造成严重的污染问题。 到目前为止, 已知能降解石油中各种烃类的微生物大约有100 多余属200 多种, 分别属于细菌、霉菌、 放线菌、 酵母菌及藻类[18]。 李小康等[19]通过筛选和复配石油降解菌D-5 不动杆菌等, 向石油培养基接入量约为6%, 经过数天的培养, 培养基的含油率由2000 mg/L 降至257.6 mg/L, 降解率最高达到了87.12%, 说明混合菌对原油有较好的降解效果, 可以作为石油污染土壤的修复菌剂, 更进一步研究表明, 利用生物刺激(营养液)可以提高修复效率。

2.3.2 多环芳烃污染治理

土壤污染中的多环芳烃(PAHs)主要来源于污水灌溉、 农作物秸秆燃烧、 石油开采、 石油加工及工业活动中化工染料的不完全燃烧和高温热解[20]。 王晓旭等[21]通过研究发现, 高效降解菌DDT、 DDE、 DDD 和多种不同苯环结构的PAHs 均具有良好的降解能力, 并且表面活性剂提高了修复效果。 Fang等[22]将DDT 降解菌Sphingobacterium sp.strain D-6 接种于污染土壤中, 60 d 后土壤中的o'p'-DDT 和p'p'-DDT 的含量分别为0.0014 和0.007 mg/kg, 明显低于未接种土壤中的含量。

2.3.3 农药污染治理

有机磷农药(Ops)是含磷元素的有机化合物农药, 主要用于防止植物病、 虫、 草害。 针对土壤 Ops 污染, 1971 年, 首次有研究表明, 微生物可降解Ops, 此后利用微生物纯种培养方法, 筛选出多种能够降解Ops 的微生物, 并对降解机理作了相应研究, 作为一种高效清除农药污染的微生物技术已成为研究热点[23]。

在修复毒死蜱污染的土壤研究中, Jabeen 等[24]在受毒死蜱污染的土壤中种植黑麦草后, 将对毒死蜱具有降解特性的内生根瘤菌HN3投加到土壤中, 这种联合修复可促进黑麦草根际细菌的定植, 对土壤有毒代谢物去除有一定的作用, 有助于修复受污染的土壤。

另外一种环境残留量较高的有机氯农药-六六六(HCH)及其异构体, 化学名称是六氯环己烷, 是一种杀虫剂, 使用它会对农田环境造成大面积的污染。 虽然我国已于1983 年禁止生产, 但由于其高毒性, 化学性质稳定、 难降解等特点, 目前,有些区域农田土壤中的HCH 残留量依然很高。 Garg 等[25]驯化获得可降解t-HCH 的菌群, 该菌群的优势菌种为Sphingobium sp.UM1、 Sphingobium lucknowense F2、 Sphingobium chinhatense IP26、 Sphingobium sp.HDIPO4 和 Sphingobium indicum B90A。在该降解菌加入受t-HCH 污染的灭菌土壤(初始含量5 mg/g)30 d 后, t-HCH 的去除率达到65%。

3 存在的问题及展望

3.1 存在的问题

目前关于微生物菌剂用于环境污染生态修复中的作用机理相比其应用效果研究的少, 尤其是复合菌剂之间的复杂关系导致对微生物菌剂修复的机理研究难度增加。 通过分子生物学技术, 加强微生物的筛选与驯化, 获得其生化特性和作用机理,提高其对特定污染物的降解能力, 通过优化工艺条件, 更进一步地大规模实现微生物菌剂的推广和工程应用。 尤其微生物菌剂基本生存条件的普遍性研究也是微生物菌剂开发过程中重要的一个方向。

3.2 展 望

微生物菌剂的开发研究, 促进了我国环境污染生物修复技术的进步。 环境污染生态修复应遵循生态学基本原理, 在分析生态系统结构与功能基础上, 深入研究微生物菌剂配方和强化微生物修复功能, 达到对环境修复和生态调控的作用, 获得经济效益与环境效益的统一。