微生物在环境治理方面的应用现状及展望
周江维
（浙江理工大学材料与纺织学院，09包装工程（1）班，杭州310018）
摘 要：在我们生活的这个星球上，微生物可以说是无处不在。人类与微生物相处了相当长的一段时间，然而并没有真正重视微生物，直到17世纪显微镜的出现让人类真正观察到了微生物。随着人类观察手段的不断进步，越来越多的微生物走入人类的视野，人类对微生物的认识也不断深化。人类对微生物的深入了解，使得我们能够很好的利用微生物有利的一面避免有害的一面，环境问题作为现代社会一个很突出的问题越来越受到人们的重视，微生物为环境治理带来了新的希望。微生物在环保方面的大有作为离不开对它们进一步的研究，弄清微生物治理环境的原理是进一步利用它们的前提。
关键词：微生物 环境治理 污染 修复 现状 可持续发展
1、 微生物修复技术
1.1 微生物修复的原理
生物修复包括微生物修复、植物修复、菌根修复等，其中微生物修复在众多领域中得到了广泛的应用。微生物修复是指微生物将土壤、地下水和海洋中的有害物质“就地”降解成二氧化碳和水，转化为无毒、无害物质的方法。实际上，大多数环境中都存在着天然微生物降解净化有毒有害污染物质的过程，只是自然条件下的微生物净化速度比较慢，因此能够被广泛应用到环境保护中。微生物修复大多都是在人为的条件下进行的，通过提供氧气，添加各类营养物质，接种经过驯化培养的高效菌株等强化修复过程，迅速去除污染物质，这就是微生物修复的基本原理。
微生物修复技术是指通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过程。它包括自然和人为控制条件下的污染物降级或无害化的过程。
在自然修复的过程（natural attenuation）中，利用土著微生物（indigenous microorganism）的降解能力，但需要以下条件：
（1) 有充分和稳定的地下水流；
（2) 有微生物可利用的营养物质；
（3) 有缓冲pH的能力；
（3) 有使代谢能够进行的电子受体。
如果缺少一项条件，将会影响微生物修复的速率和程度。
对于外来化合物，如果污染新近发生，很少会有土著微生物能降解它们，所以需要加入有降解能力的外源微生物（exogenous microorganism）。人为修复工程一般采用有降解能力的外源微生物，用工程化手段来加速生物修复的进程，这种在受控条件下进行的生物修复又称强化生物修复（enhanced bioremediation）或工程化的生物修复（engineered bioremediation）。工程化的生物修复一般采用下列手段来加强修复的速率：
（1) 生物刺激（biostimulation）技术，满足土著微生物生长所需要的条件，诸如提供电子受体、供体氧以及营养物等;
（2) 生物强化（bioaugmentation）技术需要不断地想污染环境投入外源微生物、酶、其他生长基质或氮、磷无机盐。
1.2 微生物修复技术的分类
（1）原位生物修复（in situ bioremediation）: 是指对受污染的介质不进行搬运或输送，而在原位或易残留的部位进行的生物修复处理。原位修复技术主要取决于被污染土壤的自身微生物的自然降解能力、人为创造的降解条件、促进微生物生长繁殖的条件，如提供N、P等营养物、氧气、菌株等。
（2）异位生物修复（ex situ bioremediation）:是指将污染介质（土壤、水体）搬运或输送至它进行修复的生物修复过程。相对于原位生物修复而言，更强调人为的控制和创造更适宜的生物降解环境。
（3）原位—异位联合生物修复技术：使用原位生物修复技术和异位修复技术联合，可以使两种技术的优势得到充分发挥，能更好更有效地去除环境中的污染物。原位-异位联合的生物修复是指在实行原位修复时，若使用原位修复存在较大困难，或者污染物的浓度过高，甚至可能对生物产生毒害作用时，采取一些辅助手段，即将修复场所中的一部分污染物引出，然后将其移到生物反应器或其他净化设备中进行净化的技术，但是整个过程必须保证原位修复的基本特性。目前研究较为充分的主要有两种：冲洗-生物反应器法和土壤通气-堆制法。
2、 用微生物治理污染
目前微生物在治理环境污染方面主要应用于水体和固体有机物两方面（图1）。当然，随着科学家们的进一步研究，微生物的治理范围将越来越广。
2.1 污水的微生物处理
随着工业的高速发展和人口的膨胀，水污染问题越来越严重威胁着人类的生存环境，制约着社会和经济的进一步发展。因此，治理污水，保护世界上水资源免受污染已成为全球性课题。污水的种类很多，包括污水、农牧业污水、工业有机污水和工业有毒污水等。在各种污水处理方法中，最
根本、有效和简便的方法就是利用微生物的处理法-
生化处理法。
图1
用微生物处理、净化污水的过程，实质上就是在污水处理装置这一小型人工生态系统内，利用不同生理、生化功能微生物间的协同作用而进行的一种物质循环过程。当高BOD（biochemical oxygen
demand,即生物需氧量）的污水进入污水处理系统后，其中的自然菌群在好氧条件下，根据污水这一“选择性培养基”的性质和成分，随着时间的推移，发生着有规律的群落演替，从而使污水中的有机物或毒物不断被降解、氧化、分解、转化或吸附、沉降，进而达到消除污染和降解、分层效果。
2.1.1 废水微生物处理的净化原理
微生物在污水处理过程中的新陈代谢类型有需氧净化和厌氧净化两种。需氧净化：废水的需氧生物处理时一种在提供游离氧的前提下，以好氧微生物为主，通过，通过分解代谢、合成代谢和物质矿化，能把污水中的有机物氧化分解成CO2和H2O等小分子物质，同时从中获得C源、N源、P源和能量等稳定的无害化处理方法。厌氧净化：废水的厌氧生物处理是指在没有游离氧的情况下，微生物对有机物质发酵或消化，将大部分有机物分解成CO2、H2、CH4和H2S等气体，是以厌氧微生物为主对有机物进行降解，稳定的一种无害化处理方法。
据报道，北京建工集团建机厂地工业污水做到了“零排放”，该厂作为绿色环保型企业入驻北京市顺义林河工业区。该厂污水处理采取的就是微生物处理方法，首先是污水预处理，在调节池中投加絮凝剂使固液分离，漂上来的悬浮污物将被自动刮除。污水经过初步处理后进入可容4吨的立罐———生物反应器。随着污水的进入可以听到“卟、卟”的气曝声，这是在进行气曝反应，目的是使依附在罐内污泥中的一种好氧微生物充分搅拌、释放，同时注入氧气以维系它们的生存。利用它们的新陈代谢即可达到净化水质的作用。据介绍，这些生物虽是一家，但形状各异，大概有70多种。化验员除了每天检测水质的各种数据外，还要定时化验它们的生存环境，如：浓度、含氧、水温、pH值等，以及时采取有效措施。
2.1.2 废水微生物处理的研究方法
活性污泥法（activated sludge）是指利用某些微生物在生长繁殖过程中形成的表面积较大的菌胶团来大量絮凝和吸附水中悬浮的胶体或溶解的有机污染物，并将这些物质摄入细胞体内降解的方法。活性污泥可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥，不论是哪一种，活性污泥都是由具有活性的微生物菌胶团或泥颗粒的微生物群体构成的，这样的群体有很强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解很过污染物，从而达到处理和净化污水的目的。目前采用的流程大多可以用图2
表示：
图2
生物膜（biofilm）是通过附着而固定于特定载体上的结构复杂的微生物共生体。在适宜的载体天然材料、合成材料表面附着生长的微生物细胞和一些非微生物物质镶嵌在微生物分泌的胞外聚合物基质中形成一种纤维状的缠结结构，这种微生物繁殖系统即称为生物膜。生物膜比活性污泥具有更强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各种污染物，具有速度快、效率高的特点。
与活性污泥法相比，生物膜具有以下优点：①生物膜对污水水质、水量的变化有较强的适应性，管理方便；②微生物固着在载体表面，世代时间较长的高级微生物也能繁殖，生物种类更为丰富、稳定，产生的剩余污泥少；③能够处理低浓度的污水，对于高浓度的污水处理效果也很好。
2.2 固体有机垃圾的微生物处理
随着世界各国城市化进程的加快，当前，困扰人类一大问题的城市固体垃圾问题日益加剧。理论上，“世界上没有真正的垃圾，只有放错位置的资源”，不过目前处理固体垃圾的方法主要是传统的填埋、焚烧和堆肥3种。
近年来，各国正在积极探索用微生物处理固体垃圾的方法并且取得了一些成就。在垃圾按类收集的基础上，利用多种好氧的高温微生物对其中的有机垃圾（包括动、植物残体，动物粪便和厨残等）进行好氧性分解的原理，设计了一种“有机垃圾好氧生物反应器”，对垃圾进行快速处理，该机器基本构造如图3所示：
图3
3 微生物治理污染的前景展望
最近几年微生物生物研究成果喜人，特别是随着科技的进步，人类研究微生物的手段更加多样化。这使得人类从最初的细胞深入到了分子水平研究微生物，尽管目前的研究遇到了一些困难，但是我有理由相信，在不久的将来，微生物的成果必将更加深入人们生活的方方面面。
微生物在环境治理方面的应用相对微生物的研究是比较晚的，但即便如此，我们现在已经可以感受到微生物在环境治理中的重要作用了。地球上的资源正在急剧减少，为了我们的子孙后代，必须实行可持续发展，这就要求我们合理地利用资源。环境问题处理不好给人类带来的是灾难，但是如果处理好了确实一笔财富，微生物在处理污染方面有着很多传统手段不具备的优势。大力开发微生物治理环境可以说是一项有利于经济发展的工程。
参考文献：
［1］ 百度百科.微生物修复技术： http://baike.baidu.com/view/3451386.htm
［2］ 宋福强. 微生物生态学. 化学工业出版社，2008.6
［3］ 周德庆. 微生物学教程.高等教育出版社. 2002.5
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［7］ Kathleen Park Talaro.Foundations in Microbiology:Basic Principles.McGraw-Hill.1999. ［8］ 顾夏声等主编.水处理微生物学. 北京：中国建筑工业出版社.1998
［9］ 赵斌，何绍江.微生物学实验. 北京：科学出版社.2002.
［10］ Macigan MT, Martinko JM, Parder J. Brocd Brock Biology of, Microorganisms, 9th ed. New Jersey:Prentice Hall,2000
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［17］ 刘耀邦主编，可持续发展战略读本，北京：中国计划出版社，1996
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微生物在环境治理方面的应用现状及展望
周江维
（浙江理工大学材料与纺织学院，09包装工程（1）班，杭州310018）
摘 要：在我们生活的这个星球上，微生物可以说是无处不在。人类与微生物相处了相当长的一段时间，然而并没有真正重视微生物，直到17世纪显微镜的出现让人类真正观察到了微生物。随着人类观察手段的不断进步，越来越多的微生物走入人类的视野，人类对微生物的认识也不断深化。人类对微生物的深入了解，使得我们能够很好的利用微生物有利的一面避免有害的一面，环境问题作为现代社会一个很突出的问题越来越受到人们的重视，微生物为环境治理带来了新的希望。微生物在环保方面的大有作为离不开对它们进一步的研究，弄清微生物治理环境的原理是进一步利用它们的前提。
关键词：微生物 环境治理 污染 修复 现状 可持续发展
1、 微生物修复技术
1.1 微生物修复的原理
生物修复包括微生物修复、植物修复、菌根修复等，其中微生物修复在众多领域中得到了广泛的应用。微生物修复是指微生物将土壤、地下水和海洋中的有害物质“就地”降解成二氧化碳和水，转化为无毒、无害物质的方法。实际上，大多数环境中都存在着天然微生物降解净化有毒有害污染物质的过程，只是自然条件下的微生物净化速度比较慢，因此能够被广泛应用到环境保护中。微生物修复大多都是在人为的条件下进行的，通过提供氧气，添加各类营养物质，接种经过驯化培养的高效菌株等强化修复过程，迅速去除污染物质，这就是微生物修复的基本原理。
微生物修复技术是指通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过程。它包括自然和人为控制条件下的污染物降级或无害化的过程。
在自然修复的过程（natural attenuation）中，利用土著微生物（indigenous microorganism）的降解能力，但需要以下条件：
（1) 有充分和稳定的地下水流；
（2) 有微生物可利用的营养物质；
（3) 有缓冲pH的能力；
（3) 有使代谢能够进行的电子受体。
如果缺少一项条件，将会影响微生物修复的速率和程度。
对于外来化合物，如果污染新近发生，很少会有土著微生物能降解它们，所以需要加入有降解能力的外源微生物（exogenous microorganism）。人为修复工程一般采用有降解能力的外源微生物，用工程化手段来加速生物修复的进程，这种在受控条件下进行的生物修复又称强化生物修复（enhanced bioremediation）或工程化的生物修复（engineered bioremediation）。工程化的生物修复一般采用下列手段来加强修复的速率：
（1) 生物刺激（biostimulation）技术，满足土著微生物生长所需要的条件，诸如提供电子受体、供体氧以及营养物等;
（2) 生物强化（bioaugmentation）技术需要不断地想污染环境投入外源微生物、酶、其他生长基质或氮、磷无机盐。
1.2 微生物修复技术的分类
（1）原位生物修复（in situ bioremediation）: 是指对受污染的介质不进行搬运或输送，而在原位或易残留的部位进行的生物修复处理。原位修复技术主要取决于被污染土壤的自身微生物的自然降解能力、人为创造的降解条件、促进微生物生长繁殖的条件，如提供N、P等营养物、氧气、菌株等。
（2）异位生物修复（ex situ bioremediation）:是指将污染介质（土壤、水体）搬运或输送至它进行修复的生物修复过程。相对于原位生物修复而言，更强调人为的控制和创造更适宜的生物降解环境。
（3）原位—异位联合生物修复技术：使用原位生物修复技术和异位修复技术联合，可以使两种技术的优势得到充分发挥，能更好更有效地去除环境中的污染物。原位-异位联合的生物修复是指在实行原位修复时，若使用原位修复存在较大困难，或者污染物的浓度过高，甚至可能对生物产生毒害作用时，采取一些辅助手段，即将修复场所中的一部分污染物引出，然后将其移到生物反应器或其他净化设备中进行净化的技术，但是整个过程必须保证原位修复的基本特性。目前研究较为充分的主要有两种：冲洗-生物反应器法和土壤通气-堆制法。
2、 用微生物治理污染
目前微生物在治理环境污染方面主要应用于水体和固体有机物两方面（图1）。当然，随着科学家们的进一步研究，微生物的治理范围将越来越广。
2.1 污水的微生物处理
随着工业的高速发展和人口的膨胀，水污染问题越来越严重威胁着人类的生存环境，制约着社会和经济的进一步发展。因此，治理污水，保护世界上水资源免受污染已成为全球性课题。污水的种类很多，包括污水、农牧业污水、工业有机污水和工业有毒污水等。在各种污水处理方法中，最
根本、有效和简便的方法就是利用微生物的处理法-
生化处理法。
图1
用微生物处理、净化污水的过程，实质上就是在污水处理装置这一小型人工生态系统内，利用不同生理、生化功能微生物间的协同作用而进行的一种物质循环过程。当高BOD（biochemical oxygen
demand,即生物需氧量）的污水进入污水处理系统后，其中的自然菌群在好氧条件下，根据污水这一“选择性培养基”的性质和成分，随着时间的推移，发生着有规律的群落演替，从而使污水中的有机物或毒物不断被降解、氧化、分解、转化或吸附、沉降，进而达到消除污染和降解、分层效果。
2.1.1 废水微生物处理的净化原理
微生物在污水处理过程中的新陈代谢类型有需氧净化和厌氧净化两种。需氧净化：废水的需氧生物处理时一种在提供游离氧的前提下，以好氧微生物为主，通过，通过分解代谢、合成代谢和物质矿化，能把污水中的有机物氧化分解成CO2和H2O等小分子物质，同时从中获得C源、N源、P源和能量等稳定的无害化处理方法。厌氧净化：废水的厌氧生物处理是指在没有游离氧的情况下，微生物对有机物质发酵或消化，将大部分有机物分解成CO2、H2、CH4和H2S等气体，是以厌氧微生物为主对有机物进行降解，稳定的一种无害化处理方法。
据报道，北京建工集团建机厂地工业污水做到了“零排放”，该厂作为绿色环保型企业入驻北京市顺义林河工业区。该厂污水处理采取的就是微生物处理方法，首先是污水预处理，在调节池中投加絮凝剂使固液分离，漂上来的悬浮污物将被自动刮除。污水经过初步处理后进入可容4吨的立罐———生物反应器。随着污水的进入可以听到“卟、卟”的气曝声，这是在进行气曝反应，目的是使依附在罐内污泥中的一种好氧微生物充分搅拌、释放，同时注入氧气以维系它们的生存。利用它们的新陈代谢即可达到净化水质的作用。据介绍，这些生物虽是一家，但形状各异，大概有70多种。化验员除了每天检测水质的各种数据外，还要定时化验它们的生存环境，如：浓度、含氧、水温、pH值等，以及时采取有效措施。
2.1.2 废水微生物处理的研究方法
活性污泥法（activated sludge）是指利用某些微生物在生长繁殖过程中形成的表面积较大的菌胶团来大量絮凝和吸附水中悬浮的胶体或溶解的有机污染物，并将这些物质摄入细胞体内降解的方法。活性污泥可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥，不论是哪一种，活性污泥都是由具有活性的微生物菌胶团或泥颗粒的微生物群体构成的，这样的群体有很强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解很过污染物，从而达到处理和净化污水的目的。目前采用的流程大多可以用图2
表示：
图2
生物膜（biofilm）是通过附着而固定于特定载体上的结构复杂的微生物共生体。在适宜的载体天然材料、合成材料表面附着生长的微生物细胞和一些非微生物物质镶嵌在微生物分泌的胞外聚合物基质中形成一种纤维状的缠结结构，这种微生物繁殖系统即称为生物膜。生物膜比活性污泥具有更强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各种污染物，具有速度快、效率高的特点。
与活性污泥法相比，生物膜具有以下优点：①生物膜对污水水质、水量的变化有较强的适应性，管理方便；②微生物固着在载体表面，世代时间较长的高级微生物也能繁殖，生物种类更为丰富、稳定，产生的剩余污泥少；③能够处理低浓度的污水，对于高浓度的污水处理效果也很好。
2.2 固体有机垃圾的微生物处理
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近年来，各国正在积极探索用微生物处理固体垃圾的方法并且取得了一些成就。在垃圾按类收集的基础上，利用多种好氧的高温微生物对其中的有机垃圾（包括动、植物残体，动物粪便和厨残等）进行好氧性分解的原理，设计了一种“有机垃圾好氧生物反应器”，对垃圾进行快速处理，该机器基本构造如图3所示：
图3
3 微生物治理污染的前景展望
最近几年微生物生物研究成果喜人，特别是随着科技的进步，人类研究微生物的手段更加多样化。这使得人类从最初的细胞深入到了分子水平研究微生物，尽管目前的研究遇到了一些困难，但是我有理由相信，在不久的将来，微生物的成果必将更加深入人们生活的方方面面。
微生物在环境治理方面的应用相对微生物的研究是比较晚的，但即便如此，我们现在已经可以感受到微生物在环境治理中的重要作用了。地球上的资源正在急剧减少，为了我们的子孙后代，必须实行可持续发展，这就要求我们合理地利用资源。环境问题处理不好给人类带来的是灾难，但是如果处理好了确实一笔财富，微生物在处理污染方面有着很多传统手段不具备的优势。大力开发微生物治理环境可以说是一项有利于经济发展的工程。
参考文献：
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