污染环境及生物修复技术及发展现状和应用前景.doc

污染环境的生物修复技术的发展现状和应用前景摘要：随着生物技术的飞速发展,生物修复技术将在污染环境的治理中显示出明显的优势, 并在预防环境污染和治理环境污染方面起到越来越重要的作用,将成为一种经济有效的污染环境治理方法。本文从生物修复的基本概念及其原理入手，以生物修复技术的种类为主线，着重阐述了各修复技术的特点和发展现状，从而对其发展和应用前景进行了进一步的阐述。关键词：污染；环境；生物修复；现状；前景0 引言 随着科技的发展，人们对化学品的依赖越来越严重，其中产生的污染物大部分是难以用传统的治理方法来规模化处理处置。坏境污染问题已成为当前世界各地倍受关注的焦点问题, 直接影响着国民经济的可持续发展1。为了改善生活环境，促进人与自然的可持续发展，我们势必要投入大量的人、财、物力进行污染环境的修复。环境修复是近二十多年才发展起来的环境工程技术,它强调面源污染的治理,利用天然存在的或特别培养的微生物在可调控环境条件下将有毒污染物转化为无毒物质的处理技术,可以消除或减弱环境污染物的毒性,减少污染物对人类健康和生态系统的风险。为此,生物修复属于生产后期的污染控制,简称产后控制,是可持续发展在环境保护上的重要体现。2 1 生物修复的概念及原理环境生物技术(Environmental Biotechnology)可以按技术难易划分为3类3：第1 类是指以分子生物学技术为主体，以基因工程为主导的污染控制与监测技术，包括构建降解杀虫剂、除草剂、多环芳烃类化合物等污染物的高效基因工程菌，创造抗污染型转基因植物等；第2 类是以目前大量应用的经过改革与创新的生物处理技术，如生物流化床法、上流式厌氧甲烷发酵法和变形活性污泥法等等；第3 类包括生物稳定塘、人工湿地和污染控制资源化生态工程等自然净化系统。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。它是利用生物对环境污染物的吸收、代谢、降解等功能,对环境中污染物起到降解催化作用,加速去除环境中的污染物，一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。生物修复与生物净化(bio purification)存在着不同点,前者强调人们有意识的利用生物进行环境无害化处理4。生物修复的生物来源主要有土著微生物、外来微生物和基因工程菌三类5。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。它与传统的去除和清除环境中污染物的方法,如物理方法、化学方法也是不同的。相比较而言,生物方法是最本质的和可以循环使用且永续受益的。1生物修复技术有许多方面的优点:可以使污染物完全从环境中去除,处理时间短,对周围环境影响较小,并且资金需要量小,不会产生二次污染,尤其原位修复(in-site remediation)可以使污染物在原地被清除,操作简单,使人类直接暴露在污染物下的机会减小6。1 微生物修复技术及其特点环境各圈层中含有大量的微生物，它们对于有害有毒物质的修复作用极其重要。微生物修复技术即利用特定微生物的功能及其在生物修复过程中的表达作用而采取的环境修复技术，具有成本低、修复效果好等众多优点，是世界各国处理环境污染问题时常用的绿色方法，主要有土著微生物强化技术、外源微生物强化技术、微生物的表面展示技术、生物修复的微生物监测技术 等技术手段。1.1 土著微生物强化技术水体、土壤、大气等各圈层中含有大量的土著微生物，利用土著微生物的污染物代谢能力是设计生物修复的关键环节。土著微生物强化技术是通过添加外源性物质促进土著微生物生长的强化生物修复技术。如生物激活剂法是指通过向受污染水体中投加无毒且不含菌种的可促进土著微生物生长的水体净化促进液的方法,是目前地表水体修复常用的一种生物强化法。电动力学技术强化生物修复也是一种有效的手段。它是利用电渗析、电迁移和电泳等电动力学效应加速污染环境中有机污染物和微生物运动,利用电极反应和电流热效应为地下生物降解创造有利条件。研究表明,电动力学技术能有效地强化原位生物修复,而且该技术不破环生态环境,安装和操作简单,具有广阔的应用前景。71.2 外源微生物强化技术一般而言,环境中土著微生物的浓度通常较低(低于105个细胞/g土壤)或还没有足够的时间进化获得降解污染物或其中间产物的能力,因此当对于难生物降解的物质或污染物质浓度较高,仅利用土著微生物的降解能力难以满足污染修复的要求时,采用外源微生物强化技术可以达到预期的生物处理效果。外源微生物强化技术，即从外界添加的高效微生物（可以是纯培养的微生物,也可以是混合培养的微生物）能和土著微生物稳定共存,且能快速生长并具有较高的酶活性,同时通过含有降解能力的质粒基因的水平移动等使污染物降解能力得到扩增,因此,对于难生物降解的化合物,筛选并制备优良的微生物制剂,并在生物修复技术中使其稳定发挥修复作用是值得重视的研究方向。目前，构建高效的基因工程菌是这一技术发展的崭新途径，常用技术有质粒转移、DNA 重组、基因诱变和原生质体融合等。1.3 微生物的表面展示技术表面展示技术是利用基因工程手段将外源基因或一组一定长度的随机寡核苷酸片段克隆到特定的表达载体中,使其表达产物与外膜蛋白或噬菌体外壳蛋白以融合蛋白的形式呈现在细胞表面或噬菌体表面。展示金属结合蛋白(肽)的微生物可用于污染土壤和工业废水的净化,展示有机磷水解酶的微生物将用于有机磷污染物的脱毒。微生物表面展示技术将成为污染环境生物修复的有效策略,但这一技术的研究还是一个新领域,要使其得到应用还有许多问题需要解决。1.4 生物修复的微生物监测技术生物修复的微生物监测技术，即根据微生物的行为表现，可以做到优化和控制生物修复工艺效率, 保证修复环境的安全性,进而对污染物进行追踪控制的监测技术。目前常用的方法主要有以下几种：用细菌总数及粪便污染指示菌(大肠埃希氏菌、克霉伯氏菌等)监测水质；用鼠伤寒沙门氏菌检测物质致突变性与致癌性；用发光细菌快速检测环境毒物；通过测定水中藻类(常用硅藻、栅藻、小球藻等)的生长量来进行水质监测或物质的霉性检测。目前研究较多的有核酸探针、聚合酶式反应技术(PCR 技术)、生物传感器、酶免疫监测等生物高技术进行环境检测。2 植物修复技术及其特点植物修复是利用绿色植物清除环境中的污染物，使其去除降低或消失称作植物修复 ( Raskin等.1994)。植物修复的主要对象是有毒重金属和有机污染物。主要有以下6种技术：植物固定、根系降解、植物促进、植物降解、植物挥发、挥发转移等。它是一种正在蓬勃发展中的污染修复技术。2.1 植物固定利用植物将有毒有害污染物如重金属聚集在根系地带, 降低其活动性, 阻止其向深层土壤或地下水中扩散, 但并不为植物利用, 即根系对污染物起固定作用。特殊植物根系分泌物将污染物钝化/固定，降低其生物有效性及迁移性，使其不能为生物所利用，达到钝化/稳定、隔断、阻止其进入水体和食物链的目的，以减少其对生物和环境的危害。这一过程中，土壤的重金属含量并不减少，只是形态发生变化。这方面最有应用前景的例子是铅和铬的钝化。一般来说，土壤中铅的生物有效性较高，而铅的磷酸盐矿物则比较难溶，难以被生物利用。82.2 根系降解植物中超过20%的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部, 因此会生长很多微生物, 尤其在根表面向外1-3mm 的地方, 这些微生物是没有种植过植物的土壤的3-4 倍。一些微生物可以同植物相结合促进重金属的降解, 也可以矿化某些有机污染物如PAHs、PCBs。2.3 植物促进植物促进也称之为植物提取(phytoextraction) ,植物根系将土壤中重金属或有机污染物从污染的土壤中转移到植物的地上部分。一般指那些能累积超过叶子干重1.0%的Mn，或者0.1%的Co、Cu、Pb、Ni、Zn，或者0.01%的Cd的植物。目前世界上有500多种这样的植物。 2.4 植物挥发植物挥发技术是植物可以从土壤中吸收污染物并将其转化为气态物质释放到大气中，从而对污染土壤起到治理作用主要集中在容易挥发的金属如汞等方面。该过程中，污染物只是从土壤经植物转移到大气当中进行稀释。重金属如硒和汞可以生物甲基化而形成可挥发的分子。考虑到现场空气中的挥发性金属浓度及金属的再次沉降，该方法实际上存在一定的风险。92.5 挥发转移植物通过叶表孔隙挥发水分的形式转移在水系中的污染物。如白杨、桉树、河香柏等树木具有很深的根系, 每天可以蒸腾大量的水, 将水中某些污染物转移至植物体内。2.6 植物降解植物降解技术是利用植物的转化和降解作用去除土壤中有机污染物质的一种方式。该过程中主要涉及2个方面：一方面，污染物质被吸收到体内后，植物将这些化合物及分解的碎片通过木质化作用储藏在新的植物组织中，或使化合物完全挥发，或矿质化为二氧化碳和水；另一方面，植物根分泌物直接降解根际圈内的有机污染物。103 现状评价及展望生物修复技术是一种环境友好替代技术,在国内外受到日益广泛的重视。进行生物修复技术需要对地点状况和存在的污染物进行详细而昂贵的考察,微生物活性易受环境条件影响, 在有些状况下生物修复技术不能将污染物全部去除,所以,今后应主要发展解决安全使用基因工程菌和从根本上清除污染的生物修复技术。植物修复作为直接利用绿色植物系统通过转移、降解或保持的方式修复污染的土壤、沉积物、水和空气的一种新兴技术,不仅具有美学价值、价格低廉、仅需太阳能驱动、能去除大部分环境污染物等特点且对于浅层轻度污染的区域非常有效。 随着我国对生物修复的研究成果也逐年增多,现代分子生物学的发展以及基因工程技术的应用有可能使植物修复技术取得根本性的突破。从科学的角度客观地看,生物技术本身是一项复杂的系统工程,要使生物修复技术成功并广泛地应用,应尽可能解决其中涉及的技术难题,以尽早实现生物修复研究的技术转换；要深入了解植物修复的原理,为更好地利用植物,我们必然要对植物生物学、分子生物学有更进一步的理解。着眼于利用植物、菌类或动物的基因改良植物以利用植物对特定物的修复技术是目前一些前沿研究的重点。在相当一段时间内，以物理、化学和生物修复方法相结合，首先用生物修复技术将污染物处理到较低的水平,然后采用费用较高的物理或化学方法处理残余的污染物的处理思路是我们现阶段各项条件限制下应该选择的科学、绿色的处理处置方法。环境污染的生物修复技术是我国今后治理环境污染必须发展的生物技术，更具有广阔的市场和发展前景。可预见，在21世纪，生物修复技术将成为我国生态环境保护领域最具有价值和最具有生命力的大面积污染的优选生物工程技术。11 参考文献： 1 朱伟萍. 现代环境生物技术的发展与应用J.环境生物技术，2005，（5）：1315.2 李树文,孟文芳,巩学敏,李文玉，等.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）：79.3 Hancock C B ，Morin T J，Robin N. 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