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污染環(huán)境的生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景 摘要：隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展,生物修復(fù)技術(shù)將在污染環(huán)境的治理中顯示出明顯的優(yōu)勢, 并在預(yù)防環(huán)境污染和治理環(huán)境污染方面起到越來越重要的作用,將成為一種經(jīng)濟(jì)有效的污染環(huán)境治理方法。本文從生物修復(fù)的基本概念及其原理入手，以生物修復(fù)技術(shù)的種類為主線，著重闡述了各修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，從而對其發(fā)展和應(yīng)用前景進(jìn)行了進(jìn)一步的闡述。 關(guān)鍵詞：污染；環(huán)境；生物修復(fù)；現(xiàn)狀；前景 0 引言 隨著科技的發(fā)展，人們對化學(xué)品的依賴越來越嚴(yán)重，其中產(chǎn)生的污染物大部分是難以用傳統(tǒng)的治理方法來規(guī)模化處理處置。壞境污染問題已成為當(dāng)前世界各地倍受關(guān)注的焦點(diǎn)問題, 直接影響著國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。。為了改善生活環(huán)境，促進(jìn)人與自然的可持續(xù)發(fā)展，我們勢必要投入大量的人、財(cái)、物力進(jìn)行污染環(huán)境的修復(fù)。環(huán)境修復(fù)是近二十多年才發(fā)展起來的環(huán)境工程技術(shù),它強(qiáng)調(diào)面源污染的治理,利用天然存在的或特別培養(yǎng)的微生物在可調(diào)控環(huán)境條件下將有毒污染物轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)的處理技術(shù),可以消除或減弱環(huán)境污染物的毒性,減少污染物對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。為此,生物修復(fù)屬于生產(chǎn)后期的污染控制,簡稱產(chǎn)后控制,是可持續(xù)發(fā)展在環(huán)境保護(hù)上的重要體現(xiàn)。[2] 1 生物修復(fù)的概念及原理 環(huán)境生物技術(shù)(Environmental Biotechnology)可以按技術(shù)難易劃分為3類[3]：第1 類是指以分子生物學(xué)技術(shù)為主體，以基因工程為主導(dǎo)的污染控制與監(jiān)測技術(shù)，包括構(gòu)建降解殺蟲劑、除草劑、多環(huán)芳烴類化合物等污染物的高效基因工程菌，創(chuàng)造抗污染型轉(zhuǎn)基因植物等；第2 類是以目前大量應(yīng)用的經(jīng)過改革與創(chuàng)新的生物處理技術(shù)，如生物流化床法、上流式厭氧甲烷發(fā)酵法和變形活性污泥法等等；第3 類包括生物穩(wěn)定塘、人工濕地和污染控制資源化生態(tài)工程等自然凈化系統(tǒng)。 生物修復(fù)( bioremediation) ,是指利用生物的生命代謝活動(dòng)減小存在于環(huán)境中有毒有害物質(zhì)的濃度或使其完全無害化,從而使污染了的環(huán)境能夠部分或完全恢復(fù)到原初狀態(tài)的過程。它是利用生物對環(huán)境污染物的吸收、代謝、降解等功能,對環(huán)境中污染物起到降解催化作用,加速去除環(huán)境中的污染物，一般分為植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)和微生物修復(fù)三種類型。 生物修復(fù)與生物凈化(bio purification)存在著不同點(diǎn),前者強(qiáng)調(diào)人們有意識的利用生物進(jìn)行環(huán)境無害化處理[4]。生物修復(fù)的生物來源主要有土著微生物、外來微生物和基因工程菌三類[5]。應(yīng)用環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)處理污染物時(shí),最終產(chǎn)物大都是無害的、穩(wěn)定的物質(zhì),如二氧化碳、水、氮?dú)獾?而且這種處理方法能一步到位,避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移。它與傳統(tǒng)的去除和清除環(huán)境中污染物的方法,如物理方法、化學(xué)方法也是不同的。相比較而言,生物方法是最本質(zhì)的和可以循環(huán)使用且永續(xù)受益的。[1]生物修復(fù)技術(shù)有許多方面的優(yōu)點(diǎn):可以使污染物完全從環(huán)境中去除,處理時(shí)間短,對周圍環(huán)境影響較小,并且資金需要量小,不會產(chǎn)生二次污染,尤其原位修復(fù)(in-site remediation)可以使污染物在原地被清除,操作簡單,使人類直接暴露在污染物下的機(jī)會減小[6]。 1 微生物修復(fù)技術(shù)及其特點(diǎn) 環(huán)境各圈層中含有大量的微生物，它們對于有害有毒物質(zhì)的修復(fù)作用極其重要。微生物修復(fù)技術(shù)即利用特定微生物的功能及其在生物修復(fù)過程中的表達(dá)作用而采取的環(huán)境修復(fù)技術(shù)，具有成本低、修復(fù)效果好等眾多優(yōu)點(diǎn)，是世界各國處理環(huán)境污染問題時(shí)常用的綠色方法，主要有土著微生物強(qiáng)化技術(shù)、外源微生物強(qiáng)化技術(shù)、微生物的表面展示技術(shù)、生物修復(fù)的微生物監(jiān)測技術(shù) 等技術(shù)手段。 1.1 土著微生物強(qiáng)化技術(shù) 水體、土壤、大氣等各圈層中含有大量的土著微生物，利用土著微生物的污染物代謝能力是設(shè)計(jì)生物修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。土著微生物強(qiáng)化技術(shù)是通過添加外源性物質(zhì)促進(jìn)土著微生物生長的強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)。如生物激活劑法是指通過向受污染水體中投加無毒且不含菌種的可促進(jìn)土著微生物生長的水體凈化促進(jìn)液的方法,是目前地表水體修復(fù)常用的一種生物強(qiáng)化法。電動(dòng)力學(xué)技術(shù)強(qiáng)化生物修復(fù)也是一種有效的手段。它是利用電滲析、電遷移和電泳等電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)加速污染環(huán)境中有機(jī)污染物和微生物運(yùn)動(dòng),利用電極反應(yīng)和電流熱效應(yīng)為地下生物降解創(chuàng)造有利條件。研究表明,電動(dòng)力學(xué)技術(shù)能有效地強(qiáng)化原位生物修復(fù),而且該技術(shù)不破環(huán)生態(tài)環(huán)境,安裝和操作簡單,具有廣闊的應(yīng)用前景。[7] 1.2 外源微生物強(qiáng)化技術(shù) 一般而言,環(huán)境中土著微生物的濃度通常較低(低于105個(gè)細(xì)胞/g土壤)或還沒有足夠的時(shí)間進(jìn)化獲得降解污染物或其中間產(chǎn)物的能力,因此當(dāng)對于難生物降解的物質(zhì)或污染物質(zhì)濃度較高,僅利用土著微生物的降解能力難以滿足污染修復(fù)的要求時(shí),采用外源微生物強(qiáng)化技術(shù)可以達(dá)到預(yù)期的生物處理效果。 外源微生物強(qiáng)化技術(shù)，即從外界添加的高效微生物（可以是純培養(yǎng)的微生物,也可以是混合培養(yǎng)的微生物）能和土著微生物穩(wěn)定共存,且能快速生長并具有較高的酶活性,同時(shí)通過含有降解能力的質(zhì)?；虻乃揭苿?dòng)等使污染物降解能力得到擴(kuò)增,因此,對于難生物降解的化合物,篩選并制備優(yōu)良的微生物制劑,并在生物修復(fù)技術(shù)中使其穩(wěn)定發(fā)揮修復(fù)作用是值得重視的研究方向。 目前，構(gòu)建高效的基因工程菌是這一技術(shù)發(fā)展的嶄新途徑，常用技術(shù)有質(zhì)粒轉(zhuǎn)移、DNA 重組、基因誘變和原生質(zhì)體融合等。 1.3 微生物的表面展示技術(shù) 表面展示技術(shù)是利用基因工程手段將外源基因或一組一定長度的隨機(jī)寡核苷酸片段克隆到特定的表達(dá)載體中,使其表達(dá)產(chǎn)物與外膜蛋白或噬菌體外殼蛋白以融合蛋白的形式呈現(xiàn)在細(xì)胞表面或噬菌體表面。 展示金屬結(jié)合蛋白(肽)的微生物可用于污染土壤和工業(yè)廢水的凈化,展示有機(jī)磷水解酶的微生物將用于有機(jī)磷污染物的脫毒。微生物表面展示技術(shù)將成為污染環(huán)境生物修復(fù)的有效策略,但這一技術(shù)的研究還是一個(gè)新領(lǐng)域,要使其得到應(yīng)用還有許多問題需要解決。 1.4 生物修復(fù)的微生物監(jiān)測技術(shù) 生物修復(fù)的微生物監(jiān)測技術(shù)，即根據(jù)微生物的行為表現(xiàn)，可以做到優(yōu)化和控制生物修復(fù)工藝效率, 保證修復(fù)環(huán)境的安全性,進(jìn)而對污染物進(jìn)行追蹤控制的監(jiān)測技術(shù)。目前常用的方法主要有以下幾種：用細(xì)菌總數(shù)及糞便污染指示菌(大腸埃希氏菌、克霉伯氏菌等)監(jiān)測水質(zhì)；用鼠傷寒沙門氏菌檢測物質(zhì)致突變性與致癌性；用發(fā)光細(xì)菌快速檢測環(huán)境毒物；通過測定水中藻類(常用硅藻、柵藻、小球藻等)的生長量來進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測或物質(zhì)的霉性檢測。目前研究較多的有核酸探針、聚合酶式反應(yīng)技術(shù)(PCR 技術(shù))、生物傳感器、酶免疫監(jiān)測等生物高技術(shù)進(jìn)行環(huán)境檢測。 2 植物修復(fù)技術(shù)及其特點(diǎn) 植物修復(fù)是利用綠色植物清除環(huán)境中的污染物，使其去除降低或消失稱作植物修復(fù) ( Raskin等.1994)。植物修復(fù)的主要對象是有毒重金屬和有機(jī)污染物。主要有以下6種技術(shù)：植物固定、根系降解、植物促進(jìn)、植物降解、植物揮發(fā)、揮發(fā)轉(zhuǎn)移等。它是一種正在蓬勃發(fā)展中的污染修復(fù)技術(shù)。 2.1 植物固定 利用植物將有毒有害污染物如重金屬聚集在根系地帶, 降低其活動(dòng)性, 阻止其向深層土壤或地下水中擴(kuò)散, 但并不為植物利用, 即根系對污染物起固定作用。特殊植物根系分泌物將污染物鈍化/固定，降低其生物有效性及遷移性，使其不能為生物所利用，達(dá)到鈍化/穩(wěn)定、隔斷、阻止其進(jìn)入水體和食物鏈的目的，以減少其對生物和環(huán)境的危害。這一過程中，土壤的重金屬含量并不減少，只是形態(tài)發(fā)生變化。這方面最有應(yīng)用前景的例子是鉛和鉻的鈍化。一般來說，土壤中鉛的生物有效性較高，而鉛的磷酸鹽礦物則比較難溶，難以被生物利用。[8] 2.2 根系降解 植物中超過20%的營養(yǎng)成分如糖分、氨基酸、有機(jī)酸等都聚集在根部, 因此會生長很多微生物, 尤其在根表面向外1-3mm 的地方, 這些微生物是沒有種植過植物的土壤的3-4 倍。一些微生物可以同植物相結(jié)合促進(jìn)重金屬的降解, 也可以礦化某些有機(jī)污染物如PAHs、PCBs。 2.3 植物促進(jìn) 植物促進(jìn)也稱之為植物提取(phytoextraction) ,植物根系將土壤中重金屬或有機(jī)污染物從污染的土壤中轉(zhuǎn)移到植物的地上部分。一般指那些能累積超過葉子干重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多種這樣的植物。 2.4 植物揮發(fā) 植物揮發(fā)技術(shù)是植物可以從土壤中吸收污染物并將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中，從而對污染土壤起到治理作用主要集中在容易揮發(fā)的金屬如汞等方面。該過程中，污染物只是從土壤經(jīng)植物轉(zhuǎn)移到大氣當(dāng)中進(jìn)行稀釋。重金屬如硒和汞可以生物甲基化而形成可揮發(fā)的分子?？紤]到現(xiàn)場空氣中的揮發(fā)性金屬濃度及金屬的再次沉降，該方法實(shí)際上存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。[9] 2.5 揮發(fā)轉(zhuǎn)移 植物通過葉表孔隙揮發(fā)水分的形式轉(zhuǎn)移在水系中的污染物。如白楊、桉樹、河香柏等樹木具有很深的根系, 每天可以蒸騰大量的水, 將水中某些污染物轉(zhuǎn)移至植物體內(nèi)。 2.6 植物降解 植物降解技術(shù)是利用植物的轉(zhuǎn)化和降解作用去除土壤中有機(jī)污染物質(zhì)的一種方式。該過程中主要涉及2個(gè)方面：一方面，污染物質(zhì)被吸收到體內(nèi)后，植物將這些化合物及分解的碎片通過木質(zhì)化作用儲藏在新的植物組織中，或使化合物完全揮發(fā)，或礦質(zhì)化為二氧化碳和水；另一方面，植物根分泌物直接降解根際圈內(nèi)的有機(jī)污染物。[10] 3 現(xiàn)狀評價(jià)及展望 生物修復(fù)技術(shù)是一種環(huán)境友好替代技術(shù),在國內(nèi)外受到日益廣泛的重視。進(jìn)行生物修復(fù)技術(shù)需要對地點(diǎn)狀況和存在的污染物進(jìn)行詳細(xì)而昂貴的考察,微生物活性易受環(huán)境條件影響, 在有些狀況下生物修復(fù)技術(shù)不能將污染物全部去除,所以,今后應(yīng)主要發(fā)展解決安全使用基因工程菌和從根本上清除污染的生物修復(fù)技術(shù)。植物修復(fù)作為直接利用綠色植物系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)移、降解或保持的方式修復(fù)污染的土壤、沉積物、水和空氣的一種新興技術(shù),不僅具有美學(xué)價(jià)值、價(jià)格低廉、僅需太陽能驅(qū)動(dòng)、能去除大部分環(huán)境污染物等特點(diǎn)且對于淺層輕度污染的區(qū)域非常有效。 隨著我國對生物修復(fù)的研究成果也逐年增多,現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展以及基因工程技術(shù)的應(yīng)用有可能使植物修復(fù)技術(shù)取得根本性的突破。 從科學(xué)的角度客觀地看,生物技術(shù)本身是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,要使生物修復(fù)技術(shù)成功并廣泛地應(yīng)用,應(yīng)盡可能解決其中涉及的技術(shù)難題,以盡早實(shí)現(xiàn)生物修復(fù)研究的技術(shù)轉(zhuǎn)換；要深入了解植物修復(fù)的原理,為更好地利用植物,我們必然要對植物生物學(xué)、分子生物學(xué)有更進(jìn)一步的理解。著眼于利用植物、菌類或動(dòng)物的基因改良植物以利用植物對特定物的修復(fù)技術(shù)是目前一些前沿研究的重點(diǎn)。在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，以物理、化學(xué)和生物修復(fù)方法相結(jié)合，首先用生物修復(fù)技術(shù)將污染物處理到較低的水平,然后采用費(fèi)用較高的物理或化學(xué)方法處理殘余的污染物的處理思路是我們現(xiàn)階段各項(xiàng)條件限制下應(yīng)該選擇的科學(xué)、綠色的處理處置方法。環(huán)境污染的生物修復(fù)技術(shù)是我國今后治理環(huán)境污染必須發(fā)展的生物技術(shù)，更具有廣闊的市場和發(fā)展前景。可預(yù)見，在21世紀(jì)，生物修復(fù)技術(shù)將成為我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域最具有價(jià)值和最具有生命力的大面積污染的優(yōu)選生物工程技術(shù)。[11] 參考文獻(xiàn)： [1] 朱偉萍. 現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].環(huán)境生物技術(shù)，2005，（5）：13—15. 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