环境生物技术论文

浅谈土壤污染中的微生物修复原理和技术---《环境生物技术》小论文摘要：作为环境和生态系统的重要组成部分，土壤极易被污染，如何对其修复也成了一个热点话题。本文从微生物和土壤中污染介质的相互作用入手，对几种主要土壤污染物微生物修复的原理和技术应用进行了概述，并对未来的发展方向作了一定展望。近年来，随着我国经济的不断发展，环境污染问题日益严重。在环境污染问题中的土壤污染尤为突出。这些污染物主要来自于工业泄漏、农业使用，以及生活垃圾等，涉及农药、除草剂、有机污染物以及重金属等各种有毒物质。针对土壤污染问题，传统的物理化学消除等方法已经很难有所作为。研究表明，利用微生物技术修复污染土壤是一种行之有效的方法。微生物资源丰富，代谢途径多样，且操作方法相对成熟，使之具有修复多重污染土壤的巨大潜力。现就微生物技术消除污染土壤中的农药、除草剂、有机污染物以及重金属等研究进展进行简要概述。1.农药污染土壤的微生物修复原理造成土壤污染的农药主要有有机氯农药和有机磷农药两大类。有机氯农药主要包括六六六(HCH)、DDT、氯丹以及七氯等，是20世纪大规模使用过的高残毒农药，其毒性大，难降解，代谢周期长，如HCH在土壤中被分解95%所需最长时间约20年，DDT的化学性质同样比较稳定，虽然已经禁止使用近30年，环境中仍有大量残留。有机磷农药主要包括甲胺磷、甲基1605、1605、乐果、毒死蜱以及敌敌畏等，是当今农药中的主要类别，商品已达150多种，其对土壤呼吸等生态系统造成重大影响。此类农药一般在环境中较易分解，但其慢性毒性正在引起人们的重视，部分产品被限用。1.1微生物修复的基本原理农药生物降解过程一般包括初级降解、环境容许的生物降解和最终降解3个阶段，初级降解是农药等有机污染物在微生物作用下母体化学结构发生变化，从而失去原污染物分子结构的完整性，并进一步降解，使农药的毒性丧失达到环境容许的生物降解过程，最终被完全降解为C02和H20及其它无机物，并被微生物同化。基本过程可表示为：农药+微生物（酶）→微生物（酶）+降解产物（C02、H20及其它无机物），其代谢途径主要为酶作甩下的氧化（羟基化、脱烃基、β-氧化、脱羟基、醚键开裂，环氧化、芳环杂环开裂）、还原（如硝基苯还原为苯胺类）、水解（如醚、酯或酰胺键类农药在酯酶、酰胺酶、磷酸酶作用下降解）与合成等。1.2有机氯、有机磷农药降解原理有机氯农药具有一定的挥发性和强脂溶性，能通过食物链在生物体中富集，对生态系统和人类健康造成危害。微生物降解在消除有机氯农药过程中占有重点地位，目前，已经分离出多种降解菌株。实验表明，以HCH作为唯一碳源，可先后得到芽孢杆菌属、无色杆菌属和假单孢菌属等3株细菌，其对HCH总量的降解率分别为59.6%、56.9%和56%，对β—HCH的降解率分别为55．9%、57.6%和56.9%c。从DDT污染的土壤中筛选出1株寡养单胞菌属，其对DDT降解10d的降解率为69.0%。有机氯农药的降解需要多种酶共同参与。有机磷农药主要包括甲胺磷、甲基1605、1605、乐果、毒死蜱以及敌敌畏等，是当今农药中的主要类别，商品已达150多种，其对土壤呼吸等生态系统造成重大影响。关于有机磷农药的微生物降解国内外的研究报道较多，目前已经分离出多种降解菌株，纯化了多种降解酶，克隆并表达了众多降解酶基因。中国农科院范云六、伍宁丰等首次在世界上成功研制出“有机磷农药降解酶制剂”，该系统有机磷降解酶表达量达到6g/L．是目前国内外报道的最高有机磷降解酶表达量，且表达有机磷降解酶的重组毕赤酵母具有良好的安全性，无抗药性标记，培养过程中不分泌有毒物质。2.除草剂污染土壤的微生物修复原理我国是农业大国，除草剂在我国得到广泛应用，主要包括氮苯类、咪唑啉酮类、磺酰脲类以及三唑嘧啶磺酰胺类等。其中草甘膦、乙草胺和丁草胺是我国使用最多的3种除草剂。除草剂的使用对防治草害、降低劳动力强度以及农业增产增收起着积极的作用，然而也污染了农业生态环境，对后茬作物表现出伤害。微生物降解是消除除草剂污染的重要途径，其主要反应有脱卤、脱烷基、水解、氧化、环羟基化与裂解、硝基还原以及缀合作用等。土壤中能够降解草甘膦的微生物广泛存在。研究表明，草甘膦降解途径主要有两条，C-N断裂生成氨甲基膦酸(AMPA)和C-P断裂生成肌氨酸，然后进一步代谢为磷酸、甘氨酸和CO2等。有研究人员曾从土壤中筛选到6株草甘膦降解菌，包括2株细菌，4株真菌，真菌HS-04和HS-05均能以草甘膦作为唯一碳源和氮源生长，6d对草甘膦的降解率分别为85%和91%。也有研究表明，曲霉B21发现在pH6.0、300mg/L草甘膦和7g/L葡萄糖组成的共基质底物系统中，草甘膦降解率高达97%。乙草胺的微生物降解特征的研究中，表明微生物活性是影响乙草胺降解的主要因素，且细菌比真菌具有更强的降解能力；真菌对乙草胺有更强的耐受能力，而且乙草胺对真菌的抑制可能是长期而不可逆的。另外，乙草胺等除草剂对根瘤菌、AMF等土壤微生物产生较大影响，可能抑制菌根与根瘤的形成。丁草胺是一种内吸传导型苯乙酰胺类除草剂，纯品为淡黄色油状液体，具有微芳香味。难溶于水，易溶于多种有机溶剂。在常温及中性、弱碱性条件下化学性质稳定。强酸条件下会加速其分解，在土壤中可被降解。对人畜低毒，对皮肤、眼睛有刺激作用，对鱼类高毒。其在土壤中的降解主要是微生物降解所致。有研究人员测定了小麦等根围土壤和非根围土壤中丁草胺的降解特征和降解菌变化动态，得出根围土壤中丁草胺的降解是非根围土壤1.5-3倍，表明根围土壤丰富的微生物对丁草胺的降解具有显著的促进作用。而分离出的株茄类镰刀菌，其对丁草胺具有较强的降解能力，可达97.4%。3.重金属污染土壤的微生物修复原理土壤微生物种类繁多、数量庞大，是土壤的活性有机胶体，比表面火、带电荷和代谢活动旺盛，在重金属污染物的土壤生物地球化学循环过程中起到了积极作用。微生物可以对土壤中重金属进行固定、移动或转化，改变它们在土壤中的环境化学行为，可促进有毒、有害物质解毒或降低毒性，从而达到生物修复的日的。因此，重金属污染土壤的微生物修复原理主要包括生物富集和生物转化等作用方式。3.1微生物对重金属的生物积累和生物吸着微生物对重金属的生物积累和生物吸着主要表现在胞外络合、沉淀以及胞内积累等3种形式，其作用方式有以下几种：①金属磷酸盐、金属硫化物沉淀；②细菌胞外多聚体：③金属硫蛋白、植物螫合肽和其金属结合蛋白；④铁载体；⑤真菌来源物质及其分泌物对重金属的去除。由于微生物对重金属具有很强的亲台吸附性能，有毒金属离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上，或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上。研究表明，许多微生物，包括细菌、真菌和藻类可以生物积累和生物吸着环境中多种重金属和核素。一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸盐还原菌以及某些藻类，能够产生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的阴离子基团，与重金属离子形成络合物。重金属进入细胞后，可通过“区域化作用”分配于细胞内的不同部位，体内可合成金属硫蛋白(MT)，MT可通过Cys残基上的巯基与金属离子结合形成无毒或低毒络合物。研究表明，微生物的重金属抗性与MT积累呈正相关，这使细菌质粒可能有抗重金属的基因，如丁香假单胞菌和大肠杆菌均含抗Cu基因，芽孢杆菌和葡萄球菌含有抗Cd和抗Zn基因，产碱菌含抗Cd、抗Ni及抗Co基因，革兰氏阳性和革兰氏阴性菌中含抗As和抗Sb基因。3.2微生物对重金属的生物转化作用重金属污染土壤中存在一些特殊微生物类群，它们对有毒重金属离子不仅具有抗性，同时也可以使重金属进行生物转化。其主要作用机理包括微生物对重金属的生物氧化和还原、甲基化与去甲基化以及重金属的溶解和有机络合配位降解转化重金属，改变其毒性，从而形成某些微生物对重金属的解毒机制。在细菌对重金属抗性和生物修复的可行性研究中，人们多关注Hg的脱甲基化和还原挥发、亚砷酸盐氧化和铬酸盐还原以及Se的甲基化挥发等。细菌对Hg的抗性归结于它所含的两种诱导酶：一种Hg还原酶和一种有机Hg裂解酶，其机制是通过Hg-还原酶将有机的Hg2+化合物转化成低毒性挥发态Hg。也有研究表明，土壤中分布着多种可以使铬酸盐和重铬酸盐还原的微生物，如产碱菌属、芽孢杆菌属、棒杆菌属等，这些菌能将高毒性的Cr6+还原为低毒性的Cr3+。可见，利用无机和有机Hg化合物还原及挥发，铬酸盐还原和亚砷酸盐氧化特性，可应用于重金属污染土壤的微生物修复。微生物也可通过改变重金属的氧化还原状态，使重金属化合价发生变化，改变重金属的稳定性。微生物能氧化土壤中多种重金属元素，某些自养细菌如硫-铁杆菌类能氧化As、Cu、Mo和Fe等，假单孢杆菌属能使As、Fe相Mn等发生生物氧化，降低这些重金属元素的活性。硫还原细菌可通过两种途径将硫酸盐还原成硫化物，一是在呼吸过程中硫酸盐作为电子受体被还原，二是在同化过程中利用硫酸盐合成氨基酸，如胱氨酸和蛋氨酸，再通过脱硫作用使S2-分泌于体外，与重金属Cd形成沉淀，这一过程在重金属污染治理方面有重要的意义。另外，金属价态改变后，金属的络合能力也发生变化，一些微生物的分泌物与金属离子发生络合作用，这可能是微生物具有降低重金属毒性的另一机理。4、有机污染土壤的微生物修复原理4.1有机污染物进入微生物细胞的过程土壤中大部分有机污染物可以被微生物降解、转化，并降低其毒性或使其完全无害化。微生物降解有机污染物主要依靠两种作用方式：①通过微生物分泌的胞外酶降解：②污染物被微生物吸收至其细胞内后，由胞内酶降解。微生物从胞外环境中吸收摄取物质的方式主要有主动运输、被动扩散、促进扩散、基团转位及胞饮作用等。4.2微生物降解有机污染物的主要反应类型微生物降解和转化土壤中有机污染物，通常依靠以下基本反应模式来实现的。(1)氧化作用：①醇的氧化，如醋化醋杆菌将乙醇氧化为乙酸，氧化节杆茵可将丙二醇氧化为乳酸；②醛的氧化，如铜绿假单胞菌将乙醛氧化为乙酸；③甲基的氧化，如铜绿假单胞菌将甲苯氧化为安息香酸，表面活性剂的甲基氧化主要是亲油基末端的甲基氧化为羧基的过程；④氧化去烷基化：如有机磷杀虫剂可进行此反应；⑤硫醚氧化：如三硫磷、扑草净等的氧化降解；⑥过氧化：艾氏剂和七氯可被微生物过氧化降解；⑦苯环羟基化：2，4-D和苯甲酸等化合物可通过微生物的氧化作用使苯环羟基化；⑧芳环裂解：苯酚系列的化合物可在微生物作用下使环裂解；⑨杂环裂解：五元环（杂环农药）和六元环（吡啶类）化合物的裂解；⑩环氧化：环氧化作用是生物降解的主要机制，如环戊二烯类杀虫剂的脱卤、水解、还原及羟基化作用，等等。(2)还原作用：①乙烯基的还原，如大肠杆菌可将延胡索酸还原为琥珀酸；②醇的还原，如丙酸梭菌可将乳酸还原为丙酸；③芳环羟基化，甲苯酸盐在厌氧条件下可以羟基化：也有醌类还原、双键、三键还原作用等等。(3)基团转移作用：①脱羧作周，如戊糖丙酸杆菌可使琥珀酸等羧酸脱羧为丙酸；②脱卤作用，是氯代芳烃、农药、五氯酚等的生物降解途径；⑧脱烃作用，常见于某些有烃基连接在氮、氧或硫原子上的农药降解反应；还存在脱氢卤以及脱水反应等。(4)水解作用：主要包括有酯类、胺类、磷酸酯以及卤代烃等的水解类型。(5)其他反应类型：包括酯化、缩合、氢化、乙酰化、双键断裂及卤原子移动等。4.3典型有机污染物的微生物转化与降解机理4.3.1氯代芳香族污染物的微生物转化与降解机理研究表明，土壤中存在大量可降解氯代芳香族污染物的微生物类群，它们对氯代芳香族污染物的降解主要依靠两种途径：即好氧降解和厌氧降解。脱氯是氯代芳香旅有机物生物降解的关键，好氧微生物可通过双加氧酶／单加氧酶作用使苯环羟基化，形成氯代儿茶酚，进行邻位、间位开环，脱氯；也可在水解酶作用下先脱氯后开环，最终矿化。如恶臭假单胞菌存在特异的氯代儿茶酚2，3-双加氧酶，通过问位裂解途径降解氯苯，可使3-氯代儿茶酚同时进行开环与脱氯，形成2-羟基粘康酸。但是，也有部分氯代芳香族污染物的降解是通过单加氧酶作用实现的，如2，4-D、2，4，5-三氯苯氧乙酸和2，4,5-TCP等可通过单加氧酶作用得到转化降解。氯代芳香旅污染物