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微生物在环境保护中的应用进展及趋势分析综述

摘要:微生物在环境保护中有着十分广泛的应用。本文讨论了微生物在环境保护中国内外的应用进展,分析了在微生物应用领域中目前存在的局限性,并对未来微生物应用的发展提出了合理化的改进建议。

关键词:微生物,环境保护,污染治理,应用现状,前景展望

微生物是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的总称。它们都是一些个体微小、结构简单的低等生物,包括细菌、病毒、真菌和少数藻类等。微生物在地球的生态系统中主要扮演着分解者的角色,起着“天然环境卫士”的作用,与生产者、分解者三分天下。在自然界中,微生物种类繁多,分布广泛,极具开发和利用的潜力。在污染物的降解转化、资源的再生利用、无公害产品的生产开发、生态保护等方面,微生物都能发挥重要作用。当今人类所面临的诸如环境污染、资源短缺、生态破坏等重要问题,人们都有可能从微生物中获得灵感,找到解决问题的办法。世界各国对于微生物的研究极其重视,不惜投入大量人力物力,取得了许多惊人的成果。而且今后,微生物在环境保护领域中将发挥着越来越重要的作用[1]。

1、应用进展
1.1微生物在污染物和废物中的降解应用
1.1.1微生物在有机污染物和废物的降解应用
微生物代谢类型的多样性使得它们能够产生出多种有机物的水解酶,因为这样,微生物几乎能降解自然环境中的各种天然物质,特别是有机物。此外,由于微生物数量多、种类繁、体小面大、与外界进行物质交换的能力很强、繁殖速度快、适应能力强、变异性强等特点,对于新的有机物的环境,微生物往往能够通过自我诱发改变代谢机制,使之具备新的代谢功能,从而产生能够降解新的有机物的降解酶。
目前,对于石油、多氯联苯(PCB)、黄曲霉毒素等有机污染物,国内外普遍采用微生物降解法来降解。对于石油,Poulomi等从炼油厂复杂的废物中筛选出Burkholderia、Kocuria、Enterobacter和Pandoraea四种菌用于石油烃的降解,并由此促进了国内外研究人员对能降解石油烃的微生物的探寻。目前,已发现能降解石油烃的微生物达200多种,包括细菌、真菌和藻类[2]。 对于毒性强且极稳定的多氯联苯,国内外的研究人员都进行了大量的研究。例如,浙江省土壤污染生物修复重点实验室研究出接种丛枝菌根(AM)真菌同时添加粒径>0.25 mm的猪炭不仅能够显著促进了土壤二氯、三氯、四氯联苯及总PCBs降解率,还改变了土壤微生物种群的相对丰度,对PCBs污染土壤具有较好的修复潜力[3]。但是加入猪炭却对植物生长有着明显的抑制作用,不利于作物在经AM真菌修复的土地上的种植,可见此项研究仍有不足。中国农业科学院的乔铖等研究出节杆菌YC-RL1中bphC基因对于多氯联苯类化合物的微生物降解具有至关重要的作用[4]。但是,目前在多氯联苯的微生物降解研究中仍存在降解菌种单一、降解基因不够丰富及降解底物谱不够广泛等问题,因此该项研究依然任重而道远。而黄曲霉毒素是一组由黄曲霉、寄生曲霉等多种真菌产生的次级代谢产物,具有强烈的毒性,可以引起动物肝脏肿大、病变甚至癌变,对人和家畜的健康产生极大的威胁。因此,运用安全高效的方法降解黄曲霉毒素变成一个热点问题。而利用微生物降解黄曲霉毒素就是一个有效的方法。Farzaneh 等发现枯草芽孢杆菌UTBSP1 对黄曲霉毒素的降解率达95%,并且这种降解反应受到胞外酶的酶促反应调控[5]。孙玲玉等在泰山土壤中筛选到一株能够降解黄曲霉毒素B1的枯草芽孢杆菌,降解率达90.28%,而且发现这株枯草芽孢杆菌发酵后的上清液对黄曲霉毒素B1的降解活性最高[6]。霍婷等采用硫酸铵沉淀法对嗜麦芽窄食单胞菌发酵液进行酶的提取,并对酶的提取条件进行优化,发现嗜麦芽窄食单胞菌培养后提纯得到的粗酶液对黄曲霉毒素的降解率达81.23%[7]。Fan 等从鱼肠道中筛选出了一株枯草芽孢杆菌 ANSB060,经研究发现,该菌对黄曲霉毒素污染的饲粮饲喂的肉仔鸡的生长性能和肉品质具有保护作用,并能显著降低黄曲霉毒素在肝脏中的残留(P<0.05)[8]。王会娟等通过筛选得到2 株高产漆酶平菇菌株,可有效降解黄曲霉毒素[9]。Guan 等和 Zhao 等从不同来源的样品中进行筛选, 得到解毒酶活性最高的橙红色黏球菌, 对黄曲霉毒素的降解率达80.7%[10-11]。反观以上关于对降解黄曲霉毒素的研究,虽然为寻找黄曲霉毒素的有效降解方法提供了新思路,但是,目前上述研究只能主要应用于实验室,因酶产量低、酶活性不稳定、成本高、作用条件苛刻,目前还无法普遍应用于工业生产。因此,如何寻找或者制造出具有产酶量高、活性高的黄曲霉毒素降解酶,仍是人们需要研究的重要课题。
1.1.2微生物在无机污染物和废物的降解应用
在无机化合物的领域里,微生物同样能降解部分无机污染物,例如重金属、亚硝铵类、富营养化水体中的氮磷。广东工业大学的董明等研究发现利用苯胺黑药高效降解菌胞外聚合物(EPS)能有效吸附Cu2+、Zn2+,当pH<7时,随着pH增大去除率逐渐升高;温度在40摄氏度时Cu2+、Zn2+去除率达到最大的91.9%[12]。同济大学陈洪斌等在探讨在高NO3--N和PO43--P、低碳源条件下倒置AAO(缺氧-厌氧-好氧)工艺的聚磷微生物(PAOs)吸磷规律以及污水碳源缺乏时外加碳源的投加时间点对PAOs的影响时,发现适当延长厌氧段的HRT(污水在缺氧厌氧段和好氧段的停留时间)对PAOs的好氧段吸收磷有着促进作用[13]。李静等从石化废水活性污泥中筛选出一株高效异养硝化-好氧反硝化菌HAD-2。他们发现HAD-2在12h内对单独的氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮去除率可达92.29%、86.40%和84.92%;48h内对模拟废水中氨氮、硝酸氮和亚硝酸氮的降解率达到95.25%、65.47%和72.40%[14]。范世祥等采用以HSBEMBM®微生物制剂为核心的环境治理微生物技术对煤化工废水进行处理,结果使得COD去除率不小于99.2%、氨氮去除率不小于98%、总氮去除率不小于96.7%、总氰去除率不小于99.3%[15]。
可以说,微生物几乎能降解所有的有机和无机污染物。所以对于某一类或者混合污染物,只要找到对应降解菌,再加上特定的降解条件,就能将大量该污染物降解,从而保护环境。微生物是现代工业发展的坚实后盾。




1.2微生物在环境监测中的应用
1.2.1植物微核技术
①紫露草微核技术
美国的Te-HsinMa以美国紫露草为原料,利用 1 ,2 -二乙烷气体对紫露草进行处理, 诱发小孢子四分体产生微核。微核的数量与1,2-二乙烷气体的浓度呈现出正比关系。可将这种技术用于室内环境空气的监测、放射性危害的监测和水质中的污染程度的监测等[16]。
②蚕豆根尖微核技术
Degrassi等研究了X-射线、丝裂霉素C等多种淡水污染诱变剂对蚕豆根尖微核的效应,建立了蚕豆根尖细胞微核效应检测技术[17]。这项技术对于诱变物敏感,信息准确,目前广泛用于水体检测。1986年蚕豆根尖微核试验被我国环保局列为水环境生物测试的规范方法,用于检测水体的致突变性[18]。
总的来说,使用植物微核技术来监测环境,实验材料易准备,成本较低,可准确地反映某些因素对遗传物质的损伤效应。但也有自身的局限性,对于某些对环境异常敏感的植物,在污染十分严重的环境中,该植物细胞的存活率可能会大幅度下降,以至于不能准确反映环境污染的情况。
1.2.2生物传感器技术
1.2.2.1生物传感器的概念
生物传感器(biosensor),是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。
1.2.2.2生物传感器的原理
一种或数种相关生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器(传感器),二者组合在一起,用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工,构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统,继而可以测出待测物的浓度。
生物传感器实现以下三个功能:
感受:提取出动植物发挥感知作用的生物材料,包括:生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体、抗原、核酸、DNA等。实现生物材料或类生物材料的批量生产,反复利用,降低检测的难度和成本。
观察:将生物材料感受到的持续、有规律的信息转换为人们可以理解的信息。
反应:将信息通过光学、压电、电化学、温度、电磁等方式展示给人们,为人们的决策提供依据。
1.2.2.3生物传感器的优势
⑴采用固定化生物活性物质作催化剂,价值昂贵的试剂可以重复多次使用,克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。
⑵专一性强,只对特定的底物起反应,而且不受颜色、浊度的影响。
⑶分析速度快,可以在一分钟得到结果。
⑷准确度高,一般相对误差可以达到1%
⑸操作系统比较简单,容易实现自动分析
⑹成本低,在连续使用时,每例测定仅需要几分钱人民币。
⑺有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指明了增加产物获得率的方向。
1.2.3生物芯片(第三代或者第四代的生物传感器)
生物芯片,又称蛋白芯片或基因芯片,它们起源于DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA或其他样品分子(例如蛋白,因子或小分子)进行杂交,通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。
目前,国内外都十分重视对生物芯片的研究。例如,德国一家主要的水管理企业现投资850欧元与芯片公司共同开发用生物芯片检测公共饮用水中的微生物,可在4h内得出结果,费用比常规方法低10倍,形成一种比现有水质控制更有效、更快速和更低廉的检测技术[19]。可见,利用生物芯片技术,能及时、准确监测污染物的浓度,且花费的成本较低。
1.2.4 PCR技术
PCR技术,全称聚合酶链式反应。应用PCR技术监测生物污染,首先从监测物中提取核酸,其次监测核酸的PCR扩增,再次监测扩增产物和量化扩增产物。虽然PCR技术相对于传统的检测方法有很多优点,但是也存在着有待改进的地方:例如,当不相关的核酸分子中存在与模板非常相似的碱基序列时,PCR技术很可能给出假阳性的结果,造成误判;此外,PCR还存在着操作环境严苛的缺点。
1.3微生物在保护环境中的其他应用
1.3.1燃料电池
目前,全球能源短缺,温室效应加剧等现象日趋严峻,如何开发出一种清洁、高效、安全的能源成为世界各国的重要研究课题。张霞等总结出利用产电微生物进行发电[20]。此外,美国的研究人员利用微生物发酵的原理将玉米等农作物转变为酒精,作为汽车的能源,极大地改善了环境。
1.3.2改善环境气候
蓝细菌是一类自养性细菌,能进行光合作用,释放氧气,维持空气中的氧气稳定。固氮菌能固定空气中的氮元素,为其他生物的生存提供氮源和碳源,保证了共生者的生存,达到保持水土的作用。

2、趋势分析
就目前而言,人们对微生物的了解还是很少,微生物的资源还无法很好地利用到。在未来,人们对于挖掘微生物资源将会向着以下三个趋势发展。
2.1寻找新物种
一般来说,新物种都有着一些“过人之处”。利用微生物新物种进行环境治理,会收到意想不到的效果。例如,中科院微生物研究所在青海等地的盐碱湖区发现了若干种古细菌新物种,这些细菌在盐田生态系统和盐水的蒸发过程中发挥着重要作用[21]。美国科学家发现一种新的微生物物种以超过研究人员的预计速度吞食水下漏油。
2.2从分子水平对微生物进行深入研究
只有深入了解微生物的组成结构、遗传表达和代谢过程等内容,才能充分挖掘出微生物的资源。尽管到目前为止,国内外对于分子水平的微生物研究已有报道,但是还远远不够。例如,基因工程的关键性问题是安全性问题,然而目前这一部分仍然是空白,需要科研人员去填补。
2.3发展和完善微生物环境保护技术
环境保护工作任重而道远,必定要打持久战。因此,如何降低成本、提高效率就显得尤为关键。一方面,从微生物的角度,寻找分离、筛选和大量培养高效降解菌的方法,利用多种微生物的协调作用高效率地降解污染物。另一方面,从生产工艺出发,简化生产工艺,优化运行条件,从已知工艺中寻找新思路,找到低廉、安全、有效的工艺方法。






3、参考文献
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论文发表 | 论文范文 | 0 | 2018/11/19 14:21:02 | 小张
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