微生物治理海洋污染

1、微生物治理海洋污染陶攀峰（南師大生科院 09120424）內(nèi)容摘要: 海洋環(huán)境污染問題日益成為全球關(guān)注的重要問題，關(guān)于海洋污染的治理近年來也有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。特別是利用微生物為主體的生物修復(fù)在治理海洋中有毒有害污染物的作用日顯重要。闡述了生物修復(fù)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)、微生物降解作用,強(qiáng)調(diào)了生物修復(fù)在治理海洋污染環(huán)境中應(yīng)用的重要性,介紹了近年來以新思路、新方法、及海洋微生物的特殊功能與特點對海洋環(huán)境中的主要污染物：石油、農(nóng)藥、赤潮災(zāi)害與毒素以及病原性微生物等修復(fù)作用的新成果。關(guān)鍵詞: 生物修復(fù) 微生物 海洋污染 一 、生物修復(fù)技術(shù)發(fā)展及其必要性 近年來,隨著大量非生物有機(jī)化合物合成的生產(chǎn)使用及資源的

2、開發(fā)利用,進(jìn)入環(huán)境中的有害污染物越來越多,在環(huán)境中長期存在且難以降解。由于這些污染物的潛在毒性、誘導(dǎo)性及生物累積效應(yīng),引起各國研究學(xué)者的極大重視,極大地促進(jìn)了生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。 生物修復(fù)，指生物尤其是微生物催化降解環(huán)境污染物,減少或最終消除環(huán)境污染的受控或自發(fā)過程1。生物修復(fù)的基礎(chǔ)是自然界中微生物對污染物的生物代謝作用。由于自然的生物修復(fù)過程一般較慢,難以實際推廣應(yīng)用,因此一般指的是在人為促進(jìn)條件下的生物修復(fù)。與其它物理、化學(xué)治理方法相比,如填埋、燃燒等,對于污染物僅是稀釋、聚集或不同環(huán)境中的遷移作用;化學(xué)方法易造成二次污染,而在生物修復(fù)作用下污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的、無毒的終產(chǎn)物如水、CO

3、2、簡單的醇或酸及微生物自身的生物量,最終從環(huán)境中消失2 目前,生物修復(fù)已成為一種新的可靠的環(huán)保技術(shù)。條條江河歸大海,海洋承納了各式各樣的污染物。陸地及淡水水域的污染物質(zhì)絕大部分可以在海洋中發(fā)現(xiàn)。由于其面積廣、自凈能力強(qiáng),一直被視為天然的“垃圾箱”。海洋微生物由于數(shù)量大、種類多、特異性和適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣、世代時間短、比表面積大、在水體自凈、污染物生物降解中起著決定性的作用。 然而,隨著近年來我國沿海地區(qū)工、農(nóng)業(yè)和海洋養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展以及人口的驟增,大量人工合成的污染物的不合理排放,海上石油的開發(fā)等,造成了海洋環(huán)境污染的危機(jī),局部海域污染尤其嚴(yán)重,如赤潮發(fā)生頻率的增加、石油污染、農(nóng)藥的非點源污染

4、加劇等,損害了海洋環(huán)境生態(tài)系統(tǒng),威脅到人類的生命健康,當(dāng)前海洋污染環(huán)境治理已勢在必行。微生物降解即用微生物把有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為簡單無機(jī)物的現(xiàn)象。自然界中各種生物的排泄物及死體經(jīng)微生物的分解作用轉(zhuǎn)化為簡單無機(jī)物。微生物降解作用使得生命元素的循環(huán)往復(fù)成為可能，使各種復(fù)雜的有機(jī)化合物得到降解，從而保持生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。二 、海洋污染的生物修復(fù) （1) 柴油污染的生物修復(fù) 柴油是烴類一大污染源,尤其是沿海城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展地區(qū)。柴油作為海上大小船只的主要能源,其溢油所造成環(huán)境污染,已成為濱海、河口開發(fā)利用亟待解決的重大問題之一。 對此,我們率先在國內(nèi)開展此研究。研究在實驗室條件進(jìn)行,降解微生物,取自九龍

5、江河口紅樹林土壤。結(jié)果表明:紅樹林下土壤微生物比無紅樹林的土壤微生物有更高效和更快速降解柴油的特殊能力。柴油入土后的消失狀態(tài),7天后大部分被降解(微生物降解50%),14天后80%被降解(65%),一個月后90%被降解微生物70%以上。紅樹林土壤中存在著對柴油烴類有效降解菌,有待進(jìn)一步研究、開發(fā)利用1415 （2）石油污染的生物修復(fù) 海上石油的開發(fā),各式各樣石油加工產(chǎn)品的生產(chǎn)、使用及排放,海上溢油事故等,使得石油污染已成為海洋環(huán)境的主要污染物。 據(jù)估計,每年約有1000萬噸的石油進(jìn)入海洋環(huán)境中。治理石油污染已成為當(dāng)今各國環(huán)境專家的研究熱點。微生物降解是石油污染去除的主要途徑,在生物降解基礎(chǔ)上研

6、究發(fā)展起來的生物修復(fù)技術(shù),在于提高石油降解速率,最終把石油污染物轉(zhuǎn)化為無毒性的終產(chǎn)物。 治理方法主要有兩種:1)加入具有高效降解能力的菌株;2)改變環(huán)境因子,促進(jìn)微生物代謝能力。在許多情況下,生物修復(fù)可在現(xiàn)場處理,而對于污染的沉積物,則一般使用生物反應(yīng)器治理。 大量的研究表明,石油降微生物廣泛分布于海洋環(huán)境中。 細(xì)菌是主要的降解者,如假單胞菌屬(Pseudomonas、黃桿菌屬) (Flavobacterium)、棒桿菌屬(Corynebacterium)、弧菌屬(Vibro)、無色標(biāo)菌屬(Achromobacter)、微球菌屬(Micrococcus)、放線菌屬(Actinomyces)等。

7、 研究表明,細(xì)菌對碳?xì)浠衔锏慕到馑俾屎艽蟪潭仁芎Ｑ蟓h(huán)境中低含量的營養(yǎng)鹽磷酸鹽及含氧化合物所限制。氧化也是石油污染物快速降解的一個重要因素。 碳?xì)浠衔镌谖⑸锝到庾饔孟罗D(zhuǎn)化成生物體自身的生物量,產(chǎn)生CO2、水及大量的中間產(chǎn)物。石油污染物在海洋環(huán)境中存在時間的長短與其數(shù)量、結(jié)構(gòu)及環(huán)境因素都緊密相關(guān)。一種污染物在一個環(huán)境中,其存在時間可達(dá)數(shù)年;而在另一環(huán)境中,則有可能在幾個小時或幾天內(nèi)完全降解。 對環(huán)境中碳氧化合物的自然適應(yīng)過程的研究是更好應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)的前提與基礎(chǔ)。 目前,海洋石油污染的生物修復(fù)主要是通過改變環(huán)境因素,如加入營養(yǎng)鹽、肥料或改善污染環(huán)境通氣狀況,以提高微生物的代謝能力,氧化降解

8、污染物,則引入培養(yǎng)的降解菌株,對于成功修復(fù)污染環(huán)境是非常必要的和有利的,但同時也會引起相應(yīng)的生態(tài)和社會問題,有待于進(jìn)一步深入地研究。 1969年利比亞油輪泄漏事故,嚴(yán)重污染了海灘環(huán)境,破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng),碳?xì)浠衔镌诃h(huán)境中的歸宿問題引起環(huán)境學(xué)家極大的關(guān)注,并展開了大量的研究,其中污染物生物降解起著重要的作用。 1989年,美國環(huán)境保護(hù)局在阿拉斯加石油泄露事故中,利用生物修復(fù)技術(shù)成功治理污染環(huán)境。從污染海灘分離的細(xì)菌菌株與不受污染的分離菌株相比,具有特殊的降解能力;同時,對現(xiàn)場的環(huán)境因子進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)由于營養(yǎng)鹽缺乏,微生物降解能力受到限制。 外加入親油性肥料(InipolEAP222)一段時間

9、后,與沒有加入營養(yǎng)鹽的對照相比,污染物的降解速率加快了。毒性試驗也表明治理后的環(huán)境并沒有產(chǎn)生負(fù)效應(yīng),沿岸的海域沒有產(chǎn)生富營養(yǎng)化的現(xiàn)象。于是,生物修復(fù)技術(shù)被推廣到整個污染海灘,并取得相當(dāng)成功。生物修復(fù)技術(shù)成為治理石油污染的一項重要清潔技術(shù)。 （3）農(nóng)藥污染的生物修復(fù) 目前,全世界化學(xué)農(nóng)藥的年產(chǎn)量已達(dá)200萬噸(原藥),品種已超過1000種,常用的有300多種。我國沿海各縣每年使用的農(nóng)藥達(dá)18萬噸。海洋環(huán)境雖然不是農(nóng)藥的直接使用區(qū),但由于水體及大氣的傳送作用,海洋環(huán)境在不同程度上也受到農(nóng)藥的污染,灘涂和沿岸水體尤其嚴(yán)重。經(jīng)常被檢出的有機(jī)氯農(nóng)藥主要有DDT、六六六、艾氏劑等。 其中DDT,據(jù)估計全世

10、界生產(chǎn)的大約有25%已被轉(zhuǎn)入海洋,雖然有的國家已禁止使用或停止生產(chǎn),但因其在環(huán)境中十分穩(wěn)定,不易被分解,易被海洋生物吸收,累積,毒性又較大,污染也較嚴(yán)重。DDT的主要代謝機(jī)制是還原去氯,轉(zhuǎn)化成DDD(TDE),進(jìn)一步的降解機(jī)制尚不清楚。DDD的毒性強(qiáng)于DDT,因此尋找能降解DDD的高效菌,對于治理污染環(huán)境是非常必要的。 （4）赤潮災(zāi)害的生物防除 赤潮是在一定的環(huán)境條件下,海水中某些浮游植物、原生動物或細(xì)菌在短時間內(nèi)突出性增殖或高度聚集引起的一種生態(tài)異常,并造成危害的現(xiàn)象。 隨著人類活動的增加,海洋污染的加劇,沿海海域的赤潮現(xiàn)象日益頻繁,對海洋水產(chǎn)和整個海洋環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響,直接或間接地影

11、響了人類自身的生活景觀、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn),威脅到人類的身體健康和生命安全。日本瀨戶內(nèi)海70年代初平均每年發(fā)生赤潮326次,80年代以來,經(jīng)治理,平均每年仍發(fā)生赤潮170200次。福建省19891991年的三年間共發(fā)生赤潮12起,其中4起造成魚、貝類大量死亡,損失達(dá)數(shù)千萬元。 1998年粵港、珠海萬山群島等海域發(fā)生赤潮,導(dǎo)致養(yǎng)殖業(yè)遭受數(shù)億元的損失。尋求赤潮防治途徑是目前世界上熱門的研究課題。 目前對赤潮的防治,主要是采取化學(xué)方法。化學(xué)方法防治雖可迅速有效的控制赤潮,但所施用的化學(xué)藥劑給海洋帶來了新的污染。 因此,越來越多的人將目光投向了生物防治技術(shù)。 關(guān)于生物防治,有人建議投放食植性海洋動物如貝類以預(yù)防

12、或消除赤潮,這看起來是一條有效的途徑,但不能不考慮到有毒赤潮的毒素會因此而富集在食物鏈中,可能產(chǎn)生令人擔(dān)憂的后果。 因而更多研究者把目光投向微生物的修復(fù)作用。 近期,國外發(fā)現(xiàn)了一種寄生在藻類上的細(xì)菌,它們專性地寄生在這些藻類的活細(xì)菌中,可逐漸使藻類絲狀體裂解致死;某些假單胞菌、桿菌、蛭弧菌可分泌有毒物質(zhì)釋放到環(huán)境中,抑制某藻類如甲藻和硅藻的生殖;細(xì)菌亦可直接進(jìn)入藻細(xì)胞內(nèi)而使藻細(xì)胞溶解,有研究者從水體中的銅綠微囊藻中分離出一種類似蛭弧菌的細(xì)菌,這種細(xì)菌能夠進(jìn)入銅綠微囊藻的細(xì)菌并使宿主細(xì)胞溶解。 有研究也表明病毒在赤潮的生消中起著重要的作用。 因此,利用微生物如細(xì)菌的抑藻作用及赤潮毒素地有效降解作

13、用,使海洋環(huán)境保持長期地可靠的生態(tài)平衡,從而達(dá)到防治赤潮的目的,就可避免上述缺點,這也是微生物防治的優(yōu)越性。 赤潮災(zāi)害及其污染的生物修復(fù)的可能途徑:一方面,在赤潮衰亡的海水中,分離出對赤潮藻類有特殊抑制效果的菌株;另一方面,采用基因工程手段,將細(xì)菌中產(chǎn)生抑藻因子的基因或質(zhì)粒引入工程菌如大腸桿菌,并進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)可能是生物防治的有效出路。 （5）海洋環(huán)境中病原菌污染的生物修復(fù) 病原微生物的污染是一類重要的海水污染類型。一類是海域原來存在的有毒微生物類群,另一類是人類生活和生產(chǎn)中排出的廢水、污水中含有大量的病原微生物。它們在一定條件下,可造成海水環(huán)境嚴(yán)重污染,甚至引起疾病流行,嚴(yán)重危害人類健康。三

14、 、結(jié)論 生物修復(fù)是治理海洋環(huán)境污染、海洋生態(tài)系統(tǒng)功能紊亂的一副防治結(jié)合良藥,費用低、副作用少;污染前預(yù)防,污染后治理。但正象許多疾病一樣,應(yīng)對癥下藥,對于不同的污染物應(yīng)采取不同的生物修復(fù)方案。成功應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)是建立在一系列數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,主要有三方面的因素:1)污染物;2)可降解的微生物;3)相關(guān)的環(huán)境因子。同時,目前生物修復(fù)技術(shù)推廣應(yīng)用也還存在許多問題,這些前面已有討論,但仍是很有發(fā)展?jié)摿Φ沫h(huán)境清潔技術(shù)。為進(jìn)一步提高生物修復(fù)的治理效果,獲得海洋環(huán)境污染治理新突破,其發(fā)展前景在于采用新工藝手段,生產(chǎn)易于生物降解的化合物,合成具有特殊降解能力的工程菌,從而減少污染物在環(huán)境中的累積、轉(zhuǎn)移,

15、保持生態(tài)系統(tǒng)的平衡,實現(xiàn)海洋環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。 參考文獻(xiàn):1郭楚玲,鄭天凌,洪華生 <海洋環(huán)境科學(xué)>2000,19(3):24-29 2郭楚玲,哈里德,鄭天凌海洋微生物對多環(huán)芳烴的降解 臺灣海峽,2001,20 (1):43-( 47) 3蔡立哲,洪華生,鄒朝中 臺灣海峽南部海洋線蟲種類組成及其取食類型 臺灣海峽,2000,19(2):212- 2174蔡立哲,厲紅梅,鄒朝中。廈門鐘宅泥灘海洋線蟲的種類組成及其多樣性 廈門大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)(版),2000,(395):669-6765蔡立哲,厲紅梅,鄒朝中。深圳河口福田泥灘海洋線蟲的種類組成及季節(jié)變化J。生物多樣性,2000,8 (4):385- 3906鄭天凌,薛雄志,李福東,等。海洋微生物在環(huán)境生態(tài)中的作用J。海洋科學(xué),1994(3):35- 38 217:131- 156。7莊鐵城,林鵬。紅樹林下土壤微生物對柴油的降解J。廈門大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版,1995,343:442-4468鄢慶枇,林良牧,等。海洋微生物對甲胺磷農(nóng)藥的降解作用 臺灣海峽,1999, 181:95-999徐美珠,莊鐵城,鄭天凌, 紅樹林區(qū)細(xì)菌對甲胺磷農(nóng)藥的降解 海洋學(xué)報,2000,22(增刊):300- 30510莊鐵城,張瑜