微生物在生態修復中的研究

劉子軒

山東第一醫科大學生物醫學科學學院，山東 濟南 250000

相較于傳統生態修復技術，微生物在近幾年來成為了生態修復領域重點研究的對象。主要原因在于微生物技術不會對水體和土壤環境造成二次污染，且處理時間相對較短[1]。因此，探究微生物生態修復技術的應用有利于人與自然和諧共處。

1 微生物對持久有機物的降解

從宏觀角度來看，石油化工企業及農藥制造企業等現代工業企業在生產經營過程中會產生多種化學物質，這些化學物質帶來的影響作用遠遠超過自然生態的恢復能力，對部分環境造成了嚴重污染。

持久性有機污染物主要為有機磷農藥、鹵代有機化合物等，這些污染物廣泛存在于大氣、水、土壤等環境中，給民眾的生命安全帶來了巨大威脅。這些污染物屬于環境外來化合物，天然的微生物由于缺乏與之相匹配的酶系統，故而難以實現對其的有效降解。但近些年通過將微生物進行長期的接觸馴化，依托遺傳變異和質粒傳遞特性促使部分微生物逐漸產生了一定的降解能力[2]。

有關數據調查顯示，黃桿菌和甲單胞菌都能夠產生一種膜結合性有機磷水解酶，該水解酶具有高水平組合型表達特征，對硫磷結構的化合物具有較強的降解活性[3]。通過實驗分析發現，這種水解酶的酸堿度和溫度范圍相對較廣，一般情況下不會受到環境因素的影響導致失活現象發生，具有較強的穩定性。這種酶能夠裂解多種化學鍵，如P-F、P-CN等。近些年來隨著科學技術的高速發展，國內眾多優秀學者采用固定化的方法，對有機磷水解酶的應用作用展開了進一步的探討。某研究團隊將三苯甲基瓊脂糖作為載體，通過疏水作用將酶分子固定在該載體上。從后續降解反應實驗中發現，有機溶劑能夠與酶發生生化反應，通過解吸效應有效提高了農藥的溶解度。后續某研究團隊又將三苯甲基瓊脂糖改為聚酰胺纖維，采用共價結合法進一步提高了降解效果。

由于微生物的生物周期比較長，酶純化效率具有一定的局限性，因此難以實現廣泛的生產?；诖?，有關研究團隊將研究重點落在了大腸桿菌宿主的表達系統上。該研究團隊通過強啟動子lac 有效提高了有機磷水解酶在大腸桿菌細胞表面上的表達水平。隨后通過固定化細胞，將其作為生物反應器進行應用。

2 重金屬污染土壤的微生物修飾

重金屬一直以來都是引起土壤污染問題的主要元兇，當土壤受到重金屬污染時，重金屬會在農作物的體內積聚，進而對食物鏈產生嚴重影響，危害民眾的生命健康。微生物對重金屬污染土壤的修復原理較為復雜，從宏觀角度來看，微生物在土壤重金屬生態修復領域中，通過對重金屬的吸收沉淀和氧化物還原等各類生化反應來達到降低重金屬毒性的效果，并促進土壤生態能力的恢復[4]。

有關學者發現[5]，以硅酸鹽或者氫氧化物形式結合的金屬離子廣泛存在于芽孢桿菌的表面，變價金屬能夠以同價態的形式存在，而細菌的代謝活動恰巧可以將這些重金屬離子通過氧化還原進行吸收。部分細菌可以通過分泌硫與磷酸等物質促進土壤中重金屬離子的沉淀，還有一些細菌在沉淀過程中與重金屬進行共沉淀。氧化亞鐵桿菌和氧化硫桿菌都能夠通過氧化還原電位達到去除土壤以及沉積物中重金屬的良好效果。

部分學者認為，微生物之所以能夠在生態修復領域中發揮重要作用，主要原因在于其新陳代謝。首先，微生物通過新陳代謝能夠對重金屬元素進行價態轉換，或者通過新陳代謝刺激植物根系發育，促進植物對重金屬離子的吸收作用，從而降低重金屬離子在土壤或植物中的毒性影響。其次，微生物可以產生有機酸，有機酸能夠絡合金屬離子使土壤溶液中的金屬含量增加，利于超富集植物吸收。再次，部分微生物能夠通過胞外絡合作用等一系列生理過程，影響重金屬的毒性作用，將高毒性轉變為低毒性，在一定程度上促進生態系統的修復。此外，微生物還能夠與植物根系相互作用，促使根系分泌金屬絡合劑，以抑制重金屬的毒性作用。

某研究人員為探究不同修復區域土壤降解菌總數，設置了4 個生物修復區域。其中A 區噴灑游離態菌液，B、C、D 區均為對照組。由表1 可以發現，A區土壤降解菌總數發生了明顯變化。

表1 不同修復區域土壤降解菌總數

3 微生物對水體富營養化修復

微生物對水體富營養化的修復原理是通過吸收轉化的方式對污染物進行降解，以實現對生態系統的凈化。微生物是生態系統的分解者，對養分循環和污染物去除起到了至關重要的作用?，F階段部分城市地區水生態系統由于接納了過量的無機營養物質，導致水體出現富營養化現象，而微生物能夠通過對氮的氨化與反硝化等作用以及對磷的分解作用，有效驅動水體中的氮磷元素?，F階段有關部門廣泛采用微生物修復劑向被污染的河水湖泊流域中投放經人工馴化培養的優選活性微生物，以達到生態修復的良好效果。微生物修復劑能夠快速提高水體中微生物的含量，發揮微生物的代謝作用，提高水體污染物的降解速率。

微生物修復劑按照結構可以劃分為游離態和固定化兩種。固定化是指采用物理化學手段，將游離的微生物固定在某個區域內，在保持微生物活性的同時還能夠進行反復利用，以此提高生物修復效果。固定化微生物修復劑的類型多種多樣，例如固定藻、固定化細胞等。相較于傳統懸浮生物處理技術，固定化微生物生態修復技術能夠確保生物總量始終維持在較高濃度范圍內，有效減輕生態修復的負荷，以此提高生態修復效果。并且運用該技術產生的淤泥總量較少，不會對水體產生較大的污染影響。

美國某公司曾在上世紀90年代左右研發出一種微生物修復劑，該微生物修復劑被廣泛應用于湖泊與池塘等水體的清潔和修復中[6]。有關實驗結果顯示，使用該微生物修復劑3 個月后，水體中的氮氧質量濃度由原本的0.02 mg/L 降至0，氮氧化物去除率高達85%左右，并且沒有檢測出毒性。后續美國某生態實驗室又研發出一種名為葉可清的微生物制劑，該微生物制劑由32 種活性菌混合而成，投入水體后能夠有效降低水體營養鹽濃度和有機污染物的含量。該實驗試劑曾用于某富營養池塘水體中，3 h后發現磷酸鹽濃度下降了67%，取得了較高的成效。

我國學者陳建及其研究團隊在城市景觀湖泊中加入了微生物修復劑，通過對實驗進行觀察，發現水體中的藍藻生物含量明顯減少了70%以上，說明微生物修復劑能夠有效抑制水華生長。在后續的一項相關性研究中發現向水體中投入有效的微生物菌群后，水體中的葉綠素含量、氮磷含量均呈現下降趨勢，可以有效改善水體的透明度及其中溶解氧的含量。

我國學者馬文林[7]及其研究團隊利用微生物生態修復劑對城市公園水體進行了富營養化的水體修復，實驗結果表明，該城市公園水體中的化學需氧量質量濃度保持在50 mg/L 以下能夠有效滿足景觀用水的需求。并且在該微生物修復劑投入水體10 d后，水質已經出現了明顯的好轉。投入近1 個月時，降解效果達到最佳，最終能夠有效維護水體生態系統的平衡。表2 為不同修復劑下藻密度去除率。

表2 不同修復劑下藻密度去除率

固定化菌藻技術是一種將微生物與菌藻共生技術相結合的生態修復技術，該技術能夠利用藻類和細菌2 種生物之間的生理功能協同作用，達到污水凈化的效果。從本質上來講，藻類和細菌之間存在某種協同進化關系，藻類能夠通過光合作用釋放氧氣并吸收氮磷等無機營養鹽向周圍釋放無機物，而細菌能夠將藻類分解的物質及藻細胞供給自身用于吸收利用。藻類通過光合作用釋放的氧氣又為微生物生長提供了豐富的氧源，微生物代謝釋放的二氧化碳也促進了藻類的光合作用，因此細菌與藻類共生的生態修復系統被廣泛應用于水體修復領域中。

生物膜法也是微生物在生態修復中用到的重要技術。生物膜是指將微生物附著在某些載體表面形成膜狀，生物膜與被污染水體接觸后，就會吸收降解水體中的氮磷等無機營養鹽，從而達到凈化水質的目的。通常情況下生物膜上固定的細菌對環境變化的耐受力較強，且產生的污泥量較少。由于生物膜法在處理有機物污染和輕度氨氮污染水體領域具有較高的應用效果和價值，因此該技術是近年來國內眾多學者及其研究團隊研究的重點方向。生物膜法降解污染物質主要包括以下幾個階段：首先污染物會向生物膜表面擴散，其次會從生物膜的外部向內部進行擴散，再次微生物通過分泌酵素與催化劑發生化學反應，最終代謝生成物并排出生物膜。

4 結語

綜上所述，在科學技術高速發展的當前，我國在生態修復領域中需要充分重視微生物技術的應用，利用微生物技術實現對土壤和水體中污染物的降解，對污染源進行科學有效的控制，最終促進生態環境的良好改善，落實可持續發展理念。