微生物菌群强化修复有机污染物污染环境现状与挑战

微生物菌群强化修复有机污染物污染环境现状与挑战

张彦斌，胡晓荣，陈育红，王冰洁，张宏博 *

（内蒙古自治区食品检验检测中心，呼和浩特 010090）

摘要：现如今，环境污染问题我国乃至整个世界十分重视。微生物降解被认为是清除环境中有机污染物的主要方式。近些年，有关有机污染物的微生物降解研究报道主要集中于纯培养单菌株。然而，单个降解菌株的生物强化修复在实际应用中往往效果不佳。实际上，自然界中有机污染物的降解大多数是由微生物菌群介导，而不是由单个微生物菌株独立完成的。与单个降解菌株相比，微生物菌群具有更强的代谢互补性和互营作用，其在有机物污染的修复方面越来越受到关注。本文综述了具有有机污染物降解功能的不同微生物菌群以及菌群高效代谢有机污染物的机制，概述了菌群代谢互作的最新研究方法，并强调基于菌群代谢互作设计合理菌群结构在微生物强化修复应用中的重要性，重点讨论了基于菌群代谢模型的计算机模拟在研究复杂微生物菌群代谢互作方面的重要作用以及在指导最佳功能菌群的人工设计和构建方面的应用前景，以期为修复污染环境提供理论依据和解决方案。

关键词：有机污染物;微生物菌群;菌群代谢模型;生物修复;微生物代谢

引言

解决地下水中多环芳烃有机污染物的治理问题，对生物修复法进行研究。针对生物修复法相比传统的物理方法、化学方法所具有的高效、无二次污染和成本相对较低等特点，结合当前微生物修复在石油污染场地调查和修复方面的研究成果，阐述多环芳烃在生物降解过程中的影响因子和降解过程中可能存在的协同、促进或抑制作用。在此基础上，对地下水中多环芳烃有机污染物的微生物修复未来的发展提出展望。

1.地下水污染

根据调查研究，发现地下水的污染可分为两种情况。一种是可溶性污染，就是污染物是由无机物组成的比如工业废水、生活废水等；另外一种是非混合型污染，污染物以液态的形式出现比如石油、化工用水等。两种类型的污染性质各不相同，对人体的危害程度也有区分。下面将对污染原因进行分析：（1）可溶性污染。可溶性污染就是能够通过溶解渗入地下水，从而形成污染群。污染群的大小和水文及污染物的排放量有关。地下水的而流动会将污染群渗透到不同的区域，甚至还会波及江、河、湖、海等水域。如果污染物源源不断的排放，会加大污染群的范围同时也提高了污染的浓度。如果污染物停止排放，随着自然的水循环，以及地下水的增加，污染群也会慢慢被稀释，程度也会有所减轻。（2）非混合型污染。非混合型污染污染物大多呈液态形式，主要是由于大范围的开采石油以及相类似的石油产品造成的污染。这种污染情况大多数出现在电子、化工等工厂附近，被污染后的水源一部分挥发滞留在地面一层，还有一部分会层层渗透，最终到达地下水一层，这类污染是十分顽固，一旦地下水被污染就很难消除。

1.1加强有机物污染监测及评价

最近几年以来，我国对水环境监测做出了极大的改变，但是由于水环境监测工作人员的素质以及水环境监测过程中所需设备装备水平不够高，很多水环境有机物监测项目发展还是不够顺利。为了能够更好地促进水环境有机物污染控制工作能够顺利进行下去，相关的水环境监测部门和工作人员应该积极致力于建立完善的有机污染物控制指标，并且积极依托现代科学技术手段的力量对有机物进行全面的监测，并且能够从根本上对这些有机物进行科学和客观的评价，从而建立起完善的有机物污染数据库，通过健全的有机物质污染数据库，能够更好的对有机物物的排放进行科学合理的管理，从而减少有机物对水环境污染的影响。

1.2积极进行有机物标样的研制

我虽然提出了很多种有机物优先检测的黑名单，但是现如今国内关于有机物标样的种类十分缺乏，关于有机物的标准物质更是少之又少，很多有机物的标样都需要从国外进口，在进口的过程中需要使用大量的资金成本。为了能够缩短我国和其他国外国家关于有机物监测样标的差距，应该积极加速对有机物标准物质的研制，以便于能够最大限度的去完善我国有机物标准物质体系。在完善我国有机物标样之后，可以为我国水环境有机物监测工作减少一定的资金使用成本，同时也能够更好的提高我国水环境有机物监测工作的作业效率和作业质量。

2应用现状

将多种具有不同降解功能的微生物与活性生物酶及微生物营养盐相结合，培育生产出活菌制剂用于环境修复的产品称为微生物菌剂。微生物菌剂具有特异性强、成活率高、适应环境快、无二次污染及成本较低等优点，现已广泛应用于农业、石化、印染、食品加工业、医药和环保等领域，尤其是在水污染治理、大气污染治理、土壤修复及固废资源化方面发挥着重要作用。采用梅花式接种法，在无彻底截污和清淤的情况下，将土著微生物扩大培养后直接投加到主要受生活污水污染的黑臭河道中，对无锡市浒溪河进行污染防治。研究表明：投加微生物菌剂一段时间后，河道水体DO(溶解氧含量)含量提升至2mg/L以上，NH

₃-N(氨氮)，TP(总磷)，COD（化学需氧量）的去除率分别为58%、56%和43%，初步消除河道黑臭。将固定化微生物技术应用于苏州古城区污染河道中，并研究其对污染河水的净化效果及规律，结果表明微生物对NH+4-N，TN(总氮)，TP均有较好的去除效果。汇总分析了ANAMMOX菌、喹啉降解菌及苯酚降解菌应用于焦化废水深度处理的实际降解效果，认为采用微生物技术处理焦化废水经济有效、易操作，具有较大潜力。将实验分离出的1株喹啉降解菌应用于好氧池焦化废水环境中，结果表明该降解菌对于难降解喹啉具有一定的降解效果，并能相应提高COD去除率。

3菌群代谢互作的研究方法

3.1同位素标记鉴定菌群水平代谢途径(community-scalepathways)

追踪同位素标记的代谢物是鉴定代谢途径的经典方法，同样也适用于追踪菌群内的代谢途径。该方法最大的难点在于区分不同菌群产生的标记指纹图谱(labelingfingerprints)。目前，区分不同来源代谢产物的方法包括报告基因标记菌株、鉴定菌株特异性多肽、对同位素标记的DNA或RNA序列进行宏基因组测序等。例如:基于稳定性同位素标记RNA，在产甲烷菌的富集液中鉴定出降解甲苯的协同代谢菌群;基于稳定性同位素对蛋白进行标记，鉴定出多株关键性降解菌株。

3.2 PAHs环境污染修复

土壤是PAHs在自然环境中迁移、转化的站点，当前主要采用物理修复、化学修复、生物修复和化学与生物相结合修复等方式对土壤遭受的PAHs污染进行修复。物理修复通常是指采用客土或翻土、汽提、热解吸、焚烧和填埋等方法去除或固定土壤中的污染物。化学修复通常是指基于化学反应机制，通过向土体注入表面活性剂等增效试剂来增强PAHs等有机污染物的水溶性和扩散性，从而有效促使污染物迁出土体，降低其迁入其他环境介质中的能力。生物修复包括微生物修复、植物修复和植物－微生物联合修复等３种。治理地下水中的PAHs等有机污染的方法主要有抽出处理法、原位反应墙法和生物治理法等。１）抽出处理法是通过抽取含水层中地下水面附近的地下水，将浮于水面的有机污染物带回地表，采用地表污水处理技术去除地下水中的有机污染物；２）原位反应墙法是指在地下水治理中沿垂直地下水流的方向人工构筑一堵具有还原性的反应墙，当地下水流通过反应墙时，反应墙中填充的还原性物质与污染羽流中的有机污染物发生物理反应、化学反应或生物反应，从而达到降解有机污染物的目的；３）生物治理法即生物修复法，其原理与土壤中的微生物修复方法的原理相同。在PAHs有机污染修复治理方法中，生物修复研究得到国内外相关学者的普遍关注。生物修复具有成本低、处理效果好、操作简便和无二次污染等特点，从20世纪80年代开始大规模应用于环境治理中。

3.3高通量测序(high-throughputsequencing)解析菌群动态变化

快速发展的高通量测序技术为追踪菌群结构动态变化提供了有效的研究方法。该方法的优势在于不依赖于菌株培养，因此可以极大拓展可研究微生物的范围，尤其是目前无法培养的微生物类群。此外，基于高通量测序的菌群研究可以显著提高研究的时间和空间尺度。基于菌群内不同菌株的全基因组测序可以预测菌株之间的互作关系，如协同和竞争等;基于16SrＲNA基因的扩增子测序或宏基因组测序可以追踪菌群在不同时间和环境条件下的动态变化，并基于共发生(co-occurrence)分析鉴定相对丰度存在密切关联的菌株(即某些菌株丰度的动态变化与其他微生物丰度的动态变化一致或相反)，进而鉴别存在互作关系的微生物类群。该方法已成功应用于不同类型的微生物菌群研究。例如:活性污泥菌群、化学农药降解菌群等。结合其他环境因素数据(如空间分布信息、特定酶功能信息等)，也可以进一步揭示菌株代谢互作的机制。

结语

从目前国内外治理水体污染的发展状况看，微生物技术依然具有相当可观的市场需求。随着基因工程尤其是分子生物学技术的不断发展，一些特异性菌株被选育出来，微生物菌剂正在由单一菌种单一功能向复合微生物菌群多功能性方向发展，功能也越来越强大。但仍有一些问题急需解决，本文给出如下建议：（1）对污染物质越来越复杂、越来越难以降解的现状，挖掘、筛选、拓展新的功能性菌种，选育具有针对性、适应性的优良菌种，实现应用效果的稳定。（2）低温严寒、高温、含放射性物质等极端环境下发生的污染，重视选育含有良好抗逆性（如耐干燥、耐酸碱、耐盐分、耐低温、耐高温）的菌种，加强菌种资源多功能性研究与高含量菌剂的开发。（3）我国微生物技术研究缺乏深度及市场混乱的情况，一方面要深入进行理论研究和指导，加强应用生态学方面的探索，加快研发成果的应用及推广；另一方面要健全生产规范和使用规范，完善市场监管体制，加强行业自律。

参考文献

［1］ 朱亮. 供水水源保护与微污染水体净化[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

［2］邱小琮，赵红雪，尹娟，等.爱伊河水环境容量与水体自净能力研究［J］.人民黄河，2015，37（1）：87-90.

[3］宋双双,孙保平,张建锋,武毅.保水剂与微生物菌剂对土壤水分、养分的影响[J].干旱区研究,2018,35(04):761-769.

［4］钱丹，张金鹏，王宏丽，赵双喜 . 河道底泥处理技术成效分析［J］ .水利科学与寒区工程，2018 ，1（7）：46-48.

［5］ 邵东国,贺新春,黄显峰,沈新平.基于净效益最大的水资源优化配置模型与方法[J].水利学报,2005,(9)

[6］樊佳 . 关于焦化废水处理微生物降解技术的应用［J］.山西化工，2018 ， 38（6）：212-216.

［7］徐伟超，吴翠平，张玉秀，等.喹啉降解菌 Ochrobactrumsp.的好氧降解特性及其在焦化废水中的生物强化作用［J］.环境科学，2017，38（5）： 2030-2035.

［8］ 杨敏,曲久辉.水源污染与饮用水安全[J]．环境保护，2007（19）.

基金项目：内蒙古自治区科技重大专项（ZDZX2016016）；内蒙古自治区科技创新引导奖励资金项目

（2017年度）；内蒙古自治区科技创新引导奖励资金项目（KCBJ2018068）；

第一作者：张彦斌（1983—），男，内蒙古呼和浩特市，微生物检验师（中级），硕士，研究方向为食品质量与安全。ss1120@126.com

通信作者：张宏博，男，（1986—），内蒙古巴彦淖尔市，工程师，博士，研究方向为食品质量与安全。nmgspjys_zhb2016@126.com