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微生物学原理在环境工程领域的应用

摘 要：本文对当前人类环境现状和环境保护中所面临的各种问题做了简要的分析，对微生物在环境保护的各个应用领域的具体应用情况及其应用原理做了简单的介绍。
关键字：微生物 环境保护 应用

近年来，随着人口的快速增长、工业化进程的加快，自然资源大量消耗的同时也带来了不容忽视的环境问题，对环境的综合治理的方法很多，其中生物处理方法占重要的位置，它与物理、化学法相比，具有经济、高效的优点，更重要的是可基本达到无害化。而微生物又是对污染物进行生物处理、净化环境的工作主体，因此，世界各国都对微生物的环境保护功能极为重视，投入大量人力、物力进行研究开发，取得了许多成果。
微生物在地球生态系统物质循环过程中充当分解者的角色，外号“天然清洁工”。微生物种类繁多，分布广泛，资源丰富，是人类最宝贵、最具开发潜力的资源库。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。

一、微生物在水污染治理中的应用：
1.污水中有机物的降解
人类在生活和生产中所产生的污水按主要成分，可分为有机污水、无机污水和综合污水。有机污水是指污水中污染物主要是有机物质，一般具有生物可降解性。生活污水常具有如下特征：水质浑浊、色深、具有恶臭、呈微碱性，但一般不含有毒物质；固体物质含量很低，仅占总重量的0.1%～0.2%；有机杂质约占60%, 有机成分占全部悬浮物总量的四分之三以上。生物处理去除有机污水中的有机物质的原理是利用微生物的新陈代谢过程。微生物群体依靠细胞壁将污水中的有机物质吸收消化，同时产生一定的代谢物质，再作为其他微生物的养料，进行吸收消化，周而复始，直至污水中的有机物质全部分解。而且微生物分解有机物的能力是惊人的，微生物几乎能分解自然界中存在的一切有机物。
微生物处理有机废水的主要方法简单介绍如下：
1.1好氧生物处理
活性污泥法(activated sludge process)
活性污泥法是利用悬浮生长的微生物絮体（活性污泥）处理有机废水的一类好氧生物处理方法。最早于1914年由英国人Ardern和Lockett创建，在废水处理技术中取得了巨大的成功，成为目前最成熟且仍在继续发展的废水生物处理技术之一。
生物膜法（biofilm）
生物膜法是利用微生物在固体表面的附着生长对废水进行生物处理的技术。主要用于固定床生物处理技术和流化床生物处理技术中，如生物滤池、生物转盘等工艺。这一类方法的共同特征是通过废水与生物膜的相对运动，使废水与生物膜接触，进行固液两相的物质交换，并在膜内进行有机物的生物氧化与降解，使废水得到净化。
1.2厌氧生物处理
当废水中有机物浓度较高时，就不宜采用好氧处理，而应该采用厌氧处理方法。厌氧生物处理是在厌氧条件下，形成了厌氧微生物生长所需的营养条件和环境条件，利用这类微生物分解废水中的有机物，并产生甲烷和二氧化碳的过程，又称厌氧发酵。与好氧生物处理过程的根本区别在于不以分子态氧为受氢体，而以化合态盐等为受氢体。
1.3生物氧化塘（oxidation pond）
生物氧化塘又称稳定塘，是利用藻类和细菌两类生物间功能上的协同作用处理污水的一种生态系统。

2. 废水中重金属的去除
重金属污染主要来源于这些重金属：铅、铜、汞、铋、镉、砷、铬、氟、镍。我国每年有1200万吨粮食遭到重金属污染，直接经济损失超过200亿元。2009年，我国重金属污染事件致使4035人血铅超标、182人镉超标，引发32起群体性事件。2009年，我国1/6的耕地受到重金属污染,重金属污染土壤面积至少有2000万公顷。废水中重金属微生物处理法的原理是利用细菌、真菌（酵母）、藻类等生物材料及其生命代谢活动去除和（或）积累废水中的重金属，并通过一定的方法使金属离子从微生物体内释放出来，从而降低废水中重金属离子的浓度。虽然国际上对微生物处理重金属废水的研究已经取得了长足发展，确认了微生物修复的应用前景。然而，有关微生物对重金属的吸附、沉淀机理还不是很明确，该项技术尚处于实验室阶段，大规模利用微生物处理重金属废水的情况还很少，很多因素限制了它的大规模使用。

3.废水中的脱氮除磷
氮（N）、磷（P）是植物的重要无机营养源，但是他们在水体中的含量过高则将导致水体的富营养化污染问题。由于化肥、洗涤剂等，尤其是大量城市污水的排放，使天然水体（尤其滞留性水体）中N、P的含量持续升高，导致藻类大量繁殖，使水体缺氧并产生毒素，从而进一步导致水质的恶化，不仅影响了水体的使用功能，同时对水处理及其人体健康也产生了很大的危害。污水脱氮技术主要有活性污泥法脱氮工艺,包括A/O(缺氧/好氧)工艺,可使NH4+一N去除率达80%以上,A2/O工艺,改进的氧化沟工艺和SBR工艺都可使总氮(TN)去除率达90%以上。其基本原理是借助与不同微生物的共同协调作用以及合理的人为运行控制，从而将生物去碳过程转化而产生及原废水中存在的氨氮转化氮气而从废水中脱除。聚磷菌在好氧时能大量吸收磷酸盐合成自身核酸和ATP，并且能逆浓度过量吸磷合成贮能的多聚磷酸盐颗粒（异染粒）在体内，供其内源呼吸用。在厌氧条件下，聚磷菌又能释放磷酸盐于体外。一般来说，微生物在增殖过程中，好氧摄取的磷比在厌氧条件下所释放的磷多，从而达到除磷目的。
二． 有机固体废弃物的微生物处理方法

微生物学在有机固体废弃物处理中的应用，以生活垃圾处理为例。生活垃圾的生物处理是利用微生物的代谢作用分解生活垃圾中可降解的有机物质，从而使其达到无害化的目的。生活垃圾生物处理处置的主要方法有堆肥、沼气发酵和卫生填埋等。下面主要介绍生活垃圾处理的堆肥法及卫生填埋法。

1堆肥
堆肥法就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学工程。堆肥可分为好氧堆肥（高温堆肥）和厌氧堆肥两种。
1.1好氧堆肥法
好氧堆肥法是在有氧的条件下，通过好氧微生物的作用使有机废弃物达到稳定化、转变为有利于作物吸收生长的有机物的方法。堆肥的微生物学过程如下：
①发热阶段②高温阶段③高温和腐热保肥阶段
1.2厌氧堆肥法
厌氧堆肥法是指在不通气的条件下，将有机废弃物（包括城市垃圾、人畜粪便、植物秸秆、污水处理厂的剩余污泥等）进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。

2卫生填埋
卫生填埋法始于20世纪60年代，它是在传统基础上，从环境免受二次污染的角度出发而发展起来的一种较好的固体废弃物处理法，其优点是投资少，容量大，见效快，因此广为各国采用。卫生填埋主要又分为厌氧、好氧和半好氧三种。
填埋坑中微生物的活动过程：
①好氧分解段②厌氧分解不产生甲烷阶段③厌氧分解产气阶段④稳定产气阶段。

三．废气的微生物处理方法
生物法净化有机废气是在已成熟的采用微生物处理废水的基础上发展起来的，生物净化实质上是一种氧化分解过程：附着在多孔、潮湿介质上的活性微生物以废气中有机组分作为其生命活动的能源或养分，转化为简单的无机物（CO2、H20）或细胞组成物质。与废水生物处理过程的最大区别在于：废气中的有机物质首先要经过由气相到液相（或固体表面液膜）的传质过程，然后溶解于液相中的有机成分在浓度差的推动下，进一步扩散至介质周围的生物膜，进而被其中的微生物捕捉吸收；在此条件下，进入微生物体内的污染物在其自身的代谢过程中作为能源和营养物质被分解，产生的代谢物一部分溶入液相，一部分作为细胞物质或细胞代谢能源，还有一部分，（如CO2）则析出到空气中，废气中的有机物通过上述过程不断减少，从而被净化。

1.生物法处理有机废气机理
对于生化法处理废气的机理研究尽管已做了不少的工作，当至今仍没有统一理论。目前在世界上公认影响较大的是荷兰学者，依据传统的双模理论提出额生物膜理论。另外一种是PEDERSEN、孙佩石等根据吸附理论提出的吸附-生物膜理论所为生物膜及是由微生物群体在固体载体表面构成的粘性膜结构。润湿环境下，微生物以废气中有机物为能源，将其氧化分解过程中，得以生长、繁殖并形成具有一定厚度的膜。这种生物膜尤其在处理浓度或生物可降解性强的废气时，更显示了优越性。

2.生物法的工艺特点
由于微生物对各种污染物均有较强、较快的适应性，并可将其作为代谢底物而降解、转化、因此，与传统的废气处理技术相比，生物处理技术具有效果好、投资及运行费用低，安全性好，无二次污染，易于管理等优点。同时，由于废气生物处理系手机的再生可直接通过吸收剂中微生物的作用来实现，而不需要先理化吸收和吸附那样的专门设备，从而简化了工艺流程和工业设备，降低运行操作费用，所以，生物处理技术已逐渐成为世界研究的热点课题之一。

四．微生物学新技术在环境工程中的应用 
微生物学新技术包括遗传诱变育种、基因工程、酶工程、微生物制剂、生物表面活性剂等。现介绍几种在环境工程领域中应用到的方法。
1.固定化微生物在环境工程中的应用 
1.1固定化微生物在污水处理中的应用。 
  在环境工程领域中固定化微生物技术应用研究较多。20世纪80年代起，我国在废水生物处理方面进行固定化酶及微生物处理废水的研究，从好氧活性污泥和厌氧活性污泥中分离、筛选对某一种废水成分分解能力强的微生物，将其固定化用于废水处理试验，如含氰废水、印染废水的脱色及含酚废水、洗涤剂(含直链烷基苯磺酸钠一LAS)废水等的固定化微生物处理的小型试验研究。
一个微生物体本身就是多酶体系的载体。在废水生物处理中，单一种微生物并不能将某一种废水净化彻底。需要多种微生物混合生长组成微生态系，依靠食物链净化废水。同理，制备多种混生的固定化微生物对提高处理效果无疑是有益的。
1.2 固定化微生物在废气生物处理中的应用前景。
因废气的组分没有废水的复杂，如恶臭含硫污染物和挥发性有机污染物均有固定化酶和固定化微生物处理的可行性试验，可望在生产中应用。

2.微生物细胞外多聚物的开发与应用 
 微生物的胞外多聚物(Extracellular polymers，缩写ECP)是微生物在一定的环境条件下，在其代谢过程中分泌的、包围在微生物细胞壁外的多聚化合物。包括荚膜、粘液层及其它表面物质。微生物细胞外多聚物可用作表面活性剂、絮凝剂或助凝剂、沉淀剂。
2.1微生物自身絮凝和沉淀作用 
根据单一菌种微生物（纯种）细胞表面的解离层（胞外多聚物）性质不同面划分两种类型，即疏水性的R型(菌落为粗糙型)和亲水性的S型菌落为光滑型)。凡具有R型解离层的微生物表现疏水性而自身发生絮凝、聚集而沉降，故可将R型细菌应用于废水处理。R.kurane等人从沉降性能良好的活性污泥中筛选出红平红球菌(Rodococcus erythropols)，将它用于处理酞酸酯废水，该菌的处理效果高，处理水透明，沉淀性能良好。用于糖蜜废水、纸浆黑液、颜料等废水悬浮液的絮凝，沉淀与脱色，效果也好。还可用于改善膨胀污泥的沉淀效果。具有S型解离层的微生物表现亲水性，均匀分散于水中，不易絮凝，不易沉降。 
2.2微生物絮凝剂和沉淀剂的开发与应用 
 在废水生物处理中，二沉池的泥水分离好与坏，取决于活性污泥的絮凝性能和沉降性能。有些活性污泥尽管去除有机物能力强，但它本身的絮凝性能差，需要投加絮凝剂，强化絮凝效果改善出水水质。    
 微生物絮凝剂是新开发、有前途的絮凝剂。微生物絮凝剂，其用量少，只需200mg/L，不会引起二次污染，使用安全；但目前生产成本较高。将来随着生物技术的发展，可望降低成本，利于在生产中推广使用。 
 细菌中有许多具有絮凝作用种类。放线菌、霉菌及酵母菌，乃至原生动物的一些种具有絮凝作用，是因为这些微生物细胞壁表面的胞外多聚物有絮凝作用所致。可以将有絮凝作用的微生物经扩大培养而制成的微生物细胞制剂直接用作絮凝剂，或从具有絮凝作用的菌株提取其表面的有效絮凝成分做成制剂用作絮凝剂。微生物絮凝剂絮凝成大颗粒变得更易沉淀，达到泥水分离的目的。

3.优势菌种生物制剂的开发与应用 
 在废水、有机固体废弃物和废气等的生物处理过程中，在自然界的江、河、湖、海及土壤中，存在许多降解天然物质和有机污染物性能良好的菌种。微生物工作者为了开发微生物资源，从各种运行性能良好的活性污泥、生物膜、堆肥及废气处理装置中筛选出优良微生物菌种，制成生物制剂，以备各种用途。 
 微生物制剂可用于：
①生物膜挂膜； 
②废水活性污泥法处理过程的添加剂，初沉池、曝气池均可投加，可提高废水处理效率；    
③有机固体废弃物堆肥的菌种和添加剂。可加速堆肥腐熟；     
④家庭便池、公厕的除臭剂；    
⑤禽畜粪便处理的菌种；     
⑥污染严重的河道进行生物修复；疏浚河道底泥；  
⑦降解和清除海面浮油和炼油厂的废弃物；    
⑧土地生物修复和河床底泥的生物修复。     

展望
微生物在污染治理中具有广泛的应用前景，为提高微生物降解能力，扩大其应用范围，分离、重建高效、广谱降解微生物具有重要意义。同时，在微生物对污染物的适应及其降解遗传学机制，微生物净化的高效性及安全性，研究成果从实验室研究向工程应用的转移，以及高效、准确评估技术的应用等方面，尚需加大投入和作进一步研究。我国的环境微生物技术研究尚处于起步阶段，与国际先进水平还有很大差距，应根据我国的国情，充分利用我国的资源优势，借鉴国外先进技术和经验，重点加强环境生物技术的研究与开发，以期取得更好的环境效益和经济效益。
极端微生物具有普通微生物不可比拟的抗逆能力，极端微生物产生的酶在极端环境中保持活性，对极端环境的污染生物治理起着主要作用；同时，极端微生物在清洁能源的生产和环保产品的开发方面具有巨大的应用潜力，将有助于污染预防，在源头上解决环境污染问题。因此极端微生物在环境保护中发挥着重要的作用，对于实现可持续发展战略有重要意义。随着越来越多的极端微生物被分离鉴定、新产物的研究与生产、极端酶被分离纯化和极端酶工程研究的进展，极端微生物及其产生的极端酶在环境保护中的应用将会进一步得到拓展。