微生物在环境保护中的作用

作者简介:尹玲莉(1965-),讲师,衡水职业技术学院生物工程系高级讲师,研究方向微生物。 收稿日期:2006-11-24

微生物在环境保护中的作用

尹玲莉　张学英

(衡水职业技术学院,河北衡水　053000)

摘　要:通过介绍微生物自身的特点、功能及生态系统的功能,揭示了两者之间的密切关系,从而指出微生物在环境保护中的作用及意义,进而使我们更加清楚地认识到微生物研究的重要性。关键词:微生物;生态系统;环境保护

中图分类号　Q938111 文献标识码　B 文章编号　1007-7731(2007)02-57-02

微生物与动物,植物一样,是自然界的重要组成部分,微生物生产与动植物生产并列为生物产业的三大支柱。微生物功能群在不同的生态系统中发挥着重要功能,对系统的稳定与发展起着不可替代的作用。如微生物在能源开发,清洁生产中的作用;在石油开采,石油和煤炭脱硫,生物制浆,可降解塑料生产中的作用;在环境保护,环境修复与环境治理中的作用;在矿产形成及生物冶金中的作用;以及微生物在农业、医学、水生生物学中的作用等。本文从微生物在环境保护中的作用及微生物的重要性等方面对微生物进行详细阐述。

1　生态系统中的清道夫—分解者

在日常生活中,放置的水果、食物、衣物、木材等经过或长或短的时间,都要变质、发霉、腐烂,这就是微生物分解作用的结果。微生物的这种作用虽然会造成人类生存资源的损失,但对于生态系统乃至全球的生物的生存、延续和发展却是不可缺少的。微生物通过分解动、植物的残体或腐植质获得能量和营养来合成自身,同时将有机物分解成可供植物利用的无机化合物,是生态系统中的分解者

(digester )。微生物可以把地球上死亡的动植物残体清扫

得干干净净,将有机体分解成生产者生长所需要的元素,所以微生物被看成是生态系统中的“清道夫”。微生物的分解作用是地球上生命波浪式发展、螺旋式进化的原动力之一。

2　微生物对污染物的抗性及降解———利用微生物

进行环境保护的基础

211　微生物抗毒　微生物个体微小、繁殖迅速、数量巨

大、代谢能力强速度快、易于突变,它们较其它生物更易适应环境。当环境条件发生变化,例如有新的化合物存在时,某些微生物能逐步发生改变以适应环境的变化。它们可能通过自然突变形成新的突变种,也可能通过在细胞内产生新的功能而适应新环境。这些特征使得微生物成为污染物降解中的主力军。

212　转化和降解　许多微生物可以对生物外源性物质进

行化学转化,使其转变成为毒性较小或易于被其它微生物所降解的化合物。如对杀虫剂DDT 和对炸药T NT 的转化。微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形式:(1)脱卤(主要是脱氯),如DDT 的脱氯;(2)还原,将生物外源性物质上的取代基,特别是硝基,进行还原;(3)水合反应,如对有机氰的水合反应,形成无毒的含氮有机化合物。

微生物除了可以转化生物外源性物质外,有些微生物还可以把它们分解掉,把较大的化合物分子一步一步地变小,称为降解作用。有些生物外源性物质可以被彻底降解,即变成水和二氧化碳等无毒无害的很小的分子化合物或元素。但是,有些生物外源性物质不能被彻底降解。

3　污染环境的废弃物的生物处理

世界各国的科学家和工程技术人员,针对环境污染的问题和不同的环境污染类型,发展了各种处理办法。主要可以分为三大类:化学法(如絮凝沉淀法)、物理法(过滤)和生物法(如活性污泥法)。这三类方法也可以结合使用。在污染物的处理中,虽然物理、化学方法作出了一定的贡献,但由于这些方法存在投资大、成本高、二次污染的问题,因而逐渐被生物法所代替。生物处理(B i otreat m ent )也叫生化处理,是指利用处理系统中的生物,特别是微生物的代谢活动以及各种特性来处理各种废弃物的过程。主要是针对各种污染源和小范围的环境污染。生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点,为从根本上解决环境问题提供了希望,因而越来越受到人们的青睐。

311　城市垃圾生物处理技术　固体废弃物的处理有

很多方法,如填埋、堆肥、焚烧、用来发电等。垃圾的填埋处理不仅需要侵占大量的土地资源,而且需要很长时间(一般至少50-100年)才能完全使所填埋的垃圾

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5安徽农学通报,Anhui Agri 1Sci 1Bull 12007,13(2):57-58

无害化,因此填埋了垃圾的土地长期不能使用,而且填埋于地下的垃圾,绝大部分是有机物,在厌氧微生物的作用下进行发酵,能产生大量的沼气逸出地面,遇火即可发生火灾;填埋的垃圾还可能污染地下水。垃圾焚烧同样也存在火灾的隐患,同时焚烧时还会产生大量废气,造成对环境的再次污染,我们称这种污染为二次污染。较好的物理方法是利用垃圾发电。这在发达国家是一种普遍采用的处理城市垃圾的方法,我国也建立了几座垃圾发电厂,但目前在我国还不能普遍推广,因为成本很高。垃圾堆肥是较原始的简易的固体垃圾生物处理方法。主要是利用垃圾中原本带有的微生物进行自然发酵。这种方法虽可以采用,但所需的处理时间长,处理量小,发酵过程不易控制。现在发展了新的城市垃圾生物处理工艺。这种工艺是先经过过筛,回收可再生资源后,引入具有特定功能的微生物(主要是一些能高效降解有机物质,如纤维素、脂肪、蛋白质的微生物)进行好氧处理或厌氧发酵,加速发酵过程,同时还可以收集所产生的沼气。经过充分发酵后的垃圾是一种很好的农业肥料。如果实现垃圾处理工厂化,可以使发酵周期缩短(1-2星期),并且处理量较大。发酵过程可以实现全自动化控制,发酵后形成的肥料的质量也能得到保证。

312　污水生物处理技术　废水的处理方法主要可归结为三类:物理法、化学法和生物法。目前普遍使用生物法或生物法与其它方法结合。根据处理系统中微生物所处的状况,则可以分为:悬浮细胞法、活性污泥法、生物膜法等。目前最普遍使用的是活性污泥法,特别是在城市污水处理中。而效率较好的是生物膜法,特别是在特殊行业废水的处理中应用最为常见。

4　被污染环境的生物修复

对已经被广泛污染的大面积环境,采用废水及垃圾处理的方法是不可修复的。近年来,各国科学家已经成功的研究开发出可用于治理被大面积污染环境的生物技术,这就是生物修复技术。生物修复(B i oremediati on),也称生物整治、生物恢复、生态修复或生态恢复,是指利用处理系统中的生物,主要是微生物的代谢活动来减少污染现场污染物的浓度或使其无害化的过程。目前所处理的对象主要是石油污染及农田农药污染。生物修复的具体操作方法可分为两种,其一是环境条件的修饰,如营养物质的利用、通气等。其二是接种合适的微生物以降解污染物。用于生物修复的微生物包括土著微生物、外来微生物等。

5　利用微生物生产有益环境的产品

511　生物杀虫剂　目前,世界各国大量使用化学农药而造成环境污染。化学农药因其不具有选择性而对有益的生物也造成威胁。同时,很多化学农药是不可降解或很难降解的,容易在动植物体内积累而造成污染物的富集。但是,生物农药的出现使得这个矛盾缓解。现在主要的产品是用苏云金芽孢杆菌制成的BT生物杀虫剂。苏云金芽孢杆菌之所以能够杀虫,是由于它们的细胞内存在着有毒的蛋白质,叫做伴胞晶体,昆虫吞食后中毒而死亡。这种活细胞对环境无毒无害,而且在动物的胃肠道内,酸性环境下蛋白晶体不能溶解,从而对人畜无毒,所以是一种高效安全的生物杀虫剂,可用来防治农作物害虫和杀灭蚊虫。对生物农药的研究刚刚开始,相信在不久的将来,我们的农田将不再需要喷洒化学农药,农田将真正成为绿色的田野。

512　可以被迅速分解的塑料—多聚羟基烷酸PHA　塑料被称为白色污染,是近年来环境的大敌。以聚乙烯为代表的塑料,在自然条件下极难降解,在土里埋50 -100年仍旧安然无恙。由于塑料广泛应用于农业生产及日常生活中,所以其产量每年递增,造成了这种人工化合物的大量积累。现在人们正在积极寻找可以取代原有塑料的可生物降解的新材料。一类由微生物合成的化合物引起了人们的兴趣,这类化合物为聚β-羟基烷酸酯,简称PHA,它们是由许多个β-羟基化的饱和脂肪酸聚合而成的。脂肪酸可以是丁酸,戊酸或己酸等。后来的研究表明,很多种类的微生物都能产生PHA。它的最大优点是可被微生物降解掉,因此人们称它为“生物可降解塑料”。用细菌生产的聚β-羟基丁酸酯除了替代现有的塑料制品外,还可以用来生产高弹性的无纺布。聚β-羟基丁酸酯无毒性,高纯度的产品可用来做伤口的缝合线及骨骼固定绷带,当用这种缝合线缝合伤口后也用不着拆线,它可以在人体内自行被分解吸收。

6　环境检测的重要指标

对水环境监测的指标主要有化学需氧量(COD),生物需氧量(BOD),固体悬浮物(SS),T OD,NOD,细菌卫生学指标(大肠杆菌)等。其中BOD是指在20℃下培养5d测定的溶解氧的消耗量,它反映了废水的可生化程度;NOD 是指样品中含氮化合物在被微生物氧化过程中所消耗的氧气量,一般是测定总氮量。对水体中微生物的检测主要集中在病原微生物的检测上,如沙门氏菌属、霍乱弧菌及各类容易引起疾病的病毒。通常对饮用水来说,检测大肠杆菌的数量以确定水被粪便污染的程度。对废水中具体的有毒物质的检测需要按照物质的不同进行不同的检测实验。

7　结语　

微生物在环境保护中具有重要的作用,对社会生产力的发展具有重要的意义。特别是在新兴的生物技术产业中,微生物的作用更是不可替代的。但是与高等动植物相比,已知微生物种类只是估计存在数量的很小的一部分。可以想象,既然对少数已知微生物的研究就已为人类做出了重要贡献,通过对多样微生物的开发必然会为社会带来巨大利益。所以,微生物学事业方兴未艾。(责编:魏凤)

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