环境难降解污染物降解研究的新进展

环境难降解污染物降解研究的新进展顾继东环境微生物学家。

1962年6月生于黑龙江省虎林县。

1983年毕业于黑龙江八一农垦大学农学专业；1988年在加拿大陈尔伯塔大学毕业，获硕士学位；1991年在美国弗吉尼亚理工学院及州立大学农业和生命科学学院获博士学位；1991-1994年在美国麻州大学罗维尔分校作博士后研究；1994-1999年先后在哈佛大学、香港大学做研究工作。

2000年入选中科院国家知识创新工程“引进国外杰出人才”。

现任中科院南海海洋研究所研究员、博士生导师。

长期从事环境有毒有机物的微生物代谢和代谢途径、生物污损的分子机理和生物防治新方法的研究工作，尤其是在当今国际上研究的热门环境课题——邻苯二甲酸脂类和多环芳烃类化合物的降解方面，对在好氧条件下的降解细菌进行了优化和驯化，筛选并纯化出能够快速降解邻苯二甲酸脂类的优势菌并提出了其降解的动力模型。

与美国哈佛大学的微生物生态学实验室、美国食品药物管理局环境毒理实验室、瑞士联邦环境研究院微生物及生态毒理实验室、美国麻省理工腐蚀实验室等建立了良好的合作研究关系。

是美国科学学会、美国化学学会和美国微生物学会会员。

环境问题是当前人类生存与发展过程中所面临的重大问题。

随着我国工农业的快速发展以及人口的不断增长，城市化进程的加剧和人民生活水平的逐步提高，我国正面临污染日益严重的巨大压力，污染治理的任务相当严峻，土壤、地表水、地下水、海洋污染危害已经引起人们广泛重视。

土壤污染主要以重金属污染和有机污染为主，大面积区域污染主要以有机污染为主，如农药、石油及其产品、固体废物及其渗滤液等。

农药污染是我国影响范围最大的一种有机污染，不仅危害土壤环境质量和农作物品质，而且还进一步污染到地面水体和地下水资源以及海洋环境，直接威胁人类的生存环境和身体健康。

据统计，我国每年施用农药的量达50-60万吨，其中约80%的农药直接进入环境，成为环境有机污染物。

每年使用农药的面积在2.8亿公顷以上，约0.6亿公顷的耕地遭受农药和重金属的污染，占全国总耕地面积的一半，其中受重金属污染的农田达0.3亿公顷。

此外，工业“三废”排放污染的农田也达700万公顷，如硝基芳香烃、氯代芳香烃等，都广泛用于生产农药、燃料、炸药、医药、多聚体及其他化工产品。

随着这些产品的制造和使用，这类污染物也多途径地进入环境，污染土壤及水体。

我国主要湖泊和海域出现以氮、磷为主要污染物的大面积富营养化，据估计全国70%的水体受到不同程度的污染。

因此，对土壤、地下水和海洋中农药污染物进行生物治理的任务十分艰巨。

由于这类污染物对生物和人体具有高毒性，且在自然环境中较难降解消失，因此，对其进行治理处理是摆在我们面前急切需要解决的问题。

环境污染物的清除治理有多种方法，常用的主要是物理和化学的方法，包括化学淋洗、填埋、客土改良、焚烧和电磁分解等。

这些方法虽然行之有效，但通常成本很高，并容易造成二次污染。

生物修复是指在一定的条件下，利用微生物、植物和动物降解、稳定和去除环境中的污染物，使受污染生态系统的正常功能得以恢复。

利用生物修复技术可以削弱乃至消除环境污染物的毒性，降低污染物的健康风险。

同传统的物理、化学方法相比，环境生物技术拥有许多其他方法不可比拟的优势，如微生物对各类污染物均有较强、较快的适应性，并可将其作为代谢底物降解和转化，具有效果好、运行费用低、无二次污染等优势。

用生物方法处理污染物的最终产物大都是无毒无害、稳定的物质，如二氧化碳、水、氮气和甲烷等，通常可一步到位，避免了污染物的多次转移，因此它又是一种消除污染安全彻底的手段。

另外，生物处理技术的产物或副产品，大多是可以较快生物降解的，并可作为资源加以利用，有助于把人类活动产生的环境污染减到最小程度。

生物技术还易于进行大规模操作，一些生物曝气池、生物滤池的容积之大，也是其他工艺望尘莫及的，生物方法还可以就地利用天然水塘或土壤层作为污染物处理场所，这可大大降低处理费用。

因此生物技术在环境领域的应用将是势不可挡的。

与传统的物理化学修复技术相比，生物修复技术具有可以原地进行、投资省、对周围环境的扰动小、对污染物的去除具有持久性、可以与物理化学方法结合使用、生态协调而易于被公众接受等优点。

采用生物清除环境中污染物的生物修复技术则极具应用前景，代表了未来的发展方向，具有极大的潜力。

早在100多年前就有利用好氧微生物处理污水与废水的记载，但真正使用生物修复技术处理环境污染物至今不到30年的历史。

1989年，美国首次应用生物修复技术成功处理阿拉斯加海滩埃克森“瓦尔迪斯”号巨型油轮溢油污染，标志着生物修复的研究开始成为环境科学的热点与前沿。

在生物降解中，微生物是有机化合物生物降解的第一因素，具有降解和转化有机污染物的巨大潜能，被Bejerink概括为“微生物的绝对可靠性”和“微生物降解的必然性”理论。

基于微生物的各种特性和对有机污染物的降解中所起的重要作用，美国政府及州政府通过政策规定，将生物修复治理作为首选考虑的方法之一，如果生物处理适用于某一污染地点的治理，就不再要求采用其他方法。

由此可见，生物修复技术已被公认，并被国外发达国家普遍采用的一种行之有效的方法，已被成功地应用于土壤、城市河湖、地下水、近海洋面、农业、畜牧业、水产养殖等多个领域，并成为20世纪环境科技发展最快的高新技术领域之一。

据美国市场预测，在今后若干年中，市场对生物修复技术服务及其生物产品的需求平均增长率为15%，而实际市场的需求可能远远超过这一预测结果。

可以用于生物修复的微生物有很多，包括细菌、真菌及原生动物等三大类。

由于这些微生物的遗传特性、生理功能及生长条件要求有很大的差别，生物修复的效率也大不相同。

围绕微生物修复的研究主要包括高效降解菌的筛选、污染物微生物降解机制研究及提高修复效率等几个方面。

一、高效降解菌的筛选筛选污染物高效降解菌株的研究是微生物修复技术研究的第一步。

20世纪70年代以来，针对一些特定的有毒废水或成分单一的高浓度有机废水，已选育出具有较高降解活性的菌种，并进行纯培养后用于废水处理，已初步显示出一定的优越性，成为近年来利用生物处理废水的一种常用方法。

这种技术适用于当水体中污染物的降解菌很少甚至没有，在现场富集培养降解菌存在一定难度时的情况，它是通过向水环境中引入菌种来实现的。

目前，向污染环境中引入的菌种可以从待修复环境中的土著微生物中富集而得，也可以从其他环境中分离得到，甚至可以使用基因工程菌，因此，投加微生物按来源可分为土著微生物、外来微生物和基因工程菌。

向水体中投加菌种净化水体的技术是从清除海洋石油污染开始的。

从受石油污染水体中可以分离出高效除油菌株，这些菌株经过驯化、富集、筛选和培养后可制成生物制剂用于海洋及淡水水域有机污染物的生物修复。

在高效降解菌分离方面，开展了环境激素类化合物、多环化合物、除草剂、硝基化合物等降解菌的筛选、纯化，获得了不同有机污染物降解相应的单菌株。

二、微生物对污染物高效降解的机理分离纯化环境激素类化合物、多环化合物、除草剂、硝基化合物的降解菌，目的是对污染物微生物降解机制进行研究，得到了各种污染物的微生物降解生化途径与相应降解基因和对应的酶。

通常，人们从自然界筛选的降解菌，其降解酶的活性较低，不能满足实际需要。

可以通过各种分子生物技术来提高其活性，以增强降解菌对污染物的降解能力，如可以通过定向诱变或随机突变等技术来筛选高活性的降解基因或降解酶。

在研究降解机理的基础上，对编码微生物降解酶的基因和质粒进行分析，进而利用降解性质粒的相容性，把相容性的降解质粒转化到一种菌株里，赋予该菌株能够同时降解多种有机污染物的能力，也可以把不同的降解基因通过体外重组组建到同一个质粒或载体上去，然后再把这个质粒转化到特定环境的优势菌株中去。

这样，就可以构建“超级菌株”，从而扩大其对污染物的降解范围，提高治理效果，增强其净化环境的能力。

在有些情况下，两种或多种微生物在共同存在时才能降解某种或某些污染物，单独存在时不能降解该污染物。

在这种情况下，可以采用原生质体融合技术融合这两种微生物，融合子就会具备两个亲本的基因与优点，能够降解某种环境污染物，这也是目前污染治理工程菌制备的一个主要途径。

三、提高微生物修复效率的探讨对环境激素类化合物、多环化合物、除草剂、硝基化合物的降解菌分离、纯化，研究其降解生化途径、降解基因与降解酶，为利用降解菌修复被污染的环境提供理论。

污染物本身的物理性质，尤其是内部化学键、浓度、水溶性、分子极性、生物可利用性、化合物的吸附性、降解代谢的基因池存在与否和环境因子（温度、盐度、pH、氧化还原电位、营养可利用程度）等是影响污染物等顽固性化合物生物降解和修复的主要因素。

微生物对环境污染物的修复能否最终实现不仅仅依赖于其降解能力本身，而且依赖于污染物的生物可利用性以及细菌与土著微生物之间的竞争能力等其他因素。

化合物存在的界面尤其重要，因为其不仅影响污染物的吸附性，而且能影响不同的微生物类群形成和基因的水平转移性。

因此，污染物的生物可利用性成为成功生物修复的重要障碍之一，增加污染物的溶解性和生物可利用性是生物学方法进行成功修复的必要条件。

近几年来，科研工作者开始研究细菌的趋化性和调控污染环境中降解基因的水平转移来增强细菌的生物修复效果。

温度、pH、盐度等能影响污染物的溶解性、毒性、生物可利用性。

进行降解条件如温度、pH、盐度等的研究，为降解菌大规模的工业应用打下理论基础。

环境污染生物修复的研究还是十分年轻的学科。

国内微生物降解技术在环境保护领域中的应用已有几十年的历史，主要是在废水处理方面，用于土壤和地下水有机污染的治理却是崭新的。

因此，还存在以下一些亟待解决的问题。

今后的研究在追踪国际学科发展前沿的基础上，应着重开展以下基础研究：①生物修复材料的筛选，主要包括污染物高效降解微生物、重金属耐性与超富集植物及污染物降解动物的筛选。

②生物修复机理的研究，要从生态学、生理学、生物化学及分子生物学等不同角度与层次研究生物修复的机理。

③在对传统污染物进行研究的基础上，拓宽研究领域，注重探讨新型污染物“内分泌干扰物”环境行为及其生物修复的机理。

④基因工程的研究应用，在揭示生物修复分子机理的基础上，应用基因工程技术开展有关污染物修复高效基因的定位、克隆和转移的研究，使生物修复技术的研究和应用进入分子水平，提高学科的发展水平和发展空间。

⑤深入研究提高生物修复效率的影响因子及其机制，为生物修复技术的开发提供理论指导。

撰稿人：吴后波（环境与分子微生物学科组）。