摘要：從微生物修復、植物修復和動物修復3個方面系統(tǒng)介紹了生物修復技術的作用原理，闡述了生物修復技術用于治理氮磷、有機物和重金屬污染的研究現(xiàn)狀，并總結了目前存在的問題，指出了生物修復技術的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：生物修復  水污染  富營養(yǎng)化  有機污染物  重金屬

據(jù)報道，我國目前有50%的河道和80%以上的湖泊受到污染，許多湖泊已達不到地表水Ⅲ類水質(zhì)標準，受污染水體的綜合治理和修復已刻不容緩[1]。生物修復技術是在20世紀90年代得到迅速發(fā)展的一項污染治理工程技術，利用生物的生命代謝活動來減少污染環(huán)境中的有毒有害物的濃度或使其無害化，從而使污染了的環(huán)境能夠部分或完全地恢復到原初狀態(tài)的過程。它利用生物對環(huán)境污染物的吸收、代謝及降解等功能，對環(huán)境中污染物的降解起催化作用，加速去除環(huán)境中的污染物。與傳統(tǒng)的物理化學修復技術相比，生物修復技術具有以下優(yōu)點：①費用省，僅為現(xiàn)有環(huán)境工程技術的幾分之一；②環(huán)境影響小，不會形成二次污染或?qū)е挛廴疚锏霓D移；③可最大限度地降低污染物濃度。

生物修復的種類很多，根據(jù)被修復的污染環(huán)境，可分為土壤生物修復、地下水生物修復、沉積物生物修復和海洋生物修復等；根據(jù)生物修復所利用的生物種類，可分為動物修復、植物修復和微生物修復；根據(jù)人工干預的情況，可分為自然生物修復和人工生物修復，人工生物修復又可分為原位生物修復(in situ bioremediation)、易位生物修復(ex situ bioremediation)和反應器生物修復(reactor bioremediation)。

1  生物修復的作用機制

1.1  微生物修復

微生物修復技術是在人為優(yōu)化的條件下，用自然環(huán)境中的土著微生物或人為投加外源微生物的代謝活動（分解代謝和合成代謝），對環(huán)境中的污染物進行轉化、降解與去除的方法。微生物在生物修復中起著主導作用。早期的生物修復主要是利用微生物降解和轉化環(huán)境中的有機污染物�？梢杂糜谏镄迯偷奈⑸镉泻芏啵毦�、真菌及原生動物等。

廢水中的有毒物質(zhì)的成份非常復雜，包括各種酚類、氰化物、重金屬、有機磷、有機汞、有機酸、醛醇及蛋白質(zhì)等等。生物處理去除污水中的有機物質(zhì)，是利用微生物的新陳代謝過程。微生物群體依靠細胞壁將污水中的有機物質(zhì)吸收消化，同時產(chǎn)生一定的代謝物質(zhì)，再作為其它微生物的養(yǎng)料，進行吸收消化，周而復始，直至污水中的有機物質(zhì)全部分解。微生物對有機污染物的降解和轉化主要包括好氧和厭氧兩個過程，完全的好氧過程可使其轉化為CO₂、H₂O、SO₄^2－、PO₄^3－、NO₂－、NO₃－等無機物，厭氧過程的主要產(chǎn)物為小分子有機酸和其他產(chǎn)物（CO₂、CH₄和H₂等）。微生物雖然不能夠?qū)⒅亟饘偻ㄟ^降解而去除，但卻可以通過對重金屬的轉化和固定過程降低其毒性，還可以將重金屬積累在菌體內(nèi)[2]。

湖泊污染的生物修復，主要是在湖泊中加入營養(yǎng)鹽，用曝氣機攪拌混合。底泥中的有機污染物可作為碳源被微生物利用，使污染的淺水湖泊得以生物修復。

海洋油污染的生物修復，主要依靠低溫微生物對石油烴的降解作用來實現(xiàn)。海洋本已存在大量能降解石油的微生物，原油的泄漏能刺激該類微生物的大量增殖，從而加速石油的分解，最終達到清除石油污染的目的[3]。降解石油的微生物廣泛分布于海洋、淡水、陸地、寒帶、溫帶、熱帶等不同環(huán)境中，能夠分解石油烴類的微生物包括細菌、放線菌、霉菌、酵母以及藻類等共100余屬、200多種，而環(huán)境條件對微生物存在數(shù)量有限制作用。由于自然界石油的降解是一系列微生物共同作用的結果，沒有一種微生物能降解石油中所包含的所有碳氫化合物，有些微生物本身并不能分解碳氫化合物，但其在石油去除中發(fā)揮著重要作用[4]。

1.2  植物修復

植物修復技術是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素的理論為基礎，直接利用有生命的綠色植物及與其共存微生物體系清除或降低環(huán)境污染物的一項新興技術。植物，特別是水生植物，對污染水體都有一定的凈化能力，因此，在污染水體中種植對污染物吸收能力強且耐性好的植物，應用植物對污染物的吸附、吸收、富集和降解(植物根系-根際微生物的聯(lián)合作用)等，將水體中污染物去除或固定，從而實現(xiàn)水體修復的目的。植物對污染物可通過根系吸收，也可以直接經(jīng)莖、葉等器官的體表吸收，吸收到體內(nèi)的有機物，如酚、氰等可以直接降解，重金屬、有機氯農(nóng)藥，如DDT、六六六等難降解物質(zhì)，可貯存在植物體內(nèi)，甚至達到很高的濃度時，植物仍不會受害。

植物可直接吸收污染物質(zhì)，通過轉化和輸送，以非植物性毒素的形式進行積累。另一方面，植物通過向水體中分泌營養(yǎng)物質(zhì)(單糖、氨基酸、脂肪族化合物、芳香烴等)和酶以及傳遞O₂到根部來刺激根系周圍微生物生長，并改變水體的生化活性，從而加速水體的生物修復作用。近年來研究表明植物根系的分泌物不但可為微生物提供營養(yǎng)物，同時可誘導微生物降解某些難降解的有毒物質(zhì)如多氯聯(lián)苯。水生植物可向沉積物、根圍、莖葉圍釋放營養(yǎng)物質(zhì)和O₂，使沉積物中的微生物通過好氧的方式礦化污染物，提高微生物活性及對污染物的礦化能力[4]。

藻類和微型動物在水體的生物修復中也發(fā)揮著重要作用，通過藻類光合作用釋放氧，可使嚴重污染后缺氧的水體恢復至好氧狀態(tài)，這為微生物降解污染物提供了必要的電子受體，使好氧性菌對污染物的降解能順利地進行。另外，水生植物根系部分還會棲生一些小型動物，它們通過吞噬過多的藻類和一些病原微生物，間接地對水體起到凈化作用[5]。

1.3  動物修復

在污染水體治理修復中，合理規(guī)劃、科學發(fā)展水上養(yǎng)殖，可在氮磷污染較重的水域適當增加食草和浮游植物魚種的投放，以控制和消耗過度繁殖的藻類、提高水質(zhì)。魚類是動物修復的重要參與者，鰱魚主要以浮游植物為食，鳙魚主要以浮游動物為食。水蚤以藻類和有機腐屑為食，能有效除去藻類，同時它又可作為魚類等水生動物的餌料被消耗。螺、蚌等底棲動物也可攝食碎屑、藻類，蝦和魚類可攝食藻類、碎屑、浮游動植物等，它們都能夠明顯限制浮游植物的生物量，同時降低水體中的COD、TP、DO和pH。

在湖泊及觀賞性水體中，加入顏色鮮艷的鯉魚、金魚等，既可提高觀賞價值，又可吞噬水草、藻類及其他小動物，保持水體的生態(tài)平衡。動物在水體污染處理中主要起輔助作用，但它在處理污染物質(zhì)的同時增加了經(jīng)濟效益及觀賞效益，是傳統(tǒng)生物修復的必要補充[6]。

2  生物修復技術的研究現(xiàn)狀

2.1  脫氮除磷 

一般來說，當天然水體中總磷濃度大于0.02 mg/L、無機氮濃度大于0.3 mg/L時，就可認為水體處于富營養(yǎng)化狀態(tài)。富營養(yǎng)化水體中的氮、磷促使水中的藻類急劇生長，大量藻類的生長消耗了水中的氧，使魚類、浮游生物因缺氧而死亡，從而它們腐爛的尸體使水質(zhì)受到污染。因此，去除水體中大量的氮、磷，是治理富營養(yǎng)化污水的根本。然而，氮、磷元素是植物生長必需的營養(yǎng)物質(zhì)，因而治理氮、磷污染的最好方法是植物修復。

徐永健等[7]根據(jù)江蘺對環(huán)境水體中的不同營養(yǎng)類型及濃度有著靈敏的生理生化反應差異的特點，論述了江蘺可作為準確測量環(huán)境中生物可獲得營養(yǎng)鹽濃度變化的指示生物的可行性。李睿華等[8]探討了美人蕉、香根草和荊三棱3種水生植物帶改善河水水質(zhì)的作用，發(fā)現(xiàn)有植物帶對污染物降解的效果好于無植物帶，其中荊三棱帶效果最好，它在整個運行期間對COD、NH₄＋-N和TP的去除效果分別為44.1%、78.7%和71.4%。

人工濕地污水凈化系統(tǒng)一個很重要的功能就是去除污水中的氮磷。濕地植物能通過吸收、吸附和富集等作用去除污水中的污染物，包括對氮、磷的吸收利用。趙麗娜等[9]比較了幾種春季濕地植物的污水處理效果，總結出菖蒲和香蒲的處理能力較好，其對TN、TP和COD的去除率分別達到了72.46%、90.36%、65.05%和69.82%、91.32%、77.15%；蘆葦?shù)奶幚硇Ч源斡谳牌押拖闫�，其TN、TP和COD的去除率分別為58.84%、74.60%和57.19%。CHRIS[10]研究了流入污水的水質(zhì)對濕地去除氮、磷的影響，停留時間從 2 d 增加到 7 d，結果發(fā)現(xiàn)在沒有種植植物的濕地中 TN 的和 TP 的去除率分別從相同的 12%增加到 41%和 36%，而在種植了棒燈芯草時分別從 48%和 37%增加到 75%和 74%，但當流入污水中氮磷含量增加時，種植了植物的濕地去除效果有一定程度的提高，沒有種植植物的卻下降。

此外植物的不同生長階段對人工濕地系統(tǒng)污水處理效果都有影響，植物生長過程中，各人工濕地系統(tǒng)污水處理能力總體上持續(xù)增強，各水質(zhì)指標 pH、DO、TN、NH₃-N、NO₃-N、TP 和 COD等均呈下降趨勢，其中 TP 和 COD呈逐步下降，pH、DO、TN、NH₃-N、NO₃-N則呈現(xiàn)鋸齒形波動，但總體上仍是下降過程[11]。鄧仕槐[12]指出污水處理后，濕地植物各器官中的氮磷含量及分布有變化，蘆葦葉對氮、磷的積累量最大，姜花根對氮的積累量最大，而對磷積累不明顯。李建娜等[13]考察了7種濕地植物對氮、磷的吸收能力。結果表明，穩(wěn)定生長4個月后，平均總生物量在1 215～3 500 g/m²，植物氮、磷平均質(zhì)量濃度分別為13.76～23.11、1.44～3.80 mg/g。香蒲具有最高氮積累量達48.18 g/m²，梭魚草具有最高磷積累量為7.23 g/m²，姜草對氮、磷的積累量最低分別為21.40、1.68 g/m²。植物地上部氮、磷積累量與地下部的氮、磷積累量差異較大，除姜草外，植物地上部、地下部的氮、磷積累量比均大于3，黃花美人蕉地上部、地下部的氮、磷積累量比分別達11.75、12.10 g/m²。通過植物收割去除氮、磷量約占濕地總去除量的2%～6%。

2.2  降解有機污染物

20世紀以來，大量的人工合成化合物被排放入水體，由于其本身結構的復雜性和生物陌生性，傳統(tǒng)的生物處理技術在處理這類污染物時遇到了一定的困難。生物強化技術通過在污水中加入優(yōu)勢高效菌種來增加和改善處理系統(tǒng)的能力，是一種利用生物治理廢水的高效技術，在廢水治理中的應用范圍在逐漸擴大。

解宏端等[14]采用生物強化技術，向活性污泥處理系統(tǒng)中投加高效菌劑，考察了其對焦化廢水的處理效果和最佳控制參數(shù)。結果表明，在連續(xù)進水的條件下，控制活性污泥的SV30為30%、高效菌液的投加量為0.3%（菌液與焦化廢水的體積分數(shù)）、水力停留時間為15 h，系統(tǒng)對揮發(fā)酚的去除率為99. 94%，出水揮發(fā)酚<0.5 mg/L，達到《鋼鐵工業(yè)水污染物排放標準》(GB 13456—92)的一級標準要求；對COD的去除率為85.60%，與未投菌的對照組相比(COD去除率為60. 87% )，也有較大程度的提高。

在活性污泥中投加X4 菌對含油脂廢水進行強化處理，可以提高油脂的去除率。未馴化的活性污泥對油脂的降解作用十分緩慢，在24 h內(nèi)只降解9%的油脂。馴化后的活性污泥對油脂具有較好的去除能力，在24 h內(nèi)對油脂的降解率為78%。在馴化后的活性污泥中投菌量為43%時，24 h 油脂的去除率達到97%[15]。宋秀娟等[16]采用生物強化技術，即利用從廢水中分離、篩選出的降解丙烯腈與總氰的特效菌株，使化纖廢水加營養(yǎng)鹽的培養(yǎng)基中丙烯腈降解率達98.7%，總氰降解率達84%。

2.3  去除重金屬污染

（1）重金屬污染水體的微生物修復

環(huán)境中微生物并不能降解金屬污染物，只能改變金屬污染物的種類。生物法去除環(huán)境中的重金屬主要是利用微生物改變金屬原子、金屬離子的形態(tài)，使其沉淀，以達到去除有毒重金屬的目的；或者利用微生物改變金屬離子的價態(tài)，使金屬溶于液體中，從而易于從土壤中濾除。此外，還發(fā)現(xiàn)海藻、酵母菌等對金屬具有較強的生物吸附能力。

張玉玲等[17]利用從活性污泥中分離、純化、篩選得到的霉菌，可以有效地吸附水體中Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)離子。王亞雄等[18]對產(chǎn)堿假單胞菌和藤黃微球菌對Cu2+、Pb2+的吸附特性研究表明，兩者對Cu2+、Pb2+的吸附速度很快，3 min內(nèi)細菌對金屬離子的吸附量達到總吸附量的75%，然后吸附速度逐漸降低。PRAKASHAM等[19]報道了根霉對Cr6+吸附。泥炭[20]、冬青屬的櫟屑[21]等經(jīng)試驗證明都可做生物吸附劑。

（2）重金屬污染水體的植物修復

重金屬污染水體的植物修復是通過植物根系移去、揮發(fā)或穩(wěn)定水體環(huán)境中的重金屬污染物，降低污染物中的重金屬毒性，以達到清除污染、修復或治理水體為目的的一種技術。研究表明：通過植物的吸收、揮發(fā)、根濾、降解、穩(wěn)定等作用，以達到凈化環(huán)境的目的，而植物修復是一種清除環(huán)境污染的綠色技術，它具有成本低、不破壞生態(tài)環(huán)境、不引起二次污染等優(yōu)點[22]。

黃永杰等[23]比較了8種水生植物對重金屬富集能力，其中以水鱉根、莖葉的Cu、Pb、Cd、Zn含量最高。彭克儉[24]認為龍須眼子菜能有效地從溶液中去除鎘和鉛。向日葵、豌豆、蓖麻等植物幼苗也能有效地運用到環(huán)境水體中重金屬鋅、鉛、鎘、銅污染的植物修復[25-28]。林淦等[29]利用水花生處理水體中重金屬Pb2+時發(fā)現(xiàn)，重金屬Pb2+為5 mg/L，pH為7.0~8.0(pH為7.5最佳)，處理溫度為25～30 ℃(溫度25 ℃最佳)時；在處理時間為7 d以后，水花生凈化Pb2+可以達到低于國家標準所允許排放的最高質(zhì)量濃度0.2 mg/L。DANIELA等[30]研究了蘆葦不同部位對重金屬的吸收吸附量，結果表明全部被檢測金屬(Cr、Cd、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb和Zn)吸附量都是根部大于葉部，而且差異高度顯著。

（3）重金屬污染水體的動物修復

水體底棲動物中的貝類、甲殼類、環(huán)節(jié)動物等對重金屬具有一定富集作用。王曉麗等[31]應用半靜態(tài)雙箱模型室內(nèi)模擬了牡蠣對4種重金屬(As、Hg、Cd、Pb)的生物富集實驗，證明了牡蠣是比較理想的重金屬Hg、Cd、Pb污染的指示生物。據(jù)報道三角帆蚌、河蚌對重金屬(Pb2+、Cu2+、Cr2+等)具有明顯自然凈化能力。但此法處理周期長，費用高，因此目前水生動物主要用作環(huán)境重金屬污染的指示生物，用于污染治理的不多[32]。

3  問題與建議

生物修復技術因其投入少，費用低廉，無二次污染等優(yōu)點而備受矚目，其研究成果在環(huán)境保護領域中應用也越來越廣泛。生物修復技術雖然比一些常規(guī)技術優(yōu)越，但仍然存在許多問題尚待解決：有毒物質(zhì)(如重金屬)對生物降解有抑制作用；某些污染物不能被生物降解，微生物也不可能降解所有的污染物；有些污染物在降解的過程中會轉化成有毒的代謝產(chǎn)物；生物的活性受到溫度、酸堿度等環(huán)境因素的制約；植物修復過程比較緩慢，且具有明顯的季節(jié)性；植物體內(nèi)累積污染物后若不能將其降解該如何資源化利用或妥善處置。

 結合當前國際該領域的發(fā)展趨勢，建議著重開展以下研究工作：①篩選、分離、培育高效生物物種，主要包括污染物高效降解微生物、重金屬耐性與超富集植物及污染物降解動物；②深入生物修復機制的研究，要從生態(tài)學、生理學、生物化學及分子生物學等不同角度與層次研究生物修復的機制；③基因工程的研究應用，使生物修復技術的研究和應用進入分子水平，提高學科的發(fā)展水平和發(fā)展空間；④加強生物修復技術同其它修復技術相結合的綜合技術的研究。

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