以微生物為例淺析生物技術(shù)在化學污染治理中的應用

*李雋哲

(山西省知達常青藤學校 山西 030000)

以微生物為例淺析生物技術(shù)在化學污染治理中的應用

*李雋哲

(山西省知達常青藤學校 山西 030000)

隨著我國的社會科技發(fā)展逐步加快,工業(yè)化生產(chǎn)逐步增強,隨之而來的環(huán)境污染問題越來越嚴重,為了更有效地解決環(huán)境污染問題,以微生物技術(shù)為核心的環(huán)境污染治理方法被廣泛應用.該方法具有低能耗、低成本、高效率的優(yōu)點,并且不會對環(huán)境造成二次污染.基于此,本文就我國當前的環(huán)境狀況和在環(huán)境污染治理中遇到的各種問題做了簡要的分析,并以微生物為例,分析了生物技術(shù)在化學污染治理中的應用,以供參考.

微生物;化學污染;環(huán)境治理;發(fā)展前景

1.前言

目前,使用微生物技術(shù)處理環(huán)境污染的方法被廣泛應用,在大氣污染、水污染、土壤污染等方面都發(fā)揮了巨大的作用.隨著我國的社會科技發(fā)展逐步加快,工業(yè)化生產(chǎn)逐步增強,人口城鎮(zhèn)化逐步擴大,各種有害物質(zhì)、生活垃圾排放到水體、大氣和土壤中,其中一部分可以用物理方法進行清除,但更多一部分長期存在、難以降解,使得環(huán)境污染問題越來越嚴重.為了解決環(huán)境污染問題,微生物技術(shù)被廣泛應用.微生物廣泛分布在自然界中,它可以高度降解自然界中存在的有機物等污染物,通過生物轉(zhuǎn)化,可以將環(huán)境中的各種有害物質(zhì)和城市垃圾轉(zhuǎn)化為沼氣、腐殖質(zhì)肥料等,并且不會對環(huán)境造成二次污染,達到治理環(huán)境污染的目的,從而達到我國社會科技和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的目的.

2.微生物技術(shù)的簡介

(1)微生物的概念及特點

1674年,荷蘭科學家列文虎克通過透鏡發(fā)現(xiàn)了原生生物和細菌,這是人類首次接觸到微觀世界中的生物.從生物學的角度來說,人們無法通過肉眼能夠看清的一些微小生物均稱為微生物,主要包括病毒、真菌以及原生生物等,其特點如下:

①種類多:微生物種類繁多,目前世界上已發(fā)現(xiàn)的微生物種類至少有十萬種以上,按照機構(gòu)和組成可分為真核細胞微生物、原核細胞微生物和非細胞型微生物.隨著科學研究的深入,還會有許多微生物種類走進人們的視野.

②繁殖速度快:以大腸桿菌為例,在溫度、濕度、營養(yǎng)充足等適宜生長條件下,大腸桿菌每隔20min就能分裂一次,一天繁殖次數(shù)高達72次,由此可以看出,微生物在適宜條件下就能在短時間內(nèi)快速形成一個龐大的族群,這也就是食品在炎熱夏季容易腐敗的根本原因.

③轉(zhuǎn)化能力強:微生物新陳代謝旺盛,是高等動物的幾千到幾萬倍.以酒精酵母為例,一天內(nèi),一千克酒精酵母就可通過新陳代謝產(chǎn)生幾千千克的酒精,轉(zhuǎn)化能力強,這也從另一個角度解釋了微生物繁殖快的現(xiàn)象.

④個體較小表面積大;微生物個體非常小,肉眼幾乎難以看見,需借助顯微鏡下才能看清楚微生物的形態(tài),這是因為大多微生物的直徑都在1mm以下,而個體最小的病毒的直徑一般在幾十納米左右,比如冠性病毒的直徑為11nm、麻疹病毒的直徑為12nm.基于微生物個體如此之小,同等體積下,其相對的表面積則相應地就比較大,增加了微生物的接觸面積.

⑤適應能力強,容易變異:微生物的適應能力強表現(xiàn)在其一旦處于某個環(huán)境之中,能夠快速適應,并在短期之內(nèi)快速繁殖;此外,微生物極易變異,而變異一般與外界環(huán)境的刺激不無關(guān)系,比如經(jīng)常服用抗生素的人身體抵抗能力比較弱,吃藥效果不明顯,這就是因為體內(nèi)的微生物在抗生素的刺激下產(chǎn)生了變異,具有耐藥性.

(2)微生物技術(shù)

我國微生物技術(shù)發(fā)展迅速,并在社會發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用.比如在工業(yè)發(fā)展方面,越來越多的化學合成產(chǎn)品被微生物發(fā)酵產(chǎn)品所取代,通過化學合成技術(shù)和生物酶反應合成技術(shù)相結(jié)合,使新的發(fā)酵開發(fā)工藝被現(xiàn)代企業(yè)大規(guī)模使用;人類面臨的各種資源匱乏問題,通過微生物科技得到改善,微生物可以通過自身新陳代謝將地球上的各種可再生資源轉(zhuǎn)化為輕工、制藥等工業(yè)原料,開發(fā)所需的原料來源廣,能源消耗低,并且不會對環(huán)境造成二次污染;在環(huán)境保護方面,微生物可以利用自身的活性對污染物中的有機物進行降解,也可以去除工業(yè)廢水中的有毒有害物質(zhì)、放射性金屬,生物過濾法能去除空氣中的臭味和工業(yè)生產(chǎn)中的廢氣,并且具有低耗能、高效率的特點.傳統(tǒng)的處理環(huán)境的方法有物理法(過濾、填埋)和化學法(沉淀、焚燒),這樣的處理方式具有投資大、治理不徹底、易造成二次污染等缺點,而微生物科技不僅能有效避免這些問題,還能保護環(huán)境、改善能源,是當前社會需要的環(huán)保型科技.

3.我國環(huán)境現(xiàn)狀

伴隨著我國的工業(yè)化生產(chǎn)模式逐步擴大,所帶來的環(huán)境污染情況不斷惡化,污染情況從我國的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)逐步向低端產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)乃至全國蔓延.據(jù)不完全統(tǒng)計,我國沿海地區(qū),每年的生活污水和工業(yè)污水排放量高達70億噸,并被大量排放到東海沿岸、渤海沿岸和黃海沿岸,海洋被人類當做quot;垃圾箱quot;,任意傾倒,甚至把其他生活垃圾或者廢物直接倒入海中或者堆放在海邊,這不僅破壞了海洋環(huán)境還對大海中生物的生存環(huán)境造成了嚴重的危害.此外,隨著核技術(shù)在醫(yī)療、科研等領(lǐng)域的不斷推廣使用,大量的含有放射性物質(zhì)的污染物被傾倒或者填埋在土壤中,這些放射物質(zhì)不僅危害人身健康,還可以隨著飲水、食物進入到人體中,對人體造成頭暈、食欲下降,損害人體自身細胞的危害,甚至能引起腫瘤、白血病或遺傳障礙等疾病.總的來說,這些人為因素是導致環(huán)境惡化的主要因素,其產(chǎn)生的后果則是環(huán)境中存在著大量的化學污染,具體如下:

(1)酸堿等污染:以二氧化硫為例,煤炭中的硫元素通過燃燒與氧結(jié)合形成二氧化硫,二氧化硫是大氣中的主要污染物,是造成酸雨的主要原因;此外一些工廠隨意排放未經(jīng)處理的廢水,這些廢水中含有大量的堿性物質(zhì),如NaOH等.這些酸堿污染物不但會損害皮膚,還會改變環(huán)境中的pH值,給生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害,比如一旦農(nóng)田酸堿失衡,那么農(nóng)作物就會受到嚴重影響.

(2)重金屬污染:工業(yè)垃圾和城市垃圾以填埋的方式進行處理,垃圾中含有的大量鉛、汞、鉻、砷、銅等重金屬元素會進入到土壤和污水中,污染我們的環(huán)境.這些重金屬富集能力強,不易降解,能通過食物鏈進入人體內(nèi),進而富集在肝臟等器官中,引發(fā)癌癥等病變.

(3)有機磷農(nóng)藥等的污染:農(nóng)業(yè)在使用的殺蟲劑、殺菌劑和除草劑,通過各種途徑進入農(nóng)作物和土壤中,對土壤和水體造成污染,比如敵百蟲等.這些農(nóng)藥肆意亂用,在環(huán)境中很可能會發(fā)生反應,繼而觸發(fā)二次污染.此外,農(nóng)藥在自然環(huán)境中也不易降解,以通過食物鏈進入人體內(nèi),對人的生命安全構(gòu)成了威脅.比如,早在2007年,各大媒體就曾報道過quot;毒韭菜quot;食品重大問題,很多人因為食用了農(nóng)藥超標的韭菜而發(fā)生了有機磷中毒.

(4)需氧污染物污染:人類日常生活中產(chǎn)生的生活污水和工業(yè)廢水,直接排放到江、河、湖泊中,污水里含有大量的碳水化合物、蛋白質(zhì)等有機污染物,這些污染物在分解的時候需要大量的氧氣,使水里氧氣濃度降低,不適合魚類等動植物生存,造成水體污染.

4.微生物技術(shù)在化學污染治理中的應用

化學污染是指人類活動導致的化學污染物進入到自然中造成的環(huán)境污染,主要包括農(nóng)用化學物質(zhì)(農(nóng)藥、化肥等)、工業(yè)廢棄物、硫、磷、鉛、汞等有關(guān)化學物質(zhì)所造成的環(huán)境污染.由于化學物質(zhì)以小分子的形式存在環(huán)境中,傳統(tǒng)處理環(huán)境的方法不能有效地對化學污染進行治理,所以科學家研發(fā)了微生物技術(shù),該技術(shù)可以有效地解決化學物質(zhì)污染環(huán)境的問題.

(1)微生物技術(shù)在酸堿污染方面的治理應用

酸堿污染影響水體的PH值,受污染的水會腐蝕水里的建筑或船只,改變水質(zhì),使水里的生物無法生存,通過微生物技術(shù),利用微生物的自身新陳代謝把污染物轉(zhuǎn)化成無害的物質(zhì),達到凈化水體的目的.人類生產(chǎn)活動產(chǎn)生的二氧化硫污染物是大氣環(huán)境中的第一大污染物,是導致酸雨產(chǎn)生的首要因素.科學家采用微生物技術(shù)對含硫污染物進行處理,微生物煙氣脫硫方法與濕法脫硫相結(jié)合,使大氣中的二氧化硫通過水膜處理法,與水融合轉(zhuǎn)化成硫酸鹽或者亞硫酸鹽,在厭氧環(huán)境下,通過外加碳源處理,通過添加硫酸鹽還原菌(SRB),使硫酸鹽和亞硫酸鹽物質(zhì)被還原成硫化物,然后再使硫化物與無色硫細菌相結(jié)合,生成單質(zhì)硫,最后利用物理方法將單質(zhì)硫去除,從而達到微生物脫硫的目的.結(jié)果表明,在常溫常壓下,微生物脫硫技術(shù)的效率遠勝于傳統(tǒng)方法,并且具有脫硫率高、成本低、使用范圍廣、沒有二次污染等優(yōu)點.

(2)微生物技術(shù)在有機磷農(nóng)藥污染物方面的治理應用

隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)種植方式逐漸被優(yōu)化,農(nóng)民更多的依賴農(nóng)藥進行除草和殺蟲,以拌種、浸種、噴灑的方式使用農(nóng)藥,等于把農(nóng)藥直接混入土壤中,由此帶來的環(huán)境污染問題越來越嚴重.據(jù)不完全統(tǒng)計,我國在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面每年使用60多噸的農(nóng)藥(殺蟲劑、除草劑、殺菌劑等),這些農(nóng)藥的主要成分是有機磷,具有很強的殺蟲、殺菌力.這些農(nóng)藥會對土壤產(chǎn)生永久或暫時的破壞作用,并且受到污染的土壤恢復時間很長,使土壤的生產(chǎn)力和糧食質(zhì)量明顯下降.為了有效地解決農(nóng)藥對土壤的污染問題,科學家使用芽孢桿菌屬和棒桿菌屬對DDT農(nóng)藥,進行處理,使用曲霉和青霉對敵百蟲農(nóng)藥進行處理,使用鏈霉菌對五氯硝基苯農(nóng)藥進行處理,通過微生物進行復雜的轉(zhuǎn)化、分解,將土壤中的農(nóng)藥最終分解成為二氧化碳和水,達到凈化土壤的目的.

(3)微生物技術(shù)在重金屬污染物方面的治理應用

隨著城市化腳步和工農(nóng)業(yè)發(fā)展逐漸加快,每年都有大量的工業(yè)垃圾和城市垃圾填埋到土壤中,這些垃圾中不僅含有很多難以降解的固體污染物,還有很多的重金屬元素,比如含汞、銅、鎳、鉛等元素的化合物,這些重金屬元素在環(huán)境中不易降解,易致癌等.所以,重金屬對環(huán)境造成的污染已經(jīng)影響到了人類的生活質(zhì)量和身體的健康.用微生物技術(shù)對土壤中的重金屬元素進行處理,通過固化、轉(zhuǎn)化和移動,改善他們在土壤中的狀態(tài),達到修復土壤的目的.孫嘉龍等研究發(fā)現(xiàn),微生物在重金屬污染治理方面的機理主要是通過吸附、生物轉(zhuǎn)化以及菌根對金屬元素的富集作用.Geoffrey等利用小球藻來吸附重金屬,5h后,Co、Mn、Zn的吸附率分別高達62%、40%和54%.

(4)微生物技術(shù)在需氧污染物方面的治理應用

污水中的垃圾中含有很多的碳氫化合物、脂肪以及含氮化合物等有機污染物.這些有機污染物在好氧生物的作用下,被分解成水和二氧化碳,導致水中的氧氣和養(yǎng)分降低,促進了厭氧生物的繁殖,而厭氧生物在新陳代謝的過程中,會產(chǎn)生大量大量的有機毒物,諸如H2S不但惡臭,還會導致人出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)方面的疾病.微生物技術(shù)處理需氧污染物的機制為:在有氧條件下,溶于水的有機物透過微生物的細胞壁,進入到細菌體內(nèi),不溶于水的有機污染物,經(jīng)過微生物的分解,也進入的細菌體內(nèi),通過微生物的氧化、分解、轉(zhuǎn)化等過程,最終變成二氧化碳、水、硫酸鹽等物質(zhì),徹底降解水中污染物,達到凈化水質(zhì)的目的.通常,這類污染對象主要為水體,水體由于有機物過多,超出自身的凈化能力后,則因水體中的生物分解反應使得氧氣缺乏,繼而引發(fā)一系列污染物的產(chǎn)生.因此,從上述描述來看,增加水體中的氧氣,確保微生物的新陳代謝與分解,是解決這類污染的關(guān)鍵手段.一般情況下,工廠對污水的處理會采用活性污泥(大量的微生物)結(jié)合曝氣手段對水中的有機物進行充分的降解,在曝氣的過程中,水體中氧氣含量有了保證,微生物就能夠進行正常的分解水中的需氧污染物.當然在降解的過程中,也會一并處理了水中的其他污染,如金屬污染.

5.結(jié)語

綜上所述,利用微生物自身新陳代謝、吸附等作用可以有效地降解環(huán)境中的污染物.筆者認為,微生物來源廣泛、在化學污染治理中的效率高、成本低等優(yōu)勢是生物技術(shù)在化學污染治理方面碾壓其他技術(shù)的重要原因.隨著微生物菌種培育、篩選以及基因改造等技術(shù)的不斷應用與突破,生物技術(shù)必將在化學污染治理中quot;大放異彩quot;.

[1]孫嘉龍,李梅,曾德華.微生物對重金屬的吸附、轉(zhuǎn)化作用[J].貴州農(nóng)業(yè)科學,2007,35(5):147-150.

[2]Geoffrey W, Codd G A, Gadd G M. Accumulation of cobalt, zinc and manganese by the estuarine green microalga Chlorella salina immobilized in alginate microbeads[J].Environmental Science amp; Technology, 1992, 26(26):1764-1770.

[3]劉瑜,董偉.我國環(huán)境污染現(xiàn)狀與化學計量應用探究[J].科技風,2015(8):75.

[4]王小玲.論我國環(huán)境化學污染事故的應急監(jiān)測[J].信息化建設(shè),2016(4).

[5]袁廷香.我國環(huán)境污染的現(xiàn)狀與防治策略[J].中學地理教學參考,2015(14).

[6]郭曉珂,史利濤.我國城市環(huán)境污染的現(xiàn)狀及防治措施研究[J].科技與企業(yè),2014(8):260-261.

[7]金秋,陳立華,閆少鋒.有效微生物技術(shù)在城市環(huán)境治理領(lǐng)域中的應用[J].環(huán)境科技,2015(1):70-74.

李雋哲(2000-),男,山西省知達常青藤學校;研究方向:無.

The Application of Biotechnology Technology in Chemical Pollution Control by Taking Microorganism for Example

Li Junzhe
(Zhida Ivy School of Shanxi Province, Shanxi, 030000)

With the rapid development of social science and technology in China, the industrial production is gradually enhanced, and the environmental pollution problems are becoming more and more serious. In order to solve the environmental pollution problem more effectively, the environmental pollution treatment method based on microbial technology is widely used. This method has the advantages of low energy consumption,low cost and high efficiency, and does not cause secondary pollution to the environment. Based on this, this paper makes a brief analysis of the current environmental conditions and the problems encountered in the treatment of environmental pollution, and takes the microorganism as an example,analyzes the application of biotechnology technology in the treatment of chemical pollution, for reference.

microorganisms;chemical pollution;environmental governance;development prospects

T

A