微生物技術(shù)治理環(huán)境污染的應(yīng)用及前景

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簡(jiǎn)介： 本文較為系統(tǒng)地概述我國(guó)環(huán)境發(fā)展與保護(hù)的現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)環(huán)境保護(hù)和環(huán)境預(yù)防、治理的分析，從“可持續(xù)發(fā)展”方向分析和例證了微生物科學(xué)在環(huán)境應(yīng)用上的價(jià)值和前途。
關(guān)鍵字：微生物 環(huán)境污染

　　Abstract：This article systematically outlines the development and the protection present situation of our country environment, through the analysis of environment protection and environment prevention, government, the article analyzed and illustrated the value and future of microorganism science in environment application from "sustainable development" direction.

　　key words： Microorganism  Environmental pollution

　　自然界存在著豐富的微生物種群，這些微生物雖然個(gè)體微小，但在環(huán)境污染凈化中卻扮演著不容忽視的重要作用。微生物是通過(guò)水和風(fēng)的散播得以存在各處的，無(wú)論在水表、海底或在土壤中都有微生物的身影。微生物由于自身的生理特性，可以通過(guò)自發(fā)的或人為的遺傳、變異等生物過(guò)程適應(yīng)環(huán)境的變化，使之能以各種污染物尤其是有機(jī)污染物為營(yíng)養(yǎng)源，通過(guò)吸收、代謝等一系列反應(yīng)，將環(huán)境中的污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定無(wú)害的無(wú)機(jī)物。因而，在生物圈中微生物充當(dāng)著分解者的角色。大約90%的陸地生產(chǎn)者都要通過(guò)分解者作用最終形成無(wú)機(jī)物歸還大地。如果沒(méi)有微生物的作用，僅歷年積累下的生物殘?bào)w就會(huì)堆積如山。通常我們可以看到這樣一個(gè)現(xiàn)象：少量污水排入河川使得河水出現(xiàn)渾濁，但在經(jīng)過(guò)一短時(shí)間的流動(dòng)以后，河水逐漸變得清澈。這種現(xiàn)象就是微生物對(duì)排入水體污染物進(jìn)行凈化的一個(gè)典型例子。正是這種微生物對(duì)環(huán)境污染的降解作用保證了自然界正常的物質(zhì)循環(huán)。以廢水的生物處理為例，可分為好氧生物處理和厭氧生物處理。好氧生物處理利用好氧在有氧條件下的代謝作用，將廢水中復(fù)雜的有機(jī)物分解成二氧化碳和水。這一過(guò)程需要在一定的處理構(gòu)筑物內(nèi)完成，其重要條件是保證充足的氧氣供應(yīng)、穩(wěn)定的溫度及水質(zhì)。厭氧生物處理是利用在無(wú)氧條件下生長(zhǎng)的厭氧或兼性微生物的代謝作用處理廢水，其主要降解產(chǎn)物是甲烷和二氧化碳等。厭氧處理也需要在一定的處理構(gòu)筑物內(nèi)完成，一般需要保證溫度、無(wú)氧或低溶解氧濃度。當(dāng)今，微生物技術(shù)已成為廢水處理中的主流方法。

　　一、環(huán)境保護(hù)的現(xiàn)狀

　　我國(guó)是世界上環(huán)境污染最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，大氣、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。貴陽(yáng)、重慶、北京、蘭州等五個(gè)城市位于世界十大空氣污染最嚴(yán)重的城市中之列，全國(guó)600多個(gè)城市中、大氣質(zhì)量符合國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的不足1%。全國(guó)范圍的酸雨危害的程度和區(qū)域日益擴(kuò)大。全國(guó)每年污水排放達(dá)360億噸，僅10%的生活污水 和70%的工業(yè)廢水得到處理，其中約有一半工業(yè)污水處理設(shè)施的出水達(dá)不到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。其他未經(jīng)處理的污水直接排入江河湖海，致使我國(guó)的水環(huán)境遭受嚴(yán)重污染和破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)七大水系和內(nèi)陸河流的110個(gè)重點(diǎn)河段中，屬4類和5類水體的占39%；城市地面水污染普遍嚴(yán)重，并呈進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)，136條流經(jīng)城市的河流中，屬4類、5類和超過(guò)5類標(biāo)準(zhǔn)的高達(dá)76.8%；約50%的城市地下水受到不同程度的污染；全國(guó)大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富營(yíng)養(yǎng)化程度逐年加??；城市垃圾和工業(yè)固體廢棄物與日俱增，工業(yè)廢棄物累計(jì)堆積量已超過(guò)66億噸，占地超過(guò)5萬(wàn)公頃，使200多個(gè)城市陷入垃圾包圍之中。

　　當(dāng)前我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)仍然保持著高度發(fā)展的態(tài)勢(shì)，環(huán)境保護(hù)的壓力將進(jìn)一步加重，由人類活動(dòng)所造成的環(huán)境污染和環(huán)境質(zhì)量的惡化已成為制約我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的障礙。據(jù)中國(guó)社會(huì)科學(xué)院1998年度調(diào)查和估計(jì)，我國(guó)環(huán)境污染和生態(tài)破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失每年超過(guò)2000億元人民幣。如何在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)控制環(huán)境污染，改善環(huán)境質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展之目標(biāo)是我國(guó)目前亟待解決的重要問(wèn)題。

　　當(dāng)今世界各國(guó)已普遍接受 “可持續(xù)發(fā)展”這一全新的概念，并圍繞它制定和實(shí)施本國(guó)的環(huán)境保護(hù)及其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)政策?？沙掷m(xù)發(fā)展要求在保持經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，必須保護(hù)好人類賴以生存的環(huán)境。環(huán)境和經(jīng)濟(jì)及貿(mào)易掛鉤是當(dāng)前國(guó)際政治及經(jīng)濟(jì)關(guān)系發(fā)展中的新形勢(shì)。例如，在日元貸款中，環(huán)保貸款已成為非常重要的組成部分。ISO14000系列國(guó)際環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)，將要求企業(yè)承擔(dān)相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)責(zé)任，并對(duì)達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)給予認(rèn)證。沒(méi)有得到認(rèn)證的企業(yè)的產(chǎn)品，在出口時(shí)將有可能面臨被國(guó)外政府以未承擔(dān)環(huán)境保護(hù)的責(zé)任而拒絕進(jìn)口；同時(shí)，國(guó)外大型企業(yè)也可能因害怕和這些未達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)合作而影響其形象，從而中止和這些企業(yè)的合作。至2003年，ISO9000系列質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)將和ISO14000系列環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，從而將進(jìn)一步強(qiáng)化環(huán)境保護(hù)對(duì)企業(yè)發(fā)展的重要意義。

　　二、微生物技術(shù)治理環(huán)境污染問(wèn)題的特點(diǎn)

　　科技的發(fā)展也充分證明微生物技術(shù)是環(huán)境保護(hù)的理想武器，這一技術(shù)在解決環(huán)境問(wèn)題過(guò)程中所顯示的獨(dú)特功能和顯著優(yōu)越性充分體現(xiàn)在它是一個(gè)純生態(tài)過(guò)程，從根本上體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思想。微生物技術(shù)在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應(yīng)條件溫和以及無(wú)二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，加之其技術(shù)開(kāi)發(fā)所預(yù)示的廣闊的市場(chǎng)前景，受到了各國(guó)政府、科技工作者和企業(yè)家的高度重視。隨著生物技術(shù)研究的進(jìn)展和人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題認(rèn)識(shí)的深入，人們已越來(lái)越意識(shí)到，現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，為從根本上解決環(huán)境問(wèn)題提供了無(wú)限的希望。

　　目前微生物技術(shù)已是環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用最廣的、最為重要的單項(xiàng)技術(shù)，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質(zhì)的降解、清潔可再生能源的開(kāi)發(fā)、廢物資源化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染環(huán)境的修復(fù)和污染嚴(yán)重的工業(yè)企業(yè)的清潔生產(chǎn)等環(huán)境保護(hù)的各個(gè)方面，發(fā)揮著極為重要的作用。應(yīng)用微生物技術(shù)處理污染物時(shí)，最終產(chǎn)物大都是無(wú)毒無(wú)害的、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水和氮?dú)?。利用微生物方法處理污染物通常能一步到位，避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。特別是現(xiàn)代微生物技術(shù)的發(fā)展，尤其是基因工程、細(xì)胞工程和酶工程等生物高技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，使微生物處理具有更高的效率，更低的成本和更好的專一性，為微生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。微生物技術(shù)不僅單純適用于環(huán)境污染治理，如今已相當(dāng)廣泛地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，成為環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)和報(bào)警中的重要組成部分。

　　三、微生物技術(shù)在環(huán)境污染治理領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

　　空氣、水體和土地資源的污染越來(lái)越嚴(yán)重，不但影響了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，甚至已威脅到人類的健康、智力乃至生存，因此全球各國(guó)近幾年都在尋找新的途徑和方法，以治理和解決環(huán)境污染問(wèn)題。以下重點(diǎn)介紹幾項(xiàng)經(jīng)多年開(kāi)發(fā)，已接近產(chǎn)業(yè)化的微生物技術(shù)。

　　1.微生物脫硫技術(shù)

　　煤炭是世界能源的重要組成部分，我國(guó)是世界上最大的產(chǎn)煤國(guó)和煤消耗國(guó)，煤炭占我國(guó)一次能源的3/4，高硫煤儲(chǔ)量約占總儲(chǔ)量的1/3，并且高硫煤開(kāi)采比例也逐年上升，而黃鐵礦硫約占總硫的60%。煤中通常含有0.25％～7%的硫，如我國(guó)西南地區(qū)煤平均含硫量為3.23%，西北地區(qū)為3.05%，中南地區(qū)為2.02%，華北地區(qū)為1.65%。煤炭中的硫分為可燃硫和不燃硫。不燃硫主要是硫酸鹽，可燃硫包括無(wú)機(jī)硫和有機(jī)硫?？扇剂蚪?jīng)燃燒生成SO₂隨煙氣排入大氣，導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染，造成的經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)數(shù)百億元。據(jù)報(bào)道，1997年，我國(guó)的SO₂年排放量已達(dá)2 346萬(wàn)噸，居世界第一位，62%的城市大氣SO₂日平均濃度超過(guò)國(guó)家三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；全國(guó)酸雨區(qū)面積已占國(guó)土面積的30%，華中酸雨區(qū)酸雨頻率高達(dá)90%以上。預(yù)計(jì)2000年我國(guó)一次能源的消 耗量將超過(guò)12億噸。SO₂年排放量將會(huì)達(dá)到3822萬(wàn)噸?！吨袊?guó)21世紀(jì)議程》中指出：“發(fā)展少污染的潔凈煤技術(shù)是中國(guó)政府履行國(guó)際公約、承擔(dān)相應(yīng)國(guó)際義務(wù)的重要方面，也是促進(jìn)中國(guó)以煤為主的能源系統(tǒng)向環(huán)境無(wú)害的可持續(xù)發(fā)展的模式轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略組成部分?！笨梢?jiàn)潔凈煤是中國(guó)能源的未來(lái)。

　　近年來(lái)研究人員把煤的物理選煤技術(shù)之一的浮選法和微生物處理相結(jié)合，即把煤粉碎成微粒與水混合，并將微生物加入溶液中，讓微生物附著在黃鐵礦表面，使其表面變成親水性，能溶于水。在浮選中其難以附著在氣泡上，下沉至底部，從而把煤和黃鐵礦分開(kāi)。由于它僅處理黃鐵礦的表面，因此脫硫時(shí)間只需數(shù)分鐘即可，從而大幅度縮短了處理時(shí)間，可脫除無(wú)機(jī)硫約70%。另外，該法在把煤中的黃鐵礦脫硫時(shí)，灰分也可同時(shí)沉底，所以也具有脫去灰分的優(yōu)點(diǎn)。目前，浮選法微生物脫硫已成為國(guó)際上潔凈煤技術(shù)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

　　2.微生物制漿和微生物漂白技術(shù)

　　我國(guó)造紙行業(yè)年排放廢水量達(dá)40億噸，占全國(guó)工業(yè)廢水排放量的1/6，其中有機(jī)污染物(以BOD計(jì))達(dá)170萬(wàn)噸，約占全國(guó)工業(yè)廢水中有機(jī)污染物總量的1/4。在用植物材料進(jìn)行化學(xué)制漿與化學(xué)漂白過(guò)程中，含有大量木質(zhì)素、半纖維素和有害物質(zhì)的廢液被傾倒入江河湖泊中，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞。多年來(lái)，人們不懈地努力，試圖開(kāi)發(fā)出無(wú)污染和高效率的制漿造紙新工藝，以減少污染，保護(hù)環(huán)境。

　　造紙工業(yè)中的制漿和漂白工序是污染物產(chǎn)生的主要工序。與化學(xué)法相比，雖然機(jī)械法制漿可以大大提高紙漿得率，從而節(jié)省大量林木資源。但是，磨木漿的能量消耗很大，而且成品紙的強(qiáng)度等質(zhì)量性能不如硫酸鹽漿，因而限制了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。微生物技術(shù)可以幫助解決這些問(wèn)題，其中最具吸引力和挑戰(zhàn)性的是微生物制漿與微生物漂白。利用微生物與微生物酶類進(jìn)行微生物制漿與微生物漂白具有很大的優(yōu)勢(shì)和潛力，因?yàn)槲⑸飿O易生長(zhǎng)繁殖，酶催化反應(yīng)具有高度專一性，反應(yīng)條件溫和，并且高效無(wú)污染。

　　3.污染土壤的微生物修復(fù)

　　當(dāng)代工業(yè)的迅速發(fā)展，大量的人造化學(xué)物質(zhì)排放入環(huán)境中，對(duì)資源和環(huán)境構(gòu)成越來(lái)越嚴(yán)重的破壞?；剂系拈_(kāi)采和使用，工業(yè)三廢的排放，給我們賴以生存的環(huán)境造成難以估量的污染，比如在國(guó)外僅石油的開(kāi)采、運(yùn)輸、儲(chǔ)存以及事故性泄漏等原因造成每年約有1000萬(wàn)噸石油烴進(jìn)入環(huán)境(不包括石油加工行業(yè)的損失)，另外全世界各國(guó)每年大約使用1500萬(wàn)噸的各種農(nóng)藥廣泛噴灑于面積巨大的農(nóng)田，引起土壤、地下水、水系和海洋的嚴(yán)重 污染，破壞生態(tài)平衡，不僅制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且影響到人類的健康和生存。我國(guó)如華北油田周圍的很多農(nóng)田由于原油污染而無(wú)法耕種，每年都要支付大量資金作為對(duì)農(nóng)民的賠償。黃河水系年平均含油最高可達(dá)4.82mg/L，遼河水系年平均含油最高可達(dá)7.68mg/L，明顯地超過(guò)了國(guó)家三級(jí)地面水的標(biāo)準(zhǔn)（＜0.1mg/L﹚。有的甚至污染到地下水資源，如山東淄博地區(qū)地下水最高含油達(dá)到了100mg/L以上，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(＜0.1mg/L﹚1000倍以上。全國(guó)各地的儲(chǔ)油場(chǎng)所也已開(kāi)始滲漏污染到地下水，嚴(yán)重威脅了地下水資源的水質(zhì)，石油污染是1998年發(fā)生在渤海的1 萬(wàn)平方公里赤潮的主要原因之一。有鑒于此，世界各發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定了環(huán)境修復(fù)計(jì)劃，如：荷蘭在80年代已投資15億美元進(jìn)行土壤污染的修復(fù)，德國(guó)在1995年一年就投資60億美元凈化土壤污染，英國(guó)、法國(guó)、日本、俄羅斯等也相應(yīng)投巨資進(jìn)行環(huán)境污染的修復(fù)。美國(guó)在90年代中，每年都投資幾百億美元進(jìn)行污染環(huán)境的修復(fù)，如果采用傳統(tǒng)的修復(fù)方法(物理和化學(xué)方法)來(lái)治理美國(guó)本土陸地上的環(huán)境污染，就需要投資1.7萬(wàn)億美元，而如果采用微生物修復(fù)技術(shù)，而只需3400～6000億美元的投資，也就是傳統(tǒng)方法所需投資的1/5～1/3。在今后若干年內(nèi)，美國(guó)市場(chǎng)對(duì)微生物修復(fù)技術(shù)服務(wù)及其微生物產(chǎn)品的需求將以每年15%或更高的速度增長(zhǎng)，到2000年微生物修復(fù)技術(shù)的純利潤(rùn)將超過(guò)5億美元。

　　針對(duì)嚴(yán)重污染的環(huán)境，我國(guó)尚未采取大規(guī)模的治理措施，僅在少數(shù)地區(qū)開(kāi)展了治理，并以物理化學(xué)方法(如洗脫、吸附)為主，不僅投資成本高，而且也造成了二次污染。我們的國(guó)土面積比美國(guó)略大，且環(huán)境污染還更為嚴(yán)重，對(duì)全國(guó)范圍的污染環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，若采用傳統(tǒng)方法，即使考慮勞動(dòng)力相對(duì)便宜的因素，其投資規(guī)模將仍然非常龐大，如采用微生物修復(fù)技術(shù)，不僅其投資規(guī)模大為縮小(僅需傳統(tǒng)方法的1/5～1/3)，而且還沒(méi)有二次污染。綜上所述，環(huán)境污染的微生物修復(fù)技術(shù)是我國(guó)今后治理環(huán)境污染必須發(fā)展方向，具有廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展前景。

　　四、微生物技術(shù)前景展望

　　自本世紀(jì)70年代以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家就十分重視微生物技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，并開(kāi)展了大規(guī)模的科研活動(dòng)。已開(kāi)發(fā)了一系列的微生物技術(shù)及其產(chǎn)品，并在世界上廣泛應(yīng)用于污水處理、大氣凈化及污染環(huán)境介質(zhì)治理等諸多方面。當(dāng)前，環(huán)境微生物技術(shù)在國(guó)際上已進(jìn)入蓬勃發(fā)展的軌道。隨著全球范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)的高度重視和越來(lái)越嚴(yán)厲的環(huán)境法，市場(chǎng)對(duì)環(huán)境微生物技術(shù)的需求越來(lái)越廣泛。

　　我國(guó)的微生物技術(shù)處于剛剛起步階段。該技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)需要得到社會(huì)、同行及主管部門的廣泛支持，大力開(kāi)展以污染控制技術(shù)為主體的微生物技術(shù)的研究，將大力推進(jìn)微生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用，并發(fā)展帶動(dòng)整個(gè)環(huán)?？萍嫉陌l(fā)展，解決我國(guó)目前和未來(lái)面臨的嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，并為環(huán)保市場(chǎng)提供高品質(zhì)的環(huán)境保護(hù)高技術(shù)。應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到環(huán)境保護(hù)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大意義。

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