本文摘要：摘要：現(xiàn)如今，環(huán)境污染問題我國乃至整個(gè)世界十分重視。微生物降解被認(rèn)為是清除環(huán)境中有機(jī)污染物的主要方式。近些年，有關(guān)有機(jī)污染物的微生物降解研究報(bào)道主要集中于純培養(yǎng)單菌株。然而，單個(gè)降解菌株的生物強(qiáng)化修復(fù)在實(shí)際應(yīng)用中往往效果不佳。實(shí)際上，自然
摘要：現(xiàn)如今，環(huán)境污染問題我國乃至整個(gè)世界十分重視。微生物降解被認(rèn)為是清除環(huán)境中有機(jī)污染物的主要方式。近些年，有關(guān)有機(jī)污染物的微生物降解研究報(bào)道主要集中于純培養(yǎng)單菌株。然而，單個(gè)降解菌株的生物強(qiáng)化修復(fù)在實(shí)際應(yīng)用中往往效果不佳。實(shí)際上，自然界中有機(jī)污染物的降解大多數(shù)是由微生物菌群介導(dǎo)，而不是由單個(gè)微生物菌株獨(dú)立完成的。與單個(gè)降解菌株相比，微生物菌群具有更強(qiáng)的代謝互補(bǔ)性和互營作用，其在有機(jī)物污染的修復(fù)方面越來越受到關(guān)注。
本文綜述了具有有機(jī)污染物降解功能的不同微生物菌群以及菌群高效代謝有機(jī)污染物的機(jī)制，概述了菌群代謝互作的最新研究方法，并強(qiáng)調(diào)基于菌群代謝互作設(shè)計(jì)合理菌群結(jié)構(gòu)在微生物強(qiáng)化修復(fù)應(yīng)用中的重要性，重點(diǎn)討論了基于菌群代謝模型的計(jì)算機(jī)模擬在研究復(fù)雜微生物菌群代謝互作方面的重要作用以及在指導(dǎo)最佳功能菌群的人工設(shè)計(jì)和構(gòu)建方面的應(yīng)用前景，以期為修復(fù)污染環(huán)境提供理論依據(jù)和解決方案。
關(guān)鍵詞：有機(jī)污染物;微生物菌群;菌群代謝模型;生物修復(fù);微生物代謝
引言解決地下水中多環(huán)芳烴有機(jī)污染物的治理問題，對(duì)生物修復(fù)法進(jìn)行研究。針對(duì)生物修復(fù)法相比傳統(tǒng)的物理方法、化學(xué)方法所具有的高效、無二次污染和成本相對(duì)較低等特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前微生物修復(fù)在石油污染場(chǎng)地調(diào)查和修復(fù)方面的研究成果，闡述多環(huán)芳烴在生物降解過程中的影響因子和降解過程中可能存在的協(xié)同、促進(jìn)或抑制作用。在此基礎(chǔ)上，對(duì)地下水中多環(huán)芳烴有機(jī)污染物的微生物修復(fù)未來的發(fā)展提出展望。
1.地下水污染
根據(jù)調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)地下水的污染可分為兩種情況。一種是可溶性污染，就是污染物是由無機(jī)物組成的比如工業(yè)廢水、生活廢水等;另外一種是非混合型污染，污染物以液態(tài)的形式出現(xiàn)比如石油、化工用水等。兩種類型的污染性質(zhì)各不相同，對(duì)人體的危害程度也有區(qū)分。下面將對(duì)污染原因進(jìn)行分析：(1)可溶性污染。可溶性污染就是能夠通過溶解滲入地下水，從而形成污染群。污染群的大小和水文及污染物的排放量有關(guān)。地下水的而流動(dòng)會(huì)將污染群滲透到不同的區(qū)域，甚至還會(huì)波及江、河、湖、海等水域。如果污染物源源不斷的排放，會(huì)加大污染群的范圍同時(shí)也提高了污染的濃度。如果污染物停止排放，隨著自然的水循環(huán)，以及地下水的增加，污染群也會(huì)慢慢被稀釋，程度也會(huì)有所減輕。(2)非混合型污染。非混合型污染污染物大多呈液態(tài)形式，主要是由于大范圍的開采石油以及相類似的石油產(chǎn)品造成的污染。這種污染情況大多數(shù)出現(xiàn)在電子、化工等工廠附近，被污染后的水源一部分揮發(fā)滯留在地面一層，還有一部分會(huì)層層滲透，最終到達(dá)地下水一層，這類污染是十分頑固，一旦地下水被污染就很難消除。
1.1加強(qiáng)有機(jī)物污染監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)
最近幾年以來，我國對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)做出了極大的改變，但是由于水環(huán)境監(jiān)測(cè)工作人員的素質(zhì)以及水環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中所需設(shè)備裝備水平不夠高，很多水環(huán)境有機(jī)物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目發(fā)展還是不夠順利。為了能夠更好地促進(jìn)水環(huán)境有機(jī)物污染控制工作能夠順利進(jìn)行下去，相關(guān)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)部門和工作人員應(yīng)該積極致力于建立完善的有機(jī)污染物控制指標(biāo)，并且積極依托現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段的力量對(duì)有機(jī)物進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，并且能夠從根本上對(duì)這些有機(jī)物進(jìn)行科學(xué)和客觀的評(píng)價(jià)，從而建立起完善的有機(jī)物污染數(shù)據(jù)庫，通過健全的有機(jī)物質(zhì)污染數(shù)據(jù)庫，能夠更好的對(duì)有機(jī)物物的排放進(jìn)行科學(xué)合理的管理，從而減少有機(jī)物對(duì)水環(huán)境污染的影響。
1.2積極進(jìn)行有機(jī)物標(biāo)樣的研制
我雖然提出了很多種有機(jī)物優(yōu)先檢測(cè)的黑名單，但是現(xiàn)如今國內(nèi)關(guān)于有機(jī)物標(biāo)樣的種類十分缺乏，關(guān)于有機(jī)物的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)更是少之又少，很多有機(jī)物的標(biāo)樣都需要從國外進(jìn)口，在進(jìn)口的過程中需要使用大量的資金成本。為了能夠縮短我國和其他國外國家關(guān)于有機(jī)物監(jiān)測(cè)樣標(biāo)的差距，應(yīng)該積極加速對(duì)有機(jī)物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制，以便于能夠最大限度的去完善我國有機(jī)物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)體系。在完善我國有機(jī)物標(biāo)樣之后，可以為我國水環(huán)境有機(jī)物監(jiān)測(cè)工作減少一定的資金使用成本，同時(shí)也能夠更好的提高我國水環(huán)境有機(jī)物監(jiān)測(cè)工作的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。
2應(yīng)用現(xiàn)狀
將多種具有不同降解功能的微生物與活性生物酶及微生物營養(yǎng)鹽相結(jié)合，培育生產(chǎn)出活菌制劑用于環(huán)境修復(fù)的產(chǎn)品稱為微生物菌劑。微生物菌劑具有特異性強(qiáng)、成活率高、適應(yīng)環(huán)境快、無二次污染及成本較低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、石化、印染、食品加工業(yè)、醫(yī)藥和環(huán)保等領(lǐng)域，尤其是在水污染治理、大氣污染治理、土壤修復(fù)及固廢資源化方面發(fā)揮著重要作用。采用梅花式接種法，在無徹底截污和清淤的情況下，將土著微生物擴(kuò)大培養(yǎng)后直接投加到主要受生活污水污染的黑臭河道中，對(duì)無錫市滸溪河進(jìn)行污染防治。
研究表明：投加微生物菌劑一段時(shí)間后，河道水體DO(溶解氧含量)含量提升至3-N(氨氮)，TP(總磷)，COD(化學(xué)需氧量)的去除率分別為58%、56%和43%，初步消除河道黑臭。將固定化微生物技術(shù)應(yīng)用于蘇州古城區(qū)污染河道中，并研究其對(duì)污染河水的凈化效果及規(guī)律，結(jié)果表明微生物對(duì)NH+4-N，TN(總氮)，TP均有較好的去除效果。匯總分析了ANAMMOX菌、喹啉降解菌及苯酚降解菌應(yīng)用于焦化廢水深度處理的實(shí)際降解效果，認(rèn)為采用微生物技術(shù)處理焦化廢水經(jīng)濟(jì)有效、易操作，具有較大潛力。將實(shí)驗(yàn)分離出的1株喹啉降解菌應(yīng)用于好氧池焦化廢水環(huán)境中，結(jié)果表明該降解菌對(duì)于難降解喹啉具有一定的降解效果，并能相應(yīng)提高COD去除率。
3菌群代謝互作的研究方法
3.1同位素標(biāo)記鑒定菌群水平代謝途徑(community-scalepathways)
追蹤同位素標(biāo)記的代謝物是鑒定代謝途徑的經(jīng)典方法，同樣也適用于追蹤菌群內(nèi)的代謝途徑。該方法最大的難點(diǎn)在于區(qū)分不同菌群產(chǎn)生的標(biāo)記指紋圖譜(labelingfingerprints)。目前，區(qū)分不同來源代謝產(chǎn)物的方法包括報(bào)告基因標(biāo)記菌株、鑒定菌株特異性多肽、對(duì)同位素標(biāo)記的DNA或RNA序列進(jìn)行宏基因組測(cè)序等。例如:基于穩(wěn)定性同位素標(biāo)記RNA，在產(chǎn)甲烷菌的富集液中鑒定出降解甲苯的協(xié)同代謝菌群;基于穩(wěn)定性同位素對(duì)蛋白進(jìn)行標(biāo)記，鑒定出多株關(guān)鍵性降解菌株。
3.2PAHs環(huán)境污染修復(fù)
土壤是PAHs在自然環(huán)境中遷移、轉(zhuǎn)化的站點(diǎn)，當(dāng)前主要采用物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和化學(xué)與生物相結(jié)合修復(fù)等方式對(duì)土壤遭受的PAHs污染進(jìn)行修復(fù)。物理修復(fù)通常是指采用客土或翻土、汽提、熱解吸、焚燒和填埋等方法去除或固定土壤中的污染物�；瘜W(xué)修復(fù)通常是指基于化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，通過向土體注入表面活性劑等增效試劑來增強(qiáng)PAHs等有機(jī)污染物的水溶性和擴(kuò)散性，從而有效促使污染物遷出土體，降低其遷入其他環(huán)境介質(zhì)中的能力。生物修復(fù)包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)和植物-微生物聯(lián)合修復(fù)等3種。
治理地下水中的PAHs等有機(jī)污染的方法主要有抽出處理法、原位反應(yīng)墻法和生物治理法等。1)抽出處理法是通過抽取含水層中地下水面附近的地下水，將浮于水面的有機(jī)污染物帶回地表，采用地表污水處理技術(shù)去除地下水中的有機(jī)污染物;2)原位反應(yīng)墻法是指在地下水治理中沿垂直地下水流的方向人工構(gòu)筑一堵具有還原性的反應(yīng)墻，當(dāng)?shù)叵滤魍ㄟ^反應(yīng)墻時(shí)，反應(yīng)墻中填充的還原性物質(zhì)與污染羽流中的有機(jī)污染物發(fā)生物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)，從而達(dá)到降解有機(jī)污染物的目的;3)生物治理法即生物修復(fù)法，其原理與土壤中的微生物修復(fù)方法的原理相同。在PAHs有機(jī)污染修復(fù)治理方法中，生物修復(fù)研究得到國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的普遍關(guān)注。生物修復(fù)具有成本低、處理效果好、操作簡(jiǎn)便和無二次污染等特點(diǎn)，從20世紀(jì)80年代開始大規(guī)模應(yīng)用于環(huán)境治理中。
3.3高通量測(cè)序(high-throughputsequencing)解析菌群動(dòng)態(tài)變化
快速發(fā)展的高通量測(cè)序技術(shù)為追蹤菌群結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化提供了有效的研究方法。該方法的優(yōu)勢(shì)在于不依賴于菌株培養(yǎng)，因此可以極大拓展可研究微生物的范圍，尤其是目前無法培養(yǎng)的微生物類群。此外，基于高通量測(cè)序的菌群研究可以顯著提高研究的時(shí)間和空間尺度�；诰簝�(nèi)不同菌株的全基因組測(cè)序可以預(yù)測(cè)菌株之間的互作關(guān)系，如協(xié)同和競(jìng)爭(zhēng)等;基于16SrRNA基因的擴(kuò)增子測(cè)序或宏基因組測(cè)序可以追蹤菌群在不同時(shí)間和環(huán)境條件下的動(dòng)態(tài)變化，并基于共發(fā)生(co-occurrence)分析鑒定相對(duì)豐度存在密切關(guān)聯(lián)的菌株(即某些菌株豐度的動(dòng)態(tài)變化與其他微生物豐度的動(dòng)態(tài)變化一致或相反)，進(jìn)而鑒別存在互作關(guān)系的微生物類群。
該方法已成功應(yīng)用于不同類型的微生物菌群研究。例如:活性污泥菌群、化學(xué)農(nóng)藥降解菌群等。結(jié)合其他環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)(如空間分布信息、特定酶功能信息等)，也可以進(jìn)一步揭示菌株代謝互作的機(jī)制。結(jié)語從目前國內(nèi)外治理水體污染的發(fā)展?fàn)顩r看，微生物技術(shù)依然具有相當(dāng)可觀的市場(chǎng)需求。隨著基因工程尤其是分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些特異性菌株被選育出來，微生物菌劑正在由單一菌種單一功能向復(fù)合微生物菌群多功能性方向發(fā)展，功能也越來越強(qiáng)大。
但仍有一些問題急需解決，本文給出如下建議：(1)對(duì)污染物質(zhì)越來越復(fù)雜、越來越難以降解的現(xiàn)狀，挖掘、篩選、拓展新的功能性菌種，選育具有針對(duì)性、適應(yīng)性的優(yōu)良菌種，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用效果的穩(wěn)定。(2)低溫嚴(yán)寒、高溫、含放射性物質(zhì)等極端環(huán)境下發(fā)生的污染，重視選育含有良好抗逆性(如耐干燥、耐酸堿、耐鹽分、耐低溫、耐高溫)的菌種，加強(qiáng)菌種資源多功能性研究與高含量菌劑的開發(fā)。(3)我國微生物技術(shù)研究缺乏深度及市場(chǎng)混亂的情況，一方面要深入進(jìn)行理論研究和指導(dǎo)，加強(qiáng)應(yīng)用生態(tài)學(xué)方面的探索，加快研發(fā)成果的應(yīng)用及推廣;另一方面要健全生產(chǎn)規(guī)范和使用規(guī)范，完善市場(chǎng)監(jiān)管體制，加強(qiáng)行業(yè)自律。
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水利論文投稿刊物：《干旱區(qū)研究》(雙月刊)創(chuàng)刊于1984年，是由中國科學(xué)院主管，中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所和中國土壤學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦的全國性學(xué)術(shù)期刊。著重刊載全球變化的干旱區(qū)響應(yīng)、內(nèi)陸水循環(huán)與水資源、干旱區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)氣候變化對(duì)策、綠洲生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、綠洲學(xué)科發(fā)展等干旱區(qū)基本科學(xué)問題，以及沙漠改造利用等成果。
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