本文摘要：摘要：現(xiàn)如今，環(huán)境污染問題我國乃至整個世界十分重視。微生物降解被認為是清除環(huán)境中有機污染物的主要方式。近些年，有關(guān)有機污染物的微生物降解研究報道主要集中于純培養(yǎng)單菌株。然而，單個降解菌株的生物強化修復(fù)在實際應(yīng)用中往往效果不佳。實際上，自然
摘要：現(xiàn)如今，環(huán)境污染問題我國乃至整個世界十分重視。微生物降解被認為是清除環(huán)境中有機污染物的主要方式。近些年，有關(guān)有機污染物的微生物降解研究報道主要集中于純培養(yǎng)單菌株。然而，單個降解菌株的生物強化修復(fù)在實際應(yīng)用中往往效果不佳。實際上，自然界中有機污染物的降解大多數(shù)是由微生物菌群介導，而不是由單個微生物菌株獨立完成的。與單個降解菌株相比，微生物菌群具有更強的代謝互補性和互營作用，其在有機物污染的修復(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污染物的機制，概述了菌群代謝互作的最新研究方法，并強調(diào)基于菌群代謝互作設(shè)計合理菌群結(jié)構(gòu)在微生物強化修復(fù)應(yīng)用中的重要性，重點討論了基于菌群代謝模型的計算機模擬在研究復(fù)雜微生物菌群代謝互作方面的重要作用以及在指導最佳功能菌群的人工設(shè)計和構(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)芳烴有機污染物的治理問題，對生物修復(fù)法進行研究。針對生物修復(fù)法相比傳統(tǒng)的物理方法、化學方法所具有的高效、無二次污染和成本相對較低等特點，結(jié)合當前微生物修復(fù)在石油污染場地調(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、促進或抑制作用。在此基礎(chǔ)上，對地下水中多環(huán)芳烴有機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，對人體的危害程度也有區(qū)分。下面將對污染原因進行分析：(1)可溶性污染�？扇苄晕廴揪褪悄軌蛲ㄟ^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)。地下水的而流動會將污染群滲透到不同的區(qū)域，甚至還會波及江、河、湖、海等水域。如果污染物源源不斷的排放，會加大污染群的范圍同時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，污染群也會慢慢被稀釋，程度也會有所減輕。(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，還有一部分會層層滲透，最終到達地下水一層，這類污染是十分頑固，一旦地下水被污染就很難消除。
1.1加強有機物污染監(jiān)測及評價
最近幾年以來，我國對水環(huán)境監(jiān)測做出了極大的改變，但是由于水環(huán)境監(jiān)測工作人員的素質(zhì)以及水環(huán)境監(jiān)測過程中所需設(shè)備裝備水平不夠高，很多水環(huán)境有機物監(jiān)測項目發(fā)展還是不夠順利。為了能夠更好地促進水環(huán)境有機物污染控制工作能夠順利進行下去，相關(guān)的水環(huán)境監(jiān)測部門和工作人員應(yīng)該積極致力于建立完善的有機污染物控制指標，并且積極依托現(xiàn)代科學技術(shù)手段的力量對有機物進行全面的監(jiān)測，并且能夠從根本上對這些有機物進行科學和客觀的評價，從而建立起完善的有機物污染數(shù)據(jù)庫，通過健全的有機物質(zhì)污染數(shù)據(jù)庫，能夠更好的對有機物物的排放進行科學合理的管理，從而減少有機物對水環(huán)境污染的影響。
1.2積極進行有機物標樣的研制
我雖然提出了很多種有機物優(yōu)先檢測的黑名單，但是現(xiàn)如今國內(nèi)關(guān)于有機物標樣的種類十分缺乏，關(guān)于有機物的標準物質(zhì)更是少之又少，很多有機物的標樣都需要從國外進口，在進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)于有機物監(jiān)測樣標的差距，應(yīng)該積極加速對有機物標準物質(zhì)的研制，以便于能夠最大限度的去完善我國有機物標準物質(zhì)體系。在完善我國有機物標樣之后，可以為我國水環(huán)境有機物監(jiān)測工作減少一定的資金使用成本，同時也能夠更好的提高我國水環(huán)境有機物監(jiān)測工作的作業(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、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，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，對無錫市滸溪河進行污染防治。
研究表明：投加微生物菌劑一段時間后，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，并研究其對污染河水的凈化效果及規(guī)律，結(jié)果表明微生物對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際降解效果，認為采用微生物技術(shù)處理焦化廢水經(jīng)濟有效、易操作，具有較大潛力。將實驗分離出的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同位素標記鑒定菌群水平代謝途徑(community-scalepathways)
追蹤同位素標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。該方法最大的難點在于區(qū)分不同菌群產(chǎn)生的標記指紋圖譜(labelingfingerprints)。目前，區(qū)分不同來源代謝產(chǎn)物的方法包括報告基因標記菌株、鑒定菌株特異性多肽、對同位素標記的DNA或RNA序列進行宏基因組測序等。例如:基于穩(wěn)定性同位素標記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)定性同位素對蛋白進行標記，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，當前主要采用物理修復(fù)、化學修復(fù)、生物修復(fù)和化學與生物相結(jié)合修復(fù)等方式對土壤遭受的PAHs污染進行修復(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修復(fù)通常是指基于化學反應(yīng)機制，通過向土體注入表面活性劑等增效試劑來增強PAHs等有機污染物的水溶性和擴散性，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?shù)叵滤魍ㄟ^反應(yīng)墻時，反應(yīng)墻中填充的還原性物質(zhì)與污染羽流中的有機污染物發(fā)生物理反應(yīng)、化學反應(yīng)或生物反應(yīng)，從而達到降解有機污染物的目的;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、操作簡便和無二次污染等特點，從20世紀80年代開始大規(guī)模應(yīng)用于環(huán)境治理中。
3.3高通量測序(high-throughputsequencing)解析菌群動態(tài)變化
快速發(fā)展的高通量測序技術(shù)為追蹤菌群結(jié)構(gòu)動態(tài)變化提供了有效的研究方法。該方法的優(yōu)勢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，基于高通量測序的菌群研究可以顯著提高研究的時間和空間尺度。基于菌群內(nèi)不同菌株的全基因組測序可以預(yù)測菌株之間的互作關(guān)系，如協(xié)同和競爭等;基于16SrRNA基因的擴增子測序或宏基因組測序可以追蹤菌群在不同時間和環(huán)境條件下的動態(tài)變化，并基于共發(fā)生(co-occurrence)分析鑒定相對豐度存在密切關(guān)聯(lián)的菌株(即某些菌株豐度的動態(tài)變化與其他微生物豐度的動態(tài)變化一致或相反)，進而鑒別存在互作關(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、化學農(nóng)藥降解菌群等。結(jié)合其他環(huán)境因素數(shù)據(jù)(如空間分布信息、特定酶功能信息等)，也可以進一步揭示菌株代謝互作的機制。結(jié)語從目前國內(nèi)外治理水體污染的發(fā)展狀況看，微生物技術(shù)依然具有相當可觀的市場需求。隨著基因工程尤其是分子生物學技術(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，功能也越來越強大。
但仍有一些問題急需解決，本文給出如下建議：(1)對污染物質(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，選育具有針對性、適應(yīng)性的優(yōu)良菌種，實現(xiàn)應(yīng)用效果的穩(wěn)定。(2)低溫嚴寒、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混亂的情況，一方面要深入進行理論研究和指導，加強應(yīng)用生態(tài)學方面的探索，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，完善市場監(jiān)管體制，加強行業(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，是由中國科學院主管，中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所和中國土壤學會聯(lián)合主辦的全國性學術(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)氣候變化對策、綠洲生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、綠洲學科發(fā)展等干旱區(qū)基本科學問題，以及沙漠改造利用等成果。
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