微生物技術治理環境污染的應用及前景

簡介： 本文較為系統地概述我國環境發展與保護的現狀，通過對環境保護和環境預防、治理的分析，從“可持續發展”方向分析和例證了微生物科學在環境應用上的價值和前途。
關鍵字：微生物 環境污染

　　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，這些微生物雖然個體微小，但在環境污染凈化中卻扮演著不容忽視的重要作用。微生物是通過水和風的散播得以存在各處的，無論在水表、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，可以通過自發的或人為的遺傳、變異等生物過程適應環境的變化，使之能以各種污染物尤其是有機污染物為營養源，通過吸收、代謝等一系列反應，將環境中的污染物轉化為穩定無害的無機物。因而，在生物圈中微生物充當著分解者的角色。大約90%的陸地生產者都要通過分解者作用最終形成無機物歸還大地。如果沒有微生物的作用，僅歷年積累下的生物殘體就會堆積如山。通常我們可以看到這樣一個現象：少量污水排入河川使得河水出現渾濁，但在經過一短時間的流動以后，河水逐漸變得清澈。這種現象就是微生物對排入水體污染物進行凈化的一個典型例子。正是這種微生物對環境污染的降解作用保證了自然界正常的物質循環。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，將廢水中復雜的有機物分解成二氧化碳和水。這一過程需要在一定的處理構筑物內完成，其重要條件是保證充足的氧氣供應、穩定的溫度及水質。厭氧生物處理是利用在無氧條件下生長的厭氧或兼性微生物的代謝作用處理廢水，其主要降解產物是甲烷和二氧化碳等。厭氧處理也需要在一定的處理構筑物內完成，一般需要保證溫度、無氧或低溶解氧濃度。當今，微生物技術已成為廢水處理中的主流方法。

　　一、環境保護的現狀

　　我國是世界上環境污染最為嚴重的國家之一，大氣、河流、湖泊、海洋和土壤等均受到不同程度的污染。貴陽、重慶、北京、蘭州等五個城市位于世界十大空氣污染最嚴重的城市中之列，全國600多個城市中、大氣質量符合國家一級標準的不足1%。全國范圍的酸雨危害的程度和區域日益擴大。全國每年污水排放達360億噸，僅10%的生活污水 和70%的工業廢水得到處理，其中約有一半工業污水處理設施的出水達不到國家排放標準。其他未經處理的污水直接排入江河湖海，致使我國的水環境遭受嚴重污染和破壞。據統計，全國七大水系和內陸河流的110個重點河段中，屬4類和5類水體的占39%；城市地面水污染普遍嚴重，并呈進一步惡化的趨勢，136條流經城市的河流中，屬4類、5類和超過5類標準的高達76.8%；約50%的城市地下水受到不同程度的污染；全國大淡水湖如滇池、太湖和巢湖等富營養化程度逐年加??；城市垃圾和工業固體廢棄物與日俱增，工業廢棄物累計堆積量已超過66億噸，占地超過5萬公頃，使200多個城市陷入垃圾包圍之中。

　　當前我國社會經濟仍然保持著高度發展的態勢，環境保護的壓力將進一步加重，由人類活動所造成的環境污染和環境質量的惡化已成為制約我國社會和經濟可持續發展的障礙。據中國社會科學院1998年度調查和估計，我國環境污染和生態破壞造成的經濟損失每年超過2000億元人民幣。如何在經濟高速發展的同時控制環境污染，改善環境質量，以實現社會經濟可持續發展之目標是我國目前亟待解決的重要問題。

　　當今世界各國已普遍接受 “可持續發展”這一全新的概念，并圍繞它制定和實施本國的環境保護及其相關的產業政策?？沙掷m發展要求在保持經濟高速發展的同時，必須保護好人類賴以生存的環境。環境和經濟及貿易掛鉤是當前國際政治及經濟關系發展中的新形勢。例如，在日元貸款中，環保貸款已成為非常重要的組成部分。ISO14000系列國際環境管理標準，將要求企業承擔相應的環境保護責任，并對達到該標準的企業給予認證。沒有得到認證的企業的產品，在出口時將有可能面臨被國外政府以未承擔環境保護的責任而拒絕進口；同時，國外大型企業也可能因害怕和這些未達到該標準的企業合作而影響其形象，從而中止和這些企業的合作。至2003年，ISO9000系列質量標準將和ISO14000系列環境管理標準統一成一個標準，從而將進一步強化環境保護對企業發展的重要意義。

　　二、微生物技術治理環境污染問題的特點

　　科技的發展也充分證明微生物技術是環境保護的理想武器，這一技術在解決環境問題過程中所顯示的獨特功能和顯著優越性充分體現在它是一個純生態過程，從根本上體現了可持續發展的戰略思想。微生物技術在處理環境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應條件溫和以及無二次污染等顯著優點，加之其技術開發所預示的廣闊的市場前景，受到了各國政府、科技工作者和企業家的高度重視。隨著生物技術研究的進展和人們對環境問題認識的深入，人們已越來越意識到，現代生物技術的發展，為從根本上解決環境問題提供了無限的希望。

　　目前微生物技術已是環境保護中應用最廣的、最為重要的單項技術，其在水污染控制、大氣污染治理、有毒有害物質的降解、清潔可再生能源的開發、廢物資源化、環境監測、污染環境的修復和污染嚴重的工業企業的清潔生產等環境保護的各個方面，發揮著極為重要的作用。應用微生物技術處理污染物時，最終產物大都是無毒無害的、穩定的物質，如二氧化碳、水和氮氣。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移，因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。特別是現代微生物技術的發展，尤其是基因工程、細胞工程和酶工程等生物高技術的飛速發展和應用，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，為微生物技術在環境保護中的應用展示了更為廣闊的前景。微生物技術不僅單純適用于環境污染治理，如今已相當廣泛地應用于環境監測，成為環境質量預報和報警中的重要組成部分。

　　三、微生物技術在環境污染治理領域的應用與發展

　　空氣、水體和土地資源的污染越來越嚴重，不但影響了國民經濟的可持續發展，甚至已威脅到人類的健康、智力乃至生存，因此全球各國近幾年都在尋找新的途徑和方法，以治理和解決環境污染問題。以下重點介紹幾項經多年開發，已接近產業化的微生物技術。

　　1.微生物脫硫技術

　　煤炭是世界能源的重要組成部分，我國是世界上最大的產煤國和煤消耗國，煤炭占我國一次能源的3/4，高硫煤儲量約占總儲量的1/3，并且高硫煤開采比例也逐年上升，而黃鐵礦硫約占總硫的60%。煤中通常含有0.25％～7%的硫，如我國西南地區煤平均含硫量為3.23%，西北地區為3.05%，中南地區為2.02%，華北地區為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，可燃硫包括無機硫和有機硫?？扇剂蚪浫紵蒘O₂隨煙氣排入大氣，導致了嚴重的環境污染，造成的經濟損失每年達數百億元。據報道，1997年，我國的SO₂年排放量已達2 346萬噸，居世界第一位，62%的城市大氣SO₂日平均濃度超過國家三級標準；全國酸雨區面積已占國土面積的30%，華中酸雨區酸雨頻率高達90%以上。預計2000年我國一次能源的消 耗量將超過12億噸。SO₂年排放量將會達到3822萬噸?！吨袊?1世紀議程》中指出：“發展少污染的潔凈煤技術是中國政府履行國際公約、承擔相應國際義務的重要方面，也是促進中國以煤為主的能源系統向環境無害的可持續發展的模式轉變的戰略組成部分?！笨梢姖崈裘菏侵袊茉吹奈磥?。

　　近年來研究人員把煤的物理選煤技術之一的浮選法和微生物處理相結合，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。由于它僅處理黃鐵礦的表面，因此脫硫時間只需數分鐘即可，從而大幅度縮短了處理時間，可脫除無機硫約70%。另外，該法在把煤中的黃鐵礦脫硫時，灰分也可同時沉底，所以也具有脫去灰分的優點。目前，浮選法微生物脫硫已成為國際上潔凈煤技術開發的熱點。

　　2.微生物制漿和微生物漂白技術

　　我國造紙行業年排放廢水量達40億噸，占全國工業廢水排放量的1/6，其中有機污染物(以BOD計)達170萬噸，約占全國工業廢水中有機污染物總量的1/4。在用植物材料進行化學制漿與化學漂白過程中，含有大量木質素、半纖維素和有害物質的廢液被傾倒入江河湖泊中，造成嚴重的環境污染和生態破壞。多年來，人們不懈地努力，試圖開發出無污染和高效率的制漿造紙新工藝，以減少污染，保護環境。

　　造紙工業中的制漿和漂白工序是污染物產生的主要工序。與化學法相比，雖然機械法制漿可以大大提高紙漿得率，從而節省大量林木資源。但是，磨木漿的能量消耗很大，而且成品紙的強度等質量性能不如硫酸鹽漿，因而限制了這項技術的發展。微生物技術可以幫助解決這些問題，其中最具吸引力和挑戰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行微生物制漿與微生物漂白具有很大的優勢和潛力，因為微生物極易生長繁殖，酶催化反應具有高度專一性，反應條件溫和，并且高效無污染。

　　3.污染土壤的微生物修復

　　當代工業的迅速發展，大量的人造化學物質排放入環境中，對資源和環境構成越來越嚴重的破壞?；剂系拈_采和使用，工業三廢的排放，給我們賴以生存的環境造成難以估量的污染，比如在國外僅石油的開采、運輸、儲存以及事故性泄漏等原因造成每年約有1000萬噸石油烴進入環境(不包括石油加工行業的損失)，另外全世界各國每年大約使用1500萬噸的各種農藥廣泛噴灑于面積巨大的農田，引起土壤、地下水、水系和海洋的嚴重 污染，破壞生態平衡，不僅制約了經濟的發展，而且影響到人類的健康和生存。我國如華北油田周圍的很多農田由于原油污染而無法耕種，每年都要支付大量資金作為對農民的賠償。黃河水系年平均含油最高可達4.82mg/L，遼河水系年平均含油最高可達7.68mg/L，明顯地超過了國家三級地面水的標準（＜0.1mg/L﹚。有的甚至污染到地下水資源，如山東淄博地區地下水最高含油達到了100mg/L以上，超過國家標準(＜0.1mg/L﹚1000倍以上。全國各地的儲油場所也已開始滲漏污染到地下水，嚴重威脅了地下水資源的水質，石油污染是1998年發生在渤海的1 萬平方公里赤潮的主要原因之一。有鑒于此，世界各發達國家紛紛制定了環境修復計劃，如：荷蘭在80年代已投資15億美元進行土壤污染的修復，德國在1995年一年就投資60億美元凈化土壤污染，英國、法國、日本、俄羅斯等也相應投巨資進行環境污染的修復。美國在90年代中，每年都投資幾百億美元進行污染環境的修復，如果采用傳統的修復方法(物理和化學方法)來治理美國本土陸地上的環境污染，就需要投資1.7萬億美元，而如果采用微生物修復技術，而只需3400～6000億美元的投資，也就是傳統方法所需投資的1/5～1/3。在今后若干年內，美國市場對微生物修復技術服務及其微生物產品的需求將以每年15%或更高的速度增長，到2000年微生物修復技術的純利潤將超過5億美元。

　　針對嚴重污染的環境，我國尚未采取大規模的治理措施，僅在少數地區開展了治理，并以物理化學方法(如洗脫、吸附)為主，不僅投資成本高，而且也造成了二次污染。我們的國土面積比美國略大，且環境污染還更為嚴重，對全國范圍的污染環境進行修復，若采用傳統方法，即使考慮勞動力相對便宜的因素，其投資規模將仍然非常龐大，如采用微生物修復技術，不僅其投資規模大為縮小(僅需傳統方法的1/5～1/3)，而且還沒有二次污染。綜上所述，環境污染的微生物修復技術是我國今后治理環境污染必須發展方向，具有廣闊的市場和發展前景。

　　四、微生物技術前景展望

　　自本世紀70年代以來，發達國家就十分重視微生物技術在環境領域的應用，并開展了大規模的科研活動。已開發了一系列的微生物技術及其產品，并在世界上廣泛應用于污水處理、大氣凈化及污染環境介質治理等諸多方面。當前，環境微生物技術在國際上已進入蓬勃發展的軌道。隨著全球范圍內對環境保護的高度重視和越來越嚴厲的環境法，市場對環境微生物技術的需求越來越廣泛。

　　我國的微生物技術處于剛剛起步階段。該技術的進一步開發需要得到社會、同行及主管部門的廣泛支持，大力開展以污染控制技術為主體的微生物技術的研究，將大力推進微生物技術在環境保護中的應用，并發展帶動整個環?？萍嫉陌l展，解決我國目前和未來面臨的嚴峻的環境保護問題，并為環保市場提供高品質的環境保護高技術。應該充分認識到環境保護和社會、經濟發展的重大意義。

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