全 文 ：　 　 倡 国家计委 、教育部“十五 ”２１１ 工程重点学科建设项目 （２１１ECMS）资助
倡倡 通讯作者
收稿日期 ：２００５唱０７唱２５ 　 改回日期 ：２００５唱１１唱０４
微生物在污染环境生物修复中的应用 倡
张逸飞１ 　钟文辉１ 倡倡 王国祥２
（１畅 南京师范大学化学与环境科学学院 　南京 　 ２１００９７ ；２畅 南京师范大学地理科学学院 　 南京 　 ２１００９７）
摘 　要 　 生物修复是一项利用生物特别是微生物治理污染的技术 。 与理化修复方法相比具有投资少 、对环境影响
小的优点 。 本文重点分析了影响微生物修复的关键因素 ，包括生物因素 、营养因素 、O２ 和电子受体 、表面活性剂和
共代谢物等 ，并介绍了微生物在生物修复中成功应用的实例 ，讨论了生物修复所具有的优势和存在的不足及今后
研究重点 。
关键词 　 环境污染 　 微生物 　 生物修复 　 脱氮 　 石油
Application of microorganism in bioremediation of contaminated environment ．ZHANG Yi唱Fei１ ，ZHONG Wen唱Hui１ ，
WANG Guo唱Xiang２ （１ ．College of Chemist ry and Environmental Science ，Nanjing Normal U niversity ，Nanjing ２１００９７ ，
China ；２ ． College of Geographical Science ， Nanjing Normal Universit y ， Nanjing ２１００９７ ，China） ，CJEA ，２００７ ，１５（３） ：
１９８ ～ ２０２
Abstract 　 Bioremediation is a technique that uses living organisms ，micro唱organism in particular ， to remove pollutants
from contaminated environments ．Bioremediation has gained momentum in recent years because of its low investment re唱
quirement and environmental impact as compared with other remediation techniques and has thus become a viable and
promising mode for restoring contaminated sites ． In this paper ，key factors ， including biological factors ， nutrien t factors ，
O２ and electronic receptors ， surfactan ts ，co唱metabolites ， that affect bioremediation are discussed ，some successful examples
of bioremediation are given ， and the merits and demerits of bioremediation expounded ．
Key words 　 Environment pollution ，Microorganism ， Bioremediation ，Denitrification ， Petroleum
（Received July ２５ ，２００５ ；revised Nov ．４ ，２００５）
生物修复（Bioremediation）又称为生物恢复（Biorestoration） ，是指利用生物特别是微生物的代谢潜能消
除或减少污染地区有害物质浓度的技术［５］ 。 自 １９８９ 年以来生物修复技术已被用于清除受污染农田 、地下
水 、河流 、湖泊和海洋等环境中的污染物 ，这些污染物包括石化产品 、多环芳烃 、卤代烷烃 、卤代芳烃［６］以及
引起水体富营养化的其他成分等 。 虽然微生物不能降解重金属 ，但可转移重金属或降低其毒性 。 实践表
明 ，生物修复是治理大面积污染的一种实用性强的技术 。 生物修复通常分为原位修复和异位修复 。 原位修
复是指通过在污染地点投加刺激物或人工培养的微生物加速污染物质的分解 ，使污染物在当地降解 。 异位
修复则是指将被污染的土壤或水移至专门的反应器中进行修复 。 生物修复常以原位修复为主 ，因不需另建
处理设施 ，且修复的场地可以照常用于生产 ，并可与其他技术结合使用 ，降解过程迅速 ，费用低［５ ，７］ 。
1 　 影响污染环境微生物修复的几个关键因素
成功的生物修复需具备的前提条件一是必须存在具代谢活性的微生物 ，这些微生物在降解或转化化合
物时必须达到一定的速率 ，且不会产生有毒物质 ；二是目标化合物必须能够被微生物利用 ，污染场地不含对
降解菌种有抑制作用的物质 ，否则需先行稀释或将该抑制剂无害化 ；三是污染场地或生物反应器的环境条
件必须有利于微生物生长或保持活性 ；四是技术费用必须尽可能低 。 实际应用中常采用投加具有高代谢活
性微生物（生物扩张法）和投加营养物 、电子受体或共代谢物以及改变生物生活的条件（生物刺激法）等方
法 。
1畅1 　 生物因素
在自然状态下环境中存在大量可降解污染物质的微生物［５］ ，但其浓度一般很低 。 当环境被污染时由于
第 １５卷第 ３ 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１５ 　 No ．３
２ ０ ０ ７ 年 ５ 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture May ，　 ２００７
微生物受驯化 ，降解该种污染物的微生物数量会逐渐增多 。 如在自然状态下可降解烃类的微生物只占微生
物总数的 １ ％ ，但在石油污染的环境中这一比例可上升至 １０ ％ ［８］ 。 添加可降解污染物质的外源微生物可强
化对污染物质的降解 ，有助于达到理想的处理效果 。 采用质粒转移 、基因工程技术和原生质体融合技术等
构建工程菌在环境生物修复中具有比较好的应用前景［９］ 。 但由于生物工程菌在自然环境中缺乏竞争优势 ，
及其可能潜在的对生态安全的威胁 ，目前环境治理中应用很少 。
植物在水体和土壤生物修复中也可起一定的作用 。 植物可直接吸收污染物质 ，通过转化和输送 ，以非
植物性毒素的形式进行积累［１０ ～ １３］ 。 另一方面 ，植物通过向土壤中分泌营养物质（单糖 、氨基酸 、脂肪族化合
物 、芳香烃等）和酶以及传递 O２ 到根部来刺激根系周围微生物生长 ，并改变土壤的生化活性 ，从而加速土壤
的生物修复作用［１１ ，１３］ 。 近年来研究表明植物根系的分泌物不但可为微生物提供营养物［１４］ ，同时可诱导微
生物降解某些难降解的有毒物质如多氯联苯［１５ ，１６］ 。 水生植物可向沉积物 、根围 、茎叶围释放营养物质和
O２［１７ ～ ２０］ ，使沉积物中的微生物通过好氧的方式矿化污染物 ，提高微生物活性及对污染物的矿化能力 。 Rad唱
wan等［２１］研究表明 ，细菌可稳固地吸附在大型海藻表面 ，使其表面单位体积细菌的数量大大增加 ，海藻光合
作用产生的 O２ 加速了细菌对有机物的降解 。
1畅2 　 营养物质
N 、P等营养元素是微生物生长不可缺少的 ，尤其是海水中 N 和 P 是限制微生物降解烃类的最重要因
素［２２ ，２３］ 。 众多研究表明在石油污染的修复中投加 N 和 P 可明显提高碳氢化合物的降解速率［２４ ，２５］ 。 而对
海水中的石油类污染物的修复来说 ，使用以尿素作为 N 源的亲油肥料 Inipol EAP２２ 有利于石油表面的微生
物生长 。 出于经济考虑 ，也可用动物饲料和动物粪便［２６］作营养盐 ，如在被石油污染的阿拉伯沙滩上投加动
物饲料（含 ６０ ％ 蛋白质）使石油的降解率提高了 １５ ％ 。
1畅3 　 O2 和其他电子受体
污染物分解的最终电子受体包括 O２ 、有机物分解的中间产物 、无机酸根（如硝酸根和硫酸根）和铁离子
等 。 O２ 是好氧性微生物的电子受体 ，石油类化合物和饱和芳香烃的降解均需要 O２ 。 土壤 、地下水环境中往
往是缺氧的 ，故供 O２ 可提高污染物的降解速度 。 为了增加土壤中的溶解氧 ，可以对土壤鼓气或添加产氧
剂 。 当环境中的 O２ 耗尽后 ，硝酸根 、硫酸根和铁离子等也可以作为有机物降解的电子受体 。 向被石油污染
的含水土层投加硝酸盐和硫酸盐可以促进原位降解石油类烃［２７ ，２８］ ，投加硫酸盐也可促进苯的降解［２９］ ，根据
这些结果形成了向地下含水层投加硫酸盐进行生物修复的方法 ，在苯含量高达 １００mmol／L的地下水中投加
硫酸盐 ８４d 后苯被充分降解［３０］ 。 另外 ，沉积物可在 Fe３ ＋存在的还原性条件下矿化苯［３１］和芳香烃［３２ ，３３］ 。 近
年研究发现有些微生物代谢过程中可产生氧分子 ，在厌氧条件下促进苯的降解 。 厌氧生物可以将氯酸盐或
高氯酸盐甚至亚氯酸盐还原为氯化物同时产生氧分子 。 氯酸盐还原菌对芳香烃的降解没有直接的作用 ，但
可为好氧微生物（如假单胞菌）提供分子氧［３４］ 。 研究表明只要向土壤中投加 ６７μg／L 的亚氯酸盐就可以促
进苯的降解 ，该方法可在污染环境的生物修复中广泛应用［３５］ 。
1畅4 　 表面活性剂
使用表面活性剂有助于对亲水性差的污染物质的降解 。 烷烃 、芳香烃 、多环芳烃是石油的重要组分 ，这
类物质的水溶性较低且难被微生物降解［３６ ，３７］ 。 一些降解石油的微生物能产生表面活性物质 ，使这些烃类乳
化从而促进细胞吸收［３８ ～ ４０］ 。 一种南极洲假丝酵母在植物油［４１］或十一烷［４２］上培养时可产生胞外表面活性
物质来加速对碳氢化合物的降解 。 目前在实际中应用较多的是非离子表面活性剂吐温 ８０ 。
1畅5 　 共代谢物
微生物可通过共代谢加速降解一些难降解有机物 。 甲烷氧化菌可通过共代谢降解多种污染物 ，包括对
人体健康有严重威胁的三氯乙烯和多氯联苯等 。 研究表明在甲烷和溶解氧存在条件下三氯乙烯的降解率
可达到 １０ ％ ～ ２０ ％ ［４３］ 。 杜秀英等［１］发现用邻二氯苯作为初级营养共代谢物 ，可增强菌株对较高氯代二
英的降解能力 。 Rober t等［４４］发现混合培养微生物在含有柴油的基质中可将苯并［ α］芘矿化为 CO２ ，在存在
０畅０７ ％ ～ ０畅２ ％ 柴油条件下可使 １０mol／L 苯并［ α］芘的矿化率在两周内达到 ３３ ％ ～ ６５ ％ 。
2 　 污染环境微生物修复效果及机理
2畅1 　 石油污染的微生物修复
针对石油污染的生物修复的研究较多 。 石油生产和运输造成的污染随处可见 ，如油轮泄漏 、石油加工
第 ３期 张逸飞等 ：微生物在污染环境生物修复中的应用 １９９　
企业排污 、输油管道破裂等造成水体 、土壤和地下水的污染 。 降解石油的微生物广泛分布于海洋 、淡水 、陆
地 、寒带 、温带 、热带等不同环境中 ，能够分解石油烃类的微生物包括细菌 、放线菌 、霉菌 、酵母以及藻类等共
１００ 余属 、２００ 多种 ，而环境条件对微生物存在数量有限制作用［４５ ～ ４７］ 。 由于自然界石油的降解是一系列微
生物共同作用的结果 ，没有一种微生物能降解石油中所包含的所有碳氢化合物 ，有些微生物本身并不能分
解碳氢化合物 ，但其在石油去除中发挥着重要作用［４３］ 。
１９８９ 年 Exxon 石油公司的油轮在阿拉斯加 Prince Willian 海湾发生溢油事故 ，溢油量达 ４１７０m３ ，污染海
岸线长达 ５００ ～ ６００km 。 为了消除污染 ，该公司采用原位生物修复措施 ，通过喷施营养物（N 源 、P 源）加速海
滩上自然存在的微生物对污染石油的降解 ，使石油污染程度明显减轻 ，并未向周围海滩及海水中扩散［２４］ 。
美国犹他州某空军基地采用原位生物降解修复航空发动机油污染的土壤 ，在土壤湿度保持 ８ ％ ～ １２ ％ 条件
下 ，添加 N 、P等营养物质 ，并通过在污染区打竖井增加 O２ 供应 。 １３ 个月后土壤中平均油含量由 ４１０mg／kg
降至 ３８mg／kg 。 荷兰一家公司应用研制的回转式生物反应器 ，使土壤在反应器内与微生物充分接触 ，并通
过喷水保持土壤湿度 ，在 ２２ ℃ 处理 １７d 后 ，土壤含油量由 １０００ ～ ６０００mg／kg 降至 ５０ ～ ２５０mg／kg 。
虽然可降解碳氢化合物的微生物在自然界中广泛存在 ，但是土著微生物不能很好地降解像石油这样复
杂混合物中的所有成分［２３］ ，另一方面自然状态下微生物浓度较低 。 故通过添加可降解碳氢化合物的外源微
生物 、构建可降解脂肪酸 、芳香烃 、萜烯类 、多环芳烃［４８］的假单胞菌株用于石油污染的生物修复中 ，可以减少
生物修复的滞后过程 ，达到理想的修复效果 。
2畅2 　 富营养化水体的微生物修复
富营养化水体的脱 N 主要依靠微生物来完成 。 脱 N 过程中 NH ＋４ 唱N 氧化为亚硝态氮是整个过程的限
速步骤 ，很少发现亚硝酸盐在环境中积累［４９］ 。 氨氧化主要是通过氨氧化菌来完成 ，该菌是好氧性化能自氧
微生物 ，其中也有少数能够忍受缺氧的环境 ，另外一些异养真菌和细菌也可以氧化氨 ，例如甲烷氧化菌可能
通过甲烷单加氧酶将氨氧化［５０］ 。 通常 NH ＋４ 唱N 和 O２ 是制约硝化反应速率的主要因素 。
李正魁等［２］用丙烯酸羟乙酯（２唱hydroxyethyl acrylate） 聚合而成的多孔性载体固定硝化细菌和反硝化细
菌 ，采用 SBR 工艺净化富营养化水体中 N 素 ，每批次停留时间为 ８d 。 每批次出水的 TN 和 NH ＋４ 唱N 浓度比
进水下降 ７０ ％ 和 ８４ ％ 左右 ，COD 去除率达到 ６８ ％ 。 美国一家公司研制的 Clear唱Flo 系列菌剂专门用于湖泊
和池塘生物清淤 、养殖水体净化 、河流修复及潮汛去除 。 １９９２ 年美国 Moulin Vert 水渠使用 Clear唱Flo １２００ ３
个月 ，NH ＋４ 唱N 从 ０畅０２mg／L降为 ０ ，COD 降低 ８４ ％ ，BOD５ 降低了 ７４ ％ ，无毒性检出 。 由于菌剂不断矿化污
泥 ，恢复了水渠的自净容量 ，连续几年接种处理后便完成了水渠的修复工程 。 １９９３ 年我国用 Clear唱Flo７０１８ 、
Clear唱Flo１２００ 、Clear唱Flo７０００ 修复昆明的一条河流 ，由于接纳农家肥 、动物粪便 、渔场副产品 、化粪池渗漏液 、
工业废水和倾倒的垃圾 ，这条河的悬浮有机废弃物负荷很高 ，严重富营养化并产生恶臭 ，治理后 NH ＋４ 唱N 和
H２ S 降低 ，污泥被分解 ，游离氧开始增高 。 李捍东等［３］利用微生物菌液喷洒技术治理南宁市的一污染水塘 ，
经过 ５ 个多月的运行 ，TN 去除率高达 ７０ ％ 以上 ，处理后池塘各项指标达到景观娱乐用水 C 类水质标准 ，并
除去了以前水面疯长形成的绿油漆状的水花 。
在富营养化湖泊的生物修复中 ，采用适当的工艺条件并接种专性菌剂有助于水中 N 素和有机碳的去
除 ，但是对 P 素 ，微生物修复效果不及物理修复（清淤）和水生生物修复［４］ 。 水生植物也是去除水体中 N 的
重要工具和载体 。 一方面 ，水生植物可直接吸收利用水中的 N 和 P等营养元素 ；另一方面 ，水生植物表面附
着的微生物在除 N 过程中起着重要作用［５１］ 。 常用的水生植物主要是漂浮植物和挺水植物 ，使用较多的漂
浮植物有凤眼莲 、浮萍 、大漂 、水花生 、满江红等 ，挺水植物有芦苇 、香蒲 、灯心草 、菰等 。 水生高等植物在春
夏秋季水温高时对 N 的去除可起到良好的作用 ，但在冬季植物停止生长并死亡 ，残体会重新释放 N 素而重
回到水域中 ，因此应在植物停止生长后及时去除植物残体 ，以防再次污染水体 。
3 　 结 　 论
实践表明 ，生物修复技术是可行而有效的 ，该技术已应用于多种类型环境污染的治理 。 德国 、丹麦 、荷
兰等欧洲国家对生物修复技术非常重视 ，全欧洲从事该项技术的研究机构和商业公司有近百个 。 美国国家
环保局 、国防部 、能源部也积极推进生物修复技术的研究和应用 ，美国能源部组织了“生物修复行动委员会”
负责生物修复技术的研究和具体应用实施 。 我国生物修复的研究与应用也已受到越来越多的关注 。
但生物修复技术的发展仍然面临许多问题 ，其中有技术层面的问题 ，也有非技术层面的问题［６］ 。 首先
２００　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷
不是所有的污染物都适合于生物修复 ，有些化学品不易或根本不能被生物降解 ，如多氯代化合物和重金属 ；
微生物在对污染物进行代谢的过程中 ，同时将污染物转化为简单小分子和复杂大分子 ，而其中有些产物的
毒性比污染物本身还高 ，因此 ，如何全方位了解微生物降解 ，合理控制生物降解过程使之向有利的方向发展
是非常重要的 。 其次微生物对污染物的降解速度取决于微生物对污染物的吸收 、代谢和转移速度 。 当吸
收 、转移速度成为限定性因素时 ，提高微生物代谢速度对提高降解率将起不到作用［５２］ ，这就需要与化学 、物
理方法相结合 ，如投加生物表面活性剂 ，来提高微生物对污染物的降解速度［５３］ 。 生物修复是科技含量较高
的处理方法 ，涉及多相 、异源环境 ，如在土壤中污染物可能吸附在土壤颗粒上 ，也可能溶解于土壤所吸附的
水和空气中 ，由于这些复杂性 ，成功的生物修复需微生物学 、生态工程 、地质学 、化学等多学科的共同参与 。
生物修复今后的研究重点一是扩展对在降解毒害化合物中具有普遍意义的微生物互惠共生群体结构
的了解 ；二是确定好氧 、厌氧微生物降解毒害化合物的生物化学机制 ，加强对其代谢途径及遗传学的研究 ；
三是开展生物修复新技术的小试／中试研究 ，并建立专用基地供实地试验 ；四是开发有关生物传感器及生物
过程模型 ，以评估实地试验效果 。
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２０２　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １５ 卷