生物修复技术

4．1．3　生物修复技术

生物修复技术是一种通过植物、动物、微生物等多种生物对环境中污染物进行降解或无害化，从而使水质或底质得到净化处理的修复技术。到目前为止，生物修复技术的种类有很多，按实施的场地可分为原位修复和异位修复两类；按选取的生物可分为微生物修复、植物修复、动物修复等。原位修复不需将土壤挖走或将地下水抽至地面上处理，主要用于水域、耕地的环境修复，其优点是费用较低，但较难严格控制。异位生物修复则需要将污染物质通过某种途径从污染现场运走，这种运输可能会增加费用，但处理过程中便于对修复过程进行控制，主要用于工业和生活废水的处理。

微生物修复通过微生物的作用清除水体或固体介质中的污染物，或是使污染物无害化的过程，是目前生物修复的主要形式，也是水产养殖中应用较广泛的一种修复方法。植物修复是利用自然生长的或者遗传工程培育的植物吸收、富集或降解污染物并将其从环境中去除或无害化的修复方法，对于养殖水域的植物载体主要选取大型海藻。动物修复是利用某种生物的生物学特性对污染水域或沉积环境中污染物特异性去除的修复技术，主要采用滤食性动物、底栖动物和鱼类修复技术等。

4．1．3．1　植物修复技术

4．1．3．1．1　原理和方法

植物修复技术直接利用自然生长的各种活体植物或遗传工程培育的植物，通过提取、降解和固定等过程清除环境中的污染物，或消减污染物的毒性，修复受污染环境。植物修复去除污染物的方式有如下4种：

1）植物提取植物直接吸收污染物并在体内蓄积，植物收获后才进行处理。收获后可以进行热处理、微生物处理和化学处理。

2）植物降解植物本身及其相关微生物和各种酶系将有机污染物降解为小分子的CO₂和H₂O，或转化为无毒性的中间产物。

3）植物稳定植物在与受污染介质的共同作用下，将污染物固定并降低其生物活性，以减少其对生物与环境的危害。

4）植物挥发植物挥发是与植物吸收相连的，它是利用植物的吸取、积累、挥发而减少介质中的挥发性污染物浓度。

在养殖环境修复中应用较多的是大型藻类，例如海带。大型藻类作为生物滤器技术是20世纪70年代发展起来的，后来被很多学者所重视，逐渐发展和完善了大型藻类与鱼、虾、贝类和大型藻类与多种生物的综合养殖模式，大型藻类与养殖动物具有生态上的互补性，它们能吸收养殖动物释放到水体中多余的营养盐，并转化为具有较高经济价值的产品。这些营养物质通过被大型藻类吸收而去除，同时大型藻类能固碳、产生氧气，调节水体的pH值，从而达到对养殖环境的生物修复和生态调控作用，主要表现在3个方面：

1）控制底泥营养盐释放：如大叶藻能有效抑制底泥中N、P的释放，该技术是水生植物修复的主要研究方向。

2）吸收过剩的营养物质：如海带、紫菜、裙带菜等大型水生藻类可以有效吸收富营养化海区中的N、P等过剩营养物质。

3）克藻效应：水生植物通过资源竞争影响浮游藻类的生长，其与浮游藻类有相互克制的特性。

4．1．3．1．2　应用特点

作为一项高效、低廉、非破坏性的净化方法，植物修复技术可以替代传统的处理方法，除了成本较低之外，还具有以下几方面优点：

1）对环境基本上没有破坏。

2）不需要废弃物处置场所。

3）具有很高的公众接受性。

4）避免了挖掘和运输。

5）具有同时处理多种不同类型有害废弃物的能力。

植物修复受到气候、温度等条件的限制及污染状况和污染类型的制约，主要存在以下缺点：

1）吸收到植物体内的污染物会随着脱落再次回到环境中去。

2）污染物可能会积累在植物体内进入食物链，对生态系统产生负面影响。

3）会提高某些污染物的溶解度，导致更严重的环境危害。

4）比别的修复技术花费时间更长。

4．1．3．2　动物修复技术

4．1．3．2．1　原理和方法

动物修复是通过习居的底栖动物或投放高富集动物对环境污染物吸收、降解、转移，以去除或抑制其毒性，可视为一种经济有效的生态修复措施。养殖环境中的动物修复技术主要依靠动物对有机污染物的吸收以及对浮游藻类的摄食作用，来达到修复环境的目的。动物修复的生理基础包括：

1）生物体内普遍存在一种金属硫蛋白，能与重金属结合形成低毒或无毒的络合物。

2）生物体代谢产生一些富含－SH的多肽（如PC），能与重金属螯合，从而改变其存在状态。

3）生物体内存在多种编码金属转运蛋白的基因（如最早克隆的Zn转运蛋白基因和Fe转运蛋白基因），这些基因编码的转运蛋白能提高生物对金属的抗性。

有关动物修复的研究报道主要集中在有机物和农药污染土壤或海底沉积物的修复（如利用蚯蚓或沙蚕等修复）和富营养化水体的修复（如利用滤食性贝类、蟹类、刺参等修复），对重金属污染介质的动物修复机理仍处于探索阶段。在通常情况下，污染水体中，动物修复主要采用滤食性动物、底栖动物和鱼类修复技术。滤食性动物、底栖动物在水域中摄食藻类和细菌，有效地控制水中生物的群落，达到稳定水系的作用。在海水养殖系统中，滤食性动物和腐食性动物近年来越来越得到人们的重视，这些动物利用它们的摄食习性可以有效降低养殖对水体环境造成的负面影响。目前有学者研究建立在多营养层次上的生态养殖模式实质就是利用各种不同水生动物对水层的和谐共享、饵料的各取所需基础上的动物修复模式。

4．1．3．2．2　应用特点

动物修复也是一种高效、低廉、非破坏性的净化方法，并具有和植物修复技术类似的五大优点，但由于修复型动物的生物学特性，该项技术在养殖环境中的修复具有一定的局限性，具体表现在：

1）单一修复型的生物修复潜力低。

2）生物量大、生长快的超富集生物的生态适应性低。

3）收获高富集生物后缺少合理的处理方式。

4）摄入的污染物富集于修复动物体内进入食物链，产生生物放大作用，会对更高级消费者产生危害。

5）修复作用的效率受生命周期的限制而不稳定、历时较长。

4．1．3．3　微生物修复技术

4．1．3．3．1　原理和方法

微生物修复技术包括自然和人为控制条件下的污染物降解或无害化过程，在自然修复过程中，是利用土著微生物的降解能力，但对于外来化合物，很少会有土著微生物能降解它们，所以需要加入有降解能力的外源微生物。人为修复工程一般采用有降解能力的外源微生物，用工程化手段来加速生物修复的进程，这种在受控条件下进行的生物修复又称强化生物修复和或工程化的生物修复。

根据修复实施的场地不同，可以将微生物修复分为原位生物修复和异位生物修复。前者在污染的原地点进行，不挖出或抽取需要修复的介质，采用一定的工程措施，利用生物通气、生物冲淋等一些方式进行。后者需要挖掘介质，将污染物移动到邻近地点或反应器内进行。

可用于微生物修复的微生物主要有细菌和真菌。细菌包括好氧细菌、厌氧细菌及兼氧细菌。细菌可以在污染条件下，不断适应环境，产生降解能力。如通过特定酶的诱导和抑制产生基因突变及通过质粒转移获得利用特定污染物的能力。真菌可分成三大类，即软腐菌、褐色菌和白腐菌。真菌对于一些大分子化合物表现出很强的降解能力，他们都以降解木质素而著称。影响微生物修复效率的主要因素包括营养物质的种类、电子受体的类型、污染物的性质、环境条件的适宜度及微生物之间的协同作用等。

水产养殖业所用有益微生物制剂的作用主要是通过高效调节水质或水体微生态环境而间接地防治水产养殖动物的疾病发生，也有的种类可参与动物体内微生态的调节。主要机理有以下5个方面：

1）参与养殖动物体内微生态调节。

2）防止动物体内有毒物质的积累。

3）提高动物机体免疫力。

4）净化水质、消除污染物。

5）促进养殖动物生长。

4．1．3．3．2　应用特点

微生物修复技术同传统修复或现代物理、化学修复方法相比，有如下优点：

1）可现场进行，减少运输费用和人类直接接触污染物的机会。

2）经常以原位方式进行，可使对污染位点的干扰或破坏达到最小。

3）分解产物为二氧化碳和水，可以永久性消除污染物长期隐患。

4）可与其他技术结合之用，处理复合污染。

5）降解成本低，性能高。

和所有的处理技术一样，生物修复技术也有它的局限性和缺点。

1）不是所有的污染物都适用于生物修复。

2）某些化学品经微生物降解后，其产物的毒性和移动性反而增加。

3）是一种科技含量较高的处理方法，必须符合污染地的特殊条件。

尽管有益微生物制剂在水产养殖业的应用结果表明其有许多优点，研究和开发工作日益加深，应用范围也日益扩大，但仍存在一些问题和有待研究领域，这一点应引起足够的重视。

1）使用安全性问题：具体而言，这一问题包括了多个方面：如选用菌种没有进行针对性地选择和严格驯化，可能对水产动物和人的健康存在潜在威胁；菌种的变异使得产品质量得不到保证；缺少对代谢产物的系统研究，一株现在无毒无副作用的菌种无法保证其长期安全；在开发生产过程中常有偏重于产生抑菌作用的倾向，病原菌生长时间与其接触有可能产生抗性，等等。

2）菌种的选择问题：虽然目前有许多商品性的有益微生物制剂应用于水产养殖业，但大多数是为陆生动物设计的，有的菌种并不适合水产养殖动物的消化和养殖水体的环境，因水产养殖动物为低等动物或冷血动物，其消化道内的微生态系统与陆生动物有很大不同，养殖水体环境也与陆地环境有很大不同，在选择菌种时应引起充分注意，要在研究基础上加以选择和确认。

3）施用技术的不明确：有益微生物制剂对养殖水体的生物修复存在一定局限性，养殖水体的水型较为复杂，有海水、内陆盐水、淡水之分，也有按盐型的不同划分的盐酸盐型、碳酸盐型、硫酸盐型、硝酸盐型等水型，而每一种微生物都有其特定的生存适应环境要求，有益微生物制剂中的特定有益菌只能降解特定类型的化学物质，状态稍有变化的化合物就不可能被同一微生物所降解或破坏，有益微生物制剂并不能适用于所有养殖水体环境或不能降解所有养殖环境中的有毒有害物质。因此，要在已有研究的基础上，研究测水施用技术。对于不同水型确定不同微生物种的配伍、用法与用量等技术内容，确保使用的有效性。

4）应用对象和环境的限制性问题：对于有益微生物制剂的不同施用对象的毒力变化、施用后对养殖环境的影响、对宿主的有害作用及致病性问题等都要进行深入研究，因为有些菌为有条件致病性，可能无毒或无致病性的分离株在释放入环境或用到宿主后发生变异，从而产生致病能力，这一点往往容易被忽视。另外，一些养殖生产者将有益微生物制剂桶消毒剂或抗生素同时使用，从而引起所施用的有益微生物制剂的大量死亡，以致形不成优势种群，难以发挥作用，造成经济上的浪费也是一个重要问题。

5）种属特异性和环境适应性问题：某些特异来源的菌种可能对分离动物或分离地的环境具有更突出的作用，当环境或分离物改变后，其作用也会有所变化。我国有益微生物制剂的基础研究较薄弱，许多基础性问题还没有解决。水产上使用的有益微生物制剂多是为人类或动物设计基础上改良而出，菌株并不一定适用水产养殖动物消化道或养殖水体环境中增殖，迫切需要培养出适宜的菌株。

6）配伍和谐性问题：对于复合有益微生物制剂而言，相互配合在一起应用的有两个以上或多个菌种，这些菌种并非是各个单独发挥作用，在一定条件下，它们之间也会产生相互影响，如拮抗或抑制作用等，从而失去配合的意义，甚至会产生相反的结果。

7）对水域微生态的影响问题：因有的微生物是有条件致病性的，在特定的条件下会产生我们所希望的作用，而在另一种特定条件下会产生相反的作用。而在从事有益微生物制剂开发应用过程中，大多只是在特定的条件下进行试验，并未对各种水域条件进行试验，从而出现在实际生产应用过程中效果不稳定货出现相反结果的原因所在。

4．1．3．4　细胞游离酶生物修复技术

细胞游离酶生物修复技术是建立在固定化合成酶技术基础上的，以微生物在酶的作用下降解污染物原理，在微生物细胞外借助合成酶的催化作用，将水体中污染物分解，目前该技术在国内仍处于起步研究阶段。