主题：【分享】转：环境知识7节课

第2课　微生物抗毒与转化降解
现代工业一方面给人们的生活带来方便及舒适，但另一方面不可避免地影响着环境及环境中的微生物。例如，为了追求粮食高产，现在世界各国都大量使用化肥和农药（杀虫剂、除草剂），而化学肥料和农药的大量使用就容易改变土壤酸碱度及成分，造成土壤微生物群落的变化，严重的可导致土壤板结，使土壤肥力降低。而农药通常不仅杀死有害昆虫等，田间的有益生物也在劫难逃。而且有的农药极难被降解，在环境中的残留时间很长，造成一代代积累，对环境造成极大的破坏。

　　微生物个体微小、繁殖迅速、数量巨大、代谢能力强速度快、易于突变，它们较其它生物更易适应环境。当环境条件发生变化，例如有新的化合物存在时，某些微生物能逐步发生改变以适应环境的变化。它们可能通过自然突变形成新的突变种，也可能通过在细胞内产生新的功能而适应新环境。这些特征使得微生物成为污染物降解中的主力军。

　　当前已知的环境污染物质达数百万种，其中包括有机污染物如塑料、尼龙等“白色污染”类；农药（杀虫剂、除草剂）、染料等难降解类；抗生素类；石油及石化产品类等等。无机污染物有氨、硝酸盐、汞、砷等等。在自然条件下，有些人工合成的大分子化合物不能被微生物降解（如塑料薄膜类的“白色污染”），有些能被降解但速度很慢（如各种染料和农药）。现在人们通过生物技术，例如人工筛选或者基因改良可以得到比野生菌株降解效率提高很多的优良菌株，从而为治理环境污染物提供了重要的工具。

　　微生物在与环境污染物的相互作用中不是完全被动的，很多微生物在与环境的相互作用中有积极主动的一面。像不少致病性细菌对青霉素具有抗药性一样，很多微生物对各种重金属污染也有抗性。微生物为什么能抵抗重金属毒性呢？一般来说原因不外乎下面几种：

　　1，减少吸收，使微生物细胞内的重金属含量保持在很低的水平而不产生对细胞的毒害作用。如一种金黄色葡萄球菌对Cd2+的抗性就是如此。

　　2，增加排出，有些微生物可以通过主动的方式把细胞内的重金属离子排出细胞外，从而维持细胞内的低含量水平。如一种芽孢杆菌对铜的抗性。

　　3，氧化还原作用，很多微生物可以通过氧化作用或还原作用（多数情况）把重金属从毒性较高的价态转变成为毒性较低的价态，从而解除了重金属的毒性。例如对汞的抗性即是如此，自然界中有很多微生物（大肠杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌等等）可以把高毒性的Hg2+还原成为低毒的Hg0，形成沉积或挥发到大气中。另外，自然界还有些微生物（大肠杆菌、芽孢杆菌等）可以将高毒的Cr6+还原成为低毒的Cr3+，从而达到解毒的作用。这一原理被应用于电镀废水的生化处理。

　　4，在细胞外产生可以结合（包括细胞表面吸附）有毒重金属离子的结合物，从而减少环境中毒性重金属的浓度，达到解毒的目的。如大肠杆菌的抗铜作用即是如此，它可以分泌能结合铜离子的蛋白质，从而降低了铜离子的有效浓度。另外，很多微生物还可以产生H2S，以非特异性的方式结合各种重金属离子，如硫酸盐还原菌即可产生硫化氢结合Fe2+等离子。

　　5，吸附作用。很多微生物的细胞表面具有特殊的结构，可以吸附重金属离子，从而达到减少溶液中重金属离子的浓度。有些酵母菌可以吸附很多重金属（如铅、金、银、镍、铀等）或它们的离子，吸附量甚至可达到细胞干重的90％，科学家已经应用微生物的这一特性成功地从各种溶液中回收银、金、铀等贵重金属。

　　许多有机污染物本来是作为杀虫剂、杀菌剂、除草剂、防腐剂等而被开发出来，并大量生产和广泛使用的。它们是人工合成的本来在自然界不存在的化合物，一般来说，都是有毒的。它们的使用给工农业生产带来丰收的同时，也广泛地污染着环境。它们可以杀菌或防腐，说明它们对微生物也是有毒有害的，主要表现在以下几个方面的作用：

　　（1）造成微生物细胞的裂解，如表面活性剂；
　　（2）破坏微生物细胞的能量代谢作用，许多农药有此作用；
　　（3）抑制微生物细胞各种酶的活性，导致微生物死亡，许多农药有此作用；
　　（4）作为蛋白质变性剂使微生物细胞中的蛋白质变性而死亡，许多洗衣粉和农药有此作用；
　　（5）破坏微生物细胞中金属蛋白和金属酶的功能，金属螯合剂有此作用；
　　（6）破坏微生物细胞的遗传物质，许多强化学诱变剂如硝基类化合物等有此作用；
　　（7）抑制微生物细胞合成功能蛋白，如许多农药可以干扰或破坏细胞内的蛋白质合成。

　　至于残留在农田中的农用薄膜，主要是对微生物生态系统功能的破坏。由于它们的存在，阻断了微生物生态系统中的正常的物质、能量和信息的流动与转化，而使其丧失或改变了正常的功能。

转化和降解

　　相对于生物的进化历史来说，有些有机污染物被释放到环境中的时间是非常短暂的，微生物与之相互作用的时间就更短了。但是农药等生物外源性物质的广泛使用和对环境的污染，增加了微生物生存环境中的不利因素，用科学术语来说，就是增加了微生物进化的选择压力。这起到了促进微生物的物种发生改变和进化的作用，因为只有那些发生了对微生物本身存活有利的突变（如抗药性、转化能力、降解活性）的微生物，才能继续存在于自然界中。我们人类最感兴趣和有可能加以利用的微生物的新特性，正是它们对生物外源性物质的转化和降解作用。

　　许多微生物可以对生物外源性物质进行化学转化，使其转变成为毒性较小或易于被其它微生物所降解的化合物。如对杀虫剂DDT和对炸药TNT的转化。

　　微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形式：

　　（1）脱卤（主要是脱氯），如DDT的脱氯；
　　（2）还原，将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原；
　　（3）水合反应，如对有机氰的水合反应，形成无毒的含氮有机化合物。

　　微生物除了可以转化生物外源性物质外，有些微生物还可以把它们分解掉，因为是把较大的化合物分子一步一步地变小，所以称为降解作用。有些生物外源性物质可以被彻底降解，即变成水和二氧化碳等无毒无害的很小的分子化合物或元素。但是，有些生物外源性物质不能被彻底降解。

　　多数情况下，这种降解过程需要多种微生物的协同作用，才能彻底完成。有些微生物在降解生物外源性物质时，要给微生物另外提供对它们生长繁殖所需要的营养物质，因为这些生物外源性物质的降解产物并不能成为该微生物生长繁殖所需的碳源和能源。在微生物生态学中，我们把这种情况叫做共代谢作用（Cometabolism），或辅代谢作用。这种降解往往是不彻底的，同时也是最多见的。下面简单介绍微生物对几种主要类型生物外源性物质的降解。

　　1、微生物对卤代类（特别是氯代）生物外源性物质的降解

　　此类化合物的典型代表有多氯酚（PCP）和多氯联苯（PCB）类化合物，它们被广泛用作防腐剂、杀虫剂及合成高分子材料的化工原料。它们都很难被降解，即具有很高的生物稳定性。尽管如此，微生物学家还是找到了许多可以降解它们的微生物。如黄杆菌（Flavobacterium sp.）可以降解五氯酚，不动杆菌（Acinetobacter sp.）可以降解PCB。

　　2、微生物对有机磷化合物的降解

　　有机磷化合物作为杀虫剂被广泛用于农业生产上，如乐果、对硫磷、甲胺磷等等。它们在环境中的残留时间很长，不易被降解，因此现在被限制或禁止使用。然而，近年来不断发现许多微生物可降解有机磷化合物，从而为寻找解决及净化环境中的有机磷农药污染的途径提供了可能。

　　3、微生物对人工合成多聚物的降解

　　人工合成的多聚物种类很多，其典型代表是聚乙烯，我们日常使用的塑料制品多用它们做原料。由于它们的化学稳定性、生物不可降解性、可塑性等优越的性能，使它们被大量生产，广泛应用于工农业生产上，取得了非常显著的效果。但是如果不把它们进行回收利用而听任它们释放到环境中，就会在环境中造成生态系统功能的破坏，带来严重的环境污染问题。当前全社会正从多方面着手解决这一问题。一方面加强环境保护的宣传，提高人们的环保意识；一方面采用适当的政策鼓励农民回收利用农用地膜，限制或禁止生产容易引起大量污染的塑料袋、一次性饭盒等。科学家们正努力进行可以被微生物降解塑料的开发和生产，不过目前要大量推向市场还不容易，因为在产品价格上还无法与原由的人工合成塑料竞争。

　　利用特定的微生物降解合成多聚物也是解决此类污染，特别是土壤中已存在的污染的有效方法。科学家已经发现，有些微生物（主要是真菌）可降解合成多聚物，如聚乙烯醇、乙烯薄膜、聚乳酸薄膜等。微生物一般是在用物理化学方法处理这些多聚物，将它们降解成聚合程度较小的物质之后，更易于降解它们。

　　4、微生物对多环芳烃的降解

　　很多多环芳烃化合物是生物外源性物质，亦有不少并不是生物外源性物质，而是天然存在的化合物。但由于多环芳烃特别是四环以上的多环芳烃（如苯并芘），具有很强的致癌性，也难以被生物降解，很容易积累在环境中。近年来，有关微生物降解多环芳烃的研究和利用这些研究成果净化环境中的多环芳烃污染的设想备受人们关注。已经证明，很多微生物可以降解多环芳烃。

　　多氯联苯（Polychlorinated biphenyls，PCBs）是人工合成的有机化合物，广泛用于润滑油、绝缘油、增塑剂中。它会损伤皮肤、神经、骨骼，还是一种致癌因子。PCBs很稳定，在环境中不易降解。但早在1973年就有人发现了能够降解PCBs的微生物。1978年一位日本科学家从美国威斯康星一个湖泊中分离到两株能‘吃’多氯联苯的细菌。经研究发现，它们能分泌一种酶，把PCBs转化为联苯或对氯联苯，然后把这些转化产物进一步降解成苯甲酸或取代苯甲酸，而最后这些化合物可以由环境中的其它微生物轻而易举的分解掉。

第3课　污染环境的废弃物的生物处理
现代人类的生产活动势必造成环境污染，这是全世界的共同问题。在我国过去几十年的经济发展中，由于忽视了发展中的环境保护问题，目前环境状况十分严峻，已经影响了我国经济的可持续发展。近年来虽然采取了大量控制措施，但环境质量下降的趋势仍在继续。据中国国家环保局《中国环境状况公报》显示，我国1999年大气污染物的排放量，如二氧化硫1857.5万吨，飘尘1159.0万吨，全国废水年排放量达到401.1亿吨，工业固体废弃物年产生量7.8亿吨、排放量达3881万吨，其中100万吨排入河流，危险废弃物产生量1015.5万吨。大量积累的未经处理的工业废弃物（高达59.7亿吨）堆放在室外，占地达5.02万公顷，城市垃圾的产量也非常巨大（仅北京市就年产城市垃圾1000万吨以上），造成严重的环境污染。生态环境的破坏和恶化极为严重，随着我国经济的飞速发展，环境保护的压力将进一步加重。

　　世界各国的科学家和工程技术人员，针对环境污染的问题和不同的环境污染类型，发展了各种处理办法。主要可以分为三大类：化学法（如絮凝沉淀法）、物理法（过滤）和生物法（如活性污泥法）。这三类方法也可以结合使用。在污染物的处理中，虽然物理、化学方法作出了一定的贡献，但由于这些方法存在投资大、成本高、二次污染的问题，而逐渐被生物法所代替。

　　生物处理（Biotreatment）也叫生化处理，是指利用处理系统中的生物，特别是微生物的代谢活动以及各种特性来处理各种废弃物的过程。主要是针对各种污染源和小范围的环境污染。生物技术在处理环境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反应条件温和以及无二次污染等显著优点，为从根本上解决环境问题提供了希望，因而越来越受到人们的青睐。生物技术将成为21世纪治理环境污染的优选技术。它区别于其它技术的最根本特点是消除污染物而不是分离转移污染物。

城市垃圾生物处理技术

　　由于人类活动，每天都有大量的固体废弃物，如各种垃圾的产生，特别是大城市的固体废弃物的产量更是惊人。这些固体废弃物都应该进行无害化处理，但目前几乎95%的垃圾未经这样的处理，一般只是简单地堆集起来或倾入江河中。固体废弃物中不仅含有各种无机物，如玻璃、金属等，还含有大量的有机物，包括可降解的淀粉、蛋白质、废纸、烃类等和很难降解的塑料等，其中的很大部分是可以回收利用的，因此提倡垃圾的分类包装，回收可再生的资源，是一箭双雕之举。
　　固体废弃物的处理有很多方法，如填埋、堆肥、焚烧、用来发电等。

　　垃圾的填埋处理不仅需要侵占大量的土地资源，而且需要很长时间（一般至少50-100年）才能完全使所填埋的垃圾无害化，因此填埋了垃圾的土地长期不能使用，甚至还可能引起火灾。由于填埋于地下的垃圾，绝大部分是有机物，在厌氧微生物的作用下进行发酵，能产生大量的沼气逸出地面，遇火即可发生火灾；填埋的垃圾还可能污染地下水。

　　垃圾焚烧同样也存在火灾的隐患，同时焚烧时还会产生大量废气，造成对环境的再次污染，我们称这种污染为二次污染。

　　较好的物理方法是利用垃圾发电。这在发达国家是一种比较普遍采用的处理城市垃圾的方法，我国也建立了几座垃圾发电厂，但目前在我国还不能普遍推广，因为成本很高。

　　垃圾堆肥是较原始的简易的固体垃圾生物处理方法。主要是利用垃圾中原本带有的微生物进行自然发酵。这种方法虽然可以采用，但所需的处理时间长，处理量小，发酵过程不易控制。

    现在发展了新的城市垃圾生物处理工艺。这种工艺是先经过过筛，回收可再生资源后，引入具有特定功能的微生物（主要是一些能高效降解有机物质，如纤维素、脂肪、蛋白质的微生物）进行好氧处理或厌氧发酵，加速发酵过程，同时还可以收集所产生的沼气。经过充分发酵后的垃圾是一种很好的农业肥料。如果实现垃圾处理工厂化，可以使发酵周期缩短（1-2星期），并且处理量较大。发酵过程可以实现全自动化控制，发酵后形成的肥料的质量也能得到保证。

污水生物处理技术

　　在20世纪初，由于全球人口密度还不高，现代大工业也未普遍出现，因而那时的污水浓度很低、数量也较小。这些污水排放到环境中，自然生态系统能够正常地发挥它们的调节功能，靠自然界微生物的分解就可以达到自动处理。但在人口密度提高，工业发达后，污水浓度和排放量不断增加。目前我国各种废水的年排放量已经达到401.1亿吨，这样巨大数量的废水排放到江河湖海中，靠自然界微生物的分解自动处理已经不可能了。这就必须进行人工处理。当前我国虽然有些地方对废水水进行了一定程度的处理，但也只是其中的一小部分，绝大部分废水未经处理或初步处理就直接排放，污水中的各种指标还远远高于国家规定的排放标准。所以目前我国的各大流域和各大湖泊、海洋水域都存在不同程度的污染，特别是辽河流域、淮河流域、滇池、太湖、巢湖、渤海、胶东湾等地区的水污染尤为严重。近几年我国对废水的处理的能力增加了，如淮河流域、太湖周边、环渤海等的一些工厂被强制性要求污水限期达到排放标准，否则工厂将关闭或停产。

　　北京计划建立16座大型污水处理厂。目前已建成的有高碑店污水处理厂，日处理量达100万吨，但只能处理目前北京地区废水量的40％左右，其余还是未经处理就排放，只有等以后所有的污水处理厂全部建成才能达到所有污水的完全处理。

　　在废水排放到环境中之前的处理，主要是控制废水中的COD（化学需氧量）、BOD（生化需氧量）、总悬浮物、TN（总氮）等，使经处理后排放的废水的上述指标达到排放标准。BOD值是废水中可被生物氧化的有机物含量及氨的含量，它反映了废水可进行生物化学处理的程度；COD值是采用化学强氧化剂与废水中有机物和氨进行反映的总量，表明了废水的污染程度。COD值总是大于BOD值。世界各国根据各自的国情制定的废水排放标准不尽相同。
  废水的处理方法主要可归结为三类：物理法、化学法和生物法。

　　目前普遍使用生物法或生物法与其它方法结合。在废水的生物处理中，虽然用于废水处理的生物反应器类型及工艺流程很多（如厌氧－好氧工艺、硫化床工艺、接触氧化法、上流式厌氧污泥床（UASB）工艺、连续批式反应器（SBR）工艺等），视废水类型及污染程度而采取不同的处理策略，但其基本原理都是利用处理系统中的各种微生物群落的代谢作用，以去除污水中的污染物。根据处理系统中微生物所处的状况，则可以分为：悬浮细胞法、活性污泥法、生物膜法等。下图演示了采用厌氧－好氧工艺处理废水的全过程。
    目前最普遍使用的是活性污泥法，特别是在城市污水处理中。而效率较好的是生物膜法，特别是在特殊行业废水的处理中应用最为常见。

第4课　活性污泥法、生物膜法
活性污泥（activated sludge）可分为好氧活性污泥和厌氧颗粒活性污泥，不论是哪一种，活性污泥都是由各种微生物、有机物和无机物胶体、悬浮物构成的结构复杂的肉眼可见的绒絮状微生物共生体。这样的共生体有很强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解很多的污染物，可以达到处理和净化污水的目的。活性污泥法是最常见的污水生物处理方法，污水在经过初步沉淀去除各种大块颗粒之后送到好氧反应池，在池中通过曝气或搅拌供给氧气。在活性污泥法中，经处理后排出的水中的大部分活性污泥被沉淀下来返回反应池，这样可以维持很高的微生物密度和活性。当污水停留在好氧反应池期间，一部分有机物被处理成无机物，即矿化；另一部分转化为微生物细胞物质。在活性污泥法中，严重影响处理效果的是污泥的沉降性能。如果活性污泥沉降性能差，由于丝状细菌和真菌的过分繁殖将导致活性污泥膨胀。虽然活性污泥的膨胀机理尚不完全清楚，但通常在碳氮比（C：N）和碳磷比（C：P）的比值较高，水中溶解的氧气浓度较低的条件下容易产生。为维持良好的处理效果，应当避免发生污泥膨胀，因此在活性污泥法中要严格控制进入系统废水的C：N和C：P的比值，并维持较高的溶解氧水平，这样才能维持良好运行状态。产生的活性污泥除一部分回流利用外，其它多余的则需要另外处理。处理的方法是厌氧消化、填埋或干燥。干燥后的处理物可以用作农业肥料。
　　活性污泥法是一个连续的处理过程，因而易于采用计算机控制而实现监控自动化。此外，活性污泥法处理废水的效率可以根据具体条件而作较大的调整，因而可用于处理流速及浓度发生较大变化的污水。活性污泥法被广泛用于处理城市生活污水和各种工业废水。
活性污泥法的主要问题是产生大量剩余的污泥，需要用其它办法处理。现在世界各国，包括我国都发展了各种处理系统以减少剩余污泥的产量，颗粒活性污泥法就是一种行之有效的方法。这种方法是把活性污泥培养成颗粒状，用颗粒活性污泥完全矿化废水中的有机物，而不形成新的微生物细胞，或者只在颗粒活性污泥内部维持微生物细胞的新老更替。

生物膜（Biofilm）是通过附着而固定于特定载体上的结构复杂的微生物共生体。相对于活性污泥来说，在单位体积生物膜中所含的微生物数量更高、比表面积更大。生物膜比活性污泥具有更强的吸附能力和降解能力，可以吸附和降解污水中的各种污染物，具有速度快、效率高的特点。在使用生物膜法处理污水时，要求在处理系统的构筑物中装填一定数量的填料，这些填料一方面可以扩大处理系统的比表面积，另一方面为微生物提供附着固定的载体。生物膜处理系统的性能、效率取决于其中微生物活性的高低和所装填料的多少及其比表面积。一般来说，生物膜法较多应用于特殊行业的废水处理中，如印染废水等。

　　根据生物膜法处理系统中所用的填料的不同，生物膜法又可以分为以下几种类型：

　　滴滤系统（Trickling filter system）

　　该系统是一种简单且相对便宜的膜式好氧处理装置。在该处理系统中，通过转动的栅栏喷淋装置将污水均匀分布于多孔处理床（例如由石子等铺成）上。在多孔处理床上可生长多种微生物群落和原生动物。当污水缓慢地流过处理床时，微生物就吸收并降解了其中的有机成分，使得污水得到处理。在这样的处理系统中，天然形成了食物链，微生物利用有机物生长繁殖，原生动物等以微生物为食，从而维持在一个动态平衡中。如果污水中的营养（BOD）过高，就会导致微生物的过量生长繁殖从而引起多孔处理床的堵塞，这样便会降低处理效果。

　　旋转生物接触氧化系统（Rotating Biological Contactor，RBC）或生物转盘

　　在这样的处理系统中，一系列圆盘结构装置部分浸没于污水中，部分在空气中并不断地旋转，这样便保持了良好的通气效果及与污水的接触，从而在圆盘上形成了“生物膜”。这样的“生物膜”是由各种微生物、原生动物等构成的微生物群落。在扫描电镜下，典型的生物转盘的“生物膜”有两层结构，外层主要由丝状菌等好氧微生物组成，内层由包括脱硫弧菌在内的厌氧微生物构成。因此这样的“生物膜”具有去除BOD及无机物（主要是硫酸盐）的功能。生物转盘处理系统与滴滤系统相比，具有占地少、效率高、运行稳定等优点，但其前期投资较大。这种系统已经成功地用于处理城市污水和各种工业废水。

　　流化床反应器（Fluidized Bed Reactor，FBR）

　　由于污水的泵入或曝气（空气或氧气）作用，流化床反应器中的载体物质（浮石、砂子、塑料等）会在反应器中不断流动，因而得名。在这种系统中，由下向上进入的废水的流速或曝气的程度被控制在足以使载体流动不互相接触，但又不能破坏“生物膜”结构的程度。该系统的最大优点是载体的比表面积被充分利用，但能耗较高，运行成本也相对较高。该系统可用于BOD的去除，也可以用于废水中硝酸盐的处理。

第5课　被污染环境的生物修复
对已经被广泛污染的大面积环境，采用废水及垃圾处理的方法是不可修复的。那么我们人类对此就无能为力了吗？答案显然是否定的。近年来，各国科学家已经成功的研究开发出可用于治理被大面积污染环境的生物技术，这就是生物修复技术。

　　生物修复（Bioremediation），也称生物整治、生物恢复、生态修复或生态恢复，是指利用处理系统中的生物，主要是微生物的代谢活动来减少污染现场污染物的浓度或使其无害化的过程。这种技术的最大特点是可以对大面积的污染环境进行治理，目前所处理的对象主要是石油污染及农田农药污染。生物修复最成功的例子是对阿拉斯加海岸线的石油污染的生物修复，经处理后，使得近百公里海岸的环境得到改善。

　　生物修复的具体操作方法可分为两种，其一是环境条件的修饰，如营养物质的利用、通气等。例如在石油污染的生物修复中只有在充分供氧条件下石油才能迅速的降解。其二是接种合适的微生物以降解污染物。用于生物修复的微生物包括土著微生物、外来微生物等。如果在污染区域内的土著微生物不能有效地降解污染物，就必须人为接种各种可降解污染物的微生物。这些微生物可以是从天然样品中筛选的，也可以是通过基因工程改造的。

　　环境条件的改善通常包括下面一些措施：

　　（1）通气或通过土壤翻耕等方法以保证氧的供应量。这一点在石油污染的生物修复中尤显重要，因为石油污染只有在供氧充足的条件下才能被迅速降解；

　　（2）适量补充矿物营养物质，特别是氮和磷元素，以促进微生物的生长及提高它们的降解代谢速度。目前已针对生物修复之用途，开发了各种营养添加剂。

　　（3）水的活性调节，包括含水量的调节。

　　（4）调节环境pH条件。众所周知，微生物的代谢活动都有一个最适的pH范围，因此要把环境的pH条件调整到适合微生物充分发挥它们的作用。

　　（5）调节环境的氧化还原电位。如果在污染区域内的微生物种群，即使在最佳作用条件下也不能降解污染物，或降解污染物的速度很慢，在这种情况下就需要人为接种各种可降解污染物的微生物。这些微生物可以是从天然样品中分离筛选的，也可以是通过基因工程改造的。然后改善污染区域的环境条件（如上所述），以保证所接种的微生物的生长繁殖，充分发挥它们的降解污染物的代谢作用，以达到对污染区域的生物修复的目的。

第6课　生物杀虫剂
目前，世界各国大量使用化学农药而造成环境污染。化学农药因其不具有选择性而对有益的生物也造成威胁。同时，很多化学农药是不可降解或很难降解的，容易在动植物体内积累而造成污染物的富集。但是，生物农药的出现使得这个矛盾缓解。现在主要的产品是用苏云金芽孢杆菌制成的BT生物杀虫剂。

　　1901年日本学者石渡繁从患猝倒病的家蚕幼虫中分离到第一个产生晶体的芽孢杆菌。十年后Berliner从德国苏云金地方一家面粉厂染病的地中海粉螟中分离到一个相似的菌株，并正式定名为苏云金芽孢杆菌（Bt）。4年后，一个叫克林诺的的科学家发现，在这种细菌的细胞中可以形成方形或菱形的晶体，可惜这个发现并未被重视。直到40年后的1953年，一个叫汉纳的生物学家证明了这种晶体是有毒的蛋白质晶体，才揭示了粉螟死亡的原因。在1920—1930年代，Bt作为微生物杀虫剂主要用来防治玉米螟。1938年第一个商品制剂Sporeine在法国问世，从此拉开了生物杀虫剂的序幕。以后相继发现了对鞘翅目，螨类、同翅目、膜翅目、直翅目昆虫，动植物寄生线虫，鞭毛虫，变形虫，扁虫中的吸虫、绦虫有致病性的Bt菌株。

　　苏云金芽孢杆菌之所以能够杀虫，是由于它们的细胞内存在着有毒的蛋白质，叫做伴胞晶体，被昆虫吞食后中毒而死亡。这种活细胞对环境无毒无害，而且在动物的胃肠道内，酸性环境下蛋白晶体不能溶解，从而对人畜无毒，所以是一种高效安全的生物杀虫剂，可用来防治农作物害虫和杀灭蚊虫。目前我国已经有很多种不同牌号的BT杀虫剂产品。

　　随着生物技术的发展，科学家已经能够从苏云金杆菌中提取出控制产生晶体蛋白的基因，并且把这段基因插入到棉花细胞中的染色体上，使这种杀虫基因成为棉花细胞中的一段。用这种棉花长大结出的种子大面积栽培时，带有这种杀虫基因的棉花苗便成了“杀虫棉花”。当害虫蚕食这种棉叶时便会中毒死亡。用一种特制的“基因枪”把杀虫基因射入棉花种芽内，随着棉花的长大，杀虫基因也会成为棉花遗传物质中的一个有效组分，在下一代棉种内依然可以找到这种杀虫基因，把这种棉花种籽种入棉田，当棉铃虫侵犯棉叶时，就会瘫痪死亡。

　　对生物农药的研究刚刚开始，相信在不久的将来，我们的农田将不再需要喷洒化学农药，农田将真正成为绿色的田野。

第7课　可以被迅速分解的塑料—多聚羟基烷酸PHA
　塑料被称为白色污染，是近年来环境的大敌。以聚乙烯为代表的塑料，在自然条件下极难降解，在土里埋50—100年仍旧安然无恙。由于塑料广泛应用于农业生产及日常生活中，所以其产量每年递增，造成了这种人工化合物的大量积累。积累在农田中的塑料可导致土壤板结，活力下降，防碍作物生长，可使作物减产20—40%。而城市垃圾中的塑料则危害着人畜的安全，有很多关于动物误食塑料致死的报道。

　　现在人们正在积极寻找可以取代原有塑料的可生物降解的新材料。一类由微生物合成的化合物引起了人们的兴趣，这类化合物为聚β-羟基烷酸酯，简称PHA，它们是由许多个β-羟基化的饱和脂肪酸聚合而成的。脂肪酸可以是丁酸，戊酸或己酸等。

　　1925年法国巴斯德研究所的一位研究人员从巨大芽孢杆菌中发现了聚β-羟基丁酸酯（PHB）颗粒，当时这一成果并未引起人们的注意，被锁进科技档案柜里。PHB是PHA中的一种。后来的研究表明，很多种类的微生物都能产生PHA。PHA分子量很大，具有良好的柔韧性和抗张性，并具有良好的可塑性，在实际应用上无异于人工塑料。它的最大优点是可被微生物降解掉，因此人们称它为“生物可降解塑料”。90年代以后，美国已有一家公司建立了第一家生产500吨生物可降解塑料的工厂。我国科学家在开发同类产品上也取得了很重要的进展。

　　用细菌生产的聚β-羟基丁酸酯除了替代现有的塑料制品外，还可以用来生产高弹性的无纺布。聚β-羟基丁酸酯无毒性，高纯度的产品可用来做伤口的缝合线及骨骼固定绷带，当用这种缝合线缝合伤口后也用不着拆线，它可以在人体内自行被分解吸收。

　　然而，现在PHA的生产成本还比较高，因而产品价格比较昂贵，目前还难以被广泛应用。科学家们正在为这一新型无污染的产品的实用而努力，基因工程专家正试图将产生聚β-羟基丁酸酯的基因转到甜菜或萝卜中，一旦成功，就可以从这些作物中直接得到聚β-羟基丁酸酯。也有的科学家正在构建高产聚β-羟基丁酸酯的基因工程菌，在这些菌中，PHB的产量可占细胞总质量的90%，从而大大的节约发酵成本。如果在成本上PHA能与塑料竞争的话，我们以后就不用再担心白色污染了。

环境检测的重要指标

　　对水环境监测的指标主要有化学需氧量（COD），生物需氧量（BOD），固体悬浮物（SS），TOD，NOD，细菌卫生学指标（大肠杆菌）等。

　　COD是指在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所消耗氧化剂的量，以氧的毫克/升来表示。它是度量废水中还原物质的重要指标。

　　BOD是指在20度下培养5天测定的溶解氧的消耗量，它反映了废水的可生化程度。

　　固体悬浮物（SS）是指水中不能通过过滤器的固体物质。

　　TOD是指有机碳、NH4＋和有机氮被氧化过程中所消耗的总氧量。

　　NOD是指样品中含氮化合物在被微生物氧化过程中所消耗的氧气量，一般是测定总氮量。

　　对水体中微生物的检测主要集中在病原微生物的检测上，如沙门氏菌属、霍乱弧菌及各类容易引起疾病的病毒。通常对饮用水来说，检测大肠杆菌的数量以确定水被粪便的污染程度。

　　对废水中具体的有毒物质的检测需要按照物质的不同进行不同的检测实验。如对致癌物质可采用艾姆斯实验检测。对各种农药等化学物质也要参考有关的具体方法。

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