古生菌在环境保护方面的应用

贺龙慧

（生物制药1班 生命科学学院 黑龙江大学 哈尔滨 150080）

摘要:本文介绍了古生菌利用其极端性在环境保护方面的应用，综述了极端微生物及其产生的极端梅在清洁生产、环保型生物材料的生产及环境污染治理中的应用前景及对环境保护的意义。

关键词：古生菌、环境保护、应用、清洁生产、污染治理

Paleozoic bacteria in environmental protection applications

HeLonghui

(The first class of biopharmaceutical, College of Life Science, Heilongjiang University,

Harbin, 150080)

Abstract：This paper introduces the Paleozoic bacteria use its extreme sexual in environmental protection, summarized the application of extreme microbes its extreme mei in cleaner production, environmental biological material production and environmental pollution control application prospect and the significance of environmental protection.

Key words：Archaea、environment protection、application、cleaner production、Pollution abatement

正文：现代基本把生物分为三大领域: 真核生物( Eucarya) ,细菌(Bacteria) 和古菌(Archaea) . 古菌作为三大领域之一的生物,具有其独特的性质,也是目前生物地球化学研究的热点之一. 古菌和细菌一样,是原核生物,即细胞核没有核膜包裹,细胞核与细胞质没有明显界限. 与真核生物和细菌相比, 古菌代表了生物圈的极限. 例如热网菌属(Pyrodictium) 能在高达121 ℃的温度下存活并生长. 这是至今为止所发现的最耐热生物. 在最初的时候,人们在火山口、盐湖等高热、高盐度、缺氧的极端环境发现有微生物,他们可以在极端恶劣的环境下生存。现在对古生菌的研究主要集中在以下四个类群：产甲烷菌、极端嗜盐菌、极端嗜热菌以及嗜热嗜酸细菌。他们和我们人类的生活息息相关，我们可以在很多方面都应用到他们。尤其是在环境保护中的应用。

极端微生物产生的耐热木聚糖用于造纸工业的清洁生产

造纸工业中的化学漂白产生大量有毒、致癌的含氯废水, 给环境带来严重的污染, 因此生物漂白技术是造纸业实现清洁生产的发展方向。用极端微生物中的嗜碱菌产生的耐热木聚糖酶代替氯及其衍生物,可以避免污染的同时减少纸浆成分的损失。在高温下,木聚糖酶可以打开细胞壁,在漂白阶段促进木质素的去除。而目前市场上的木聚糖酶在70 ℃以上时迅速变性,用这些酶处理纸浆时,必须先将纸浆冷却处理后再加热以进行下一个工艺步骤,既浪费时间和能量,又比较繁琐。因此,利用耐热木聚糖酶进行漂白显示了普通酶无法比拟的优越之处,正在成为关注和开发的目标。

迄今为止, 只发现少数几种超嗜热极端微生物能分泌具有高热稳定活力的

木聚糖酶。其中大多数来自Thermotogasp1FjSS3 - B11、T1maritime 、T1neapolitana 以及Thermotoga thermarum。这些酶主要在80～105 ℃具有酶活。几个编码木聚糖酶的基因已经被克隆和测序, 来自T1maritima 的木聚糖酶基因在大肠杆菌中被克隆和表达。经比较研究发现, 该酶比目前用于造纸业中的最好的木聚糖酶更具有应用价值。因此极端微生物产生的耐热木聚糖酶用于造纸业的漂白过程, 可实现清洁生产, 从源头削减污染, 对环境保护有重要意义。

极端微生物用于环保型生物材料的生产

以石油为原料制造的塑料在自然环境条件下不易被生物降解, 燃烧时又产生大量的有害气体, 造成的白色污染问题日益严重, 人们一直在致力于可生物降解塑料的研究和开发。以微生物发酵法产生的PHA (聚β2羟基烷酸) 为原料制造的新型塑料, 可被多种微生物完全降解, 开发应用前景十分可观。极端嗜盐菌比普通细菌产生的PHA 中的PHV (聚β2羟基戊酸) 含量较高, 可解决目前以PHB (聚β2羟基丁酸) 制备的塑料韧性不够的问题; 而且由于嗜盐菌在低盐中细胞自溶的特点,将大大简化后处理生产工艺, 有望降低成本, 为目前生产的PHB 由于价格问题而限制大规模生产提供新的出路, 因此极端嗜盐菌产生的PHA 将是用于降低白色污染的重要的环保型生物材料, 对环境保护有重要的意义。 极端微生物用于清洁能源的生产

乙醇是理想的清洁能源, 利用极端微生物中的嗜热菌的高温酒精发酵, 可实现发酵和蒸馏的同步化, 可解决发酵周期长等问题。工业生产中的有机废物、废水和农业废弃物既是巨大的环境污染源, 同时又是再生能源的主要资源, 据统计, 我国农作物秸秆年产出量为6104 亿吨。秸秆、废渣等在高温、酸、碱等条件下易于处理, 极端微生物及其极端酶能够在此类极端环境中实现普通微生物不能完成的对纤维素半纤维素的有效转化。利用微生物混合菌群, 尤其是嗜碱和嗜热微生物或产甲烷菌的合理组合, 有望直接从秸秆发酵产生乙醇或甲烷, 实现环境整治和可再生能源的有机结合。 极端微生物用于洁净煤技术

当前, 煤炭是我国主要的能源之一, 然而大多数煤中都含有很高的无机或有机硫成分, 通常含量约0125 %～7 % , 煤燃烧产生的SO2 直接进入大气中, 促进了酸雨的形成, 所以对煤的直接利用已引起了严重的环境污染。在煤脱硫处理的方法中,微生物除硫既能除去煤中的有机硫, 又能除去无机硫, 因而具有较高的经济价值和社会效益, 对环境保护有重要意义。微生物除硫中发挥作用的微生物主要是极端嗜酸菌。研究表明, 可以利用嗜酸硫杆菌脱除煤中的无机硫, 利用嗜热嗜酸菌(如硫化叶菌)既能脱除煤中无机硫, 也能脱出有机硫。 极端微生物用于极端环境中的污染治理

利用生物方法治理极端环境中的污染物时, 普通微生物甚至在实验室构建的工程菌在实际应用中不能发挥作用, 而极端微生物则是作用的主体。当高原或

纬度高的寒冷地带的河流、湖泊及土壤被污染时, 嗜冷微生物可对污染物进行降解和转化。应用低温微生物对广受污染的寒冷地域环境进行废物处理越来越受到人们的重视, 受污染寒冷土壤和水体的恢复可通过低温微生物的原位清洁作用来实现。Whyte 等在加拿大被石油污染的土壤中发现大量的嗜冷烃降解菌, 对寒冷地区石油污染的生物修复有重要的意义。arvinen 等进行了氯酚类的低温生物降解研究, 他们从地下水中分离到的耐冷高效氯酚降解菌用于好氧流化床, 净化地下水中的氯酚污染。实验结果表明: 在5～7 ℃下, 氯酚负荷为740mgP (L•d) 时, 氯酚去除率达9919 %。工业生产产生的酸性工业废水和碱性工业废水可以分别考虑用嗜酸微生物和嗜碱微生物进行处理, 可以大大简化处理程序, 降低处理成本。而在高温高盐的极端环境中, 污染物的降解则需嗜热、嗜盐微生物。

嗜盐菌在高盐废水生物处理中的应用

污泥在含盐环境中经过适当的驯化可以适应高盐环境,但是污泥驯化所需的时间过长而且有些污泥能耐受的盐度范围是有限的。盐田、盐湖中有丰富的嗜盐微生物,利用嗜盐微生物处理高盐废水是一种快速有效的方法,国内外已有关于这方面的报导,而且取得了较好的效果。Woolard CR[ 27 - 28 ]利用从美国大盐湖中分离出的嗜盐菌处理盐度为1% ～15%的含酚废水。研究结果表明,酚的去除率达到99% ,出水悬浮固体质量浓度约50 mg/L,低于普通污泥处理的含盐废水出水的悬浮固体;当盐度从1%突变到15%时,处理系统仍能对酚进行稳定有效地去除,这可能与反应器中同时存在耐盐微生物与嗜盐微生物有关。G. T. Shin等用酵母菌处理泡菜生产废水,48 h 后可以完全除去废水的酸度, BOD 由11 000mg/L 降到< 3 200 mg/L, 去除率为70%。M. H. Choi等用耐高渗透压酵母菌Pichia guilliermondiiA9处理泡菜生产废水, 24 h后废水BOD5 由1 210mg/L降到120 mg/L,去除率达到90%; NaCl质量分数为10%时,A9的生长没有受到抑制。B. M. Peyton等将五种不同的嗜盐菌放在含盐质量分数10%以酚为培养基的介质中培养。这五种菌都能将50 mg/L 的酚降解到2 mg/L。其中一种菌能降解初始质量浓度为320 mg/L的酚溶液。动力学分析表明:酚降解与酚浓度成零级关系,污泥增长量与污泥浓度成一级关系。初始酚质量浓度为50 mg/L时,它们的污泥比增长速率在0122～0132h- 1 ,与非嗜盐菌降解酚的污泥比增长速率近似。F. Kargi在生物转盘中,以嗜盐菌和活性污泥。

极端微生物具有普通微生物不可比拟的抗逆能力, 极端微生物产生的酶在极端环境中保持活性, 对极端环境的污染生物治理起着主要作用; 同时, 极端微生物在清洁能源的生产和环保产品的开发方面具有巨大的应用潜力, 将有助于污染预防, 在源头上解决环境污染问题。因此极端微生物在环境保护中发挥着重要的作用, 对于实现可持续发展战略有重要意义。随着越来越多的极端微生物被分离鉴定、新产物的研究与生产、极端酶被分离纯化和极端酶工程研究的进展, 极端微生物及其产生的极端酶在环境保护中的应用将会进一步得到拓展。

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