生态工程领域微生物菌剂研究进展.docx

1、生态工程领域微生物菌剂研究进展生态工程领域微生物菌剂研究进展摘要: 阐述了微生物菌剂在生态工程领域的应用范围、效果和国内外的研究状况，总结了目前微生物菌剂研制中菌种的选育方法和常用的几类菌，并通过系统举例介绍了乳酸菌、酵母菌、光合细菌、芽孢杆菌这些常用菌种在污染物处理方面的效果及在废水处理生态工程方面的相关研究进展。同时，阐明了微生物混合培养技术在复合菌剂研究中的重要性，对微生物菌剂的作用机理进行了探讨，指出了目前关于微生物菌剂的研究大多只是集中于应用效果方面，而对作用机理研究得不够深入，以及复合菌系中微生物相互作用和影响的复杂性，并对此提出了一些建议。最后，对微生物菌剂的应用前景进行了展望。

2、关键词: 微生物菌剂; 混合培养; 乳酸菌; 酵母菌; 光合细菌; 芽孢杆菌Research progress of microbial agents in ecological engineeringAbstract: Microbial agents especially those composed by a variety of microorganisms with different degradation functionsand symbiotic relationship in an appropriate ratio or prepared by mixed culture

3、 were an important researching area in appliedmicrobiology recently，which accomplish transforming scientific theories into practical productive forces Microbial agentshave been gradually used in some aspects of ecological engineering to regulate the ecological balance and protect theenvironment，such

4、 as planting， breeding and pollutant treatment， and have achieved good results， especially inenvironmental protection Their significant advantages have been widely recognized Using microorganisms to solveenvironmental pollution has a good prospect，that is why more and more people are committed to th

5、e research anddevelopment of microbial agents Since 1970，some products of complex microbial agents were developed in Europe，America and Japan，and were started large scale productions The microbial agents were firstly applied to treating sewage，industrial wastewater，and other chemical pollutions In t

6、his paper，the applying scope，effects and mechanism of microbialagents in the field of ecological engineering were summarized，from international and domestic literatures The strainsbreeding methods and several types of bacteria commonly used in the development of microbial agents are summed up Andthe

7、 effects of wastewater treating projects of through applying lactic acid bacteria，yeast，photosynthetic bacteria，bacilluswere introduced through some examples Meanwhile，mixed microbial culture and the interacting mechanisms in the study ofmicrobial agents were discussed Many studies showed that the d

8、egradation or transform of organic matters needs cooperationby varies types of microorganisms，and the complex biological and chemical interaction could not be completed by singlecategory microorganism We pointed out that the current researches on microbial agents are mostly focused on the effect ofa

9、pplication，but few of the current researches was related to the molecules of mechanism，which was demonstrated thehttp: / / www ecologica cnmutual interaction of different microbial strains In future researches，the internal degradation and synergistic reactionshould be developed，and the detail affect

10、ing objectives in different habitat of microbial agents should be determined Whenthe synergistic and anticatalystic mechanisms of complex microbial agents were clearly demonstrated in the aspects ofmicrobial physiology and metabolism，the technology of mixed cultivation could be promoted，and the sele

11、ction of microbialagents groups could optimized，and the degrading functions of microbial agents could be best developed In the future，people will pay more attention to the quality of environment，the safe and efficient microbial agents will increasingly bewelcomed With the continuous development of s

12、cience and technology，microbial mixed culture techniques and theefficiency of microbial agents will keep improving，and the range of application will more and more extensive Maybe it canbecome a kind of daily necessities and replace some cleaning products we use now，which can largely reduce environme

13、ntalpollutionKey Words: microbial agents; mixed culture; lactic acid bacteria; yeast; photosynthetic bacteria; bacillus微生物菌剂尤其是由多种微生物组成的复合微生物菌剂的研究和应用是近年来发展起来的应用微生物学的一个重要内容。将几种具有不同降解功能和具有互生或共生关系的微生物以适当的比例进行组合或混合培养所配制的复合微生物菌剂应用于种植、养殖、环保等方面，可以调节生态平衡，保护生态环境，目前已逐步应用于各种生态工程领域，并取得了良好的效果，特别是在污染物处理方面，其显著优势已得

14、到了广泛认可，越来越多的人开始致力于微生物菌剂的研究和开发。随着环境问题不断恶化以及近年来各种生物技术飞速发展，在生态工程领域利用微生物解决环境污染问题具有巨大的发展潜力。此外，微生物菌剂使用方便，经济安全，其开发和利用的市场前景十分广阔。1 微生物菌剂的研究进展及应用范围自 20 世纪 70 年代以来，欧、美、日本等国家或地区都相继研制成功了一些复合菌剂，很多已经开始进行大规模的生产，并形成了系列化的产品，主要用于处理生活污水，工农业废水以及其他一些化合物污染的治理1。其中由日本琉球大学比嘉照夫教授于 20 世纪 80 年代初期研制的 EM( 有效微生物群) 菌剂是最成功的，已经在 90 多

15、个国家广泛用于种植业、养殖业及环境净化方面，产生了显著的经济、生态和社会效益2-3。由于微生物菌剂在一些发达国家研究和推广得较早，相关技术也较成熟，所以目前在发达国家的应用也更普遍。现在 EM 技术在我国主要用于养殖业和种植业，在环保方面的应用还处于相对滞后阶段4。近年来，国外有关微生物菌剂的报道较少，也没有再出现像 EM 那样在全世界都引起很大效应的菌剂。我国是从 20 世纪 80 年代才开始微生物菌剂的相关研究，从理论到实践，从单一菌种的利用到多个菌种的混合应用，相继取得了一些成果。如: 我国已研制出功效显著且具有完全自主知识产权的“神威”微生态制剂，经过全国多地的实际应用，取得了良好的经

16、济、社会和生态效应，在畜牧、水产养殖及垃圾、污水、粪便处理等方面都开始了广泛应用5; 由北京沃土天地生物科技有限公司和中国农业大学资源与环境技术中心联合研制的 VT 系列复合微生物菌剂，能有效改善养殖水体水质条件，对养殖场、垃圾场、污水处理厂等的除臭均有明显效果; 中国科学院成都生物研究所针对重金属工业废水和高浓度有机工业废水处理的技术难题，从自然界分离、纯化出多种功能性菌株，在深入研究其生理生化特点和生态功能的基础上，筛选、优化组配成具有去除重金属离子和去除高浓度有机物的两种环保生物菌剂，此外还开发出了一种处理炼油废水的微生物菌剂，并已申请了专利。最近几年，国内有很多关于复合菌剂研制的报道，

17、主要利用微生物净化环境，在除臭、水质净化等方面表现良好。罗永华等6利用从垃圾填埋场附近的土壤中筛选出来的菌株制成了微生物除臭剂，它对氨气、硫化氢、总烃、臭气浓度的去除率分别可达到 83 3%、80 7%、62 5%、86 8%; 施安辉等7利用从水产养殖的优良水质中分离得到的优势菌种研制出水质净化剂，将其用于淡水鱼养殖池中，对降低水体中的 COD，NH3-N，亚硝酸盐等起到了理想的效果。但这些大都还处于试验研究与初步应用水平，还没有广泛应用于实际。6 288生 态 学 报 31 卷http: / / www ecologica cn2 菌种的选育方法根据需要直接选用具有相应降解功能的菌种，再按

18、一定比例混合是配制微生物菌剂最常用的方法。选育菌种最简单的方法是从自然环境中筛选出有效的菌株，再配制复合菌剂，用于相应的污染场所的治理8-10。随着生物学技术的发展，人们可以通过基因工程技术或原生质体融合等手段来构建或改造一些高效降解菌。Chen 等11的研究表明，利用原生质体融合得到的子代细胞降解脱氢双香草醛的能力比亲株提高了 24 倍。Friello 等12通过质粒转导技术将降解不同污染物的质粒转移到同一个菌株中，构建出能同时降解芳烃、萜烃、多环芳烃和脂肪烃等石油组分的菌株。Mondello 等13采用定点基因突变技术修改多氯联苯降解菌株的联苯双加氧酶的序列，显著提高了降解菌株的底物范围和

19、活性。3 环保微生物菌剂中常用的有效菌目前，国内外研制成功的微生物菌剂以及有关微生物菌剂的研究报道中使用最多的菌种主要是乳酸菌、酵母菌、光合细菌、芽孢杆菌等。3 1 乳酸菌从一些商品化的微生物菌剂成分和相关的文献报道中，可以了解到用于环保方面的复合微生物菌剂中大部分都添加了乳酸菌，但是单独利用乳酸菌降解污染物的报道较少。研究证明乳酸菌能有效降解环境中的亚硝酸盐成分，Oh 等14研究了从泡菜中分离出的 4 株乳酸菌在不同温度下对亚硝酸盐的降解，结果表明随着温度升高降解的效果较好，在 30和 36时降解率超过 90 0%。李卓佳等15的试验结果显示乳酸杆菌 LH能使养殖废水和饲料中的 NO2-N、

20、PO4-P、NO3-N 明显降低，对 COD 影响不大，却使 NH3-N 浓度升高，提出乳酸菌应该与其它降解菌联用才能对水质净化起到较好效果。乳酸菌发酵产生的乳酸有很强的杀菌能力，能有效抑制一些有害微生物的繁殖，加剧有机物的腐烂分解，还能促进木质素、纤维素等难分解的有机物的分解。研究人员依据乳酸菌的这些特点将其作为青贮接种菌应用到饲料青贮中，抑制不利于青贮发酵的微生物的生长，减少营养物质的损失，促进多糖与粗纤维的转化，从而有效提高青贮饲料的质量和生产性能。乳酸菌在青贮技术中的应用近几十年来一直都是国内外研究的热点16。3 2 酵母菌Yoshizawa17-18分别于20 世纪70 年代末和80

21、 年代初报道了利用酵母菌处理啤酒生产废水和食品加工废水，均取得了良好效果; Chigusa 等19将从工业废水中分离得到的酵母菌接种到豆油废水中，结果表明废水的COD、BOD 及油的去除率都达到 93% 以上; 郑少奎等20-21连续报道了利用酵母菌处理色拉油加工废水的研究结果，表明高浓度含油废水可以直接用酵母菌进行处理，在进水 COD 60007000mg/L、油 15001700 mg/L时，COD 和油的去除率分别达到 94%和 98%; 而且酵母菌在处理废水时产生的剩余污泥富含蛋白质和多种氨基酸，可以回收用作饲料蛋白22。目前，日本已成功利用酵母菌处理多种工业废水。近年来，我国也相继开

22、展了酵母菌处理废水的相关技术和应用研究，取得了一定的进展。Zheng 等23进行混合酵母菌处理高浓度色拉油加工废水的研究，使废水中油脂的去除率达到了 98%，COD 也下降了 90%以上。韩云等24的研究发现在酵母菌处理色拉油加工废水系统中，投加氮源能提高油脂的去除率，同时也发现，色拉油加工废水中氮缺乏是引起污泥膨胀的主要原因。吴兰等25用解脂酵母菌处理不同来源的含油废水，发现它对油脂类废水的降解效率高，对石油类废水的降解效率低。酵母菌对环境污染物的去除还表现在以下几个方面:对染料具有吸附脱色作用: Meehan 等26发现耐热酵母 Kluyveromyces marxianus IMB3 在

23、 37，pH 3 05 5 之间时，对 Remazol Black-B 的最高脱色效率可达到 98%; Angelis 等27报道了一株假丝酵母在染料浓度为 100mg/L 时，2h 对 Procyon Black、Procyon Blue、Procyon Red、Procyon Orange 的吸附率均超过 94% ; Kakuta 等28还报道了能对偶氮染料进行降解脱色的酵母菌 Candida curvata AN723。对 Hg2+、Pb2+、Cr2+等多种重金属离子具有吸附作用，并且死菌和活菌都具有吸附能力29-30。能降解三硝基甲苯( TNT) 、苯酚和甲胺磷等污染物，还能提高一些有

24、机物的降解速率，如赵20 期 文娅 等: 生态工程领域微生物菌剂研究进展6289http: / / www ecologica cn振焕等31研究酵母菌对厨余垃圾厌氧发酵产乙酸的影响，发现接种酵母菌后，垃圾的水解速率明显提高。3 3 光合细菌光合细菌分布广泛，代谢途径灵活，能利用不同的有机物作为供氢体和碳源来合成自身的物质，因此对多种有机物具有分解转化的能力32。国内外的研究发现光合细菌普遍具有降解卤代化合物和芳香化合物的能力，对其中的一些降解途径的研究也取得了一些成果33。大量研究表明光合细菌对高浓度的有机废水可以起到明显的净化作用，对降低水体中的 COD 具有显著优势。谢红刚等34用光合细

25、菌处理啤酒废水，当光合细菌投加量在 30mL/L 时处理效果最佳，温度控制在2030 为宜，其 COD 的去除率高达 80% 。郑耀通35研究表明: 在中性 pH 环境，2530，好氧光照条件下光合细菌对黄泔水去除效率最高，经过96h 的处理，可使预先经过24h 曝气的 COD 浓度为25820mg/L 的黄泔水去除率达 98 7%。Young 等36从猪废物的污水池中分离得到一株紫色非硫菌株，通过光合作用能够使污水池中不稳定的有机化合物减少 80%93%，并显著改善垃圾池的气味。Nagadomi 等37利用光合细菌在好氧条件下使污水的 COD 和硝酸盐含量大幅降低。目前，光合细菌已广泛用于多

26、种工业废水的处理并取得了显著成效32。3 4 芽孢杆菌一直以来，国内外很多文献都报道了芽孢杆菌具有降解有机污染物的作用，现在已经证实除了多环芳烃、苯酚、硝基苯等有机污染物之外，芽孢杆菌对一些有机磷农药和石油污染物也能起到良好的降解效果。最近几年，大量的研究集中在芽孢杆菌对各种工业废水的净化方面，目前已取得了较好的试验效果。Dawkar等38的研究发现芽孢杆菌 VUS 产生的各种酶对工业染料橙黄 T4LL 可以起到有效脱色作用，并提出芽孢杆菌 VUS 也能用于纺织废水的处理。Oliveira 等39将短小芽孢杆菌和类芽孢杆菌用于造纸厂污水的脱色，发现在 PH=9 时，单独接种以上两种菌，48 h

27、 后，脱色率分别达到 41 87% 和 42 30%，COD 分别下降 22 00% 和22 89% 。Gopinath 等40报道了从制革工业废水中分离驯化得到的芽孢杆菌菌株可以提高偶氮染料刚果红的降解效率，并得出实验的最佳 pH 和温度分别是 7 0和 37。Singh 等41将芽孢杆菌和粘质沙雷氏菌混合培养用来处理造纸厂废水，168h 时废水中五氯酚的降解高达 94%，可用于被五氯酚污染的环境修复。此外，枯草芽孢杆菌等还能降低养殖水体中亚硝酸盐、硫化物及氨氮的含量，明显改善水质，从而节约养殖成本和提高水产品质量42-43。除了以上特点，好氧的芽孢杆菌在混合培养时能迅速消耗环境中的氧气，促

28、进乳酸菌等厌氧微生物的生长，这也许是复合菌剂中广泛添加芽孢杆菌的另一个原因。也许是相关技术还不成熟，虽然利用芽孢杆菌处理各种废水的研究很多，效果也不错，但却还没有像光合细菌和酵母菌那样在工业生产中得到广泛应用。4 微生物菌剂的混合培养4 1 混合培养的重要性大量的研究证明很多有机物的降解或转化需要多种微生物的协同作用才能完成，降解过程中发生的一些重要的生化反应仅用单一菌株是不能或只能微弱的进行的。Chapalamadugu 等44研究发现，一种 N-甲基氨基甲酸酯类杀虫剂需要两株假单胞菌 Pseudomonas spp 50581 和 50552 的共同作用才能彻底降解，50581 只能将其降

29、解为萘酚，需要靠 50552 菌株才能将萘酚再转化为 CO2。Murray45研究纤维素分解时将 Bacteroidescellulosolvens 和 Clostridium saccharolyticum 混合培养，发现前者分解纤维素的中间代谢产物可以被后者利用作为生长所需的碳源，同时后者又消除了前者分解纤维素过程中的反馈抑制，二者互相利用，促进代谢，从而提高纤 维 素 的 分 解 利 用 效 率。Boonchan 等46将 真 菌 ( Penicillium janthinellum VUO 10，201 ) 和 细 菌( Stenotrophomonas maltophilia VUN

30、 10，010 和 bacterial consortium VUN 10，009) 共同培养，接种到含多环芳烃的水体和土壤中，明显提高了多环芳烃的降解。张晓伦等47发现将分离得到的 3 株分别为纤维单孢菌属、木霉属和青霉属的菌株分别两两组合，组成的混合菌对纤维素的分解能力均明显高于其中任何单一菌种，并且混合菌株达到最高纤维素酶活的时间也比单一菌种提前了。6 290生 态 学 报 31 卷http: / / www ecologica cn因此，微生物混合培养技术非常重要，它是复合菌剂研制的理论基础和关键步骤。随着工农业生产的迅速发展和产业结构的变化，将会出现越来越多结构复杂的化合物，大多对环

31、境有毒害作用，其生物降解过程更是需要多种微生物的参与。所以，利用微生物混合培养制成的复合菌剂比单一菌株制剂在实际生产生活中更具有重要意义。4 2 混合培养的应用1991 年在台湾获得专利的 HSB 技术，就是微生物之间互相依赖形成特殊的分解链，具有高效净化水质的功能，已广泛应用于焦化废水、印染废水、生活污水的处理48。现在很多商品化的复合菌剂也是利用微生物混合培养生产的，例如 EM 菌剂，各种厌氧和好氧的微生物通过共生增殖，形成复杂稳定的生物菌群，共同抑制有害微生物的生长繁殖，促进有机物的分解代谢5。另外，还有多种维生素、氨基酸、有机酸等都可以利用微生物混合培养生产49。5 微生物菌剂应用于生态工程领域的作用机理目前，对于某些