生物凈化

中文名稱：

生物凈化

英文名稱：

biological purification

其他名稱：

生物處理(biological treatment)

定義1：

通過生物類群的代謝作用使環境中污染物質的數量減少、濃度下降、毒性減輕甚至消失的過程。

應用學科：

海洋科技（一級學科）；海洋科學（二級學科）；環境海洋學（三級學科）

定義2：

通過生物類群的代謝作用，使環境中的污染物趨於無害化的過程。

應用學科：

生態學（一級學科）；污染生態學（二級學科）

定義3：

生物類群通過吸收、降解和轉化作用，使水體中污染物的濃度和毒性降低直至消失的過程。

應用學科：

水產學（一級學科）；漁業環境保護（二級學科）

定義4：

利用生物的吸收、降解和轉化作用，使水環境污染物的濃度和毒性降低或消失。

應用學科：

水利科技（一級學科）；環境水利（二級學科）；水污染防治（水利）（三級學科）

生物將廢水中的有機物質轉化為較穩定的或者礦質形態物質的過程。例如，鳳眼蓮可吸收水中的汞、鎘、砷等，其根系微生物可降解、轉化廢水中的有機物，使廢水得到凈化。在氧氣充足的條件下，好氧微生物能把廢水中的有機物分解成二氧化碳、水、氨氮等，使廢水得到凈化；在缺氧的條件下，厭氧微生物能把有機物分解成甲烷、二氧化碳、硫化氫等。

陸地生態系統的生物凈化作用

包括植物對大氣污染的凈化作用和土壤-植物系統對土壤污染的凈化作用。

植物凈化大氣主要是通過葉片的作用實現的。因此，就同一種植物而言，葉的面積愈大，葉片生產量愈高，凈化作用就愈強。一般可以應用植物生態學中的“葉面積指數”（即植物的總葉面積與該植物所佔土地面積之商值）作為衡量植物凈化功能的一個參數。在這方面，木本植物比草本植物有明顯的優勢，因而森林凈化大氣的作用日益受到重視。綠色植物（包括樹木和草坪）凈化大氣的作用主要有：①吸收二氧化碳，放出氧氣，維持人類環境中兩者的平衡；②對降塵和飄塵有滯留過濾作用；③在植物抗性範圍內能通過吸收而減少空氣中二氧化硫、氟化氫、氯氣等有害物質的含量；④在植物抗性範圍內能減少臭氧的發生，減輕光化學煙霧污染；⑤有過濾細菌或殺菌作用；⑥對某些重金屬有吸收和凈化作用；⑦減輕雜訊污染。各種植物的凈化機理同它們的形態解剖構造和生理生化特性緊密相關，而且有遺傳學方面的基礎。因此，這種凈化機理在不同種屬間存在很大差異，另一方面又同植物所生長的環境條件有關。

土壤－植物系統的生物凈化功能主要由下列要素組成：①植物根系的吸收、轉化、降解和合成作用；②土壤中真菌、細菌和放線菌微生物區系的降解、轉化和生物固定作用；③土壤中動物區系的代謝作用，對於一般有機物質，特別是對含氮、磷、鉀的有機物具有理想的凈化效果。

利用土壤-植物系統的生物凈化功能，發展污水灌溉的主要目標是:①充分利用水肥資源，提高農、林、牧業的生產力；②保證農副產品的生物學質量；③節約能源消耗，擴大新的生物能源（甲烷、甲醇、乙醇）的生產途徑；④最大限度減輕污染物對水系的污染，防止環境的二次污染。

淡水生態系統的生物凈化作用

河流、湖泊、水庫等水體中生活著細菌、真菌、藻類、水草、原生動物、貝類、昆蟲幼蟲、魚類等生物，對污染物會產生生物凈化作用。淡水生態系統中的生物凈化，細菌起主導作用。通常用五日生化需氧量 (BOD5)和化學需氧量(COD)這兩個參數作為衡量水體中生物降解有機物污染的綜合指標。溫度、營養物質比例（包括碳／氮）和溶解氧是影響水體自凈作用的主要環境條件。不過，若進入水體的某種污染物的濃度超過生物生存的閾值，整個生態系統的功能就會受到衝擊，水體的生物自凈作用往往也會遭到破壞。

水體中某些特殊的微生物類群還能吸收並濃縮水中汞、鋅、鎘等重金屬元素或生物難降解的人工合成有機物。這些物質經過生物固定沉積在底部沉積物中，使水體逐步得到凈化。

水體生物凈化的原理已被廣泛應用於各種類型的氧化塘、土地處理系統以及生化處理污水的環境生物工程中（包括各種曝氣活性污泥法、生物濾池、生物轉盤和酶法等）。

中國在發展污水處理廠的同時，十分注意因地制宜地應用各種水體自凈功能。如湖北省鄂城縣鴨兒湖被生產有機磷、有機氯農藥為主的化工廠排出的綜合性廢水所污染。鴨兒湖的治理工程就是一個由細菌—藻類—浮游生物—魚類生物群落構成的兼有厭氧－需氧的多級氧化塘系統，在廠內治理的基礎上，這個系統凈化功能良好，有毒物質的年平均去除率對硫磷為98.7％，六六六為86.2％。COD年平均降低77.3％。

許多種水生、沼生植物，例如蘆葦(Phragmites com-munis)和大米草(Spartina anglica), 對水中懸浮物、氯化物、有機氮、硫酸鹽均有一定的凈化能力。水蔥(Scirpusvalidus)能凈化水中酚類，鳳眼蓮（水葫蘆）（見圖）、綠萍、金魚藻(Ceratophуllum demersum)、菱角等有吸收水中重金屬元素的作用。這些植物還可提供生物能源（甲醇、乙醇、沼氣）。

海洋生態系統的生物凈化功能

海洋佔地球上總水量的97％左右。陸地生態系統和淡水生態系統中的污染物，除了殘留在原處或者分解、或者擴散到大氣中以外，最終的歸宿是海洋。

污染海洋的物質種類繁多，其中石油是數量大、危害重的主要污染物。海洋中石油污染物一般通過揮發、溶解、擴散、氧化、生物降解、動植物吸收、沉澱等途徑逐步消失，其中生物凈化作用是很重要的。

海洋中降解石油烴的微生物主要是細菌，此外，還有酵母、放線菌和絲狀真菌。影響海洋中微生物凈化石油烴的環境因素主要為：①油的組成。②營養成分比例。③溫度。深海有低溫(<4℃)、高壓、稀營養等特點，微生物對石油污染物的凈化作用甚小；近岸和淺海長期受陸地影響，溫度較高，營養物較豐富，一般生物降解比較旺盛。海洋微生物不僅對石油烴有強大的凈化功能，而且對苯並(a)芘等多環芳烴化合物，也有較好的降解能力。

自然界充滿著生命和生物凈化的因素，用實驗室方法已經成功地從土壤中分離出特殊而高效的分解某類污染物的微生物。美國從土壤中分離出反硝化小球菌(Micrococcus denitrificans)，它的酶提取液，能除去三氯丙酸或三氯丁酸中的氯。保加利亞從黑鈣土中分離出Bacillus megatherium 菌種，能降解西馬金(Simazine)和阿特拉津(Atrazine)等除莠劑。日本從土壤中分離出紅酵母和蛇皮癬菌，能分別降解30～40％的多氯聯苯。目前通過人工誘變方法可以得到能降解某些人工合成的難以降解的有機污染物的微生物種類。應用遺傳工程技術可以把降解芳烴、萜烴、多環芳烴的質體轉移到能降解酚類的細菌體中，產生所謂“超級細菌”,這種細菌具有同時降解四種有機污染物的特殊功能。此外，在高等植物中也篩選出一些具有特殊的吸收重金屬或放射性核素功能的種類，例如黃頷蛇草吸收重金屬量比水稻高10倍。吸收90鍶量特別高的植物有矮叢苔草(Carex humilis)、直立快子芥（Arabis stricta）、大刺兒菜 (Cirsium arvense)等。在農作物中，蕎麥是一種生長期短、吸收90鍶能力很強的植物。生物凈化現象在陸地、淡水和海洋生態系統中是普遍存在的，但凈化能力都有一定限度。環境生物學重要任務之一就是了解和掌握自然界的生物凈化的基本規律，有條件時加以人工控制，以強化生物凈化功能。