随着微生物技术的发展，微生物在多种修复技术中的应用日益广泛。最早将微生物应用于污染土壤的修复，随后应用于海洋石油污染的修复。目前，微生物修复技术已经涉及文物、混凝土等工程的修复。

一、用于生物修复的微生物

用于生物修复的微生物分为三大类型：土著微生物、外来微生物和基因工程菌。

1.土著微生物

微生物降解有机化合物的巨大潜力，是生物修复的基础。土壤中经常存在着各种各样的微生物，在遭受有毒有害的有机物污染后，实际上就自然地存在着一个驯化的过程。一些特异的微生物在污染物的诱导下产生分解污染物的酶系，进而将污染物降解转化。

目前，大多数生物修复工程中实际应用的都是土著微生物。其原因一方面是由于土著微生物降解污染物的潜力巨大，另一方面也是因为接种的微生物在环境中难以保持较高的活性以及工程菌的应用受到较严格的控制。引进外来微生物和工程菌时必须注意这些微生物对该地土著微生物的影响。

当处理包括多种污染物（如直链烃、环烃和芳香烃）的污染时，单一微生物的能力通常很有限。土壤微生态实验表明，很少有单一微生物具有降解所有这些污染物的能力。另外，化学品的生物降解通常是分步进行的。在这个过程中包括了多种酶和多种微生物的作用，一种酶或微生物的产物可能成为另一种酶或微生物的底物。因此，在污染物的实际处理中，必须考虑接种多种微生物或者激发当地多样的土著微生物。土壤微生物具有多样性的特点。任何一个种群只占整个微生物区系的一部分，群落中的优势种会随土壤温度、湿度以及污染物特性等条件而发生变化。

2.外来微生物

土著微生物生长速度太慢、代谢活性不高，或者由于污染物的存在而造成土著微生物数量下降，因此需要接种一些降解污染物的高效菌。例如，处理2-氯苯酚污染的土壤时，只添加营养物，7周内2-氯苯酚浓度从245mg/L降为105mg/L；而同时添加营养物和接种恶臭假单胞菌纯培养物后，4周内2-氯苯酚的浓度即有明显降低，7周后仅为2mg/L。

采用外来微生物接种时，会受到土著微生物的竞争，需要用大量的接种微生物形成优势，以便迅速开始生物降解过程。研究表明，在实验室条件下，30℃时每克土壤中用来启动生物修复的最初步骤的微生物称为“先锋生物”，它们能催化限制降解的步骤。

有一些重大的研究项目正在试图扩展用于生物修复的微生物范围。科学家们一方面在寻找天然存在的、有较好的污染物降解动力学特性、并能攻击广谱化合物的微生物；另一方面也在积极地研究在极端环境下生长的微生物，包括可耐受有机溶剂、可在极端碱性条件下或高温下生存的微生物应用于生物修复工程。

至1993年美国共有159个污染地点已经或正在或准备使用生物修复技术进行现场修复治理，对其中的124个地点使用的生物修复技术做了分类，其中96处（77%）使用的是土著微生物，17处（14%）是采用添加微生物的方式，另外11处（9%）是两种方式共用。

3.基因工程菌

基因工程菌的研究引起了人们浓厚的兴趣。采用细胞融合技术等遗传工程手段可以将多种降解基因转入同一微生物中，使之获得广谱的降解能力。例如，将甲苯降解基因从恶臭假单胞菌转移给其他微生物，从而使受体菌在0℃时也能降解甲苯，这比简单地接种特定的微生物使之艰难而又不一定成功地适应外界环境要有效得多。

基因工程菌引入现场环境后会与土著微生物菌群发生激烈的竞争。基因工程菌必须有足够的存活时间，其目的基因方能稳定地表达出特定的基因产物——特异的酶。如果在环境中基因工程菌最初没有足够的合适能源和碳源，就需要适当的基质促进其增殖并表达其产物。引入土壤的大多数外源基因工程菌在无外加碳源的条件下，不能在土壤中生存与增殖。目的基因表达的产物对微生物本身的活力并无益处，有时还会降低基因工程菌的竞争力。

现已分离出以联苯为唯一碳源和能源的多株微生物，它们对多种多氯联苯化合物有着共代谢功能，相关的四个酶由四个基因编码。这些酶将多氯联苯转化为相应的氯苯酸，这些氯苯酸可以逐步被土著菌降解。由多氯联苯降解为二氧化碳的限速步骤是在共代谢氧化的最初阶段。联苯可为降解菌提供碳源和能源，但其水溶性低和毒性强等特点，给生物修复带来困难。解决这一问题的新途径是为目的基因的宿主微生物创建一个生态位，使其能利用土著菌不能利用的选择性基质。

理想的选择性基质应有以下特点：对人和其他高等生物无毒、价廉以及便于使用。一些表面活性剂能较好地满足上述要求。选择性基质有时还会成为土著菌的抑制剂，增加基质的可利用性，对有毒物质降解更为有效。环境中加入选择性基质会造成土壤微生物系统的暂时失衡，土著菌需要一段时间才能适应变化，基因工程菌就利用这段时间建立自己的生态位。由于土著菌群中的一些成员在后期也可利用这些基质，因此，含有现场应用型基因质粒的基因工程菌特别适合于一次性处理目标污染物，而不适合于反复使用。

尽管利用遗传工程提高微生物生物降解能力的工作已取得了巨大的成功，但是目前美国、日本和其他大多数国家对工程菌的实际应用有严格的立法控制。在美国，工程菌的使用受到“有毒物质控制法”的管制。因此，尽管已有许多关于工程菌的实验室研究，但至今还未见现场应用的报道。这种现状受到美国一些科学家的抨击。例如，美国微生物学会和工业微生物学会以及全国研究理事会都认为，从科学的观点来看，决定是否将一种微生物施用于环境中，主要基于该微生物的生物学特性（如致病性等），而不是它的来源。他们指出，过分严格的立法和不切实际的科学幻想宣传，阻碍了现代环境微生物技术在污染治理中的推广应用。虽然许多环境保护主义者因害怕发生环境灾难而反对将遗传工程菌释放到环境中的观点是可以理解的，但因噎废食而放弃微生物遗传工程技术这一20世纪辉煌的科学成就也绝不是科学和实际的态度。(www.daowen.com)

二、土壤生物修复技术

就土壤来说，目前实际应用的生物修复工程技术有原位处理、挖掘堆置处理和反应器处理等三种。原位处理是在受污染地区直接采用生物修复技术，不需要将土壤挖出和运输。一般采用土著微生物处理，有时也加入经过驯化和培养的微生物以加速处理。需要采用各种工程化措施进行强化。例如，在受污染区钻井。井分为两组：一组是注水井，用来将接种的微生物、水、营养物和电子受体等物质注入土壤中；另一组是抽水井，通过向地面上抽取地下水造成所需要的地下水在地层中流动，促进微生物的分布和营养等物质的运输，保持氧气供应。通常需要的设备是水泵和空压机。有的系统，在地面上还建有采用活性污泥法等手段的生物处理装置，抽取地下水处理后再注入地下。原位处理是较为简单的处理方法，节省费用。不过由于采用的工程强化措施较少，处理时间会有所增加；而且在长期的生物修复过程中，污染物可能会进一步扩散到深层土壤和地下水中，因而适用于处理污染时间较长、状况已基本稳定的地区或者受污染面积较大的地区。

生物通风（bioventing）是原位生物修复的一种方式。在受污染地区，土壤中的有机污染物会降低土壤中的氧气浓度，增加二氧化碳浓度，进而形成抑制污染物进一步生物降解的条件。因此，为了提高土壤中的污染物降解效果，需要排出土壤中的二氧化碳和补充氧气。生物通风系统就是为改变土壤中的气体成分而设计的。生物通风方法现已成功应用于各种土壤的生物修复治理。这些被称为“生物通风堆”的生物处理工艺主要是通过真空或加压进行土壤曝气，使土壤中的气体成分发生变化。生物通风工艺通常用于由地下储油罐泄露造成的轻度污染土壤的生物修复。由于生物通风方法在军事基地成功地应用，美国空军将生物通风方法列为处理受喷气机燃料污染土壤的一种基本方法。

挖掘堆置处理又称处理床或预备床，是将受污染的土壤从污染地区挖掘起来，防止污染物向地下水或更广大地域扩散。将土壤运输到一个经过各种工程准备（包括布置衬里、设置通风管道等）的地点堆放，形成上升的斜坡，并在此进行生物修复的处理；处理后的土壤再运回原地。复杂的系统可以带管道并用温室封闭，简单的系统就只是露天堆放。有时首先将受污染土壤挖掘起来运输到一个地点暂时堆置，然后在受污染的原地进行一些工程准备，再把受污染土壤运回原地处理。从系统中渗流出来的水要收集起来，重新喷洒或另外处理。这种技术的优点是可以在土壤受污染之初限制污染物的扩散和迁移，减小污染范围。但用在挖土方和运输方面的费用显著高于原位处理方法；另外在运输过程中可能造成污染物进一步暴露；还会由于挖掘而破坏原地点的土壤生态结构。

反应器处理是将受污染的土壤挖掘起来，与水混合后，置于接种了微生物的反应器内进行处理。其工艺类似于污水生物处理方法。处理后的土壤与水分离后，经脱水处理再运回原地。处理后的出水视水质情况，直接排放或送入污水处理厂继续处理。反应装置不仅包括各种可以拖动的小型反应器，也有类似稳定塘和污水处理厂的大型设施。在有些情况下，只需在已有的稳定塘中装配曝气机械和混合设备就可以用来进行生物修复处理。高浓度固体泥浆反应器能够用来直接处理污染土壤。其典型的方式是液固接触式。该方法采用批式运行：在第一单元混合土壤、水、营养、菌种、表面活性剂等物质，最终形成含20%～25%土壤的混合相；然后进入第二单元进行初步处理，完成大部分的生物降解；最后在第三单元中进行深度处理。现场实际应用结果表明，液固接触式反应器可以成功地处理有毒有害有机污染物含量超过总有机物浓度1%的土壤和沉积物。反应器的规模在100～250m³/d不等，与土壤中污染物浓度和有机物含量有关。和前两种处理方法相比，反应器处理的一个主要特征是以水相为处理介质，而前两种处理方法是以土壤为处理介质。由于以水相为主要处理介质，污染物、微生物、溶解氧和营养物的传质速度快，且避免了复杂而不利的自然环境变化，各种环境条件（如pH、温度、氧化还原电位、氧气量、营养物浓度、盐度等）便于控制在最佳状态，因此反应器处理污染物的速度明显加快；但其工程复杂，处理费用高。另外，在用于难生物降解物质的处理时必须慎重，以防止污染物从土壤转移到水中。

三、海洋石油污染生物修复

原油运输油轮失事，近海采油平台及原油集输管线、沿海布局的石油储运和炼化设施发生泄漏事故，生产与生活含油污水排放等，会造成海洋石油污染。海洋石油污染的最大危害是对海洋生物的影响。油膜和油块能粘住大量鱼卵和幼鱼，使鱼卵死亡、幼鱼畸形，还会使鱼虾类产生油臭味。长期生活在被污染海水中的成年鱼类、贝类体内积蓄了某些有害物质，当进入市场被人食用后即可危害人类健康。在海洋中，细菌和酵母菌为主要石油烃类的降解者。目前已发现超过700种微生物能够参与降解石油烃类。微生物的降解速度与油的运动、分布、形态和体系中的溶解氧含量有关。使用生物降解法的优点在于迅速、无残毒、低成本。微生物修复石油污染主要有两种形式，一是加入具有高效降解能力的菌株；二是改变环境，促进微生物代谢能力。目前主要有接种石油降解菌、使用分散剂和使用氮、磷营养盐等三种处理方式。

1.接种石油降解菌

通过生物改良的超级细菌能够高效地去除石油污染物，被认为是一种很有发展前途的海洋修复技术。但实践表明，接种石油降解菌效果并不明显，这是因为海洋中存在的土著微生物常常会影响接种微生物的活动。

2.使用分散剂

分散剂即表面活性剂，可以增加海水中微生物的接触面积，增加微生物对石油的利用性。但并不是所有的表面活性剂均有促进作用。许多表面活性剂由于其毒性和持久性会造成环境污染，特别是沿岸地区的环境污染。因此，在实际应用中经常利用微生物产生的表面活性剂来加速石油的降解。

3.使用氮、磷营养盐

投入氮、磷营养盐是最简单有效的方法。在海洋出现溢油后，石油降解菌会大量繁殖。碳源充足，限制降解的是氧和营养盐的供应。实际使用的营养盐通常有三种：缓释肥料、亲油肥料和水溶性肥料。

（1）缓释肥料 要求有适合的释放速度，通过海潮可以将营养物质缓慢地释放出来，为石油降解菌的生长繁殖持续补充营养盐，以提高石油降解速率。

（2）亲油肥料可使营养盐“溶解”到油中。在油相中螯合的营养盐可以促进细菌在表面的生长。1989年，美国环保局在阿拉斯加Exxon Valdez石油泄漏事故中，利用生物修复技术成功治理了环境污染。与不受污染的分离菌株相比，从污染海滩分离的细菌菌株具有特殊的降解能力。对现场的环境因子进行分析发现，由于营养盐缺乏，微生物降解能力受到限制；与没加入营养盐的对照相比，外加亲油肥料一段时间后污染物的降解速率加快。毒性试验也表明，修复后的环境并没有发生负效应，沿岸海域也没出现富营养化现象。

（3）水溶性肥料 一些含氮、磷的水溶性盐，如硝酸铵、三聚磷酸盐等和海水混合溶解，可解决下层水体污染物的降解。

与传统的或现代的物理、化学修复方法相比，石油污染的生物修复具有很大的发展潜力。微生物的种类、石油本身的物理状态和性质以及环境的因素都可以影响微生物对石油污染物的降解。海洋环境中石油烃的微生物降解过程是海洋石油烃的主要归宿。在轻微石油烃污染条件下，海洋动物、植物对石油烃化合物的代谢、降解和释放可以平衡或消除其对石油烃化合物的吸收效应，使某些石油烃化合物在生物组织中没有明显的积累。