沉積物中持久性有機(jī)污染物生物修復(fù)的現(xiàn)狀與展望

黃勤超，黃民生，池金萍，宋 力，陳 麗

（1.華東師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)系，上海200062；2.浙江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)院，杭州310007）

20世紀(jì)50年代以來，隨著工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展使人工合成的有機(jī)物種類和數(shù)量與日俱增，其中持久性有機(jī)污染物（persistent organic pollutants，POPs），是指具有持久性、生物富積性、高毒性和半揮發(fā)性的環(huán)境有機(jī)污染物。沉積物是POPs的“沉積庫”，是“匯”，也是水體和土壤污染的內(nèi)源。POPs污染是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過程，它能夠通過生物富集作用在生物體內(nèi)達(dá)到較高的濃度，從而對生物體產(chǎn)生較強(qiáng)的毒害作用，這些污染物還能夠通過水／沉積物界面的遷移轉(zhuǎn)化作用重新進(jìn)入水體，即在氣－水－生物－沉積物等多介質(zhì)環(huán)境生物體系中遷移、轉(zhuǎn)化和暴露，最終在人和動(dòng)植物體內(nèi)大量積累，從而對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅［1－2］，其中POPs在氣－水－生物－沉積物的遷移轉(zhuǎn)化如圖1［3］。大量研究表明，POPs物質(zhì)對生態(tài)環(huán)境污染的嚴(yán)重性和復(fù)雜性遠(yuǎn)超過無機(jī)酸性氣體、重金屬等物質(zhì)對環(huán)境體系的損害，且大多數(shù)POPs具有三致效應(yīng)，還有可能導(dǎo)致生物體內(nèi)分泌紊亂，影響人體和動(dòng)物的生殖系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)。其主要來源有工業(yè)釋放，如多氯聯(lián)苯、六氯苯；農(nóng)林牧業(yè)防止蟲害的殺蟲劑，如艾氏劑、氯丹、滴滴涕、狄氏劑、異狄氏劑、滅蟻靈、毒殺芬、七氯和六氯苯；不完全燃燒與熱解、含氯化合物的使用、氯堿工業(yè)、紙漿漂白和食品污染等。POPs對全球環(huán)境和人類健康危害的嚴(yán)重性及其來源的廣泛性，引起了各國政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和公眾越來越廣泛的重視，現(xiàn)已成為一個(gè)倍受關(guān)注的全球性環(huán)境問題。

長期以來，沉積物中POPs的污染治理都是一個(gè)廣為研究的問題，更是一個(gè)值得日益深思的問題。傳統(tǒng)的污染治理技術(shù)，如填埋、回收、高溫處理等處置方法不僅效率低、費(fèi)用高，并且易產(chǎn)生有毒有害的中間產(chǎn)物而造成二次污染，而生物修復(fù)（bioremediation）的優(yōu)勢在于它利用的是生物，能將存在于土壤、地下水和海洋等環(huán)境中的有毒、有害的污染物降解為二氧化碳、水或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。較物化修復(fù)方法和生物修復(fù)方法成本低，能徹底清除POPs，不會(huì)造成二次污染?，F(xiàn)將對POPs的生物修復(fù)方法進(jìn)行簡要綜述，為推進(jìn)POPs的修復(fù)治理提供理論基礎(chǔ)。

圖1 POPs在氣－水－生物－底泥的遷移轉(zhuǎn)化

1 沉積物中POPs物化修復(fù)技術(shù)

實(shí)踐表明，常規(guī)的物理修復(fù)技術(shù)如土地填埋，通風(fēng)去污和去表層土等并不能從根本上解決POPs的污染問題，只能把污染物暫時(shí)轉(zhuǎn)移，且成本昂貴，去除不徹底，一般只能用于土壤中點(diǎn)污染源的治理?；瘜W(xué)方法對底泥中POPs的處置還在不斷完善中，化學(xué)制劑與底泥中POPs由于接觸不完全而導(dǎo)致反應(yīng)不徹底，產(chǎn)生新的污染性或毒性更強(qiáng)的物質(zhì)，造成二次污染，且費(fèi)用較高。表1列舉了目前國際上已應(yīng)用或研究的POPs廢物處置技術(shù)的適用對象、成熟程度和處置費(fèi)用等。

表1 主要POPs物化處理技術(shù)［4］

2 生物修復(fù)

生物修復(fù)是指利用生物（包括微生物、植物、動(dòng)物）將存在于土壤、地下水和海洋等環(huán)境中有毒、有害、難降解的污染物降解為CO2和H2O或其他無毒無害的物質(zhì)，從而將污染環(huán)境修復(fù)成正常環(huán)境的工程體系。生物修復(fù)可分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)和現(xiàn)代生物修復(fù)。

2.1 微生物修復(fù)

微生物修復(fù)是指利用微生物機(jī)體的代謝活動(dòng)將POPs轉(zhuǎn)化為易降解的物質(zhì)甚至礦化。即利用微生物將污染物大分子轉(zhuǎn)化為小分子，實(shí)現(xiàn)污染物的分解和降解［5］。20世紀(jì)80年代，從黃桿菌（Flavobacteriumsp）和假單胞菌（Pseudomonas diminuta）將有機(jī)磷水解酶提純出來以來，人們就觀察到微生物對有機(jī)磷的降解作用，開始嘗試將有機(jī)磷水解酶用于有機(jī)磷農(nóng)藥的降解［6］。李國學(xué)等［7］利用高溫堆肥降解六六六和DDT，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)對反應(yīng)條件進(jìn)行一定的控制時(shí)，對DDT的降解率甚至可以達(dá)到100%，可見微生物在適宜的條件下對POPs具有較好的降解效果。據(jù)報(bào)道，2004年通過中國科學(xué)院微生物的研究，獲得可用于構(gòu)建高效降解工業(yè)廢水中氯代芳烴類化合物的微生物菌株基因資源，并有望進(jìn)一步推出POPs微生物修復(fù)技術(shù)［8］。目前，我國的研究大多集中于高效降解菌的篩選和降解機(jī)理等方面?？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^富集培養(yǎng)等技術(shù)已發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌、白腐真菌等多種能夠降解POPs的微生物。Donnelly等［9］的研究中，一些外生菌根真菌降解POPs的能力較白腐真菌強(qiáng)，具有更好的降解PCBs的能力（見表2），但其降解能力具有一定的局限性，目前尚無研究表明外生菌根真菌能降解DDT，值得注意的是，DDT及其同系物DDE、DDD都具有氯代芳烴結(jié)構(gòu)。

表2 部分POPs的降解微生物［10－13］

由于實(shí)際環(huán)境體系復(fù)雜，沉積物中微生物的營養(yǎng)受到限制，降低了微生物對有機(jī)污染物的降解活性。向水體沉積物中投加某些化學(xué)制劑（如氧化劑和營養(yǎng)物質(zhì)），采用化學(xué)－微生物聯(lián)用法會(huì)促進(jìn)微生物對污染有機(jī)物的降解作用。該技術(shù)已成功用于加拿大Hamilton港油和有機(jī)化合物的（主要為PAHs）污染沉積物的修復(fù)中試研究［14］，試選擇Dofasco Boatslip區(qū)域（1 000m×1 000m）作為試驗(yàn)區(qū)，利用附帶有注射管道的船舶在1年中分4次向受污染的沉積物注入氧化劑Ca（NO3）2，總計(jì)約為18.5t。其中最后1次同時(shí)注入5t有機(jī)營養(yǎng)物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1年后沉積物中48%的PAHs和57%的油被厭氧微生物降解。Xu等［15］將1.2%（W／W）的Osmocote（一種含N、P、K水溶性無機(jī)鹽的SRF產(chǎn)品）投加到5%（W／W）的阿拉伯輕質(zhì)原油灘地沉積物中，然后攪拌均勻。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)期間（105d），混有Osmocote的沉積物孔隙水中N和P的含量明顯提高，和PO－43－P最高值分別達(dá)到29.0，37.8和26.2mg·L－1，同時(shí)土著微生物的脫氫酶活性在第28天也達(dá)到了最高值［14.5 mgNTF／（kg·h－1）］，與空白參照相比，混有Osmocote沉積物中的直鏈烷烴（C10－C33）、支鏈烷烴（姥鮫烷和植烷）和PAH s（2－6環(huán)）的一階降解速率常數(shù)分別增大3.95，5.50和2.45倍。以上結(jié)果說明，Osmocote在沉積物中能夠持續(xù)釋放營養(yǎng)物，為土著微生物提供充足養(yǎng)分，持久性有機(jī)物降解率明顯提高［16］。且沉積物中的持久性有機(jī)物主要存在于固相中，生物可利用性較差，加入TriTonX 2100等表面活性劑（BS）能促進(jìn)水相POPs的生物降解，有研究表明，非離子表面活性劑可以提高POPs的降解程度，該技術(shù)逐漸得到人們的重視。

2.2 植物修復(fù)

植物修復(fù)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的理論為基礎(chǔ)，去除、轉(zhuǎn)化和固定土壤、底泥、地下水、地表水中的一些POPs的新興技術(shù)［17］。是當(dāng)前生物修復(fù)研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)（如人工濕地），即使一些污染物在植物體內(nèi)大量積累，也可以通過轉(zhuǎn)移植物而將其清除。植物對環(huán)境中POPs的修復(fù)主要通過以下3種途徑實(shí)現(xiàn)：植物對POPs的直接吸收；植物根際作用吸收、轉(zhuǎn)化和降解；植物根部分泌的酶降解底泥中的POPs。目前，典型POPs植物修復(fù)包括對PCBs、PAHs、有機(jī)氯農(nóng)藥等難溶、難降解有機(jī)物的修復(fù)。

植物修復(fù)是一種原位修復(fù)技術(shù)，它不像生物修復(fù)技術(shù)可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌等微生物對土壤和地下水造成生物性污染，因此沉積物植物修復(fù)技術(shù)的開展是一種必然的趨勢。據(jù)調(diào)查，目前關(guān)注的POPs主要有多氯聯(lián)苯（PCBs）、多環(huán)芳烴（PAHs）、有機(jī)溶劑（TCE等）、總石油烴（TPH）、殺蟲劑（DDT、BHC等）等和爆炸物（TNT）等有機(jī)污染物（見表3）。這些污染物能被特定的植物不同程度地吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和降解。Liste等［18］于2000年的研究中選用9種不同的植物進(jìn)行研究。結(jié)果表明，它們均可促進(jìn)芘的降解，種植植物8周后的土壤中芘消失了74%，而未種植植物的土壤中芘最多消失了40%。Tam＼在溫室內(nèi)利用桐花樹對受PAHs（3－5環(huán)）污染的紅樹林藻澤沉積物進(jìn)行修復(fù)研究。桐花樹在污染沉積物中能夠生長，154d后對沉積物中芴、菲、熒蒽、芘和苯并芘的去除率分別達(dá)到87.02%，73.40%，56.51%，55.21%和33.57%。Chekol等［19］通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究了苜蓿草（Medicago sativa）、黧豆（Lathyrus sylvestris）、虉草卷（Phalaris arundinacea）、柳枝稷（Panicum virgatum）、高牛毛草（Festucaarundinacea）等7種植物對PCBs（Aroclor，1248）污染土壤的修復(fù)作用。經(jīng)過4個(gè)月的處理后，與未種植物的對照相比，所有栽種植物的處理中PCBs的生物降解性都顯著提高，其中虉草卷和柳枝稷的降解效果最好。Chen等［20］比較了小胡瓜（Cucurbita pepo ssp.pepo）、黃瓜（Cucum is sativus）和南瓜（Cucurbita pepo ssp.ovifera）對PAHs的吸收作用，以28d為1個(gè)周期，4個(gè)周期全部結(jié)束后，小胡瓜吸收PAHs的量是黃瓜和南瓜吸收PAHs量之和的2倍，從而證明小胡瓜對PAHs有較好的修復(fù)效果。Aslund和Zeeb（2007）的研究表明，植物的直接吸收是植物修復(fù)PCBs的關(guān)鍵機(jī)制，能夠顯著地降低土壤中PCBs的濃度。實(shí)驗(yàn)用南瓜（Cucurbita pepossp.pepocv.Howden）、莎草（Carexnormalis）、高牛毛草（Festucaarundinacea）來修復(fù)土壤中的PCBs污染，初始PCBs的平均濃度為46μg·g－1。經(jīng)修復(fù)處理后，莎草內(nèi)的生物累積系數(shù)達(dá)0.129，南瓜體內(nèi)的生物累積系數(shù)為0.115，且離根越遠(yuǎn)的枝葉內(nèi)PCBs的濃度越低，3種植物都表現(xiàn)出對PCBs的直接吸收作用。高創(chuàng)新等［21］比較了蘆葦（Fhragmites communis）、香蒲（TyPha orientalis）、水蔥（Scirpus validusVahl）對五氯酚（PCP）的修復(fù)，結(jié)果表明修復(fù)效果為：水蔥＞香蒲＞蘆葦，且在根際微生物的作用下，植物對PCP的降解效果更好。

表3 有機(jī)污染物土壤植物修復(fù)的基本類型和進(jìn)展［22］

研究還發(fā)現(xiàn)，由于疏水性有機(jī)污染物（如PAHs、PCBs等）難以被植物根系吸收轉(zhuǎn)運(yùn)而大量積累在植物根際，根際修復(fù)通常在此類有機(jī)污染物修復(fù)中占主導(dǎo)作用。Sandman［23］研究證明許多根際區(qū)的農(nóng)藥降解速度快且降解率高與根際區(qū)微生物的生物量增加呈正相關(guān)，發(fā)現(xiàn)微生物聯(lián)合群落比單一群落對化合物的降解有更廣泛的適應(yīng)性。植物根系能夠釋放大量的有機(jī)污染物降解酶于沉積物中，如漆酶、硝基還原酶、脫鹵素酶、腈水解酶和過氧化物酶等［24］，這些降解酶的存在能夠促進(jìn)沉積物中POPs的降解。Macek等［25］研究發(fā)現(xiàn)腈水解酶能夠降解氯化氰苯，脫鹵酶可降解含氯溶劑，如TCE（四氯乙烯），生成Cl－，H2O和CO2，PCBs的降解速率與過氧化物酶活性成正相關(guān)。Huang等［26］研究發(fā)現(xiàn)，在物化、微生物和植物修復(fù)的聯(lián)合作用下，牛毛草（Festucaarundinacea）能夠有效地去除土壤中的雜酚污染物。經(jīng)4個(gè)月的處理后，一共去除了16種優(yōu)先PAHs，其去除率比單獨(dú)的生物修復(fù)高50%，比單獨(dú)的植物修復(fù)高45%。更重要的是，經(jīng)過多步驟聯(lián)合處理，可以有效地去除土壤中大多數(shù)高疏水性、土結(jié)的PAHs。

2.3 動(dòng)物修復(fù)

動(dòng)物修復(fù)是指底泥中的一些大型土生動(dòng)物和小型動(dòng)物種群，能吸收和富集殘留在土壤中的POPs（如有機(jī)氯農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等），并通過自身的代謝作用，將部分POPs轉(zhuǎn)化成低毒或無毒產(chǎn)物，此方法對底泥的要求條件較高。據(jù)報(bào)道，蚯蚓對六六六、DDT等農(nóng)藥的積累能力一般比外界大10倍，對DDT的積累最高達(dá)70倍左右。目前，大量研究探討了耐性植物對POPs的降解作用，而結(jié)合土壤動(dòng)物對沉積物－植物系統(tǒng)對POPs降解效果的強(qiáng)化作用卻鮮見報(bào)道。

2.4 現(xiàn)代生物修復(fù)技術(shù)

現(xiàn)代生物修復(fù)技術(shù)主要包括基因工程，酶工程，細(xì)胞工程和發(fā)酵工程。這些技術(shù)以基因工程為核心，相互聯(lián)系，相互滲透，基因工程技術(shù)的發(fā)展將會(huì)帶動(dòng)酶工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程的發(fā)展?，F(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)在POPs的控制和治理方面具有不可替代的優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用。而酶工程處理費(fèi)用高，若使用不當(dāng)，可能產(chǎn)生有毒物質(zhì)，比較適合低濃度、高毒性有機(jī)污染物的處理，但反應(yīng)副產(chǎn)物的穩(wěn)定化、反應(yīng)殘余物的處理還有待研究?；蚬こ虨楦淖兗?xì)胞內(nèi)關(guān)鍵酶或酶系統(tǒng)，提高微生物降解速率，拓寬底物專一性范圍，維持低濃度下代謝活性以及改善POPs降解過程中的生物催化穩(wěn)定性等提供了可能。通過引入編碼新酶的活性基因，對現(xiàn)有的基因物質(zhì)進(jìn)行改造、重組，從而構(gòu)建出新的微生物，基因工程可用于氯代芳烴混合物的降解。生物的降解反應(yīng)中，微生物之間共生或者互生現(xiàn)象普遍存在，通過原生質(zhì)體融合技術(shù)，可以將多個(gè)細(xì)胞的優(yōu)良性狀集中到一個(gè)細(xì)胞內(nèi)，使之具有新的性能。目前，細(xì)胞工程所涉及的主要技術(shù)有動(dòng)植物組織和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)、細(xì)胞器移植和細(xì)胞重組技術(shù)、DNA重組技術(shù)和基因轉(zhuǎn)移技術(shù)等。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，必將為POPs的控制技術(shù)注入新的活力。

3 總結(jié)與展望

POPs的生物修復(fù)發(fā)展迅速，部分技術(shù)在實(shí)施治理中已經(jīng)取得了良好的效果，尤其是微生物修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)。但各種修復(fù)法均存在一定的局限性，如處理效率低，易產(chǎn)生二次污染，處理周期長，費(fèi)用高等。為解決這些問題，促進(jìn)POPs生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行以下總結(jié)和展望。

（1）微生物技術(shù)可廣泛用于點(diǎn)源和面源污染的治理與修復(fù)，是一種既經(jīng)濟(jì)又安全的POPs降解技術(shù)。但特定的微生物只能降解特定類型的化合物，具有單一性，而POPs種類繁多，且大多數(shù)的POPs在環(huán)境中的濃度極低，不能維持降解細(xì)菌所需的群落，更何況微生物對POPs的降解能力很差，其活性受環(huán)境條件的影響也特別大。因此，考慮完善POPs高效菌株的構(gòu)建，降解酶的構(gòu)造，利用分子生物技術(shù)改變蛋白質(zhì)的表達(dá)等現(xiàn)代生物技術(shù)將會(huì)給受POPs污染的環(huán)境修復(fù)帶來更有利的條件。

（2）植物修復(fù)技術(shù)適用于大面積、低濃度的污染位點(diǎn)，成本低，效率高，無二次污染，不破壞生物生長所需的環(huán)境，且植物不僅能通過根系吸收難降解的POPs，而且能迅速地從環(huán)境中吸收轉(zhuǎn)移，并可同時(shí)去除POPs和重金屬、放射性核素。因此，加快發(fā)展植物修復(fù)技術(shù)，用于修復(fù)淺水區(qū)或濕地受污染的沉積物。通過微生物聯(lián)合植物修復(fù)或構(gòu)建轉(zhuǎn)基因植物可提高植物對污染物的耐受性和吸收、富集、降解能力。

（3）物化－微生物、植物－微生物和物化－微生物－植物修復(fù)技術(shù)的聯(lián)用將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)沉積物POPs的降解。另外，探索對POPs降解的最優(yōu)組合和條件也是一個(gè)值得研究的問題。

（4）現(xiàn)代生物技術(shù)的研發(fā)和完善會(huì)給POPs的修復(fù)帶來更為有利的條件，動(dòng)物對POPs修復(fù)的研究在國內(nèi)外并不多見，還處于起步階段，尚有待進(jìn)一步的研究。

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