微生物—植物聯(lián)合修復(fù)石油污染土壤的研究進展

謝麗鳳 吳衛(wèi)飛

摘要：概述了根際效應(yīng)、根系分泌物、菌根在微生物—植物聯(lián)合修復(fù)石油污染物土壤的機理和應(yīng)用，并展望了該修復(fù)技術(shù)在石油污染土壤的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微生物修復(fù);植物修復(fù);石油;污染土壤

中圖分類號：X53 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）08-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.018

Advances in microbial-phytoremediation of petroleum-contaminated soils

Xie Lifeng1，Wu Weifei2

（1.Zhonghuan Huacheng （Xiamen） Environmental Protection Technology Co.， Ltd. Zhejiang Branch， Ningbo Zhejiang 315800，China;

2.Ningbo Shengyong Marine Technology Co.， Ltd.，Ningbo Zhejiang 315000，China）

Abstract： The mechanism and application of rhizosphere effect， root exudates and mycorrhizal fungi in the remediation of petroleum contaminated soil bymicroorganism-plant combination were summarized， and the application prospect of the remediation technology in petroleum contaminated soil was prospected.

Key words：Microbial remedialion;Phytoremediation; Petroleum;Eontaminated soil

隨著人們對石油的需求逐年增加，石油工業(yè)發(fā)展迅速，在石油開采、冶煉、運輸和使用過程中產(chǎn)生的含油廢水排放、各種石油制品的揮發(fā)和不完全燃燒飄落等問題不可避免的造成石油污染土壤。石油污染物引起土壤的理化性質(zhì)發(fā)生改變，影響植物正常生理活動，改變土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu)和降低生物多樣性。石油中一些難降解的烴類可能通過食物鏈進入人體，危害人體健康。因此，急需采取高效可行的修復(fù)手段清除石油污染物和恢復(fù)土壤環(huán)境。

1 石油污染土壤修復(fù)技術(shù)概況

目前，石油污染土壤的修復(fù)技術(shù)大體分為三種：物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)。20世紀80年代以前，治理石油污染土壤僅限于物理和化學(xué)修復(fù)，這些方法雖然可以取得一定的修復(fù)效果，但是存在操作繁瑣、投資大、破壞土壤的結(jié)構(gòu)和組分、污染物清除不徹底、二次污染等問題。生物修復(fù)因成本低、對環(huán)境影響小、無二次污染、操作便利、可原位修復(fù)等優(yōu)點，得到了研究人員的廣泛關(guān)注。生物修復(fù)主要包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)和微生物—植物聯(lián)合修復(fù)。

2 微生物—植物聯(lián)合修復(fù)

微生物—植物聯(lián)合修復(fù)是利用由土壤、微生物、植物組成的復(fù)合體系共同降解石油污染物，兼具微生物修復(fù)和植物修復(fù)的優(yōu)點。石油污染物的降解過程主要發(fā)生于根際區(qū)域，現(xiàn)在普遍認為根際效應(yīng)、根系分泌物和菌根在微生物—植物聯(lián)合修復(fù)體系中發(fā)揮著重要的作用。

2.1 根際效應(yīng)和根系分泌物

根際是植物與微生物相互作用的一個生物活性區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)存在根系發(fā)育和死亡、根系物脫落、根系分泌物的產(chǎn)生、植物和微生物呼吸、土壤的團粒結(jié)構(gòu)變化等一系列影響土壤成分變化的活動。根際范圍隨植物種類及土壤、氣候條件有所不同，根際影響顯著的范圍僅有2～3mm，影響距離達2～3cm;距根越遠，根際效應(yīng)越小。根系分泌物是植物根系在生長代謝過程中向周圍環(huán)境分泌或脫落的有機化合物的總稱，含有較多的糖類、氨基酸、有機酸、酶類物質(zhì)以及各種次生代謝物質(zhì)，在根際效應(yīng)中起到最重要的作用。

Gerhardt等[1]總結(jié)了根際降解污染物的可能機理：①根系生長可以改善土壤理化性狀，促進好氧環(huán)境的形成。②根系為微生物提供生存場所和營養(yǎng)物質(zhì)，改善微生物的依附環(huán)境，增加了微生物生物活性、群落數(shù)量和多樣性，或者選擇性富集污染物降解特性的菌群。研究表明，在石油污染的水稻田中分離出的芽孢桿菌，僅在水稻根系分泌物存在的情況下才能在石油污染物中生長[2]。大豆、堿草與石油烴降解菌聯(lián)合處理石油污染土壤135d后，土壤石油烴的降解率達63.65%～83.26%;植物根際土壤石油烴含量明顯低于非根際土壤;根際土壤中微生物數(shù)量比非根際土壤高2個數(shù)量級[3]。③根系分泌物為石油污染物提供共代謝底物，共代謝被認為是降解頑固石油烴的主要途徑，根系分泌物中許多次生代謝物的結(jié)構(gòu)與石油烴類似，微生物對根系分泌物的代謝可刺激酶的通路、增強協(xié)同代謝過程或施加選擇壓力來增加石油烴的代謝。桑橙、雜交柳樹、近心形破布木、白桑的根系分泌物可作為苯并[a]芘的共代謝底物，促進其降解，去除率達到15%～20%[4]。PAHs專性降解菌與高羊茅聯(lián)合修復(fù)PAHs污染農(nóng)田土壤時，在植物根系生物量大、分泌物量多時（90～120d期間），土壤中環(huán)數(shù)多的PAHs的降解率顯著高于前期[5]。④根際酶促反應(yīng)降解污染物。王金成等研究表明，外源石油降解菌與金盞菊聯(lián)合作用有效改善了土壤根際微環(huán)境，土壤脲酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、脫氫酶活性均不同程度的呈增加趨勢;微生物群落多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)均呈逐漸增加;土壤中TpHs、pH、有機質(zhì)含量、含鹽率總體呈下降趨勢;土壤堿解氮、速效磷及速效鉀含量總體呈上升趨勢[2]。紫花苜蓿分泌的漆酶可降解各種芳香族化合物，楊樹分泌的脫鹵酶可促進鹵代芳烴和多環(huán)芳烴的降解[6]。微生物分泌的酶類物質(zhì)也可促進石油烴的降解，并被認為是核心降解過程，目前2-羥基苯醛脫氫酶、單/雙加氧酶等已可人工提取純化。⑤微生物的代謝作用可降低污染物的毒性，促進植物生長，加速污染物降解過程。⑥植物和微生物的分泌物可提高污染物的生物可利用性。如鼠李糖脂等生物面活性劑可降低石油烴表面張力，提高其溶解度，即可增加微生物和植物對其的吸收轉(zhuǎn)化率。一些植物分泌的低分子量羧化物，如草酸、檸檬酸，能螯合土壤中部分離子，改變土壤的微孔結(jié)構(gòu)，增加石油烴的釋放量。在野外堆制后的石油污染土壤進行植物修復(fù)研究發(fā)現(xiàn)，與非根際土壤相比，堿蓬根際土壤的pH值降低，微孔數(shù)目減少顯著，微孔表面積和體積分別減少了0.28m2/g、0.53mm3/g[7]。

2.2 菌根

“菌根”是土壤中一定種類的真菌與植物根系所形成的互惠共生體，德國植物生理學(xué)家和森林學(xué)家Frank在1885年首次提出。按照形態(tài)和結(jié)構(gòu)的不同，菌根可分為3個主要類型：外生菌根、內(nèi)生菌根、內(nèi)外生菌根。外生菌根的真菌多屬于擔(dān)子菌種的牛肝菌屬、鵝膏菌屬和蘑屬，也有少數(shù)屬于子囊菌的塊菌目;而叢枝菌根（VA菌根）是最主要的內(nèi)生菌根，主要的真菌屬于內(nèi)囊霉科。近年來，菌根在土壤污染物修復(fù)中的應(yīng)用越來越受關(guān)注。菌根共生體可促進植物對營運元素的吸收，某些菌根還能合成酶類、維生素、植物生長激素等活性物質(zhì)，促進植物生長，提高植物對溫度、鹽度、酸堿性、重金屬、疾病等的耐受性。

目前較為認可的菌根生物修復(fù)的機理主要有以下幾個方面：①直接利用污染物作為營養(yǎng)物質(zhì);或者在污染物的誘導(dǎo)下產(chǎn)生獨特的酶（如蛋白酶、酯酶、多酚氧化酶、過氧化物酶等），直接降解污染物。Braun-Lüllemann等純培養(yǎng)了16種外生菌根真菌，并發(fā)現(xiàn)其中大多數(shù)外生菌根真菌對菲、芘、屈、苯并[a]芘等4中PAHs具有不同程度的降解能力[8]。②菌根通過外延菌絲向土壤延伸，擴大與土壤的接觸面積。研究表明，菌根外延菌絲的長度可比根系長1000倍，外延菌絲與土壤的接觸面積可超過300m2，比根系面積大10倍[9]。③菌根的形成可改善根際的微環(huán)境，促進植物的營養(yǎng)吸收，提高植物生物量和耐受性。根內(nèi)孢囊霉和變形球囊霉侵染高羊茅后，能促進植物對土壤中菲和芘的吸收，顯著提高高羊茅根系和葉片內(nèi)菲和芘的含量，土壤中多酚氧化酶、脫氫酶和過氧化氫酶活性顯著提高[10]。④菌根可為微生物提供生存場所和營養(yǎng)物質(zhì)，促進菌根根際各種菌落的形成，提高根際微生物生物活性、種群密度和多樣性。紫花苜蓿與菌根真菌、芽孢桿菌和黃桿菌兩種降解菌聯(lián)合修復(fù)PAHs污染農(nóng)田土壤90d后，土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，群落多樣性由3.17提高至3.45，高分子量PAHs的降解率高達64.11%[11]。在石油烴污染的土壤中，歐洲赤松與卷邊樁菇或粘蓋牛桿菌形成菌根，外延菌絲遍布根際土壤，菌絲表面聚集了各類石油烴降解菌，這些菌群大大提高了石油烴的降解率[12]。

3 展望

微生物—植物聯(lián)合修復(fù)石油污染土壤方面具有環(huán)保、經(jīng)濟、高效等優(yōu)點，但是一般適合修復(fù)中、低濃度石油污染土壤，修復(fù)效果受場地條件、環(huán)境條件和污染物性質(zhì)影響較大。因此今后可在以下幾方面開展進一步的研究：①深入研究不同條件下，微生物—植物聯(lián)合修復(fù)過程、機制及控制因素，篩選具有高效降解作用的土著菌，或在與土著菌競爭中可成為優(yōu)勢種的高效降解菌;②加強現(xiàn)場試驗，完善技術(shù)，優(yōu)化工藝，推進實際應(yīng)用進程;③對于高濃度石油污染土壤，可研究物理、化學(xué)、生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。

參考文獻

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收稿日期：2019-05-10

作者簡介：謝麗鳳（1985-），女，漢族，碩士研究生，工程師，研究方向為環(huán)境影響評價、環(huán)境治理修復(fù)研究。