土壤生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

李秀璋，張宗豪，劉欣，李玉玲

(青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，西寧 810016)

利用傳統(tǒng)物理化學(xué)方法處理土壤污染物不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且費(fèi)用高昂，同時(shí)可供傳統(tǒng)方法處理和暫時(shí)儲(chǔ)存相關(guān)污染物的空間也在逐漸減少。此外，目前看來傳統(tǒng)方法并不能確保土壤中的污染物被完全銷毀[1]。因此，在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，尋找成本效益高和環(huán)境友好的替代方法來處理污染土壤成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。隨著相關(guān)技術(shù)研發(fā)投入的增多，一些模擬自然恢復(fù)的土壤修復(fù)技術(shù)逐步脫穎而出，研究發(fā)現(xiàn)一些生物修復(fù)技術(shù)成為清除許多土壤污染物最理想的方法[2]。生物修復(fù)技術(shù)是一種利用自然界的相關(guān)生物，即：植物、真菌、細(xì)菌等對(duì)各種污染物進(jìn)行降解和無害化處理的方法，目前主要以相關(guān)微生物資源的篩選和應(yīng)用推廣為主。由于生物修復(fù)技術(shù)成本相對(duì)較低且技術(shù)含量適中，一般公眾接受度高，適用范圍廣等特點(diǎn)，逐步得到大家認(rèn)可[3-5]。目前對(duì)于生物修復(fù)過程中所選用的微生物主要以受污染地區(qū)的原生境微生物的篩選應(yīng)用為主，利用其它地區(qū)分離篩選出的優(yōu)良菌株進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)后也可以用于當(dāng)?shù)赝寥牢廴疚锏男迯?fù)。土壤污染物的降解主要通過微生物的相關(guān)代謝過程發(fā)生轉(zhuǎn)化或富集，污染物的毒性降低或消除[6]。生物修復(fù)的主要過程涉及相關(guān)微生物所釋放的一些酶類物質(zhì)對(duì)污染物的作用，這些酶類物質(zhì)通過水解等過程將污染物降解為無毒或低毒化合物[7]。使用地區(qū)的環(huán)境條件是限制微生物土壤修復(fù)劑是否正常發(fā)揮作用的關(guān)鍵，只有在適宜微生物生長(zhǎng)的環(huán)境條件才能最大程度的發(fā)揮微生物制劑的作用，實(shí)現(xiàn)微生物的快速生長(zhǎng)和土壤污染物的高效降解[8]。其中最主要的限制因素有土壤pH值、溫度和濕度等，因此在使用微生物修復(fù)劑之前常需要對(duì)污染土壤進(jìn)行相應(yīng)的前處理(表1)。例如，若土壤中酸性較強(qiáng)，則可以通過加入石灰的方法來調(diào)節(jié)土壤pH值[9]。溫度是限制微生物相關(guān)生物化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)鍵因子，在一定范圍內(nèi)，溫度每升高10℃，部分生物制劑的反應(yīng)速率增加近一倍[6]。

表1 微生物制劑高效運(yùn)行的最佳環(huán)境條件(Vidali 2001 )

1 土壤中常見污染物來源

土壤污染主要是指對(duì)植物生長(zhǎng)和動(dòng)物健康有不利影響的持久性有毒化合物、化學(xué)品、鹽分、放射性物質(zhì)或致病化合物在土壤中的累積。垃圾填埋場(chǎng)的滲流、工業(yè)廢棄物的排放、工農(nóng)業(yè)污水在土壤中的排放、地下油氣庫(kù)的破裂、農(nóng)藥化肥、殺蟲劑和除草劑的過量使用、固體廢物的滲流、武器彈藥的不當(dāng)安裝、爆炸和拆除等是引起土壤污染的主要方式(表2)[1，11-14]。

表2 土壤主要污染物來源

2 生物修復(fù)策略

有機(jī)污染物的生物修復(fù)主要是將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和其它一些小分子化合物，一些污染物也可以通過結(jié)合腐殖質(zhì)來進(jìn)行固定。根據(jù)所用微生物制劑的差異，土壤污染物的降解分為好氧條件和厭氧條件[15-17]。對(duì)于生物制劑的選擇主要基于污染物對(duì)生物轉(zhuǎn)化的適應(yīng)性、污染物對(duì)微生物制劑的可及性和生物活性條件的優(yōu)化。通過對(duì)生物制劑加工工藝的選擇和生長(zhǎng)條件的調(diào)整，可以有效強(qiáng)化降解過程，提高降解效率，最終實(shí)現(xiàn)處理成本的降低[18-20]。從土壤處理的場(chǎng)地又可以將生物處理技術(shù)分為原位處理和異位處理。所謂異位處理技術(shù)是指通過挖掘或澆灌的方式，將污染土壤或地下水等從污染源移走；而原位處理技術(shù)是指直接在污染土壤或水源區(qū)域進(jìn)行污染物處理的技術(shù)。由于相對(duì)成本低、干擾少，并且能有效降低污染物在挖掘和運(yùn)輸中費(fèi)用以及這個(gè)過程中對(duì)土壤可能造成的二次污染，因此原位處理技術(shù)是最常用的選擇[6，21]。

2.1 異位修復(fù)法

土地耕作被認(rèn)為是最常見的一種異位土壤修復(fù)技術(shù)，是一種通過生物降解或降低土壤中有機(jī)污染物濃度的地上修復(fù)技術(shù)。這種技術(shù)通常是對(duì)污染土壤進(jìn)行翻耕形成土壤污染物的位移，在地面形成多孔隙的松散土層，隨后經(jīng)過自然通風(fēng)或添加礦物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的方式來刺激土壤內(nèi)好氧微生物活動(dòng)，對(duì)土壤污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化或降解，最終實(shí)現(xiàn)污染物的清除[22]。由于常見的傳統(tǒng)翻耕只能實(shí)現(xiàn)對(duì)表層污染土壤的處理，翻耕深度為25cm，深翻機(jī)械的翻耕深度也僅僅只能達(dá)到約40cm左右，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)深層污染土壤的處理。因此，需要現(xiàn)代深耕機(jī)械的配合進(jìn)行定期的翻耕和碾磨，促進(jìn)好氧微生物的生長(zhǎng)[18，23-24]。

堆肥也是一種較為常見的異位生物修復(fù)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)有毒有機(jī)化合物降解的一種常見方法，堆肥能夠有效減少土壤中有機(jī)殘留物、生活垃圾和農(nóng)副產(chǎn)品中金屬污染物的毒性[25，26]。堆肥類似于微生物在土壤中分解有機(jī)廢物的生物反應(yīng)過程，堆肥過程中的溫度通常比土壤溫度高，導(dǎo)致污染物的溶解度增加、堆肥中相關(guān)微生物代謝活性增強(qiáng)，加快對(duì)污染物的降解實(shí)現(xiàn)肥力的提高。堆肥中基質(zhì)含量的高低也是影響污染物降解的重要指標(biāo)，較高的基質(zhì)含量可形成微生物與污染物的共代謝，最終實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的降解。此外，污染物中常見的較堅(jiān)硬的金屬、塑料、玻璃、石頭等固體，也是影響堆肥效果的因素之一。這類物質(zhì)常需要進(jìn)行一定的前處理，例如通過研磨、混合和篩除不可降解的材料，為生物處理堆肥材料提供良好條件[27,28]。不僅如此，有機(jī)污染物的性質(zhì)、堆肥的條件和過程、微生物群落結(jié)構(gòu)和堆肥時(shí)間都是影響堆肥效果的重要因素[29,30]。

生物堆制法是一種土壤耕作和堆肥相結(jié)合的一種方法。這種方法主要是將翻出的土壤與土壤改良劑相混合放置在處理區(qū)，并通過強(qiáng)制通風(fēng)進(jìn)行生物修復(fù)，將污染物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。基本生物雙堆系統(tǒng)包括一個(gè)處理床、一個(gè)曝氣系統(tǒng)、一個(gè)灌溉或營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)和一個(gè)滲濾液收集系統(tǒng)。生物堆制的土堆最高可達(dá)6m左右，通過覆蓋塑料以控制徑流、蒸發(fā)和揮發(fā)，實(shí)現(xiàn)加熱的目的，提高處理效率[31]。生物堆制法可以為本地適宜的微生物制劑提供良好的好氧或厭氧發(fā)酵環(huán)境，這是實(shí)現(xiàn)污染物清除的關(guān)鍵[30-32]。

生物反應(yīng)器是利用自然界中存在的具有特殊降解能力的微生物，經(jīng)分離純化后接種至液相或固相的反應(yīng)系統(tǒng)中對(duì)污染物進(jìn)行處理。在這個(gè)反應(yīng)過程中，被污染的土壤會(huì)被處理成固體或泥漿相[33,34]。固相生物反應(yīng)器的原理主要是通過摩擦和強(qiáng)烈混合攪拌對(duì)土壤進(jìn)行機(jī)械分解，該過程可以確保污染物、微生物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水和空氣等進(jìn)行深層次的接觸。泥漿生物反應(yīng)器被認(rèn)為是一種三相(固體、液體、氣體)混合條件的容器系統(tǒng)，它能夠增加土壤的生物修復(fù)率和水溶性污染物的降解。相對(duì)于其它污染物處理裝置，生物反應(yīng)器所處的環(huán)境更易于管理、也更易于控制和預(yù)測(cè)，它的生物降解速度和程度比原位或固相系統(tǒng)更加高效。然而，生物反應(yīng)器對(duì)預(yù)處理的被污染土壤性狀要求較高，被污染土壤在放入生物反應(yīng)器之前通常需要進(jìn)行必要的預(yù)處理，例如土壤清洗或物理提取等[6，35，36]。

2.2 原位修復(fù)法

生物通氣法是一種較為常見的原位生物處理方法，這種方法的核心是利用本地微生物對(duì)非飽和土壤上吸附的有機(jī)成分進(jìn)行生物降解。其原理主要是基于壓力增強(qiáng)對(duì)土壤污染物進(jìn)行蒸氣提取，人為制造地上地下壓力差導(dǎo)致大氣空氣的流入，氧氣濃度增強(qiáng)，作為污染物降解的好氧微生物活力增強(qiáng)，顯著增加對(duì)汽油、噴氣燃料、煤油、柴油等石油產(chǎn)品的降解能力。如果污染物中含有大量的揮發(fā)性物質(zhì)，則需要對(duì)萃取出的土壤蒸氣使用生物降解活性炭進(jìn)行處理[17，37-38]。

生物噴注法是利用和激發(fā)本地微生物活性實(shí)現(xiàn)對(duì)飽和土壤中有機(jī)污染物降解的一種方法[39]。其主要方式是通過鉆孔將空氣注入到飽和區(qū)域，通過增加氧的溶解來增加土壤中好氧微生物的活性，促進(jìn)好氧微生物對(duì)土壤或地下水中污染物的降解。生物噴注法還能有效促進(jìn)石油類污染物向土壤毛細(xì)管邊緣的吸附，促進(jìn)其揮發(fā)，或者將這類污染物移動(dòng)到地下水位以下或溶解在地下水中。因此，生物噴注法常被用于含有中等重量石油產(chǎn)品污染的地點(diǎn)，如柴油、煤油燃料等。較輕的石油產(chǎn)品往往能通過噴注法利用土壤的毛細(xì)管效應(yīng)迅速揮發(fā)，因此土壤的滲透性是影響該技術(shù)有效性的關(guān)鍵因素[6,18,39]。

生物強(qiáng)化法是將受污染的本地區(qū)或外源微生物制劑添加到污染物中進(jìn)行土壤修復(fù)的一種方法。盡管這種方法能夠在短時(shí)間內(nèi)增加微生物制劑的種群數(shù)量，但是微生物制劑并不一定適宜所有的土壤污染環(huán)境。常見的影響污染物中微生物制劑添加的因素主要有兩個(gè)方面，一方面是外來微生物制劑的適應(yīng)性以及與本地微生物種群的競(jìng)爭(zhēng)作用，另一方面是本地微生物群落中有效微生物物種的篩選和純化擴(kuò)繁[6，40，41]。

3 展望

3.1 土壤修復(fù)技術(shù)選用

相對(duì)于傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法，生物修復(fù)能夠在很大程度上解決它們的不足，是一種“近自然修復(fù)過程”[42,43]，也是一種較為安全的土壤修復(fù)技術(shù)。盡管生物修復(fù)在許多領(lǐng)域都被證實(shí)是簡(jiǎn)單有效的土壤修復(fù)方式，但是也面臨著一些無法解決的問題[44]：例如微生物制劑的選擇、儲(chǔ)運(yùn)、施用等，微生物制劑加工和使用通常需要專業(yè)的設(shè)備和嚴(yán)格的溫濕度條件。此外，根據(jù)土壤污染的性質(zhì)和程度、污染土壤修復(fù)的便利性等因素，以及污染土壤所處的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等因素，綜合考慮土壤修復(fù)的有效性和經(jīng)濟(jì)性，最終實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.2 微生物制劑的評(píng)估

為了加快微生物制劑的應(yīng)用推廣，迫切需要開發(fā)快速、可靠和廉價(jià)的微生物制劑及相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法。外來微生物的適應(yīng)性和本地微生物制劑在群落中的適應(yīng)性，是未來微生物菌劑使用過程中無法避免的一個(gè)問題[45]。對(duì)于不同的微生物菌劑需要制定相協(xié)調(diào)的物理化學(xué)方法，協(xié)調(diào)適應(yīng)好氧或厭氧微生物的生存以及對(duì)污染土壤的修復(fù)。一種微生物菌劑從研發(fā)到上市推廣需要漫長(zhǎng)的過程，實(shí)驗(yàn)室水平的數(shù)據(jù)和最終的使用之間可能還會(huì)存在較大的差異。外來微生物的引進(jìn)和本地微生物的篩選培養(yǎng)勢(shì)必會(huì)增加相關(guān)微生物在群落中的豐度，相關(guān)微生物種群豐度的增加是否會(huì)給整個(gè)微生物群落或生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來不可控的因素尚需進(jìn)一步深入評(píng)估。微生物制劑在土壤修復(fù)過程中所產(chǎn)生的部分中間代謝物在一定程度上也是完全不可控的，這個(gè)中間體的形成可能會(huì)抑制土壤修復(fù)過程的順利進(jìn)行、亦或?qū)е峦寥牢廴镜倪M(jìn)一步加劇，這也是對(duì)微生物制劑進(jìn)行篩選的過程中需要關(guān)注的重要依據(jù)[46,47]。此外，對(duì)于生物修復(fù)策略的選用和實(shí)施，必須能夠確定達(dá)到目標(biāo)閾值，而且處理過程中的相關(guān)影響因素也可以能夠完全被量化。根據(jù)污染土壤所處的野外條件的異質(zhì)性、可變性、大小來測(cè)試微生物種群的生存潛力，同時(shí)也需要對(duì)活體微生物使用的復(fù)雜性進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。需要針對(duì)不同的污染物和微生物制劑制定不同的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，以便更好地掌握污染物的清理程度和速度。

3.3 微生物制劑數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

目前，微生物制劑的種類繁多，除了用于土壤修復(fù)的各類微生物制劑外，農(nóng)作物和草地有害生物的生物防治中也開發(fā)出了大量的微生物生防制劑。不同種類的微生物制劑作為活體生物制劑，其擴(kuò)繁和使用均需要特定的條件和施用范圍。因此，基于微生物制劑的相關(guān)特征建立一個(gè)備案清晰、全面有效、并且開放的數(shù)據(jù)庫(kù)十分必要?？傊?，生物修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展需要多學(xué)科、跨領(lǐng)域之間的通力合作，最終實(shí)現(xiàn)污染土壤的高效修復(fù)[48-55]。