有機(jī)污染土壤生物修復(fù)效果的限制因素及提升措施

吳敏，施柯廷，陳全，梁妮，潘波

（昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500）

能源開發(fā)使用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擴(kuò)大、城鎮(zhèn)化發(fā)展等一系列人類活動(dòng)導(dǎo)致土壤有機(jī)污染問(wèn)題愈加嚴(yán)重。多種被禁用的有機(jī)氯農(nóng)藥（如六六六和滴滴涕）在土壤中的監(jiān)測(cè)量仍超過(guò)國(guó)家限定標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)用塑料薄膜的廣泛應(yīng)用使農(nóng)田土壤中的鄰苯二甲酸酯（PAEs）嚴(yán)重超標(biāo)，工業(yè)區(qū)域的土壤大多存在多氯聯(lián)苯（PCBs）、多環(huán)芳烴（PAHs）、丁草胺等高度致癌物質(zhì)的污染問(wèn)題。這些有機(jī)污染物能直接破壞土壤正常機(jī)能，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和土壤動(dòng)物的生理活動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)食物鏈富集影響人體健康。

目前，常用的有機(jī)物污染土壤修復(fù)技術(shù)可分為物理、化學(xué)、生物及復(fù)合修復(fù)技術(shù)。物理修復(fù)（例如熱處理和蒸氣提取技術(shù)）和化學(xué)修復(fù)（例如高級(jí)氧化技術(shù)和淋洗/浸提修復(fù)技術(shù)）可以有效地修復(fù)有機(jī)污染土壤，但其缺點(diǎn)是會(huì)嚴(yán)重?fù)p害土壤的理化性質(zhì)和微生物的生存環(huán)境。此外，設(shè)備復(fù)雜和處理成本高等問(wèn)題也限制了物理和化學(xué)修復(fù)技術(shù)在有機(jī)污染土壤修復(fù)中的規(guī)?；瘧?yīng)用。生物修復(fù)由于具有無(wú)二次污染、成本低等特點(diǎn)而被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的土壤修復(fù)技術(shù)，但其修復(fù)效率在一定程度上會(huì)受到物種地域性及生物有效性的制約。本文通過(guò)總結(jié)生物修復(fù)技術(shù)的限制因素，提出提升修復(fù)效率的可行方法，為減少甚至消除有機(jī)污染物對(duì)土壤環(huán)境的危害提供新角度。

1 生物修復(fù)技術(shù)的限制因素

利用土壤中植物、動(dòng)物和微生物等生物吸收、降解和轉(zhuǎn)化土壤中的污染物質(zhì)，將污染物含量降低到一定水平或者轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)是生物修復(fù)技術(shù)的核心。但在修復(fù)有機(jī)物污染土壤時(shí)，生物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)效率易受氣候地理?xiàng)l件、污染物種類及結(jié)構(gòu)、污染物在土壤中的存在形態(tài)及污染程度等因素的影響，這些限制因素在修復(fù)過(guò)程中不可忽略。

1.1 氣候地理?xiàng)l件對(duì)物種的制約

修復(fù)場(chǎng)地的氣候地理?xiàng)l件會(huì)限制修復(fù)物種的選擇，氣候、地形地貌和植被結(jié)構(gòu)等決定了修復(fù)場(chǎng)地的物種豐富度。表1列出了生物修復(fù)技術(shù)針對(duì)的污染物種類、物種類型、氣候地理限制因素及物種適用的修復(fù)條件。在使用生物修復(fù)技術(shù)對(duì)污染地區(qū)進(jìn)行治理時(shí)，不僅需要考慮能有效處理有機(jī)物的生物物種，同時(shí)還需要挑選出適合該地區(qū)氣候地理?xiàng)l件的生物進(jìn)行修復(fù)，因此如何根據(jù)氣候地理?xiàng)l件科學(xué)有效地選擇修復(fù)的物種是修復(fù)技術(shù)的首要問(wèn)題。

表1 氣候地理?xiàng)l件限制因素及適用范圍Table 1 Limiting factors and applicable scopes of climate and geographical conditions

1.2 有機(jī)污染物的存在形態(tài)、結(jié)構(gòu)及毒性對(duì)生物修復(fù)技術(shù)的制約

有機(jī)物進(jìn)入土壤后的遷移方式有吸附、解吸、揮發(fā)、淋濾、降解殘留等，而有機(jī)污染物的自身特性（如易揮發(fā)、難降解、親/憎水性等）會(huì)影響其在土壤中的遷移。例如進(jìn)入土壤后的PAHs 可分為水溶態(tài)、有機(jī)酸可溶態(tài)、結(jié)合態(tài)和鎖定殘留態(tài)4 種形態(tài)。水溶態(tài)有機(jī)污染物可以直接被動(dòng)植物利用；酸溶態(tài)有機(jī)污染物可被植物根系分泌物溶解利用；結(jié)合態(tài)有機(jī)污染物難以被植物或微生物利用，但可以被有機(jī)溶劑解吸；鎖定殘留態(tài)污染物是通過(guò)減緩解吸過(guò)程或隨孔隙水進(jìn)入土壤微孔內(nèi)，由于孔隙彎曲被鎖定在內(nèi)而形成的，通常不能從土壤中釋放出來(lái)。污染物的鎖定受孔隙表面疏水性的影響，研究發(fā)現(xiàn)疏水性強(qiáng)的孔隙表面對(duì)PAHs 的鎖定作用更強(qiáng)，PAHs 的解吸速率變緩慢，生物有效性顯著下降。難降解有機(jī)污染物的鎖定現(xiàn)象會(huì)影響污染物在土壤內(nèi)部及土壤與其他介質(zhì)界面的遷移轉(zhuǎn)化和最終歸宿，而這一部分污染物的去除也是修復(fù)技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，有機(jī)物通常以多種形態(tài)存在于土壤中，如何同時(shí)去除不同存在形態(tài)的污染物和提高鎖定殘留態(tài)有機(jī)污染物的去除亟需進(jìn)一步研究。

有機(jī)污染物的種類及其結(jié)構(gòu)、毒性等也會(huì)對(duì)生物修復(fù)技術(shù)產(chǎn)生制約。苯酚對(duì)惡臭假單胞菌（）的生長(zhǎng)抑制作用明顯大于氨基苯磺酸，這是由于苯酚與細(xì)胞外酶、細(xì)胞分泌酶發(fā)生作用破壞酶活性的能力大于氨基苯磺酸。張敏等研究了磺胺二甲嘧啶對(duì)沼氣發(fā)酵過(guò)程中微生物群落的影響，結(jié)果表明磺胺二甲嘧啶對(duì)微生物群落功能多樣性和物種豐富度均有抑制作用，磺胺二甲嘧啶會(huì)抑制微生物產(chǎn)生脫氫酶，且其濃度越高抑制作用越顯著。此外，水溶性低、脂溶性高的有機(jī)污染物易在生物體內(nèi)發(fā)生富集。有研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)氯農(nóng)藥和二氨基甲酸酯類農(nóng)藥易在蚯蚓體內(nèi)富集，而蚯蚓對(duì)辛醇/水分配系數(shù)較低的農(nóng)藥（如氯代酰胺類除草劑等）的富集能力較弱。此外，污染物的分子量也會(huì)影響其在土壤中的存在形態(tài)，分子量較高的PAHs 更具頑固性且難于從土壤中分離轉(zhuǎn)移到水中，不易被動(dòng)植物利用降解。

1.3 土壤自身環(huán)境及營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)生物修復(fù)技術(shù)的制約

土壤pH、水分、溫度及有機(jī)質(zhì)含量會(huì)影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和新陳代謝。土壤中有機(jī)磷農(nóng)藥的消散是由土壤微生物的代謝活動(dòng)介導(dǎo)的，中性和弱堿性（pH＞6.7）土壤更有利于降解菌發(fā)揮降解作用，而偏酸性土壤環(huán)境會(huì)降低一些微生物（尤其是細(xì)菌）的活性。溫度也是影響微生物活性的重要因素，對(duì)石油烴有較好降解效果的紅球菌TMP2 的最佳生長(zhǎng)溫度為30 ℃，在10～30 ℃的溫度范圍內(nèi)降解正構(gòu)烷烴（C～C）的效果較好，但TMP2 對(duì)姥鮫烷的降解速率在20 ℃時(shí)較高，在30 ℃時(shí)未觀察到降解現(xiàn)象。一般認(rèn)為利用降解菌進(jìn)行生物修復(fù)的最佳溫度范圍為25～35 ℃，溫度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)導(dǎo)致微生物活性降低，從而影響降解菌的降解作用。此外，土壤有機(jī)質(zhì)含量也會(huì)影響有機(jī)污染物的降解率，降解菌epI 對(duì)滅線磷的降解速率隨有機(jī)質(zhì)含量的增高而下降。隨著與土壤接觸時(shí)間的增加，有機(jī)物會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，一般認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的吸附作用是疏水性有機(jī)化合物老化存留在土壤中的主要機(jī)制，疏水性有機(jī)化合物能夠與土壤中的有機(jī)質(zhì)形成很強(qiáng)的氫鍵，且不易被解吸，因此難以被動(dòng)植物吸收利用，從而降低了生物修復(fù)效率。同樣，進(jìn)入土壤的污染物會(huì)改變土壤中的營(yíng)養(yǎng)成分結(jié)構(gòu)，影響土壤微生物和動(dòng)物降解污染物的能力。石油污染物進(jìn)入土壤后，改變了土壤中的碳氮比，微生物利用多余的碳作為生長(zhǎng)底物時(shí)會(huì)使可利用的氮、磷等無(wú)機(jī)養(yǎng)分流失，從而影響微生物的生長(zhǎng)及對(duì)石油污染物的降解能力。另外，碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)微生物降解石油污染物的速率也有較大的影響，EMAMI 等分別以硝基氮和氨基氮為不同類型氮源，探究了微生物在石油污染土壤中酶活性的變化，研究表明氨基氮作為氮源更利于微生物酶活性提高。此外，土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)作用導(dǎo)致外源菌株對(duì)石油的降解效率未能顯著提高，反而存在菌株死亡率較高的現(xiàn)象。有研究者發(fā)現(xiàn)馴化后的土著微生物因其較強(qiáng)的適應(yīng)性，常具有更高效的降解效率。從遼河油田低溫石油樣品中分離得到的一種嗜麥芽窄食單胞菌（），在15 ℃下接種10 d 后對(duì)石油的降解效率可達(dá)80.16%。

含鹽量高、結(jié)構(gòu)性差的土壤會(huì)引起植物細(xì)胞質(zhì)膜損傷、植物發(fā)育不良等問(wèn)題，從而無(wú)法達(dá)到預(yù)期的修復(fù)效果。土壤環(huán)境的酸堿性變化對(duì)油菜根系的生長(zhǎng)發(fā)育有一定的影響，當(dāng)pH＜5.8 時(shí)，根系開始表現(xiàn)出衰老的跡象，植物根際作用減弱。土壤pH 降低還會(huì)導(dǎo)致鈣、鎂、鉀等鹽基離子的加速淋失，導(dǎo)致樹木生理病害發(fā)生，從而影響植物對(duì)污染物的吸收固定作用。在改良了水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、鹽分含量、pH 和電導(dǎo)率的土壤上種植的堿茅和玉米，較對(duì)照組生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)顯著，改良后的土壤可以減少植物細(xì)胞的損傷、提高植物的選擇性吸收。土壤水分含量對(duì)植株生長(zhǎng)有顯著的作用，當(dāng)土壤水分含量達(dá)到重度干旱水平時(shí)，黑麥草的株高、葉面積、凈光合速率和地上生物量及總生物量均顯著下降，黑麥草的發(fā)育不良導(dǎo)致其對(duì)污染物的吸收和其根際降解作用減弱。土壤溫度是土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的限制性因素，其主要通過(guò)影響土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解合成、土壤養(yǎng)分（碳、氮、磷等）的轉(zhuǎn)化和循環(huán)來(lái)影響土壤肥力，例如長(zhǎng)白山西坡苔原帶土壤肥力水平隨土壤溫度升高而升高，土壤肥力是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子。

總之，土壤環(huán)境會(huì)影響生物的生長(zhǎng)及其修復(fù)效率，在修復(fù)污染土壤時(shí)需要考慮生物生長(zhǎng)的有利條件，從而提升生物修復(fù)效率。

2 生物修復(fù)技術(shù)的效率提升

生物修復(fù)技術(shù)會(huì)受到氣候地理?xiàng)l件、有機(jī)物在土壤中的存在形態(tài)、土壤自身的理化性質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)元素等因素制約，其根本原因在于生物在污染土壤中的生物活性和有效性受到了抑制。生物有效性的提升與動(dòng)植物和微生物息息相關(guān)。表2為不同修復(fù)物種對(duì)不同有機(jī)污染物的修復(fù)效果及作用機(jī)理。

表2 不同修復(fù)物種的修復(fù)效果及作用機(jī)理Table 2 The repair effects and mechanisms of different repair species

植物去除有機(jī)污染物的機(jī)理主要有植物吸收與固定、植物根際降解、植物體內(nèi)代謝，以及植物與微生物聯(lián)合降解。在植物的吸收固定中，植物根部細(xì)胞壁在相關(guān)酶和蛋白質(zhì)的作用下與污染物結(jié)合，使其固定在細(xì)胞膜外；也有部分酶（如胞外酶、周質(zhì)酶、胞質(zhì)酶）能夠促使有機(jī)污染物（如石油烴污染物）吸附在細(xì)胞膜胞外聚合物層，從而起到固定降解作用。大量研究發(fā)現(xiàn)，植物根系細(xì)胞壁或根際微生物作用于污染物是植物修復(fù)的主要方式。植物根部分泌的大量有機(jī)物質(zhì)可直接作用于污染物，這些有機(jī)物質(zhì)還能刺激根際微生物對(duì)污染物進(jìn)行分解。特定菌株對(duì)污染物的處理能力更為高效，原因在于其體內(nèi)存在的特異性酶可有效降解污染物。除了使用單一植物修復(fù)技術(shù)，植物與微生物聯(lián)合降解也是一項(xiàng)重要的修復(fù)技術(shù)。植物根際存在著大量的根際微生物，這些微生物不僅能直接作用于污染物，還可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，從而加強(qiáng)植物對(duì)污染物的降解作用。近年來(lái)，許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)生菌聯(lián)合植物修復(fù)體系對(duì)修復(fù)有機(jī)污染土壤的潛力巨大，例如KHAN 等研究發(fā)現(xiàn)假單胞菌屬（）PD1 接種到柳樹和草中均可以促進(jìn)宿主植物的生長(zhǎng)，接種植株對(duì)菲的去除效率提升了25%～40%。內(nèi)生菌具有獨(dú)特的木質(zhì)素氧化系統(tǒng)，可以分泌漆酶、木質(zhì)素酶和過(guò)氧化物酶等特異性酶，從而對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行高效降解。

受污染的土壤條件惡劣、生態(tài)系統(tǒng)紊亂，不利于修復(fù)效率的提升，但可以通過(guò)添加外源物質(zhì)（如生物炭、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)）構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，從而提升修復(fù)效率。綜上，通過(guò)對(duì)生物修復(fù)技術(shù)限制因素的分析，本文從物種選擇、生物有效性提升、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定構(gòu)建3個(gè)角度提出提升生物修復(fù)技術(shù)效率的方法。

2.1 物種的科學(xué)性選擇

根據(jù)污染土壤生物修復(fù)主體的不同，生物修復(fù)可以分為植物修復(fù)技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù)兩種，修復(fù)過(guò)程主要會(huì)受到污染物毒性、污染物種類、土壤污染程度的影響。

2.1.1 修復(fù)植物的選擇

優(yōu)良的修復(fù)植物應(yīng)該對(duì)污染物具有良好的耐受性，能夠高效富集、降解、固定污染物，同時(shí)具有生長(zhǎng)迅速、能將根部累積的污染物轉(zhuǎn)移到地上枝葉部分且收割方便等優(yōu)勢(shì)。紅桑樹、黑柳樹、有根雜種楊樹、美國(guó)梧桐和黑刺槐等樹種被用于降解PAHs；狐尾草、狗尾草、蟋蟀草、高羊茅、稗草和堿蓬6 種野草對(duì)土壤中的菲有較高降解效率，其中狐尾草降解效率可高達(dá)81%，堿蓬降解效率最低，僅為42%，植物根的生物量越大對(duì)菲的去除率就越高；在存在15 種PAHs污染物的土壤上種植黑麥草后，發(fā)現(xiàn)具有較高抗生物降解性或低水溶性的二苯并蒽、苯并[G，H，I]苝、茚并[1，2，3-cd]芘等分子量較高的PAHs 的生物有效性較低，且其在受污染土壤的老化過(guò)程中會(huì)與土壤顆粒結(jié)合，導(dǎo)致去除率低于其余PAHs 的平均去除率。NWAICHI 等探究了植物對(duì)原油污染土壤的修復(fù)作用，發(fā)現(xiàn)主要為植物根際區(qū)的降解作用，其中木虱草和檸檬草都表現(xiàn)出較高的修復(fù)效率，降解率分別可達(dá)87%和85%。植物根部可以分泌有機(jī)物質(zhì)，增加石油污染物的生物有效性，并能創(chuàng)造富含糖類、氨基酸、有機(jī)酸和生物酶等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的多元有機(jī)環(huán)境，從而增強(qiáng)植物根部周邊微生物群落的新陳代謝活動(dòng)。此外，豆科植物根部分泌的生物酶能有效降解柴油類污染物，其降解效率比黑麥草、楊樹、紫羊茅、歐洲赤松等更高。豌豆和白三葉等豆科植物在種植60 d后，對(duì)柴油的降解率可達(dá)61%，其中豆科植物根部污染物濃度降低，且其根莖葉萃取物中并未發(fā)現(xiàn)柴油成分，表明植物對(duì)有機(jī)物存在直接降解作用。柳科植物和具有很強(qiáng)的石油耐受性，石油中的蒽、菲、芘、熒蒽等物質(zhì)可被植物生長(zhǎng)利用，并可通過(guò)植物體內(nèi)所含的降解有機(jī)質(zhì)酶將其降解固定，經(jīng)過(guò)3 a 的生長(zhǎng)后，土壤中的石油烴濃度降低了近98%。蠶豆、玉米、黑麥等能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的物種對(duì)飽和烴具有較好的降解效果，其次是芳香化合物，而較難降解的部分是樹脂和瀝青質(zhì)。蠶豆根部可降解47%的飽和烴和26.2%的芳香化合物，玉米根部可降解37.4%的飽和烴和8.2%的芳香化合物，而普通小麥對(duì)飽和烴的降解率為33.2%，對(duì)芳香族化合物的降解率僅為3.9%。

綜上，在針對(duì)修復(fù)PAHs 污染的土壤時(shí)，可采用存活能力強(qiáng)、生長(zhǎng)旺盛、植株數(shù)量多且根系發(fā)達(dá)的植物，這類植物根基作用明顯，植物根部及其周圍微生物的相互作用能夠顯著降低污染物的毒性和持久性。針對(duì)石油、柴油等污染物時(shí)可傾向選擇柳科、豆科植物，其根部分泌的生物酶能更有效地降解石油類污染物。選擇農(nóng)作物進(jìn)行修復(fù)時(shí)，應(yīng)選擇既能促進(jìn)土壤污染物降解、又能保證農(nóng)產(chǎn)品安全的物種，例如蠶豆、玉米、花生、甘蔗等，除了直接吸收降解污染物外，其根部分泌的生物酶還能促進(jìn)周圍微生物活性。選作修復(fù)植物的農(nóng)作物，還需保證農(nóng)產(chǎn)品的安全。研究表明，葉片是多氯聯(lián)苯的重要儲(chǔ)存庫(kù)，因?yàn)槿~片的質(zhì)量占比大且具有較大表面積?？傮w來(lái)說(shuō)，更多PCBs 集中分布在營(yíng)養(yǎng)器官而不是可食用部分?；ㄉ陀衩鬃蚜Ｖ械腜CBs濃度較低，表明大多數(shù)PCBs遷移進(jìn)入籽粒受到了明顯阻礙。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民可以在受污染的農(nóng)業(yè)土壤種植這些生產(chǎn)性物種，從而獲得最大程度的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.2 修復(fù)微生物的選擇

在選擇微生物進(jìn)行修復(fù)時(shí)，主要選擇具有能高效降解目標(biāo)污染物、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、不產(chǎn)生毒性物質(zhì)等特性的菌株和菌群。將具有高效特定降解能力的菌株加入污染土壤中，利用其直接降解作用或共代謝作用強(qiáng)化污染物的去除，提高污染物降解速率。s 和這兩種白腐真菌對(duì)芳香族化合物具有良好的降解能力，該菌產(chǎn)生的胞外酶具有較低的底物特異性，能夠降解3 環(huán)和4 環(huán)的PAHs，平均降解率為58%～73%，該菌在土壤中的定殖能力強(qiáng)且與土著微生物有較大競(jìng)爭(zhēng)力。氘菌真菌球孢（）接種在天然氣污染的土壤中能顯著促進(jìn)高分子量PAHs 的降解，原土著微生物雖然對(duì)PAHs 表現(xiàn)出一定的降解能力，但接種氘菌真菌球孢后，污染土壤中5環(huán)和6環(huán)的PAHs被耗盡，總PAHs 降解率為21%～26%，這表明該菌種能夠在非本土土壤中生存并與本土微生物種群競(jìng)爭(zhēng)，且在降解污染物過(guò)程中不產(chǎn)生毒性和其他中間體物質(zhì)。分離于地下深層油藏的采出水中的新型細(xì)菌菌株DQ12-45-1b，能夠利用各種正構(gòu)烷烴（C～C）、芳香族化合物和原油作為生長(zhǎng)碳源，該菌株的優(yōu)勢(shì)是能夠隨著生長(zhǎng)時(shí)間的推移以不同的方式利用各種碳?xì)浠衔铮湓缙谂囵B(yǎng)階段優(yōu)先降解短鏈碳?xì)浠衔铮ā蹸），后期培養(yǎng)階段以原油為唯一碳源，能夠降解鏈長(zhǎng)為C～C的碳?xì)浠衔铩?/p>

在厭氧情況下，厭氧微生物也會(huì)產(chǎn)生降解作用，例如硝酸鹽還原細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌、產(chǎn)甲烷聚生體細(xì)菌和金屬還原細(xì)菌對(duì)苯酚有較好的降解效果。WEELINK 等從受污染的含水層中分離出一種可降解PAHs 的單菌（菌株G5G6），該菌的特殊性在于能使用Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅳ）和硝酸鹽作為末端電子受體降解芳香族化合物并以此為碳源生長(zhǎng)，可以將甲苯全部氧化并生成CO，不會(huì)產(chǎn)生其他污染物質(zhì)。大多數(shù)氧化甲苯、減少硝酸鹽的細(xì)菌都屬于屬或?qū)?。厭氧生物處理的?yōu)勢(shì)在于不需要大面積曝氣，可以降低總修復(fù)成本，還可以處理地下深層土壤。有研究表明，厭氧細(xì)菌對(duì)有機(jī)污染物的敏感性遠(yuǎn)高于好氧細(xì)菌，因?yàn)楫?dāng)使用硝酸鹽、三價(jià)鐵離子或硫酸鹽代替氧氣作為終端電子受體時(shí)，氧化還原電位更低，細(xì)菌產(chǎn)生的能量較低，使它們對(duì)膜活性化合物（如溶劑）更敏感，所以厭氧生物降解有望代替好氧生物降解。

此外，還可選擇通過(guò)基因改造得到的特異性強(qiáng)的功能菌來(lái)降解目標(biāo)污染物。王建峰等通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)將銅綠假單胞菌（）PAO1 的基因克隆至表達(dá)載體pBBR1-MCS2 和pBBR1-MCS5上，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的生物膜根表功能基因工程菌，新構(gòu)建的4 個(gè)基因工程菌的生物膜形成能力和對(duì)原油的降解率都明顯提高。此外，多功能農(nóng)藥降解基因工程菌株m-CDS-1在環(huán)境中降解甲基對(duì)硫磷和呋喃丹兩種農(nóng)藥的效果明顯提高。

也有研究表明某些單一的微生物菌株釋放到環(huán)境后菌數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，主要是因?yàn)橥庠葱晕⑸餆o(wú)法和土著微生物進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。構(gòu)建高效混合菌群則可以大幅提高其競(jìng)爭(zhēng)能力與降解能力，例如和組成的2 菌株菌群能有效降解吡蟲啉；、、組成的3 菌株菌群可用 于 降 解 敵 草 ??；sp. LR2014-1 和sp.ANB-1 組成的2 菌株菌群能有效降解 利 谷 隆；AT5、sp. NY15 組成的菌群能有效降解阿特拉津。這些微生物菌群對(duì)污染物的降解效率均顯著高于單個(gè)降解菌株的降解效率，且具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

微生物與植物修復(fù)都具有環(huán)境友好、成本低等優(yōu)勢(shì)，但在選擇修復(fù)物種時(shí)，需要因地制宜地選擇最適宜的物種進(jìn)行修復(fù)。同時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮本地物種，因?yàn)閷⑼鈦?lái)物種引入“新”生態(tài)系統(tǒng)的后果是未知的，其對(duì)修復(fù)場(chǎng)地的影響機(jī)理也有待研究。此外，當(dāng)前研究主要探究了單一植物或微生物對(duì)修復(fù)效果的影響，在實(shí)際修復(fù)場(chǎng)地中植物和微生物是共存的，因此，在選擇場(chǎng)地修復(fù)方法及研究物種對(duì)土壤修復(fù)效果的影響時(shí)需要考慮多種植物和微生物的共存情況，且應(yīng)更加關(guān)注整個(gè)微生物群落結(jié)構(gòu)，而非單個(gè)微生物物種。

2.2 有機(jī)污染物生物有效性的提升

2.2.1 微生物和土壤動(dòng)物的引入

土壤中有機(jī)污染物生物有效性較低時(shí)，可以通過(guò)引入對(duì)污染物有較強(qiáng)耐受力的微生物或動(dòng)物來(lái)提高其生物有效性。微生物作為修復(fù)的主體因素，其細(xì)胞膜外胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）對(duì)污染物的遷移、轉(zhuǎn)化和歸宿及其生物修復(fù)的影響顯著。EPS 能增加PAHs 在水中的溶解度，使細(xì)菌細(xì)胞對(duì)PAHs 的生物利用度提高。EPS 中存在疏水性區(qū)域，因此一些強(qiáng)疏水性有機(jī)污染物如萘、苯和染料（如甲苯胺藍(lán)等）都可以被EPS 吸附。當(dāng)堿性藍(lán)54（BB54）濃度在50～400 mg·L范圍時(shí)，TJ-1 分泌產(chǎn)生的EPS 對(duì)其吸附可以在5 min內(nèi)達(dá)到吸附平衡。此外，微生物-植物聯(lián)合也有助于提高污染物的生物有效性。東南景天和鞘氨醇桿菌（sp.D-6）聯(lián)合降解滴滴涕（DDT）時(shí)，植物酚類根系分泌物通過(guò)誘導(dǎo)酶或提供共代謝生長(zhǎng)基質(zhì)促進(jìn)根際細(xì)菌的活性，DDT 去除率可達(dá)68%。在冰草和不動(dòng)桿菌（）/假單胞菌（）/無(wú)色桿菌（）/諾 卡 氏 菌（）等幾種微生物聯(lián)合去除原油的研究中，植物為微生物提供了較大的根表面積，提高了微生物活性，經(jīng)過(guò)63 d 的修復(fù)后，污染物降解率可達(dá)88.54%。在蒿柳和乳白蛋巢菌（）聯(lián)合修復(fù)苯并芘體系中，蒿柳提升了乳白蛋巢菌群落豐度，乳白蛋巢菌分泌代謝的物質(zhì)又為蒿柳提供了營(yíng)養(yǎng)。根際土壤區(qū)較多微生物的活動(dòng)可以明顯提高土壤酶的活性，在植物根際土壤中，微生物及酶的共同作用能夠促進(jìn)土壤中污染物的降解。

土壤動(dòng)物對(duì)提升土壤污染物的生物有效性也有一定作用。蚯蚓在土壤中蠕動(dòng)可以改變土壤的透氣性和土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，增加土壤的通氣效率，利于好氧微生物的生長(zhǎng)、代謝、繁殖，同時(shí)影響土壤的氧化還原狀態(tài)，進(jìn)而影響污染物的生物有效性。蚯蚓排出的糞便可作為植物和微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高植物體葉綠素含量，降低植物細(xì)胞損傷，提高其對(duì)污染物的利用。向被草甘膦污染的土壤中加入蚯蚓糞便可以顯著促進(jìn)草甘膦從土壤中解吸。

由于污染物種類復(fù)雜，在采用微生物修復(fù)時(shí)引入的微生物和土壤動(dòng)物是否能在復(fù)合污染物的條件下生存發(fā)育、能否有效降解污染物，以及如何提高生物的環(huán)境適應(yīng)能力、保證修復(fù)的長(zhǎng)期性和持續(xù)性，均是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。

2.2.2 有機(jī)溶劑的添加

碳?xì)浠衔锞哂休^高分子量，其對(duì)土壤基質(zhì)的高吸附性和高疏水性限制了生物修復(fù)的應(yīng)用，在某些石油化合物（例如聚芳烴）或其中間體存在的情況下，微生物的活性不足以進(jìn)行高效的生物處理。為了克服這些限制，可在土壤基質(zhì)中添加共溶質(zhì)、共溶劑或溶劑，以提高有機(jī)污染物的溶出，促進(jìn)微生物降解。高濃度植物油可作為不混溶的有機(jī)液體來(lái)影響疏水性污染物（包括吸附在土壤基質(zhì)上的PAHs）在土壤中的存在狀態(tài)，從而提高微生物降解效率。植物油促進(jìn)枯草芽孢桿菌進(jìn)行柴油污染土壤修復(fù)的數(shù)據(jù)顯示，植物油中存在的磷脂、脂肪酸和中性脂質(zhì)能夠發(fā)揮其表面活性劑效應(yīng)，促進(jìn)污染物的遷移和從土壤基質(zhì)中的解吸；同時(shí)植物油為枯草芽孢桿菌提供碳源，增加土壤脫氫酶活性，從而促進(jìn)了柴油污染物的降解，這是一種聯(lián)合化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)來(lái)清潔石油烴污染土壤的新方法，經(jīng)過(guò)修復(fù)后，樣品中碳?xì)浠衔锏慕到饴蔬_(dá)到63%～80%。用植物油進(jìn)行修復(fù)時(shí)，PAHs 的去除效率與土壤洗滌修復(fù)相當(dāng)，且其毒性比通常使用的化學(xué)溶劑的毒性更低，對(duì)土壤微生物和動(dòng)物危害性更小。在全面應(yīng)用該技術(shù)之前，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研究并評(píng)估污染因素，例如污染物的類型、污染程度、老化時(shí)間和土壤性質(zhì)。處理時(shí)植物油的用量和處理過(guò)的土壤中的殘油都應(yīng)保持在盡可能低的水平，以避免產(chǎn)生后續(xù)污染。

表面活性劑（SEBR）同樣可用于提高農(nóng)業(yè)土壤中有機(jī)污染物的生物有效性。多項(xiàng)研究表明，表面活性劑不僅可以增加有機(jī)污染物在微生物細(xì)胞中的分配，還可以促進(jìn)污染物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中，從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)生物降解。不同類型的表面活性劑能夠通過(guò)破壞細(xì)菌膜和改變細(xì)胞表面疏水性等獨(dú)特機(jī)制，對(duì)PAHs 的生物降解產(chǎn)生促進(jìn)作用。研究發(fā)現(xiàn)表面活性劑會(huì)誘導(dǎo)節(jié)桿菌屬中環(huán)羥基化雙加氧酶（RHDase）和1-羥基-2-萘甲酸酯雙加氧酶（1H2Nase）的產(chǎn)生，這些酶在疏水性芳香族化合物的分解中起關(guān)鍵作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑可促進(jìn)球形節(jié)桿菌對(duì)農(nóng)業(yè)土壤中DDT 的降解。表面活性劑在提高PAHs生物有效性的同時(shí)，還能提高與植物-微生物相關(guān)的生物修復(fù)效率。將甲基芽孢桿菌（）添加到用表面活性劑處理過(guò)的土壤后，總石油烴在30 d 內(nèi)的去除率可達(dá)到80.24%?？傮w而言，表面活性劑聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)是解決農(nóng)業(yè)土壤中有機(jī)污染物綜合污染的有效技術(shù)之一，其具有廣泛的應(yīng)用前景，應(yīng)在未來(lái)的研究中加以重點(diǎn)關(guān)注。然而，有機(jī)溶劑大范圍應(yīng)用后是否會(huì)影響土壤性質(zhì)以及污染地下水等問(wèn)題，還需要研究者進(jìn)一步探究。

2.3 修復(fù)體系中穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.3.1 添加生物炭可直接吸附/降解污染物并穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)

添加生物炭可間接促進(jìn)有機(jī)污染物的降解。富含生物炭的土壤呈明顯的黑色，土壤顏色加深降低了土壤的表面反射率，能夠吸收更多的輻射能量從而提高土壤溫度；生物炭顆粒的加入會(huì)引起土壤中的氧化作用及羧基官能團(tuán)的增多，提高土壤的親水性，從而增強(qiáng)土壤的持水能力，在砂性土壤中效果明顯。另外，生物炭的加入有利于土壤pH 的調(diào)節(jié)，土壤pH的提高能有效固定營(yíng)養(yǎng)元素（如鉀素）。此外，生物炭還可增強(qiáng)植物與微生物的相互作用，有助于去除PAHs，無(wú)論是單一PAHs還是多種PAHs的混合物，被生物炭影響的微生物菌群對(duì)PAHs 生物降解的效率都優(yōu)于單獨(dú)使用菌株。生物炭和石油降解細(xì)菌組合促進(jìn)了細(xì)菌種群的多樣性和碳?xì)浠衔锏纳镉行浴?/p>

生物炭的添加不僅改善了土壤肥力和碳儲(chǔ)量，而且極大地調(diào)節(jié)了土壤的理化性質(zhì)和細(xì)菌活性，有利于體系中穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建和污染物的降解，其作為改善土壤環(huán)境的外源輸入材料，能夠直接或間接參與土壤生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮、磷的循環(huán)，為穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了新角度。

2.3.2 電強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)

電強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)通過(guò)使污染物移動(dòng)以及刺激細(xì)菌（例如PAHs 降解細(xì)菌和烴降解細(xì)菌）活性實(shí)現(xiàn)修復(fù)，該技術(shù)已成功應(yīng)用于修復(fù)多種有機(jī)污染土壤，對(duì)十五烷、苯酚和五氯苯酚（PCP）的去除率分別可達(dá)77.6%、51%和60%。電強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其電場(chǎng)可以覆蓋到地下污染物存在的區(qū)域，從而促進(jìn)污染物隨流體介質(zhì)移動(dòng)并去除，但電極周圍由于電滲作用和電解作用易產(chǎn)生極端pH 區(qū)域，不利于微生物的生長(zhǎng)和污染物的去除，故可采用陰陽(yáng)極交換的極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)，該方法幾乎不會(huì)引起土壤水分和pH 的變化，能抑制極端pH 區(qū)域的形成，還能加速污染物的礦化，并可促進(jìn)土壤中細(xì)菌和養(yǎng)分的混合，陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣還能增強(qiáng)有氧微生物活性。在極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)中采用電動(dòng)-生物復(fù)合修復(fù)技術(shù)處理污染物芘，芘去除率為63%，是生物修復(fù)方法的1.7倍，且在電場(chǎng)作用下的細(xì)菌計(jì)數(shù)比無(wú)電場(chǎng)作用下高。總體來(lái)說(shuō)，采用電動(dòng)生物復(fù)合修復(fù)技術(shù)不僅可以增強(qiáng)微生物與污染物之間接觸混合的多樣性和連通性，還能保持統(tǒng)一的pH和濕度條件，維持均勻的微生物分布，并可以增加有效電場(chǎng)、增強(qiáng)生物降解面積，有利于構(gòu)建一個(gè)健康穩(wěn)定的修復(fù)生態(tài)環(huán)境。

電強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)的主要挑戰(zhàn)之一是如何克服污染物大規(guī)模轉(zhuǎn)移的極限，之二是傳質(zhì)電阻。影響傳質(zhì)電阻的主要因素是導(dǎo)電性，包括反應(yīng)器設(shè)計(jì)、電極材料和土壤介質(zhì)等。土壤中的總有機(jī)碳、黑炭、碳、氮等參數(shù)可以作為電強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)的重要參數(shù)，優(yōu)化這些參數(shù)可能是提高修復(fù)效率的有效方法，并可降低修復(fù)成本。因此，進(jìn)一步研究使用這些參數(shù)和統(tǒng)計(jì)建模來(lái)預(yù)測(cè)和促進(jìn)特定污染部位中的修復(fù)性能，將有利于在該研究領(lǐng)域取得突破。

2.3.3 添加營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑促進(jìn)植物和微生物生長(zhǎng)

在土壤修復(fù)過(guò)程中，人為添加碳、氮、磷等養(yǎng)分能顯著促進(jìn)植物和微生物的生長(zhǎng)和降解能力，肥料作為最常用的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑被廣泛使用。關(guān)于施用無(wú)機(jī)肥和親脂肥對(duì)石油烴降解的影響研究發(fā)現(xiàn)，肥料的添加可以顯著提高總烴的降解率和脂肪酶的活性，當(dāng)碳?xì)浠衔镂廴緡?yán)重時(shí)，可通過(guò)施肥對(duì)本地土壤微生物進(jìn)行生物刺激來(lái)提升去除率，且初始的總石油烴污染程度越高，施肥對(duì)石油烴的去除影響就越明顯，其中當(dāng)污染物初始濃度為2 500 mg·kg時(shí)，施加無(wú)機(jī)肥后降解率為74%，施加親脂肥后降解率可達(dá)80%。AYOTAMUNO 等使用含氮型肥料原位修復(fù)石油污染的農(nóng)業(yè)土壤時(shí)也發(fā)現(xiàn)，添加肥料在厭氧條件下能為微生物提供所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其石油烴的降解率高達(dá)50%～95%。由腐植酸、諾沃肥和氮磷鉀復(fù)合肥構(gòu)建的復(fù)合營(yíng)養(yǎng)助劑能夠有效刺激石油烴污染土壤中土著微生物的生長(zhǎng)，提高土壤微生物的數(shù)量，增強(qiáng)脫氫酶活性，在使用該復(fù)合營(yíng)養(yǎng)助劑處理60 d后石油烴降解率可達(dá)31.3%～39.5%，不添加營(yíng)養(yǎng)助劑的修復(fù)效率僅為3.5%。通過(guò)添加營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑同樣可以提高對(duì)PAHs 的降解效率，AMBROSOLI 等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，添加乙酸鹽、乳酸鹽或丙酮酸鹽等營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑后，PAHs的降解率均顯著提高。在添加營(yíng)養(yǎng)物時(shí)還需注意營(yíng)養(yǎng)物的配比，例如分別以（NH）SO和KHPO為氮源和磷源，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物中碳、氮、磷的摩爾比為60∶3∶1 時(shí)，節(jié)細(xì)菌（DX-9）對(duì)石油的降解效率最高。添加營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑可以改善土壤性質(zhì)（土壤有機(jī)質(zhì)和持水量），提高土壤的耐鹽性，增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)元素（磷、鉀、鎂、鋅和錳）的有效性，重塑土壤微生物群落組成并增強(qiáng)植物光合作用，促進(jìn)植物和微生物的生長(zhǎng)，建立微生物與植物共生體系，提高植物、微生物對(duì)有機(jī)污染物的耐受性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，從而提高生物修復(fù)能力。

由此可見(jiàn)，營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑提供了生物生長(zhǎng)所必需的無(wú)機(jī)或有機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分，從而促進(jìn)了生物的生長(zhǎng)活動(dòng)，提高了生物修復(fù)的降解效率。但不同處理因污染物類型、土壤理化情況、肥料類型等因素的差異而在不同污染地點(diǎn)表現(xiàn)出不同的效果，且過(guò)量添加營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑也會(huì)降低微生物的降解能力，因此根據(jù)污染物類型和污染程度，選擇添加適當(dāng)類型、數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)劑才可增加生物對(duì)污染物的降解效率。

3 結(jié)論和展望

本文綜述了生物修復(fù)技術(shù)的限制性因素，發(fā)現(xiàn)氣候地理?xiàng)l件對(duì)動(dòng)植物的選擇具有制約性，有機(jī)污染物的存在形態(tài)會(huì)影響修復(fù)效率的提升，而土壤自身環(huán)境與營(yíng)養(yǎng)也會(huì)影響生物的有效性。依據(jù)這些限制性因素，提出了提升修復(fù)效果的方法。根據(jù)污染物、場(chǎng)地的特殊性，針對(duì)性地選擇動(dòng)植物和微生物。植物主要依靠根系細(xì)胞壁及蛋白質(zhì)對(duì)污染物進(jìn)行吸收降解，此外根系產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)還可以起到固定污染物的作用；微生物通過(guò)自身的特異性酶利用污染物，而動(dòng)物通過(guò)直接吸收等方式降解污染物。除了動(dòng)植物、微生物對(duì)污染物的直接降解，通過(guò)添加有機(jī)溶劑、生物炭、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等也可間接影響污染物的存在形態(tài)，提高生物有效性。由于污染場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜多變且污染物種類繁多，有機(jī)物污染土壤具有較大的修復(fù)難度，采用單一的修復(fù)技術(shù)難以達(dá)到預(yù)期修復(fù)效果。因此，需要根據(jù)污染場(chǎng)地的實(shí)際情況，綜合各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，尋求高效復(fù)合修復(fù)技術(shù)，使修復(fù)后的土壤能夠快速恢復(fù)性能，重新投入生產(chǎn)利用。

有機(jī)物污染的土壤面積大、范圍廣、程度深、降解難，相關(guān)修復(fù)治理工作勢(shì)在必行。生物修復(fù)技術(shù)作為最有效可行的綠色修復(fù)技術(shù)，對(duì)于其效率提升等問(wèn)題的解決仍需進(jìn)一步的探索和研究。本研究提出以下展望：

（1）有機(jī)污染物在土壤中的遷移方式因土壤理化性質(zhì)、地質(zhì)氣候條件的復(fù)雜性而異，導(dǎo)致有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化形態(tài)也不同。為了達(dá)到更好的修復(fù)效果，需進(jìn)一步從微觀尺度探究不同有機(jī)物污染組分和土壤之間的相互作用，揭示有機(jī)物污染分子在土壤介質(zhì)中的遷移、轉(zhuǎn)化和降解規(guī)律，從而尋求合理的修復(fù)治理方法。

（2）在選擇高效降解菌株時(shí)，快速分離篩選方法、對(duì)降解的影響因素、代謝機(jī)制都需要深入研究，同時(shí)可以通過(guò)分子生物學(xué)、基因工程學(xué)對(duì)菌株基因進(jìn)行升級(jí)改造，從而提高菌株的特異性。

（3）添加生物炭后，土壤中的腐殖質(zhì)、礦物質(zhì)（離子和顆粒物）等組分會(huì)如何影響生物炭對(duì)污染物的吸附降解仍需進(jìn)一步研究。此外，將生物炭進(jìn)行功能化改性可提高生物炭對(duì)有機(jī)污染物的固定效果，但需確定最佳功能化生物炭改性條件，為提高修復(fù)效率提供研究基礎(chǔ)。

（4）添加有機(jī)溶劑、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等可以提高修復(fù)效率，但其對(duì)土壤環(huán)境的具體改變尚不明確，需進(jìn)一步確定其環(huán)境與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。