微生物修復(fù)有機(jī)污染土壤的研究進(jìn)展

金學(xué)鋒

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；2.上格環(huán)境科技（上海）有限公司，上海 200333）

常見的土壤有機(jī)污染物包括石油烴、農(nóng)藥、苯系物（BTEX）、多環(huán)芳烴（PAHs）和氯代烴等，這些污染物主要是在化石燃料的開采和使用、農(nóng)藥的噴灑、儲(chǔ)罐的泄露、污水的排放和固體廢物的堆放等過程中進(jìn)入土壤環(huán)境的。通常情況下，土壤有機(jī)污染物的種類較多，并具有難降解、致癌致畸和造成農(nóng)作物減產(chǎn)等特點(diǎn)，從而威脅著農(nóng)作物的生長以及人類的健康安全。同時(shí)，污染物還會(huì)由于雨水沖刷等原因進(jìn)入到地下水中，導(dǎo)致地下水污染。

對于土壤中的有機(jī)污染物，近年來常用的修復(fù)方法包括物理、化學(xué)和生物技術(shù)[1]。其中，物理修復(fù)技術(shù)主要包括異位填埋、熱脫附、氣相抽提和土壤洗脫等；而化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要包括化學(xué)氧化/還原、焚燒和水泥窯協(xié)同處置等；生物修復(fù)技術(shù)主要包括植物修復(fù)、生物堆和生物通風(fēng)等。在實(shí)際應(yīng)用中，物理和化學(xué)的修復(fù)技術(shù)較為普遍，優(yōu)點(diǎn)是修復(fù)治理周期較短，能有效去除大部分的有機(jī)污染物，但通常治理成本較高、能耗較高、易產(chǎn)生二次污染，且對土壤結(jié)構(gòu)和生態(tài)使用功能破壞較大。而生物修復(fù)技術(shù)是利用植物、微生物和原生動(dòng)物，通過吸收、轉(zhuǎn)化、清除或降解污染物[2]，以此達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目的。因此，生物修復(fù)技術(shù)具有成本較低、二次污染較小和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，非常符合綠色修復(fù)理念，所以具備推廣和大規(guī)模應(yīng)用的潛力。

在微生物修復(fù)過程中，有機(jī)污染物可通過土壤中的土著微生物的降解和轉(zhuǎn)化降低污染物的毒性。微生物降解有機(jī)污染物的方式主要有兩種：（1）通過微生物分泌的胞外酶降解；（2）污染物被微生物吸收至其細(xì)胞內(nèi)后，由胞內(nèi)酶降解[3-4]。由此可以看出，微生物能直接利用污染物作為碳源，或通過添加其他碳源后，是利用共代謝作用降解污染物。

1 微生物修復(fù)有機(jī)污染土壤的技術(shù)類型

1.1 生物堆技術(shù)

生物堆（biopiles）技術(shù)是將挖掘出的污染土壤堆置，再通過人工強(qiáng)化手段，提供微生物適宜的生長環(huán)境，以促進(jìn)土壤中微生物的生長，從而降解土壤中的有機(jī)污染物。該技術(shù)主要的建設(shè)結(jié)構(gòu)包括底部防滲層、滲濾液收集管網(wǎng)、營養(yǎng)水分添加管網(wǎng)、堆體底部抽氣管網(wǎng)、頂部進(jìn)氣管、土壤氣在線監(jiān)測、防雨覆蓋層等。在實(shí)際應(yīng)用中，生物堆技術(shù)常用于石油烴等易被好氧微生物降解的污染土壤或油泥的修復(fù)[5]。通常，影響生物降解的因素主要有菌種、水分、溫度、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)（碳、氮、磷）和氧氣等，且適宜的生長環(huán)境能刺激微生物快速生長，提高生物活性，從而加速微生物對污染物的降解。

生物堆中能降解有機(jī)污染物的微生物來源主要包括土著微生物、外源菌劑和基因工程菌[6]。其中，由于土壤中的土著微生物具備降解污染物的能力，所以能適應(yīng)污染土壤環(huán)境的微生物會(huì)逐漸成為優(yōu)勢菌種，并加快污染物降解的進(jìn)程。而外源菌劑是利用經(jīng)篩選出的具備降解特定污染物能力的微生物，在經(jīng)過生物工程擴(kuò)培后，再接種到生物堆中，以此對污染物進(jìn)行定向降解?；蚬こ叹抢没蚬こ碳夹g(shù)，將特定的基因片段植入微生物的DNA中，從而構(gòu)建出適用于特定污染物降解的基因工程菌。在實(shí)際應(yīng)用過程中，利用土著微生物相對安全，沒有生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但修復(fù)效果可能受限；而利用外源菌劑和基因工程菌雖然能相對提高修復(fù)效果，縮短修復(fù)周期，但可能會(huì)影響土著微生物的菌群結(jié)構(gòu)，造成生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 生物通風(fēng)技術(shù)

生物通風(fēng)（bioventing）是由氣相抽提技術(shù)（soil vapor extraction）發(fā)展而來的，是一種原位土壤修復(fù)技術(shù)，主要是通過向污染區(qū)域注入氧氣或空氣，增強(qiáng)微生物的好氧活動(dòng)，從而促進(jìn)污染物的降解。同時(shí)，還可以強(qiáng)化空氣的流動(dòng)，加速有機(jī)污染物的揮發(fā)，最后通過抽氣井將揮發(fā)性有機(jī)物抽出。此外，影響生物通風(fēng)技術(shù)的關(guān)鍵因素與生物堆技術(shù)相似，且適宜的溫度、濕度、氧含量和營養(yǎng)物質(zhì)，能有效促進(jìn)微生物的生長以及對污染物的降解。

有研究表明，電子受體的缺乏是影響生物修復(fù)的最關(guān)鍵因素[7]，其中氧氣、有機(jī)碳、硝酸鹽、硫酸鹽等都可以作為微生物降解有機(jī)污染物的電子受體，但氧是其中最主要的電子受體，即大部分生物修復(fù)都是通過好氧微生物產(chǎn)生作用。而好氧過程是利用氧化將有機(jī)化合物降解為低毒性化合物，如CO2和H2O。而微生物的厭氧作用常用于處理如氯代揮發(fā)性有機(jī)物的污染，即氯代揮發(fā)性有機(jī)物作為電子受體，在厭氧條件下脫氯并降解為非氯代化合物。同時(shí)，在厭氧降解過程中，可能會(huì)產(chǎn)生持久性中間化合物。例如，氯代脂肪族溶劑的厭氧生物降解可產(chǎn)生取代度較低的氯代烴，如氯乙烷或氯乙烯（VC），這些污染物在厭氧條件下不易降解，可在好氧條件下易降解，但可能會(huì)比原來的污染物毒性更大。因此，控制氧的供應(yīng)會(huì)影響微生物的降解速率及降解產(chǎn)物。

1.3 生物泥漿反應(yīng)器

生物泥漿反應(yīng)器是由土壤、沉積物、或污泥與水和其他添加劑混合而成的泥漿，以保持固體懸浮物和微生物與污染物接觸，從而達(dá)到生物降解污染物的效果。生物泥漿反應(yīng)器對有機(jī)污染物的處理效果好、速度快，可有效處理高濃度、難降解的有機(jī)污染物，因此，適用于小規(guī)模的污染土壤治理。在實(shí)際應(yīng)用中，生物泥漿反應(yīng)器以連續(xù)流攪拌反應(yīng)器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）和土壤泥漿序批反應(yīng)器（Soil Slurry-Sequencing Batch Reactor，SS-SBR）兩種最為常見[8]。其中，CSTR反應(yīng)器是將污染土壤連續(xù)的注入反應(yīng)器中進(jìn)行處理，其優(yōu)點(diǎn)是耐沖擊負(fù)荷，可將污染物在反應(yīng)器入口處稀釋。而SS-SBR反應(yīng)器是通過進(jìn)泥-反應(yīng)-排泥的方式，按批次對污染土壤進(jìn)行治理。同時(shí)，在反應(yīng)器中，可調(diào)節(jié)微生物的生長環(huán)境，包括pH值、溫度、濕度、氧含量和營養(yǎng)物質(zhì)等，從而達(dá)到最佳的反應(yīng)狀態(tài)，以此強(qiáng)化微生物對有機(jī)污染物的降解。另外，還可以通過添加表面活性劑，將有機(jī)污染物從土壤表面解吸出來，促進(jìn)污染物與微生物的接觸，從而效提高生物降解的速度。

2 微生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于不同類型的污染物

2.1 石油污染土壤修復(fù)

微生物修復(fù)石油污染土壤的應(yīng)用較為廣泛，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，有100多個(gè)屬、200多種能降解石油污染污的微生物，主要分為兩大類：一類為假單孢菌屬（Pseudomouas sp.）、節(jié)核細(xì)菌屬（Arthrobacter sp.）、產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligeues sp.）及無色桿菌屬（Achromobacter sp.）等細(xì)菌；另一類為木霉屬（Richoderma sp.）、青霉屬（Peuicillium sp.）及曲霉屬（Aspergillus sp.）等真菌[5]。其中，細(xì)菌降解石油污染物主要在修復(fù)的前期階段，而修復(fù)的后期階段主要依靠真菌去除難降解的石油烴[9]。

目前，微生物修復(fù)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油污染土壤的修復(fù)，但單一的生物修復(fù)技術(shù)存在一定局限性，如修復(fù)周期較長、受環(huán)境影響較大和降解不徹底等。但如果將微生物修復(fù)技術(shù)與其他技術(shù)聯(lián)用，如固化微生物技術(shù)、植物-微生物修復(fù)技術(shù)、電動(dòng)-微生物修復(fù)技術(shù)等，能有效強(qiáng)化微生物修復(fù)技術(shù)在石油污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用。李琋等[10]從石油烴-鎘復(fù)合污染的土壤中，篩選出1株具有重金屬鎘（Cd）抗性和石油烴降解能力的菌株，固定在生物炭上，用于修復(fù)石油烴-鎘復(fù)合污染土壤，結(jié)果表明生物炭固化微生物技術(shù)可有效提高石油烴的降解率，同時(shí)還能固化重金屬鎘。孟欣等[11]通過電動(dòng)-微生物修復(fù)技術(shù)，先利用電流強(qiáng)化微生物和微生物間的傳質(zhì)效率，然后再利用種植高羊茅，可有效減緩電流衰減的趨勢，改善土壤微生物的活性，從而提高了微生物對石油污染物的降解率。

2.2 多環(huán)芳烴污染土壤修復(fù)

多環(huán)芳烴（PAHs）污染大多源于化石燃料的不完全燃燒，如汽車尾氣排放、煤炭燃燒等產(chǎn)生的污染物會(huì)隨著大氣排放沉降到地面，從而造成土壤多環(huán)芳烴的污染。而多環(huán)芳烴大多數(shù)具有高毒性、致癌性和致畸性等危害，不易降解且具有脂溶性，所以會(huì)嚴(yán)重威脅人們的身體健康。微生物降解多環(huán)芳烴的第一步是利用雙加氧酶的作用，先將氧原子結(jié)合到多環(huán)芳烴苯環(huán)的兩個(gè)碳原子上，形成順式二氫二醇；然后再經(jīng)過脫氫酶的芳構(gòu)化，以形成二羥基化的中間產(chǎn)物；而二羥基化中間產(chǎn)物隨后進(jìn)行開環(huán)，形成三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物[12]。此外，多環(huán)芳烴污染還可以利用藻類、細(xì)菌和真菌等微生物單獨(dú)或聯(lián)合使用進(jìn)行土壤修復(fù)。

在實(shí)際的污染土壤修復(fù)過程中，高效的菌種和適宜的生長環(huán)境是微生物修復(fù)的重要條件。而通過添加菇渣、木屑、畜禽糞便等，一方面可以提供木霉、白腐真菌等能有效降解PAHs的微生物，另一方面還能有效增加土壤中微生物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)微生物的生長。當(dāng)微生物暴露在高濃度的PAHs污染物中，有時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致基因變異，使得微生物對PAHs的去除率提高[13]。張金寶等[14]從PAHs污染土壤中成功分離出5株高分子量PAHs降解菌，并通過電場強(qiáng)化增強(qiáng)了芘的降解效率。另外，由于多環(huán)芳烴具有脂溶性，水溶性較差，所以添加表面活性劑可提高多環(huán)芳烴的溶解效果，而強(qiáng)化污染物與微生物的結(jié)合，也可以增強(qiáng)PAHs的降解效果[15]。

2.3 農(nóng)藥污染土壤修復(fù)

在修復(fù)過程中，土壤中的農(nóng)藥可以被細(xì)菌、真菌、放線菌和藻類等微生物降解。經(jīng)相關(guān)研究表明，從受農(nóng)藥污染嚴(yán)重的土壤中可篩選分離出優(yōu)良菌種[16]。目前，在實(shí)驗(yàn)室中已篩選出可降解不同種類農(nóng)藥的微生物。趙萍等[17]分離出的惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）和腸桿菌（Enterobacter ludwigii），對于有機(jī)磷農(nóng)藥污染的修復(fù)有明顯效果。此外，真菌中的曲霉屬（Aspergillus）還可以降解DDT、γ-BHC、阿特拉津等有機(jī)氯農(nóng)藥。

其他篩選菌種的方式還有誘變育種和構(gòu)建基因工程菌。彭軼楠等[18]采用12C6+離子束輻照誘變有機(jī)磷降解菌，獲得1株高效降解有機(jī)磷菌株LA-1。在實(shí)際應(yīng)用過程中，微生物對農(nóng)藥的降解主要是通過其分泌的酶與農(nóng)藥發(fā)生酶促反應(yīng)，從而達(dá)到對農(nóng)藥的降解。而構(gòu)建基因工程菌，也大多圍繞產(chǎn)生農(nóng)藥降解酶的基因展開的。但目前，基因工程菌的構(gòu)建仍存在生態(tài)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)，故鮮有在實(shí)際工程中應(yīng)用。

3 微生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展與展望

微生物修復(fù)技術(shù)是一種高效、低能耗、環(huán)境友好的土壤修復(fù)技術(shù)，非常符合我國碳中和的發(fā)展戰(zhàn)略，而且經(jīng)研究證實(shí)，微生物對多種土壤有機(jī)污染物都具有很好的修復(fù)效果，因此，具有廣闊的應(yīng)用前景。建議今后對于微生物修復(fù)有機(jī)污染土壤應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面：

（1）要篩選與收集能有效降解不同類型污染物的菌種；

（2）拓展生物修復(fù)技術(shù)與其他物理和化學(xué)修復(fù)技術(shù)的聯(lián)用；

（3）注重高效降解菌或基因工程菌對生態(tài)環(huán)境的影響；

（4）在實(shí)際污染地塊修復(fù)中，科學(xué)合理地選用微生物修復(fù)技術(shù)。