土壤生物修復(fù)機制探討

劉江江

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司 環(huán)境工程所，北京100120）

1 土壤生物修復(fù)與根際環(huán)境

土壤生物修復(fù)是利用生物法對受污染土壤進行治理的技術(shù)，其中包含了較為復(fù)雜的生物轉(zhuǎn)化過程［1］，包括有微生物作用、植物作用以及兩者之間的相互作用等，而越來越多研究發(fā)現(xiàn)，這種相互作用在污染物去除中更為重要。根際環(huán)境是生物修復(fù)作用發(fā)生的主要場所，隨著對生物修復(fù)技術(shù)的研究的深入，更多的學(xué)者開始關(guān)注根際環(huán)境［2］。

2 植物與微生物的土壤修復(fù)機制

2.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)是污染土壤的生物治理的重要手段之一，植物修復(fù)土壤的機制大體上可分為轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化兩大類。前者通過植物的吸收作用將污染物從土壤中去除進入植物組織內(nèi)富集達到去除污染物的目的，其本質(zhì)是將污染物轉(zhuǎn)移，如Cunningham等（1996）利用胡蘿卜吸收二氯二苯基－三氯乙烷，然后收獲胡蘿卜，曬干，完全燃燒以破壞污染物［3］，在這個過程中，親脂性污染物離開土壤基質(zhì)進入脂含量高的胡蘿卜根中。植物吸收是最為直接的污染物去除的途徑，其機理也最為直接，污染物通過根系進入植物內(nèi)從而脫離受污染的土壤，從而使土壤得到凈化，去除重金屬、有機物污染物，是受污染土壤恢復(fù)的重要機制之一。在利用根系吸收污染的過程中，根系的巨大比表面積的特征具有積極的作用。后者是通過植物的分泌物的活性作用使污染物通過生物化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為低毒物質(zhì)，植物在生長過程中根系往往會分泌各種高分子物質(zhì)或酶，研究發(fā)現(xiàn)這些高分子分泌物活酶具有去除污染物的能力，如Schnoor等（1995）發(fā)現(xiàn)植物分泌的硝基還原酶，可用于硝基有機物的降解［4］。一般通過該過程，污染物被礦化為CO2和 H2O或轉(zhuǎn)化為無毒或低毒的代謝物，從而起到去毒作用。

之前較多的報道均集中在受重金屬污染的土壤中，對受有機污染土壤的研究和應(yīng)用相對偏少，近些年來植物修復(fù)有機污染土壤的研究也逐漸增加。

2.2 微生物修復(fù)

相對于植物修復(fù)而言，微生物去除污染物的應(yīng)用更為廣泛，微生物具有強大的適應(yīng)性，而土壤環(huán)境也為微生物的生命代謝提供了各種良好的條件。

對于無機污染物（如重金屬離子、鹽等），根際微生物能通過改變根際環(huán)境pH值和氧化還原電位以改變污染物的形態(tài)，近而通過根和土壤吸附，固定污染物，此類研究較多，如Kunita等對受高濃度銅污染土壤中銅轉(zhuǎn)化細菌的活性特征進行了研究，顯示了微生物在高濃度銅污染土壤中的污染物轉(zhuǎn)化過程［5］，此外，Robinson等（2001）對4種根際熒光假單胞菌對Cd的富集與吸收的研究發(fā)現(xiàn)，根際細菌對Cd的富集達到環(huán)境中的100倍以上［6］，這類研究均說明了微生物具有轉(zhuǎn)化和固定土壤中重金屬的功能。

此外，隨著人類工業(yè)活動的復(fù)雜化，不斷有新型的有機物排入環(huán)境，形成了難降解污染物治理的新難題，新型農(nóng)藥、化工產(chǎn)品的生產(chǎn)、石油工業(yè)的發(fā)展和污水排放均為新型污染物進入土壤環(huán)境污染的源頭。而在受難降解污染物污染的土壤中，微生物的難受性和適應(yīng)性也為這類污染物的治理提供了途徑，可以促進污染物的去除，如khtuya等研究發(fā)現(xiàn)了真菌對難降解污染物的去除作用［7］。對于易降解污染物，微生物通過自身現(xiàn)有的代謝基因能夠產(chǎn)生相關(guān)的酶系，通過生長代謝活動使其降解，而對于有毒難降解類污染物，微生物通過一定的適應(yīng)期，能夠通過突變和進化形成產(chǎn)生降解該類物質(zhì)的生物酶系的基因，從而具備耐性和降解能力，實現(xiàn)對一些難降解的有機化合物的降解［8］。除了微生物對污染物的直接降解或轉(zhuǎn)化作用外，研究發(fā)現(xiàn)其中包含更為復(fù)雜的過程：如微生物分泌物能夠改變有機物的溶解性、酯溶性及生物可利用性等；另外，根際微生物的分泌物可與金屬離子發(fā)生鰲合作用。通過代謝過程，金屬離子可被沉淀或被鰲合在可溶或不可溶生物多聚物上［2］。因此微生物分泌物對降解微生物或富集污染物也具有一定作用。

2.3 植物與微生物的相互作用

2.3.1 微生物與植物之間相互促進作用

一方面，植物根系的土壤環(huán)境為微生物生長提供了有利條件。土壤本身屬于多孔介質(zhì)，并富含微生物增殖的營養(yǎng)因子，土壤中植物根系的存在為微生物創(chuàng)造了多樣性的生長環(huán)境，同時植物根系的巨大比表面積也有利于微生物的附著。另一方面，微生物能夠分泌多種生理活性物質(zhì)來刺激并調(diào)節(jié)植物生長。這包括活的微生物活動產(chǎn)生的植物激素、酸性物質(zhì)以及纖維素等。已發(fā)現(xiàn)的植物激素類物質(zhì)主要有生長素（主要是IAA）、赤霉素（主要是 GA3，GA1）、細胞分裂素（CTK）、脫落酸（ABA）、乙烯和酚類化合物及其衍生物、鐵載體、抗生素、系統(tǒng)防衛(wèi)酶和氰化物等抗病物質(zhì)等［9］，有些微生物能夠產(chǎn)生抗病和抗逆作用，間接促進植物生長。如黃藝等（2000）通過研究發(fā)現(xiàn)在土壤根際環(huán)境中，與非菌根相比，其必須元素Cu、Zn交換態(tài)含量增加，非必須元素Cd交換態(tài)含量減少；同時，Cu、Zn和Pb的有機結(jié)合態(tài)的含量在菌根際中都高于非根際［10］，這說明微生物與植物之間可能存在相互促進作用，這為利用植物、微生物修復(fù)受污染的土壤創(chuàng)造了有利條件。

2.3.2 微生物與植物之間作用與污染物代謝的關(guān)系

根際環(huán)境中，植物生長與微生物增殖之間是相互促進的，這在污染物的去除中有著重要的作用。Whiting等（2001）利用鋅的超積累植物結(jié)合三種根際菌，使土壤中的重金屬得到活化，提高了植物對鋅的吸收［11］。Ma等（2001）成功地從鎳污染土壤中分離到耐重金屬污染并促進植物生長的根際細菌，其能夠促進在高水平重金屬污染地土壤中植物的生長，進而促進污染物的去除［12］。Chekol等（2004）發(fā)現(xiàn)植物修復(fù)中，在根際存在條件下，根際的脫氫酶的活性有很大提高，強化了土壤中PCB的生物降解，同時，根際土壤中生物量也比無植物條件下有很大提高［13］。根際分泌物中的有機物對土壤微生物具有一定的選擇性［14］，其中一些可以作為微生物的能源和營養(yǎng)物質(zhì)而被利用，使根際微生物的數(shù)量和代謝活力增加進而改變根際微生物群落結(jié)構(gòu)，使其分解污染物的能力增加，說明根際分泌物中的有機成分是引起根際新的細菌群落發(fā)展的潛在機制［2］。此外，研究發(fā)現(xiàn)根際分泌物可以作為污染物的共代謝基質(zhì)。Zheng等（2001）發(fā)現(xiàn)薄荷類植物的根際分泌物中含有芳香族化合物等多環(huán)芳烴（PAHs）、多聚體染料等的共代謝物質(zhì)，促進了污染土壤中多聚體染料的代謝分解［15］。

2.3.3 優(yōu)勢種群對污染物去除的作用

微生物群落的改變對土壤污染物的去除有著重要影響。優(yōu)勢種群的出現(xiàn)，以及促植物生長微生物的存在都會加快污染物的穩(wěn)定和去除。微生物群落結(jié)構(gòu)的變化與微生物的代謝活性相關(guān)，而微生物的代謝活性是污染土壤中有機污染物分解的重要原因。因而，根際分泌物對微生物群落結(jié)構(gòu)的變化過程，就可能是對土壤進行修復(fù)的基本過程［16］，這些對于土壤修復(fù)都有著重要的意義。土壤中微生物的活性及其生物量增長受到底物的限制，特別是碳源，而根際作用產(chǎn)生的碳源的輸入能夠增加微生物的活性。模擬實驗的結(jié)果表明，在添加人工合成的根分泌物的土壤中發(fā)現(xiàn)，微生物群落結(jié)構(gòu)及活性與碳源的存在有明顯相關(guān)性［17］。微生物活性的增加使之對有機污染物的降解能力加強，從而加快了生物修復(fù)過程。

可以看出，植物與微生物之間往往是存在相互作用的。特別是在根際環(huán)境中，根際分泌物作為植物與微生物相互作用的紐帶，植物根際分泌物促進了微生物的活性，而微生物又能促進植物的生長從而有利于污染物質(zhì)從土壤中去除，這種作用機制最終有利于污染土壤的生物修復(fù)。

3 存在問題與展望

目前對于土壤生物修復(fù)的各種單一作用機制都已經(jīng)有了清楚的了解，但對于各個機理之間的關(guān)系仍不夠明確。此外生物修復(fù)土壤最大弊端在于處理周期較長，同時富集生物的處置存在二次污染的可能，某些情況下，代謝產(chǎn)物可能具有更大毒性。

近些年來，土壤重金屬污染、化學(xué)物質(zhì)泄漏風(fēng)險事故頻發(fā)，采用化學(xué)法等工程恢復(fù)措施成本巨大，而土壤生物修復(fù)工程法盡管周期相對較長，但在未來邊生產(chǎn)邊恢復(fù)治理的環(huán)境管理要求下將其作為一項常規(guī)措施具有更多的優(yōu)越性。隨著對各種生物修復(fù)技術(shù)研究的深入，生物修復(fù)技術(shù)必將會在土壤修復(fù)中起到更加重要的作用。

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