微生物—植物聯合修復石油污染土壤的研究進展

謝麗鳳 吳衛飛

摘要：概述了根際效應、根系分泌物、菌根在微生物—植物聯合修復石油污染物土壤的機理和應用，并展望了該修復技術在石油污染土壤的應用前景。

關鍵詞：微生物修復;植物修復;石油;污染土壤

中圖分類號：X53 文獻標識碼：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，石油工業發展迅速，在石油開采、冶煉、運輸和使用過程中產生的含油廢水排放、各種石油制品的揮發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發生改變，影響植物正常生理活動，改變土壤中微生物的群落結構和降低生物多樣性。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手段清除石油污染物和恢復土壤環境。

1 石油污染土壤修復技術概況

目前，石油污染土壤的修復技術大體分為三種：物理修復、化學修復、生物修復。20世紀80年代以前，治理石油污染土壤僅限于物理和化學修復，這些方法雖然可以取得一定的修復效果，但是存在操作繁瑣、投資大、破壞土壤的結構和組分、污染物清除不徹底、二次污染等問題。生物修復因成本低、對環境影響小、無二次污染、操作便利、可原位修復等優點，得到了研究人員的廣泛關注。生物修復主要包括微生物修復、植物修復和微生物—植物聯合修復。

2 微生物—植物聯合修復

微生物—植物聯合修復是利用由土壤、微生物、植物組成的復合體系共同降解石油污染物，兼具微生物修復和植物修復的優點。石油污染物的降解過程主要發生于根際區域，現在普遍認為根際效應、根系分泌物和菌根在微生物—植物聯合修復體系中發揮著重要的作用。

2.1 根際效應和根系分泌物

根際是植物與微生物相互作用的一個生物活性區域，該區域內存在根系發育和死亡、根系物脫落、根系分泌物的產生、植物和微生物呼吸、土壤的團粒結構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，根際效應越小。根系分泌物是植物根系在生長代謝過程中向周圍環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、酶類物質以及各種次生代謝物質，在根際效應中起到最重要的作用。

Gerhardt等[1]總結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，促進好氧環境的形成。②根系為微生物提供生存場所和營養物質，改善微生物的依附環境，增加了微生物生物活性、群落數量和多樣性，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量比非根際土壤高2個數量級[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構與石油烴類似，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合修復PAHs污染農田土壤時，在植物根系生物量大、分泌物量多時（90～120d期間），土壤中環數多的PAHs的降解率顯著高于前期[5]。④根際酶促反應降解污染物。王金成等研究表明，外源石油降解菌與金盞菊聯合作用有效改善了土壤根際微環境，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、均勻度指數均呈逐漸增加;土壤中TpHs、pH、有機質含量、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芳烴的降解[6]。微生物分泌的酶類物質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，改變土壤的微孔結構，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研究發現，與非根際土壤相比，堿蓬根際土壤的pH值降低，微孔數目減少顯著，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，德國植物生理學家和森林學家Frank在1885年首次提出。按照形態和結構的不同，菌根可分為3個主要類型：外生菌根、內生菌根、內外生菌根。外生菌根的真菌多屬于擔子菌種的牛肝菌屬、鵝膏菌屬和蘑屬，也有少數屬于子囊菌的塊菌目;而叢枝菌根（VA菌根）是最主要的內生菌根，主要的真菌屬于內囊霉科。近年來，菌根在土壤污染物修復中的應用越來越受關注。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，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的機理主要有以下幾個方面：①直接利用污染物作為營養物質;或者在污染物的誘導下產生獨特的酶（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等純培養了16種外生菌根真菌，并發現其中大多數外生菌根真菌對菲、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境，促進植物的營養吸收，提高植物生物量和耐受性。根內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物質，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合修復PAHs污染農田土壤90d后，土壤中微生物群落結構發生了變化，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—植物聯合修復石油污染土壤方面具有環保、經濟、高效等優點，但是一般適合修復中、低濃度石油污染土壤，修復效果受場地條件、環境條件和污染物性質影響較大。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—植物聯合修復過程、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勢種的高效降解菌;②加強現場試驗，完善技術，優化工藝，推進實際應用進程;③對于高濃度石油污染土壤，可研究物理、化學、生物聯合修復技術。

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，研究方向為環境影響評價、環境治理修復研究。