平菇菌株對多環芳烴污染土壤的環境修復與生態設計*

陳凡亮，肖俊華

（南昌大學共青學院，江西九江332020）

多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是一種具有2個或2個以上苯環的芳烴類有機化合物[1]。一般都是一些高分子有機物，如石油、煤炭、木材等的不完全燃燒產物，是環境和食品的重要污染物。天然食品中多環芳烴的含量甚微，多環芳烴的食品污染主要產生于煙熏、燒烤、烘焦等食品的加工處理過程；其環境污染主要集中在鋼鐵廠、焦化廠、煉油廠、電廠等重化工企業所在地的土壤污染[2]。

在一些經濟發達城市的土壤中，也會有各種自然和人為的多環芳烴污染，而且土壤污染的多環芳烴以多環形式存在，表層土壤中含量較大，嚴重危害人類的健康。多環芳烴具有高度的致癌性，會導致人體細胞的突變、癌變或畸型，目前已發現的多環芳烴約有200余種，其中有十多種都有較強的致癌作用[3]。

多環芳烴污染土壤修復的技術主要有物理修復、化學修復、微生物修復和聯合修復等[4]。近年來，修復技術中的微生物修復被廣泛用于多環芳烴污染的治理中，各種微生物修復方法不斷涌現，取得了不錯的修復效果。因此，采用平菇菌株進行多環芳烴土壤污染的修復具有技術上的可行性，已經成為了土壤修復領域的研究熱點。

1 多環芳烴污染土壤的現狀

1.1 污染途徑

實際上，在人類活動出現之前大自然的天然火山活動、森林火災等就已經因為燃燒而產生了大量的多環芳烴，經過累積滲透及土壤；而在有人類活動之后，工業和生活排放的煙氣、石油開采和各種化工產品的加工使用；煙草制品、燒烤、熏制等食品的加工等過程中都會產生多環芳烴，并通過各種途徑最終在土壤中沉降下來。目前土壤有機污染物的主要來源包括工業泄露和溢出，各種石油產品、化工化學產品庫的泄漏、染料、樹脂、農藥、清潔劑、殺蟲劑、潤滑劑、人工色素等化工類物品隨意處置；以及一些生活垃圾不當處置、垃圾填埋場和垃圾堆場等地方也是多環芳烴土壤污染的重災區，這些有機污染物以多環芳烴為主，有的還伴隨有農藥、多氯聯苯等其它有機污染物。

1.2 修復技術現狀

微生物修復由于其投資少、操作簡單、不產生二次污染等特點，已成為了多環芳烴污染土壤修復技術的熱點。利用土壤中微生物，特別是真菌，以污染土壤為碳源進行微生物的代謝，對土壤中的大分子多環芳烴進行降解，從而達到修復污染土壤的目的[5]。但由于多環芳烴的水溶性較低，其與土壤顆粒具有較強吸附性，導致其微生物降解的效果大打折扣，降低了微生物修復的效率，因此有必要改進其修復技術，以提高大分子降解的效率。

由于多環芳烴在環境中的轉化和歸宿機理目前還不十分清楚，因此其修復的技術也在不斷改進。現階段土壤中的多環芳烴修復技術見表1。

表1 土壤多環芳烴修復技術Tab.1 Remediation technology of PAHs in soil

如表1所示，修復技術主要有4種，物理修復主要利用了多環芳烴的半揮發性特點（多環芳烴沸點為200℃～500℃），采用加熱焚燒等方法進行處理；物化修復是利用臭氧、高錳酸鉀等強氧化劑，與污染土壤中的多環芳烴產生化學氧化反應進行降解；生物修復則是利用茅草或一些豆科植物或微生物吸附作用進行修復。當然也可以采用多種技術的聯合修復法。

2 平菇菌株對多環芳烴污染土壤環境的修復

2.1 修復技術方案

平菇菌株對多環芳烴污染土壤的修復，主要是利用平菇菌株的微生物修復作用，其主要的特點是操作簡單、成本低、修復效率高，多環芳烴的吸收降解效果良好。

1）污染土壤的預處理。對待修復的多環芳烴污染土壤進行清理，除去石塊、塑料、植物殘體等雜物，平整翻耕土壤，翻耕深度為0.5 m，按60%左右的比例加水使濕潤松化即可。

2）土壤調理劑的制備。平菇菌株生長環境調節，按100 m2污染土壤治理的標準制作調節劑。將收集好的樹枝、雜草、玉米秸稈、玉米芯等晾干、粉碎，打成粉末狀的碎屑，取100 kg的碎屑，加入1.0 kg的碳酸鈣、1.0 kg的石灰、0.5 kg的硫酸鎂、0.1 kg的克霉靈、0.5 kg的尿素攪拌均勻。然后加入100 kg干燥的人畜糞便，攪拌均勻制成土壤調節劑備用。有條件的情況下可以再加入約50 kg的平菇菌糠混勻更好。

3）堆肥。將上述制備好的土壤調理劑均勻地撒在100 m2的污染土壤上，翻耕待修復的多環芳烴污染土壤，將其堆成寬度在1.0 m、高度在0.5 m左右的堆垛條，堆垛間要留有20 cm左右的空間通風，在不同的堆垛條上進行試驗，接種不同的平菇菌株（如“金農五號”“中華平菇PV3”等品種），以檢測不同平菇菌株對多環芳烴的降解能力。一般需要間隔0.2 m進行菌株接種，注意不要將接種的菌種搗得太碎，以免菌絲受傷污染和失去活力，適當噴水保濕，壓實后用塑料膜覆蓋壓好。讓其自然發酵、分解、腐熟3個月后除去塑料膜。

4）檢測接種不同平菇菌株的堆垛中多環芳烴的含量，計算多環芳烴的降解率，比較不同平菇菌株對多環芳烴的降解能力；同時，檢測最終土壤中多環芳烴的含量。如果還不符合國家對土壤修復的標準要求，可以選擇上述多環芳烴降解率較高的平菇菌株，然后重復上述步驟進行堆肥修復，直到達到要求為止。

2.2 修復原理

目前已報道的多環芳烴降解菌中大部分菌株能夠利用萘、菲等作為唯一碳源生長。如桂琳等[6]對平菇誘變菌株（Pleurotus ostreatus SG0056）對多環芳烴菲的生物降解作用進行了研究，結果表明這種平菇菌株具有對多環芳烴菲的降解能力，提出了可能的降解途徑，可以使多環芳烴菲轉化為9，10-環氧化菲進而進一步水解，并得到最終的代謝產物水和二氧化碳。朱婷婷等[7]認為，一般的微生物對4環以上的多環芳烴轉化降解能力有限，而平菇菌株是少數能夠降解4環以上多環芳烴的真菌，其主要原因推測是平菇菌株在降解多環芳烴過程中氧化酶的活性較高。李烜楨[8]、朱鈺等[9]利用平菇的粗酶液生產產漆酶來對多環芳烴進行降解，發現了平菇粗酶液中含有較多的調節物質，對苯并 [a]蒽、蒽、苯并[a]芘、苊等都有比較好的降解效果，而產漆酶的清理作用與碳源、氮源的類型、pH及碳源、氮源的質量濃度等都有一定的關系。

3 修復結果與討論

3.1 修復結果

對平菇菌株土壤修復方法進行對比試驗，采用色譜法進行多環芳烴含量檢測，試驗結果見表2。

表2 土壤的修復前后數據對比Tab.2 Comparison of soil data before and after remediation

從表2可以看出，與修復前相比，在修復后土壤中多環芳烴的總含量，特別是高環（4環以上）含量由46.70 ng·g-1下降至1.08 ng·g-1,下降明顯，差異極為顯著（P＜0.01）。

3.2 討論

高環多環芳烴是土壤污染的主要來源，毒性較大。試驗中添加了尿素作為加速平菇菌株生長劑，以增加土壤對氧的吸附能力，氧離子的增加有效增強了微生物發酵的活力，加快了多環芳烴的分解效率。如對萘等低分子量的多環芳烴降解，由于需要氧化還原酶的催化，氧離子的增加可以加快氧化還原過程，真菌中含有的雙加氧酶可以促使氧原子與多環芳烴大分子的結合，氧分子與苯環結合，打散了原來苯環穩定結構，從而實現有毒苯的分解。樹枝、雜草、玉米秸稈、玉米芯的碎屑為平菇菌株的生長提供了生長環境，一般土壤屬于非流體物質，真菌在這種介質上不易附著，即使能夠附著也存在接觸不均勻，接觸面積過小等問題，不利于菌株生長。而碎屑的加入填充了土壤中的間隙，也為菌株生長提供了一個個小空間，同時，還能使菌絲等在這些碎屑的中空結構中更好地生長，增加了菌株與污染土壤的有效接觸面積，也避免了其它雜菌對平菇菌株生長的干擾和接觸，使得平菇菌株能夠更加“專心”地從事多環芳烴污染物的清理。

平菇菌株除了其生物降解作用外，也可以通過腐植酸來吸附多環芳烴大分子，起到固定穩定作用。平菇菌株的生長活性及其表面活性能夠增加多環芳烴的溶解度，菌株生長過程中形成的腐植酸與污染土壤結合形成復合的膠狀體，可以吸附多環芳烴離子，而且也容易與污染土壤中的非極性疏水化合物結合，增加多環芳烴的溶解度，使其更容易從土壤中洗脫。同時，腐植酸也可以調節污染土壤的pH，為平菇菌株生長提供適宜的生長環境和營養，菌株的大量增殖可以提高多環芳烴的降解速度。

4 結論

平菇菌株能夠降解土壤中的多環芳烴，該生物修復技術具有工藝簡單、低能耗、無污染等優點，但是也存在降解速度緩慢、降解效果不穩定等問題。由于土壤中的多環芳烴污染具有多樣性，加之土壤微生物成分復雜，后續還需要在聯合修復和各種菌株的協同治理方面加深相關研究，進一步提高平菇菌株對多環芳烴污染的土壤的生物修復效率，使之成為一種真正高效、生態、清潔的多環芳烴污染治理方法。