微生物修復有機污染土壤的研究進展

金學鋒

（1.同濟大學，上海 200092；2.上格環境科技（上海）有限公司，上海 200333）

常見的土壤有機污染物包括石油烴、農藥、苯系物（BTEX）、多環芳烴（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、農藥的噴灑、儲罐的泄露、污水的排放和固體廢物的堆放等過程中進入土壤環境的。通常情況下，土壤有機污染物的種類較多，并具有難降解、致癌致畸和造成農作物減產等特點，從而威脅著農作物的生長以及人類的健康安全。同時，污染物還會由于雨水沖刷等原因進入到地下水中，導致地下水污染。

對于土壤中的有機污染物，近年來常用的修復方法包括物理、化學和生物技術[1]。其中，物理修復技術主要包括異位填埋、熱脫附、氣相抽提和土壤洗脫等；而化學修復技術主要包括化學氧化/還原、焚燒和水泥窯協同處置等；生物修復技術主要包括植物修復、生物堆和生物通風等。在實際應用中，物理和化學的修復技術較為普遍，優點是修復治理周期較短，能有效去除大部分的有機污染物，但通常治理成本較高、能耗較高、易產生二次污染，且對土壤結構和生態使用功能破壞較大。而生物修復技術是利用植物、微生物和原生動物，通過吸收、轉化、清除或降解污染物[2]，以此達到生態修復的目的。因此，生物修復技術具有成本較低、二次污染較小和環境友好等優點，非常符合綠色修復理念，所以具備推廣和大規模應用的潛力。

在微生物修復過程中，有機污染物可通過土壤中的土著微生物的降解和轉化降低污染物的毒性。微生物降解有機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胞內后，由胞內酶降解[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 微生物修復有機污染土壤的技術類型

1.1 生物堆技術

生物堆（biopiles）技術是將挖掘出的污染土壤堆置，再通過人工強化手段，提供微生物適宜的生長環境，以促進土壤中微生物的生長，從而降解土壤中的有機污染物。該技術主要的建設結構包括底部防滲層、滲濾液收集管網、營養水分添加管網、堆體底部抽氣管網、頂部進氣管、土壤氣在線監測、防雨覆蓋層等。在實際應用中，生物堆技術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[5]。通常，影響生物降解的因素主要有菌種、水分、溫度、pH值、營養物質（碳、氮、磷）和氧氣等，且適宜的生長環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，所以能適應污染土壤環境的微生物會逐漸成為優勢菌種，并加快污染物降解的進程。而外源菌劑是利用經篩選出的具備降解特定污染物能力的微生物，在經過生物工程擴培后，再接種到生物堆中，以此對污染物進行定向降解。基因工程菌是利用基因工程技術，將特定的基因片段植入微生物的DNA中，從而構建出適用于特定污染物降解的基因工程菌。在實際應用過程中，利用土著微生物相對安全，沒有生態風險，但修復效果可能受限；而利用外源菌劑和基因工程菌雖然能相對提高修復效果，縮短修復周期，但可能會影響土著微生物的菌群結構，造成生態風險。

1.2 生物通風技術

生物通風（bioventing）是由氣相抽提技術（soil vapor extraction）發展而來的，是一種原位土壤修復技術，主要是通過向污染區域注入氧氣或空氣，增強微生物的好氧活動，從而促進污染物的降解。同時，還可以強化空氣的流動，加速有機污染物的揮發，最后通過抽氣井將揮發性有機物抽出。此外，影響生物通風技術的關鍵因素與生物堆技術相似，且適宜的溫度、濕度、氧含量和營養物質，能有效促進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的最關鍵因素[7]，其中氧氣、有機碳、硝酸鹽、硫酸鹽等都可以作為微生物降解有機污染物的電子受體，但氧是其中最主要的電子受體，即大部分生物修復都是通過好氧微生物產生作用。而好氧過程是利用氧化將有機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性有機物的污染，即氯代揮發性有機物作為電子受體，在厭氧條件下脫氯并降解為非氯代化合物。同時，在厭氧降解過程中，可能會產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，但可能會比原來的污染物毒性更大。因此，控制氧的供應會影響微生物的降解速率及降解產物。

1.3 生物泥漿反應器

生物泥漿反應器是由土壤、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，從而達到生物降解污染物的效果。生物泥漿反應器對有機污染物的處理效果好、速度快，可有效處理高濃度、難降解的有機污染物，因此，適用于小規模的污染土壤治理。在實際應用中，生物泥漿反應器以連續流攪拌反應器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）和土壤泥漿序批反應器（Soil Slurry-Sequencing Batch Reactor，SS-SBR）兩種最為常見[8]。其中，CSTR反應器是將污染土壤連續的注入反應器中進行處理，其優點是耐沖擊負荷，可將污染物在反應器入口處稀釋。而SS-SBR反應器是通過進泥-反應-排泥的方式，按批次對污染土壤進行治理。同時，在反應器中，可調節微生物的生長環境，包括pH值、溫度、濕度、氧含量和營養物質等，從而達到最佳的反應狀態，以此強化微生物對有機污染物的降解。另外，還可以通過添加表面活性劑，將有機污染物從土壤表面解吸出來，促進污染物與微生物的接觸，從而效提高生物降解的速度。

2 微生物修復技術應用于不同類型的污染物

2.1 石油污染土壤修復

微生物修復石油污染土壤的應用較為廣泛，據研究發現，有100多個屬、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.）、節核細菌屬（Arthrobacter sp.）、產堿桿菌屬（Alcaligeues sp.）及無色桿菌屬（Achromobacter sp.）等細菌；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，細菌降解石油污染物主要在修復的前期階段，而修復的后期階段主要依靠真菌去除難降解的石油烴[9]。

目前，微生物修復技術已廣泛應用于石油污染土壤的修復，但單一的生物修復技術存在一定局限性，如修復周期較長、受環境影響較大和降解不徹底等。但如果將微生物修復技術與其他技術聯用，如固化微生物技術、植物-微生物修復技術、電動-微生物修復技術等，能有效強化微生物修復技術在石油污染土壤修復中的應用。李琋等[10]從石油烴-鎘復合污染的土壤中，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，用于修復石油烴-鎘復合污染土壤，結果表明生物炭固化微生物技術可有效提高石油烴的降解率，同時還能固化重金屬鎘。孟欣等[11]通過電動-微生物修復技術，先利用電流強化微生物和微生物間的傳質效率，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 多環芳烴污染土壤修復

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

在實際的污染土壤修復過程中，高效的菌種和適宜的生長環境是微生物修復的重要條件。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物質，促進微生物的生長。當微生物暴露在高濃度的PAHs污染物中，有時可能會導致基因變異，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，并通過電場強化增強了芘的降解效率。另外，由于多環芳烴具有脂溶性，水溶性較差，所以添加表面活性劑可提高多環芳烴的溶解效果，而強化污染物與微生物的結合，也可以增強PAHs的降解效果[15]。

2.3 農藥污染土壤修復

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

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

3 微生物修復技術的發展與展望

微生物修復技術是一種高效、低能耗、環境友好的土壤修復技術，非常符合我國碳中和的發展戰略，而且經研究證實，微生物對多種土壤有機污染物都具有很好的修復效果，因此，具有廣闊的應用前景。建議今后對于微生物修復有機污染土壤應重點關注以下幾方面：

（1）要篩選與收集能有效降解不同類型污染物的菌種；

（2）拓展生物修復技術與其他物理和化學修復技術的聯用；

（3）注重高效降解菌或基因工程菌對生態環境的影響；

（4）在實際污染地塊修復中，科學合理地選用微生物修復技術。