石油污染土壤的生物修复技术研究进展

吕雷　朱米家　王珂

摘要随着石油工业的不断发展，石油污染土壤的治理问题已经成为当今研究者关注的焦点问题。相比于物理方法和化学技术，生物技术因为其高效、无毒，且对环境不产生明显的干扰而被广泛应用于原位和异位修复油污土壤。生物修复技术主要包括植物修复、微生物修复、植物-微生物联合修复等方法，通过对这些技术的优缺点进行比较，展望了今后土壤石油污染修复的发展趋势和研究重点。

关键词石油污染；生物技术；植物修复；微生物修复

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）22-07585-03

石油在开采、运输、炼制的过程中产生一定的污染，主要污染的对象是土壤。污染土壤的石油中的主要组成是C15～36的烷烃、多环芳烃、烯烃、苯系物、酚类等[1-2]。泄漏的原油不仅破坏了土壤的结构，使土壤的功能下降，比如堵塞土壤孔隙，改变有机质的组成，引起有机质碳氮比和碳磷比的变化；引起土壤微生物群落、微生物区系的变化，使污染环境中微生物生理功能明显降低[3-4]，更严重的是石油通过“土壤-植物-人”这一食物链进入人体内，直接威胁到人类的身体健康。据报道，石油组分中的芳香烃类物质对人及动物的毒性极大，其中多环芳烃类物质可以通过呼吸、饮食摄入甚至皮肤接触等方式进入人和动物体内，影响其肝、肾等器官的正常功能，甚至引起癌变。

随着国家对环境保护要求的不断提高，石油对土壤污染的治理工作也逐渐成为研究的热点问题。人类在石油污染土壤的修复工作中最早采用的是物理和化学的方法。物理修复技术如对污染土壤进行焚烧、热修复、换土、隔离，要求高温、机械设备和更多的人力投入等，成本较高；化学技术修复油污土壤具有较好的除油效果且处理周期短、操作简便，如萃取法、洗涤法、光催化法、氧化法等方法，但缺点是药剂用量过大，易造成二次污染[5-8]。相比之下，生物修复技术具有过程安全、破坏性小、效果好、操作简便以及不易对环境造成二次污染等特点，同时生物修复技术易于实现土壤的原位修复和规模扩大的修复试验[9-10]。因此近年来运用生物方法控制土壤的污染成为国内外学者的研究重点。

1 生物修复技术及其分类

生物修复技术发源于20世纪80年代，是指利用特定的生物（植物、动物、微生物）等，将存在于土壤和地下水中的石油污染物降解成二氧化碳和水或转化为无害物质的方法，以实施修复的主体分类主要有植物修复技术、微生物修复技术及微生物-植物联合修复技术等。以修复的试验场地来分，主要包括原位修复和异位修复两类。其中植物修复技术用于原位降解石油污染土壤已有不少相关研究报道，激活本源微生物修复技术、微生物-植物修复技术在异位修复中取得了一定的研究进展。

2 石油污染土壤生物修复研究现状

2.1 植物修复技术植物修复是指利用植物的根茎吸收污染土壤的石油烃类有机物，并将其转运蓄积到植株的地上可收割部位，或者通过植株体的新陈代谢作用将污染有机物质转化为毒性较弱的或非毒性的代谢物。凌婉婷等通过研究20种植物的根部对油污土壤中的多环芳烃类物质的吸收作用，发现植物根部的多环芳烃类（如菲、芘）的含量与根系的富集系数、根的脂肪含量呈现显著的正相关，这为筛选高效修复石油污染土壤的植株提供了试验支持[11]。在植物修复石油烃污染土壤时，根际的降解作用显著。在大量的研究中发现，一些根系发达的植物如披碱草、黑麦草、紫花苜蓿、高羊茅等被较多地应用于原位的修复领域，这是因为这些植物根系的特性决定了其与土壤接触的面积增大，能通过根际作用降解更多的表层石油烃污染物[12-14]，如Kirk等研究发现黑麦草根际降解的石油烃是原土自行降解的233.37倍[14]。另外，也有使用植物的残体做实验室内的修复工作，如Esmaeil等以4种植物残体在温室内降解总石油烃含量达到10 000 mg/kg的污染土壤，4种被试验用的样品分别为豌豆秸、麦秸、苜蓿干草和混合残体（质量分数分别为20%干草、37.5%麦秸、37.5%豌豆秸和5%石膏）。90 d的试验发现豌豆秸秆对石油污染土壤的降解效率能达到83%[15]。

2.2微生物修复技术微生物修复技术是指利用微生物在自然环境中对石油污染物进行转化、降解和去除。可以通过改变外界条件（比如温度、盐度、氧含量、营养物质浓度和添加表面活性剂等），也可以通过微生物强化修复，接种富集培养获得高效降解菌株来提高土壤中的石油烃降解率。Pelaez等通过筛选出油污土壤中的芽孢杆菌和假单胞菌，对900 m2的石油污染土壤进行中等规模的生物降解，161 d时间内有94.4%的多环芳烃类污染物被降解[16]。Alessandra等通过3种微生物技术对热带地区的油污粘土进行修复发现，堆肥法、生物刺激和添加具有特定降解能力的微生物来增强生物活性的强化生物修复的石油烃降解率分别为87%、89%和87%。其中强化生物修复方法在继续添加了营养物质和微生物的条件下，降解效率不见显著提高[17]。Lin等采用分子检测的微阵列生物芯片，结合生物强化和生物刺激的方法对石油污染的土壤进行堆肥降解，28 d之后C10～28的石油烃和C10～40的石油烃降解率分别达到70%和63%[18]。Soleimani等使用6种方法异位修复取自伊朗3个不同地区的油污土壤，这些修复方法包括富集培养细菌、植物栽种、添加氮源和磷源、糖蜜、过氧化氢氧化、添加表面活性剂吐温80。试验结果显示细菌富集与添加营养物质的方法去除总石油烃的效率在50%～62%范围内，其中前者对正构烷烃有更显著的降解，后者对类异戊二烯的污染组分有更好的降解效果[19]。

2.3微生物强化修复技术微生物强化修复是指在修复系统中，通过投加具有特定功能的微生物、营养物或采取其他措施，以期达到缩短修复时间，提高修复效果，减少修复费用的目的。生物强化影响因素主要有土壤环境湿度、温度、pH、孔隙率、本源微生物数量等。生物强化修复的实施途径主要有：①投加营养物质如氮源、磷源；②投加电子受体（氧化剂）；③添加表面活性剂；④投加高效降解菌或基因工程菌（GEM）；⑤应用生物反应器[20]。生物强化修复以其超强的修复能力已成为土壤石油污染治理的研究热点。Bento等对自然衰减、生物刺激和生物强化修复石油污染土壤的效果进行了评价，结果表明生物强化处理石油组分中重油和轻质油的降解率均达到70%以上，修复效果显著优于其他处理。石油污染土壤微生物修复过程中，生物强化可以显著提高土壤中石油烃降解微生物的生物量和酶活性[21]。Yu等利用由红球菌属（Rhodococcus sp） 、不动杆菌属（Acinetobacter sp） 和假单胞菌（Pseudomonas sp.） 构成的多环芳香烃降解菌群强化处理多环芳烃类化合物，在半固体培养基中发酵28 d后，对芴和菲的降解率达到100%[22]。Nikolopoulou等添加尿酸和卵磷脂强化微生物降解石油烃类化合物，连续培养 18 d 后，生物强化处理显著提高了石油烃的降解速率，其中饱和烃类化合物分解最快，其次是芳香烃类化合物[23]。Nikolopoulou 等研究还表明，生物表面活性剂可以提高石油烃化合物的降解效率（18 d降解率达到96%），缩短微生物停滞期（添加生物表面活性剂7 d内降解率达到80%）[24]。石油污染土壤的生物强化修复是目前研究较多的修复技术之一，学术界对于它的修复效果存在争议，有研究表明利用真菌、细菌单菌株和真菌菌群强化石油多环芳烃类化合物降解，萘、蒽、菲及大分子芳香烃类化合物的降解速率无显著变化。在实际操作过程中，应该考虑污染区的生物和非生物因素，才能发挥生物强化的修复效果[23-24]。

2.4微生物-植物联合修复技术在实验室条件下，将具有生物降解作用的细菌添加入石油污染的土壤中（即生物修复）通常能够有效地加速污染物的分解，但在室外条件下却往往很难实现成功的生物修复。将植物种植在土壤中以代谢和去除有毒物质，因为即使植物在一定程度上对土壤污染物具有耐受性，但是植物生长通常会受到明显影响，以致于植物不能达到足够的生物量使其在一定时间内实现对污染物的有效降解，克服这些传统生物修复与植物修复的局限性的方法之一就是将具有生物降解作用的微生物与植物相结合，即植物-微生物联合修复作用[25-26]。在两种方法的基础上加强对石油烃类污染物的吸收与降解。王丽萍等以玉米为接种植物进行菌根真菌-植物对土壤石油烃降解试验研究。结果表明植物与菌种的协同作用，可有效促进植物生长和石油烃降解[27]。耿春女等研究发现，AM 真菌的孢子不仅能在石油污染土壤中存活，而且当石油污染物浓度达到 10 000 mg/kg时，对三叶草根系的侵染率还能达到 82.86%。利用苜蓿草与微生物修复PAHs 和矿物油污染土壤的研究表明，在植物生长条件下，土壤微生物降解功能明显增强。以水稻为供试植物修复湿地土壤中矿物油和 PAHs 的研究表明，真菌和细菌接种量在不同污染水平上与矿物油和多环芳烃降解率存在最佳配比关系[28]。刘鹏等利用高效石油降解菌结合种植大豆、碱草等植物对石油污染土壤进行联合修复，135 d 后石油烃的降解率为63.65%～83.26%，研究表明，植物可以促进根际微生物的繁殖及对污染物的分解转化，进而提高修复效率。田间试验表明，玉米、大豆与内生或外生菌根真菌的联合修复效果好于它们与专性降解菌的联合修复效果[29]。刘继朝等选取了 4 种供试验植物向日葵、狗牙根、棉花、高丹草从中原油田地区石油污染土壤中筛选石油降解微生物。结果表明：添加微生物和植物联合对石油降解能力大小顺序为棉花+微生物>向日葵+微生物>狗牙根+微生物>高丹草+微生物[30]。以上研究说明微生物与植物修复技术的联合运用，大大地提高了石油降解率，微生物与植物联合修复技术将会成为今后石油污染土壤修复的一个很有研究意义的方向。

3 石油污染土壤生物修复方法的优缺点比较

石油污染土壤的生物修复主要有自然衰减、堆肥技术、植物、微生物修复等方法。根据石油污染的程度、土壤自身的理化性质（如pH，N、P含量，有机质含量，含水率等）、气候特征、修复成本、城乡规划的需要进行因地制宜的修复[31-32]。其修复方式的优缺点比较如表1所示。

4 生物修复所面临的挑战及发展趋势展望

作为环境生物修复技术的核心部分，微生物技术在基础和应用研究方面都取得了较大发展，表现了其在中低浓度石油污染土壤修复中的可行性。近年来，利用微生物修复石油污染土壤得到了广泛地关注。随着微生物修复技术的日臻完善，微生物降解石油以其高效率、低成本、无污染等优点，将在石油污染土壤修复过程中扮演越来越重要的角色。但是在自然环境中能够分离培养的微生物种类只是微生物总量中很有限的一部分，尤其是在复杂的外部环境中，绝大多数微生物不能用传统的纯培养方法获得，这在一定程度上限制了微生物修复技术的推广应用。因此，需要将微生物修复、植物修复、菌根根际生物修复等技术联合应用，提高石油污染物的降解率，并在修复过程中利用物理、化学和分子生物学方法对修复效果进行有效地评估，使石油污染土壤修复过程向全面系统化、最优化和成熟化发展。