多环芳烃污染生物修复研究进展

张灵利 ， 徐宏英 ， 葛晶丽

(太原科技大学 环境与安全学院，山西 太原 030024)



多环芳烃污染生物修复研究进展

张灵利 ， 徐宏英*， 葛晶丽

(太原科技大学 环境与安全学院，山西 太原 030024)

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon，PAHs)是一类对环境有严重危害的持久性有机污染物。具有高生物富集性、致癌性、致毒性和难降解性，修复治理PAHs污染环境备受国内外政府及学者的关注。目前主要采用物理、化学以及生物方法对多环芳烃污染的土壤和水体进行修复。其中生物修复是一种高效、经济和生态可承受的环保技术，具有成本低、无二次污染等优点。本文从植物修复、微生物修复以及植物-微生物联合修复方面，阐述了国内外生物修复PAHs污染的最新研究进展。指出了生物修复PAHs污染环境需要进一步解决的问题，并对未来发展趋势进行了展望。

多环芳烃(PAHs)；生物修复；微生物降解；生物可利用性

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon，PAHs)是由煤、石油、烟草、木材、有机高分子化合物等的不完全燃烧所产生的挥发性碳氢化合物，是重要的环境和食品污染物[1-3]。PAHs具有高生物富集性、致癌性、致毒性和致突变性[4-5]。尤其是高分子量的PAHs，其化学结构复杂、电子云密度高、辛醇-水分配系数高、生物可利用性低，不易在环境中自然降解，对人类造成的危害更大。因此，治理环境中PAHs污染特别是高分子量PAHs污染成为人们关注的焦点。目前国内外PAHs污染修复方法有物理修复、化学修复以及生物修复[6]，经实验发现物理和化学方法修复PAHs污染，费用昂贵，并使得生态资源不能再利用[7]。而生物修复二次污染少、安全、价格低廉，是PAHs污染修复首选方法[8]。近年来，该领域的研究取得了一定进展，主要体现在植物、微生物以及植物-微生物联合修复PAHs。本文对该领域的国内外研究成果进行汇总、分析，并提出对今后研究的展望。

1 植物修复PAHs污染环境

植物修复机理是利用植物吸收、降解和根际利用等方式去除PAHs，具有价格低廉、操作方便、二次污染少及可再生利用等优点[9]。

1.1 可修复PAHs污染环境的植物

目前，已研究发现的能够修复降解土壤中PAHs的植物主要有甘蓝型油菜、小麦、黑麦草、蚕豆、苜蓿、樟树和栾树等，有草本和木本植物，约有5个科中的7个种。这些植物对低分子量PAHs污染环境的修复研究较多，对高分子量PAHs污染环境的修复，除苯并芘外，其他的均研究很少[10]。

1.2 植物修复PAHs污染环境的机理

植物根际的微生物群落和根系的相互作用，为微生物提供了较大的微环境，有足够的作用空间用于PAHs的去除。植物修复PAHs机理包括：①植物直接吸收利用PAHs；②植物根际释放分泌物和酶，促进微生物利用PAHs[11-12]。

1.2.1 植物直接吸收PAHs 植物直接吸收PAHs是植物修复PAHs的方式之一[13]。植物吸收PAHs后，作为碳源及能源转化为CO2和H2O彻底去除，或者将其转化为中间产物，如木质素等无毒物质，达到修复PAHs的效果[14-15]。

1.2.2 释放分泌物和酶促进微生物利用PAHs 植物向根际分泌有机物或酶，促进根际土著微生物生长繁殖，从而促进根际微生物降解PAHs[16]。根际分泌物促进PAHs吸收的途径为①酶促进植物直接吸收PAHs；②微生物数量增加、微生物活性的提高促进PAHs的利用[17]。Reilley等[18]研究表明，种植植物可提高微生物密度，进而提高PAHs的利用率。丁克强等[19]采用黑麦草修复PAHs，发现黑麦草提高了多酚氧化酶活性及菲的降解率。

2 微生物修复PAHs污染环境

近年来，许多学者从PAHs污染的土壤和水体中筛选出PAHs专性降解菌，研究了其降解特性，有的已将其用于实践中。微生物修复PAHs具有效率高、二次污染少、价格低廉等优点，成为降解修复PAHs污染的主要途径。PAHs的化学结构和降解酶决定了微生物降解PAHs的效果。PAHs的环数和辛醇-水分配系数越大，PAHs降解率越低[20]。

2.1 可修复PAHs污染环境的微生物

目前，在已报道的文献中发现,能够以高分子量的PAHs为唯一碳源及能源的细菌有红球菌、洋葱假单胞菌、分支杆菌属等。以上菌种大部分均能降解四环及其以上的PAHs。与细菌相比，真菌通常不能直接利用PAHs作为唯一碳源及能源，但可以把PAHs转化为无毒的中间代谢产物。表1为国内外已发现的高环PAHs的降解菌。

表1 国内外已报道的修复PAHs的降解菌

续表1

注:“+”代表菌属可降解PAHs

2.2 微生物利用PAHs的方式

刘世亮等[46]研究发现，微生物降解PAHs的方式包括：①以PAHs为唯一碳源和能源；② PAHs与有机质类进行共代谢。

2.2.1 以 PAHs为唯一碳源和能源 酶催化PAHs提供给微生物生长所需能量用于PAHs的降解，在PAHs的刺激作用下，微生物分泌单加氧酶或双加氧酶。在该酶的催化作用下，氧加到苯环上，形成C-O键，经过加氢、脱水等作用使C-C键断裂，苯环数降低，去除PAHs[47-48]。Wang等[49]研究发现， 受PAHs污染的沉积物中，微生物降解PAHs能力高于未被PAHs污染的沉积物中的微生物。Field等[50]研究发现12种能降解蒽和苯并芘的白腐真菌，但不同的菌株对PAHs降解能力不同，并且其转化产物也不同。有的只能将PAHs转化为中间产物，而有的可将PAHs彻底去除。Gramss等[51]在利用不同真菌氧化PAHs实验中发现，荧蒽可被外生菌根真菌氧化。

2.2.2 PAHs与有机质的共代谢 高环的PAHs稳定性较高，其生物可利用性与苯环数呈负相关[52]。高分子量的PAHs，由于化学结构较复杂，且在水体中溶解度较低，故很难被微生物利用[53]。因此，以共代谢方式对四环及以上的PAHs进行降解去除[54]。共代谢是指在有其他碳源和能源存在的条件下微生物酶活性增强，降解非生长基质的效率提高[55]。微生物通过酶催化作用降解某些能够维持自身生长的物质时，同时降解某些非微生物生长的必需物质[56]。利用易于被微生物利用的底物来维持PAHs降解菌的生长，通过降解菌的大量生长繁殖可以提高对PAHs的降解率[57]。

William等[58]发现拜叶林克氏菌属不能利用苯并蒽作为唯一碳源和能源生长，但在有联苯、水杨酸存在下，该菌可以氧化苯并蒽，水杨酸的存在能提高假单胞菌降解荧蒽和苯并芘的能力。Kanaly等[59]将苯并芘和原油混合后投入清洁土壤，用土著微生物进行降解，将苯并芘的降解解释为共代谢氧化和随后的一些烃类降解菌的混合体代谢作用的结果。

3 植物-微生物联合修复PAHs污染环境

3.1 植物-微生物联合修复PAHs污染环境

植物-微生物联合修复是生物修复研究的新领域[60]。植物-微生物联合修复技术去除PAHs的机理主要是通过根际分泌物刺激根际特定微生物功能群落数量的增加以及共代谢作用达到降解修复效果[61-62]。孙铁珩等[63]利用苜蓿草修复PAHs，发现种植苜蓿草后土壤微生物对PAHs的降解率提高了2.0%～4.7%，说明苜蓿草的根系可以提高微生物对PAHs的降解。Chen等[64]利用苜蓿-微生物共同修复PAHs，6个月后降解率达40%。

3.2 根际矿化作用去除PAHs

根系与微生物共同作用构成了独特的微环境——根际，为PAHs的降解提供了作用空间[65-67]。植物根际促进土壤微生物对PAHs的矿化作用[62,68-69]。某些植物根际的菌根真菌与植物形成共生作用，利用其独特的酶途径分解不能被微生物单独转化的PAHs[70]。Binet等[62]研究发现，在受蒽污染的土壤中，菌根化黑麦草的存活率明显提高，菌根化黑麦草根际蒽的降解率也相应提高。Binet、Lyval等研究表明，接种菌根菌后，黑麦草在蒽污染土壤中的存活率提高，并促进了植物生长，在蒽浓度为5 g/kg时，只有菌根化植物才能存活[62]。

3.3 植物-降解菌强化修复PAHs污染环境

刘魏魏等[71]利用植物-微生物强化修复PAHs污染土壤，在温室盆栽紫花苜蓿，单独或联合接种根菌真菌和PAHs专性降解菌，结果发现：90 d后，种植紫花苜蓿接种菌根真菌、PAHs专性降解菌及其联合修复时，其降解率比紫花苜蓿单独修复PAHs时分别高25.2%、27.8%、39.5%；但是，仅有接种PAHs专性降解菌能够提高高环PAHs的降解率。

3.4 添加表面活性剂强化植物修复PAHs污染环境

添加表面活性剂使PAHs在环境中溶解度增大，从而洗脱土壤颗粒上吸附态PAHs提高其生物可利用性[72]。Li等[73]研究了Tween-80对小麦修复菲污染土壤，发现Tween-80能够通过提高根际系统的微生物活性来明显的提高其降解效率。孙璐等[74]发现水培体系中SDBS-TX100阴-非离子混合表面活性剂能促进黑麦草根对菲和芘的吸收。

4 展 望

环境中PAHs污染形势严峻，从源头减少PAHs的排放，完善生物修复PAHs污染是提高环境质量的有效措施。对于植物修复高分子量的PAHs研究很少，目前处于起始阶段，需要抓紧对修复机理，特别是对植物-微生物联合修复机理及影响因素的研究。对于目前生物修复PAHs还需要开展如下工作：①通过试验发现高效修复PAHs(尤其是高环的)的植物；②建立PAHs污染环境高效降解菌的筛选、分离、驯化的方法体系，促进微生物在PAHs污染修复中的高效利用；③运用现代生物工程技术构建高效降解PAHs的基因工程菌，并摸索其在实际工程应用中的最佳条件；④研究专性降解菌与植物根际共代谢修复PAHs的机理，构建根际环境共代谢生物降解动力学模型。

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Advances in Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Pollution Bio-Redemption

ZHANG Ling-li, XU Hong-ying, GE Jing-li

(Environ't&Secur.Isnt.,TaiyuanUni.ofSci. &Technol.,Taiyuan030024)

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) is a kind of persistent organic pollutants (pops) having serious harm to the environment, and high bio-accumulation, carcinogenicity, toxicity, and difficult to degrade, redemption and control PAHs pollution onto the environment had paid many close attentions by government and scholars both at home and abroad. At present the redemption and the control of the PAHs pollution on soil and waters mainly using chemical, and biological methods. Among them bio-redemption is a kind of high efficient, economic, and ecologically sustainable environmental technology, it has the advantages of low cost, non secondary pollution etc. The authors elaborated the latest advances in bio-redemption of PAHs pollution both at home and abroad from the aspects of phyto-redemption, microbial redemption, as well as plant-microbe joint redemption. And pointed out that bio-redemption of PAHs pollution of environment need further efforts to solve the problems, and prospected the developing trend in the future.

polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs); bio-redemption;microbial degradation; biological availability

山西省科技攻关项目(20120313011-2)；山西省水利厅科技研究与推广项目(2015SHJ3)

张灵利 女，硕士研究生。研究方向为环境生物技术。E-mail：378147178@qq.com

* 通讯作者。女，博士，研究员。研究方向为环境生物技术。E-mail：420945396@qq.com

2015-08-31；

2015-10-21

Q93-33;X172

A

1005-7021(2016)02-0081-06

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.02.014