石油污染土壤的微生物修复技术

李 杨，李凡修

（长江大学 化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023）

近年来，随着石油工业的飞速发展，石油造成的土壤污染日益加剧，其中原油遗撒、含油污水的不达标排放成为主要污染途径。研究表明，石油污染土壤中的有害物质不仅会导致地表水和地下水的污染问题，还会通过食物链转移到动植物体内，最终到达人体，危害人体健康［1］。因此，对石油污染土壤的修复治理迫在眉睫。石油污染土壤常用的修复方法有物理法、化学法和微生物法等，但前两者都存在着成本高、操作繁琐、后期处理复杂的缺陷，而微生物法则以其成本低廉、操作便捷、高效环保的优势在该领域得到更广泛的运用［2］。

本文分析了微生物的种类、土壤及石油类物质的理化性质对石油污染土壤修复效果的影响，概述了微生物修复石油污染土壤的技术特点和研究进展，探讨了新技术的发展趋势，以期为修复石油污染土壤提供理论基础和研究方向。

1 微生物修复石油污染土壤的影响因素

所谓微生物修复石油污染土壤技术，是指通过人工措施为外源微生物和土著微生物提供有利的生存环境，从而提高石油污染物的降解率，恢复污染土壤的正常生态功能［3］。通常情况下，微生物降解石油污染物主要是通过好氧呼吸来完成的，即通过氧化还原、脱羧、脱氨、脱水等一系列的生化反应完成降解过程［4］，见图1。

图1 微生物对石油污染物的降解过程

在石油污染土壤的修复过程中，影响土壤修复效果的关键因素有微生物的种类、土壤和石油类物质的理化性质等。

1.1 微生物种类对土壤修复效果的影响

据研究发现，可以降解石油污染物的微生物约有100多个属、200多种，按其作用主要分为两大类：一类为假单孢菌属（Pseudomouas sp.）、节核细菌属（Arthrobacter sp.）、产碱杆菌属（Alcaligeues sp.）及无色杆菌属（Achromobacter sp.）等细菌，可以显著提高石油污染物的降解率；另一类为木霉属（Richoderma sp.）、青霉属（Peuicillium sp.）及曲霉属（Aspergillus sp.）等真菌，可一定程度促进石油污染物的降解［5-6］。

微生物必需满足生物酶活性高、降解速率快、适应性强且可维持一定的微生物量等要求，才能在修复污染土壤过程中体现应用价值。土著微生物、外源微生物及基因工程菌（GEM）均应满足以上条件。韩慧龙等［7-8］的实验结果表明，相对于单一菌种，在复合菌剂的协同共代谢作用下，石油污染物的降解更为彻底。

1.2 土壤和石油类物质的理化性质对土壤修复效果的影响

土壤的理化性质如pH、温度、湿度、含氧量和营养物质等会影响石油污染物的降解效果。据研究证实，降解石油污染物适宜的pH为6.0～8.0、温度为15～30 ℃、土壤湿度为70%～80%［9-11］。石油污染物的理化性质对其可生化性起到决定性作用。有研究结果表明：最难降解的是C22以上的石油烃，大部分的微生物都很难将其氧化降解；其次是C1～C6的石油烃；C10～C22的石油烃是最容易被降解的［12］。不同石油类物质的降解速率大小顺序为：直链烷烃＞支链烷烃＞低分子量芳香烃＞多环芳烃，而最难被微生物氧化降解的是胶质和沥青质［13］。

2 石油污染土壤的微生物修复技术

原位修复和异位修复是土壤修复的两种主要方法。原位修复即在污染现场和容易残留的区域进行修复，其修复方法主要包括生物刺激、生物强化、固定化微生物、植物-微生物联合修复以及电动-微生物联合修复等技术，成本较低，应用广泛；异位修复一般将受污染土壤转移至生物反应器内或合适地点，其修复方法主要包括预制床法、土壤堆肥法、生物反应器法等。但由于异位修复成本较高，只适用于小范围受严重污染的土壤［13］。

2.1 生物刺激技术

在人工优化的环境条件下激活土壤中的土著菌，使之更好地生长代谢，从而提高石油污染物的降解效率，这一技术被称为生物刺激技术［14］。Atagana等［15-16］研究发现，在通气的情况下可促进土壤中低分子量烷烃的挥发和土著菌对高分子量烷烃的氧化降解。不同生物刺激技术对石油降解率的提高效果见表1。由表1可见，相对于自然衰减，不同的生物刺激手段如通气、添加电子受体及营养物质等能够不同程度地提高石油污染物的降解效率。不存在二次污染、操作便捷是生物刺激技术的优势所在，但由于土著菌种数量较少，总体上生长代谢速率较慢，对石油类污染物的降解率不高。

表1 不同生物刺激技术对石油降解率的提高效果

2.2 生物强化技术

生物强化技术是将高效降解菌经驯化后接种到受污染土壤中，在优化微生物环境的前提下可显著促进石油类物质分解的一种技术［24］。该技术具有高效降解菌种适应性强的特点，能够克服生物刺激技术本身的局限性［25］。不同生物强化技术对石油降解率的影响见表2。由表2可见，在同等的土壤环境条件下，接种高效降解菌可以明显增强土壤修复效果。虽然该技术对石油污染物的降解效果明显，但极易受到土壤理化性质和环境条件的影响，在石油污染土壤修复的应用上具有局限作用［26］。因此，如何增强微生物的降解能力，探讨更高效的生物强化措施，将会成为未来研究发展的热点问题。

表2 不同生物强化技术对石油降解率的影响

2.3 固定化微生物技术

利用物理或化学方法将处于游离状态的微生物或酶固定在适当的载体中，通过增加微生物的浓度和控制生化反应稳定性来达到强化土壤修复效果的目的，这一技术被称之为固定化微生物技术［33-34］。该技术的优点在于固定化后容易控制降解反应条件，固定载体亦可循环利用，其中SiO2、花生壳粉末、天然有机材料以及活性炭等都是性能优良的可回收固定载体。不同固定化微生物技术对石油降解率的影响见表3。由表3可见，固定化微生物对石油污染物的降解程度显著高于在生物刺激或生物强化条件下游离态微生物对石油污染物的降解程度。现阶段面临的主要困境是载体材料的残留可能会引发一系列的环境问题。因此，未来的研究重点应该放在以下三个方面：1）安全环保、稳定性好、价廉易得的新型固定化载体；2）高浓度、高活性微生物的固定方法；3）载体材料的环境风险体系的评估等。

表3 不同固定化微生物技术对石油降解率的影响

2.4 植物-微生物联合技术

通过植物和微生物两者之间的互利作用，增强植物根际对石油类物质的吸收氧化降解程度的技术，称之为植物-微生物联合修复技术［40］。在石油含量较低、不足以维持大量微生物生长繁殖需要的情况下，普通微生物修复技术的使用常常受到很大限制［41］。植物吸收的氧气和根际分泌的化学物质或酶可增强微生物的分解代谢活动，同时微生物的共代谢作用也在一定程度上提高了植物对石油化合物的吸收利用效率［42-43］，因此，植物-微生物联合修复技术结合两者各自的优势，使得污染土壤修复效果得到增强。不同植物-微生物联合技术对石油降解率的影响见表4。由表4可见，在同等的土壤环境条件下，植物和微生物的联合修复效果显著优于单一的植物或微生物修复效果。植物-微生物联合修复技术存在的主要问题：植物修复土壤范围有限；植物生长易受环境因素限制；单一植物品种的修复效果并不理想；回收植物需妥善处理等［44］。因此，未来的研究应该放在以下三个重点方向：1）研究微生物和植物共同作用的反应调控因素和修复原理；2）通过对植物进行基因修饰，选育高效修复植物，增强植物的环境适应性；3）改进工艺，优化植物品种以及植物和微生物间的有效搭配。

表4 不同植物-微生物联合技术对石油降解率的影响

2.5 电动-微生物联合技术

研究发现，利用高效降解菌对石油污染物进行降解的同时施加电场，可显著提升石油污染物的降解率［26］。在直流弱电场的作用下，石油污染物可以加速移动，土壤理化性质也得到改善，从而使石油污染物的降解速率得以加快［49］。两种电动-微生物联合技术对石油降解率的影响见表5。由表5可见，在相同的土壤环境条件下，电动-微生物联合技术对污染土壤的修复效果好于单纯投菌或自然衰减。在电动-微生物联合处理的过程中，降解菌的作用机制目前尚不清楚，因此，该技术目前尚停留在室内实验阶段。

表5 两种电动-微生物联合技术对石油降解率的影响

3 结语与展望

污染物的转运和分离是传统土壤修复技术的关键特点，而污染物的降解或消除才是微生物修复技术最为明显的优势。微生物修复技术以其环保安全、高效经济等优势成为当前应用最为普及的土壤修复技术。受环境影响程度较高、修复周期较长以及石油污染物降解不完全等是该技术现阶段面临的关键问题。因此，今后需要在以下几个方面进行技术改进：

1）完善技术，优化工艺，降低成本；

2）利用DNA重组和基因拼接技术培育新型高效的降解菌；

3）优化微生物的环境条件，增强微生物降解效果；

4）探讨物理法或化学法与微生物法的集成技术，开发经济高效的新型修复技术；

5）建立微生物修复技术的评价标准，评估修复手段的环境效应及风险。

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