石油污染土壤的生物修复研究进展

惠云芳，王鸿飞

(陕西延长石油(集团)有限责任公司延安炼油厂，陕西延安 727406)

土壤污染是石油化工企业在生产过程中对环境污染的重要方面，在目前的科学技术水平及管理条件下，这种侵害和污染还不可能完全杜绝。生物修复技术是一种高效、经济、环境友好的修复技术，主要用于对土壤污染和水污染的治理，且以原位修复为主要方式。第一次利用生物修复技术控制污染是美国1972年，用于清除管线泄露的汽油。发生在1989年美国的阿拉斯加海域大面积石油污染事件是生物修复技术的一个里程碑。在石油污染土壤的生物修复方面也有许多成功例子，1992年阿根廷通过施用肥料依靠土壤里面的土著微生物清除700 t油罐的泄露，科威特利用当地植物成功降解泄露石油对大片土壤的污染。随着研究的不断深入和技术革新，对石油污染土壤的处理方法已经由最初的细菌修复拓展到植物修复、微生物修复以及微生物—植物联合修复等多个方面。

1 石油污染土壤的主要特征

据统计，中国有机污染面积大约是0.2亿 hm2，其中石油污染占相当大的比例。石油的主要成分有烷烃、二甲苯、苯、甲苯等多种复杂芳香烃，这些毒性物质进入土壤后难以自然降解，如果随着径流进入周围流域和地下水，会给石化企业周围的生态环境造成持久灾难。随着现代社会对石油开采量和使用量的增加，大量石油类产品流入人居环境及生态环境，不可避免地会对周围环境尤其是土壤环境造成污染。

相关研究表明[1]，采油区土壤污染主要有4种类型，分别是采油井周边落地原油造成的污染、采油废弃物堆放造成的污染、输油管线泄漏造成的污染、采油废水造成的污染。石油污染土壤的主要特征表现为石油类物质越多，堆积时间越长，污染程度越高。在水平方向，石油污染的区域主要在以污染源为中心的30 m以内的土壤。在垂直方向，石油类污染物主要集中在20 cm以内的土壤。石油在土壤中的迁移能力较弱，模拟分析表明，土壤自净作用(吸附和降解等)与污染物的增加量大体持平需要15～20 a[2]。石油进入土壤后会破坏土壤的三相(固、液、气)结构，石油污染物在表层土壤的积累导致土壤物理性状和化学性状发生劣变，进而影响土壤微生物的活动以及植物根系的呼吸和对水分和养分的吸收，最终对植物的生长发育造成严重影响[3]。

石油污染土壤的修复问题由来已久，传统的修复方法主要是化学修复和物理修复。物理修复方法包括换土法、焚烧法和固化隔离法。换土法费工费时且不能有效去除污染物，焚烧法会产生二次污染，固化隔离法未能永久处理石油污染物。化学修复方法包括氧化法、洗涤法、萃取法，研究比较多的是洗涤法。化学修复依旧存在修复不彻底，修复剂回收困难，以及对土壤产生的二次污染问题。生物修复与物理和化学修复相比，最突出的优点是成本低，对环境的扰动性低，被誉为新世纪最有前景的修复技术。也是最适合中国国情的石油污染土壤修复技术。

2 石油土壤污染的生物修复

2.1 微生物修复技术

在石油污染土壤的生物修复技术中，微生物修复是研究最多应用最广泛的一种修复技术。微生物修复技术的原理是利用土壤中原有的土著菌或在污染土壤中接种人工选育的高效降解菌，同时给予优化的环境条件，以加速石油污染物的降解。

在石油污染土壤的微生物影响因素、降解原理、降解菌筛选等方面，国内外学者进行大量研究[4-19]。徐金兰等[20]采用连续富集筛选的方法，从石油污染土壤获得7株可高效降解石油的菌株，研究结果表明这些菌株对石油烃的降解速率高于当时已有报道。到目前为止，已知能降解石油中各种烃类的微生物大约有100余属200多种，分别属于细菌、霉菌、放线菌、酵母以及藻类。在土壤和水中普遍存在降解烃的微生物，降解烃的微生物通常仅占微生物群落总数不到1%，在有石油污染物存在时，降解菌的比例可提高到10%[21]。大部分学者认为在分解原油方面细菌比真菌和放线菌容易，但是也有研究表明真菌的降解效果比细菌好[22]。土壤石油生物降解最基础的微生物是细菌和真菌，有些放线菌也表现出对烃的降解能力，但是放线菌很难在污染土壤微生物菌落中取得竞争优势[23]。另外藻类和原生动物的降解能力比较弱，文献报道也少。微生物修复的效果主要取决于微生物在污染土壤中能否存活、能否占据优势、能否发挥足够的生物活性，微生物生长限制因子包括与其他微生物的竞争以及特定土壤的其他环境条件等[24]。

饱和烃是石油组分中最容易降解的，其次是低分子量的芳香烃，最难降解的是高分子量的芳香烃、胶质和沥青质。研究表明，利用筛选出来的特定细菌对石油类物质的共代谢作用，可有效去除某些难降解有机物，包括高分子芳香烃[25]。另外通过改善土壤环境条件也可以提高微生物的活性，从而加速石油类物质的降解[26-27]。影响微生物活动的因素包括土壤温度、土壤pH值、土壤含水量、土壤氧气含量以及土壤营养物质及微量元素等。微生物降解石油类物质的最适宜条件一般为pH 6～8、表层土壤温度15～30 ℃、空气相对湿度70%～80%，营养物质比例C∶N∶P=25∶1∶0.5[28]。解决高寒、高热等特殊地区石油污染的生物修复问题，可以利用现代生物技术以获取适应极端条件的优良菌株，也可以采用基因工程技术把降解污染物酶的基因转到土著微生物中，以构建适应性更强的超级工程菌，目前转基因菌的环境安全问题仍然存在比较多的争议[10-11]。

2.2 植物修复技术

植物修复技术被称为廉价的绿色修复技术，具有安全环保等独特优点，恰当使用植物修复技术还可以产生一定的经济效益和景观效果。土壤表面覆盖植物以后可阻止污染物向大气释放，同时也减少污染物的地下渗透和表面径流，部分植物具有同时吸收多种污染物的功能，如坡柳(Salixmyrtillacea)能同时吸收土壤中的有机物和重金属[11]。植物修复比较适合修复面积较大、污染物浓度比较低的石油污染土壤。另外通过基因工程技术可以提高植物的降解能力和适应能力。植物对污染土壤的修复技术是一个前沿领域，具有广阔应用前景。

植物对有机污染土壤的生物修复机制包括对有机污染物的直接吸收、根系生理生化过程中释放的分泌物对有机污染物的生物降解以及根际微生物的矿化作用等方面。植物修复也可以通过根系对土壤物理性状的改良，从而提高对污染物降解的效率。现有研究结果表明，杨树(Populustomentosa)、坡柳(Salixmyrtillacea)、紫花苜蓿(Medicagosativa)等植物在修复土壤中烷烃和单环芳香烃的效果比较显著[29-31]。杨柳科尤其是杨属植物，可以有效去除土壤中的有机污染物[32]。紫花苜蓿经过基因改良后可以忍耐高浓度原油污染[30]。三叶草(Trifoliumrepens)、大豆(Glycinemax)、苜蓿(Medicagosativa)等草本植物降解土壤有机污染物的效果比较显著[33-34]。植物降解微生物的机理有两个方面：一个方面是植物根系的根际效应使根际微生物的数量增加，另一方面是植物根际分泌物为微生物代谢提供底物。在石油污染的土壤上大量种植对石油类物质具有耐受性的植被，结合施用有机堆肥和微肥，加速土壤中石油类物质降解。

植物修复技术是石油污染土壤生物修复技术中最安全、最实用、最经济的处理技术，该技术的关键环节是针对不同的污染土壤，筛选最适宜的植物。植物修复技术适应于修复表层土壤的污染，目前筛选出来的植物有蓖麻(Ricinuscommunis) 、猪毛菜(Salsolanitraria)、芦苇(Phragmitesaustralis) 、蒺藜(Tribulusterrester) 、虎尾草(Chlorisvirgata)、羊茅(Festucaovina)、旋花(Convolvulusammannii)、苍耳(Xanthiumsibiricum)等[25,35-40]。植物对污染物的同化和积累能力是植物修复效果的关键因子，影响植物同化积累能力的因素比较多，除与植物遗传特性有关外，还与植物年龄、根系发育状况以及植物的生物量有关，特别是植物根系根毛的多少及根瘤的有无,一般来说根系发达的植物在对石油产品等有机污染物的吸附和降解能力方面比较显著[41]。此外用于污染修复的植物还必须具备生长快、抗性强等特点。

2.3 植物—微生物联合修复技术

植物—微生物联合修复技术是通过植物与菌根真菌或根际菌群协同作用增强对污染物的吸收和降解效果，关于这方面的研究不是很多[42-46]。已有研究结果表明，紫花苜蓿(Medicagosativa)根系微生物与根际分泌物互作，对土壤有机物的降解效果明显增强[46]；利用坡柳(Salixmyrtillacea)修复柴油污染土壤的研究结果表明，植物—微生物联合修复机制主要是利用植物根系的根际微生物来促进对石油烃的降解[47]；用实验室筛选出来的高效石油降解菌，结合三叶草(Trifoliumrepens) 和大豆(Glycinemax)等植物自身的根系分泌物，对石油污染土壤中石油烃的降解率达到63.65%～83.26%，根际土壤的石油烃含量明显低于非根际土壤，说明植物—微生物联合修复技术能增强根际微生物数量和活性，从而加速对污染物的分解和转化，进而提高修复效率[48]。

植物根系与真菌可以形成具备共生关系的菌根，菌根扩大根系物理分布空间和根际微生物的种类和数量，从而显著提高植物的修复效率。相关研究表明，云杉根系的菌根真菌能在其根部形成一个石油富集区，从而加速对石油的降解[49]；给三叶草、黑麦草、玉米和韭菜接种菌根菌，可以增强这些植物对污染物的吸收效率和矿化率以及对有机污染物的降解率，同时也能能增强寄主植物对养分和水分的吸收，从而提高其抗逆性[50]；外生菌根真菌在高浓度柴油污染的土壤里面仍然可侵染植物形成菌根，而且菌根化以后的植物在抗干旱抗低温方面的能力会显著增强；接种外生菌根真菌的蓖麻(Ricinuscommunis)、大豆(Glycinemax)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、万寿菊(Tageteserecta) 等植物，其降解土壤污染物的效果会明显提高[51]。

上述研究表明，如果能够选择适宜的植物与微生物形成协同互作，就可以实现对污染土壤的快速修复。但是要达到预期效果，需要对污染物、植物以及微生物三者的作用关系深入了解，植物—微生物联合修复同样也受到土壤温度、土壤水分、营养状况等环境因子的影响，虽然目前许多研究仍然处于试验阶段，但是可以相信微生物—植物联合修复技术将是今后污染土壤治理的一个有潜力的发展方向。

2.4 生态堆技术和微生物燃料电池(MFCs)技术

生态堆技术是在一定的设备构架内将污染土壤与降解菌剂、缓释肥剂、堆肥制剂等分层或混合堆积，在可检测且可控制的空间环境下实现对污染土壤修复的技术。该技术主要是为解决外源微生物在实际修复环境下的不规律波动及难以存活问题，给石油降解微生物的代谢繁殖提供良好微环境[52]。在石油污染的土壤微生物修复过程中，由于外源微生物容易受到污染体系温度、水含量、pH、营养物质供给因素的不规律波动以及土著微生物的竞争作用而失去降解能力；另一方面，当地气候环境也会影响外源微生物在石油污染地的生长，这些因素制约着生物强化技术的应用，致使许多土壤微生物修复技术停留在实验室阶段[53]。

吴蔓莉等[54]利用有机堆肥作为固体培养基对降解菌进行扩大培养，将获得的降解菌堆肥制剂施入油污土壤中进行修复研究，结果表明在低温条件下向石油污染土壤中施入降解菌堆肥制剂可提高土壤中的石油烃去除率，并使土壤微生物群落结构发生明显变化。张强等[55]通过添加海藻酸钠包埋菌剂、缓释肥料，并辅以通风工艺及浇水设备建立修复石油污染土壤的生态堆，对胜利油田一处油泥暂存点的石油污染土壤进行生态堆修复，结果表明生态堆技术对石油污染土壤中的脂肪烃及多环芳烃的降解具有一定效果。缓释肥料及包埋菌剂的添加以及生态堆顶部植物的种植，使生态堆内的环境条件保持较为稳定状态，且整个修复过程中降解菌的数量一直保持较高水平。

微生物燃料电池(MFCs)是近十几年来迅速发展起来的一种直接将生物能转化为电能的新兴技术[56]。土壤中的石油是一种成分复杂的有机污染物，其在缺氧或厌氧的土壤环境中降解效率通常较低，土壤MFCs的构建对于石油污染土壤的修复提供一种较有前景的原位修复技术。

Wang等[57]首次将此技术应用于石油污染土壤的修复研究，试验结果表明靠近阳极的石油烃的降解速度有所提高。Li等[58]通过向土壤MFC添加外加碳源显著提高MFCs降解盐碱地中石油烃的效率，该研究为从土壤贫瘠地区或极端环境去除污染物提供一种有效方法。近年来国内外许多学者[59-65]通过构建MFCs进行石油污染土壤的降解修复研究，其研究结果均证明MFCs可极大促进土壤中石油污染物的原位降解。

3 结论与展望

石油污染土壤的生物修复技术主要包括微生物修复、植物修复和微生物—植物联合修复，其中微生物修复技术是目前石油污染土壤修复的主流技术，微生物修复技术存在的主要问题是实验室环境下筛选驯化的高效优势微生物菌株在实际污染的土壤环境中不能完全发挥其有效活性。植物修复是石油污染土壤修复的补充，来源于对根际微环境的研究成果，技术关键是筛选具有增生扩散能力的高效修复植物。微生物—植物联合修复兼具微生物修复和植物修复的优点，从生态系统物质循环的理念出发，遵循植物微生物共存的自然规律，从自然生态角度解决石油污染土壤的问题。生态堆技术依然体现环境的自然生态规律，主要针对微生物修复油污土壤过程中降解菌菌落数量及活性维持问题。微生物燃料电池是新兴技术在污染土壤修复领域的应用尝试，近年来关于这方面的研究引起众多学者关注，部分实验室研究成果表现出比较满意的效果，但是要投入到实际应用，仍然需要进一步研究和探索。

从石油污染土壤的生物修复发展历程来看，起初主要集中在微生物修复技术的研究，随后引入植物修复和微生物—植物联合修复技术，以及后来出现的生物堆技术和微生物燃料电池技术。石油污染土壤生物修复的原理是通过微生物的降解作用或者植物根系的吸收作用清除、转化或减少土壤中的石油污染物。基于此理念，今后关于石油污染土壤的修复建议从以下方面开展深入研究。首先要搞清楚遭受石油类物质污染的土壤中最主要的污染物，污染物可能会随污染源、地域及时间的不同而出现变化。其次针对特定的污染物筛选可以有效吸收污染物的植物或者有效降解污染物的微生物，重点解决修复的高效性问题，为此需要借鉴根际微环境研究成果，引入自然生态学理念。第三要警惕生物修复过程中可能给环境造成的二次污染以及目前还无法预测的其他生态灾难。

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