多环芳烃污染修复的影响因素

苑欣然，白 月，齐小辉

(大连民族大学 生命科学学院，辽宁 大连116600)

1 引言

多环芳烃(PAHs)是一类具有持久性、生物累积性的有机污染物，其分子中含有两个或两个以上的苯环结构，广泛存在于土壤、海洋等自然环境中，对人类健康及生态系统具有潜在危害。随着石油污染的日益严重，对石油组分中更难于降解的多环芳烃的污染修复成为很多研究者关注的热点。目前对多环芳烃生物修复效果的研究绝大部分在实验室开展。然而，实际的污染治理效果则取决于污染环境是否适合石油降解微生物的生长以及是否允许相关酶有效表达以实现将污染物特别是多环芳烃分解转化为小分子的无毒无害物质。众多的生物和非生物因素如微生物的降解特性、p H值、养分有效性和污染物的生物利用度等在不同污染区域相差甚远，这些因素或抑制或促进石油降解微生物的生长，将显著影响多环芳烃的原位修复[1]。以下主要总结了微生物属性、表面活性剂、营养成分、共代谢基质添加、p H值等几个关键环境因素对多环芳烃降解的影响特征，为多环芳烃污染的原位修复提供理论指导。

2 微生物属性

微生物在多环芳烃污染位点的修复过程中起着决定性的作用。由于多环芳烃是一系列的含苯环结构的烃类物质的混合体，因此很难有一种微生物是能够同时有效的降解这一类污染物质的。因此，针对不同的污染环境可以分别或混合使用能够对多环芳烃中的特定底物具有高效降解效率的微生物种属进行污染修复。表1中列出了厌氧环境下已分离得到的常见的多环芳烃降解菌株，供研究者选择使用。

表1 降解多环芳烃的厌氧微生物

3 表面活性剂

表面活性剂在增强生物修复过程中占有重要地位，主要利用自身的分子结构发挥作用。表面活性剂具有两亲性，一端是亲水基团即极性基团；另一端为疏水基团即非极性烃。在研究中，直接向培养体系中加入表面活性剂，使其与多环芳烃混合。表面活性剂溶解后，降低了水表面张力，提高了有机污染物的溶解度，从而加强了微生物的降解效率[9]。已知的五种常见的表面活性剂有：非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、混合型表面活性剂及生物表面活性剂。然而，研究者在使用单一表面活性剂对多环芳烃进行讲解时遇到诸多困惑，同时为了减少环境因素(如：温度、硬度、盐度及p H值)对单一表面活性剂使用的影响，人们提出使用混合型表面活性剂以提高修复效率、并减少成本。Zhao等[10]研究了阴离子(十二烷基硫酸钠)—非离子表面活性剂(TW80，TX100和Brij35)混合使用对菲的增溶、解析、生物降解作用的影响，结果表明混合表面活性剂相比于单一表面活性剂而言，临界胶束浓度降低，使用量减少，菲的溶解度和降解率大幅增加。此外，生物表面活性剂则因选择性广、绿色环保、表面活性高、乳化能力及专一性更强、廉价易得等特点成为最新的环境友好型表面活性剂。刘魏魏等[11]研究了鼠李糖对多环芳烃降解效率的影响，发现该生物表面活性剂的添加能够明显促进多种类型多环芳烃的降解率，其中三环类物质的降解率提高了50.63%，四环、五环、六环类物质的降解率分别提高了41.69%、26.02%和25.92%。

4 营养成分

微生物降解多环芳烃的活性与营养成分特别是污染场地中匮乏的氮元素和磷元素息息相关。微生物自身需要矿物质元素氮磷钾促进新陈代谢和生长繁殖。在污染位点，因污染物的存在，有机碳含量迅速增加，微生物代谢过程中，有效营养成分(氮、磷)迅速枯竭。应对此现象的方法是向污染场地添加氮磷盐以刺激原位微生物群落，加强生物修复。多环芳烃降解所需的营养水平与其它有机污染物降解相类似。迄今为止，主要研究了营养成分对土壤或沉积物中多环芳烃降解的影响。结果表明：氮磷的添加大大提高了多环芳烃的降解率。例如Betancur－Galvis等人[12]的研究报道，培养环境在经过氮磷源修正后，菲的降解率提高了25倍之多。其添加比例应遵循微生物自身生长的需求并根据待修复环境的 特性而相应调整。

5 共代谢基质添加

高分子量多环芳烃因自身的结构特性在环境中较稳定，被列入难降解物行列。在自然界中能矿化四环以上的多环芳烃并以其为唯一碳源和能源的微生物较少。共代谢方式的引入不仅可加强低分子量多环芳烃的降解效果，对高分子量的多环芳烃的矿化也有一定的促进作用。已有相当数量的物质可作为共基质降解多环芳烃。例如：醋酸、乳酸、腐植酸、纤维素、葡萄糖、蛋白胨、甲醇、乙醇、酵母提取物等。Ortiz[13]在降解菲的体系中添加了另一种底物甲苯，甲苯的溶解度较高可诱导活化酶参与目标基质菲的退化。易降解基质可以直接增加修复位点的生物量，从而提高生物的修复作用。此外，低分子量多环芳烃通常被用作基质去降解高分子量多环芳烃。例如，Kim[14]的报道：洋葱伯克霍尔德菌2A－12不可降解芘，但在补充辅助底物萘时，却能降解。其它基质的补给也间接的更改了碳氮比，并趋向于参与中间多环芳烃降解酶的活动。微生物共基质作用的发生的原因有①靠降解其它有机物提供能源；②靠其它微生物协同作用，而当这些菌各自单独存在时却不起作用；③先经别的物质诱导才产生相关酶系，进而降解相应化合物。

6 p H值

影响多环芳烃生物降解活性的另一重要因素是土壤和沉积物等污染环境的p H值。p H值可能会影响养分、污染物的溶解性以及生物利用度。绝大多数细菌表现出的最佳生长条件近中性，大多数实验室研究的生物降解的p H值范围也为5.0－9.0。Wong[15]的报道中提出：氨醇单细胞对生长基质中的p H非常敏感，在5.2和7两个值处降解菲的能力差别很大。Kim[14]的报道也指出了相同的现象，p H的微小变化可大大影响多环芳烃的降解，一个单位的p H值可使菲的降解率改变4倍之多。

7 其它因素

除上述因素外，众多学者也对盐度、温度、沉积物粒度等影响因子进行了研究。一些文章关注了盐对烃降解的影响。有人提出高浓度盐会抑制非嗜盐微生物的生长，表现的抑制效应主要包括：滞后时间加长、利用速率减慢、矿化程度降低。由此可见，盐在微生物的培养过程中提供了意想不到的平衡。温度则在很大程度上影响着原位微生物降解多环芳烃的能力。多环芳烃的溶解度随温度的上升而增加，生物利用度也伴随上升。因此，即使多环芳烃的降解可能发生在很宽的温度范围之间，却存在最佳温度值。

8 结语

影响多环芳烃讲解的因素有很多，特别是在实际污染修复过程中，多环芳烃降解菌和环境因素都起到决定性的作用。微生物自身活性的高低是决定降解效率的关键因素，而是否能够实现理想的修复效果与降解菌在污染环境中存在的数量、生长特性和多环芳烃降解能力息息相关。同时，降解菌的活性更受环境因子的影响，如电子受体、营养盐、温度、p H值等都是影响降解菌生长代谢的重要因素。因此，在研究多环芳烃污染修复的过程中，应充分考虑各因素之间的协同作用，为更清晰地了解和提高多环芳烃的污染修复提供有力证据。