地下水中多环芳烃有机污染物的微生物修复研究进展

徐 莹， 魏 欣, 李 美

(中海环境科技(上海)股份有限公司， 上海 200135)

1 多环芳烃概述

多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)是指由2个或2个以上苯环以线状、角状或簇状排列形成的稠环碳氢化合物，其中具有4个或4个以上苯环的PAHs称为高分子量多环芳烃(High Molecular Weight-PAHs，HMW-PAHs)。PAHs因具有低水溶性、低挥发性和难生物降解性而被列为持久性有机污染物，具有较强的致癌性、致突变性和致畸性[1-2]，同时对微生物的生长有较强的抑制作用和光致毒性。鉴于PAHs会对人类的健康和生态系统的平衡造成巨大威胁，美国环保局于19世纪80年代开始将16组不带分支的PAHs列入优先污染物名单中，其中荧蒽、苯并[a]芘等被列入到我国环境优先污染物黑名单中。PAHs的污染修复问题逐渐成为国内外研究的热点[3]。

2 PAHs环境污染

PAHs主要是在煤、石油等有机高分子化合物燃烧或热解过程中产生的,其来源可分为自然源和人为源，其中:自然源主要包括有生物合成、森林和草原大火及火山活动等[4]；人为源主要包括人类活动、化石燃料燃烧和石化产品生产、加工、运输及由此引发的泄漏事故等。PAHs普遍存在于空气、水体和土壤中，并在环境中不断扩散和转化，最终大部分累积在土壤和水体沉积物中。

地下水中的PAHs主要来自于地表污染水体对地下水的渗透或补给、污水灌溉、污染土壤的淋滤和固体废物处理场地的污水下渗等。根据我国海洋沉积物质量标准，我国多处河段的PAHs含量都严重超标，如在沈阳市细河流域地下水、新民市浑河流域地下水和太湖平原浅层地下水中相继检测出含量不等的PAHs[5]。地下水污染具有过程缓慢、不易发现和难以治理等特点，因此针对地下水中PAHs有机污染物开展环境修复研究，对于保证农产品安全和人类健康而言具有重要的意义。

3 PAHs环境污染修复

土壤是PAHs在自然环境中迁移、转化的站点,当前主要采用物理修复、化学修复、生物修复和化学与生物相结合修复等方式对土壤遭受的PAHs污染进行修复。物理修复通常是指采用客土或翻土、汽提、热解吸、焚烧和填埋等方法去除或固定土壤中的污染物[6]。化学修复通常是指基于化学反应机制，通过向土体注入表面活性剂等增效试剂来增强PAHs等有机污染物的水溶性和扩散性，从而有效促使污染物迁出土体，降低其迁入其他环境介质中的能力。生物修复包括微生物修复、植物修复和植物-微生物联合修复等3种。治理地下水中的PAHs等有机污染的方法主要有抽出处理法、原位反应墙法和生物治理法等[7]。

1) 抽出处理法是通过抽取含水层中地下水面附近的地下水，将浮于水面的有机污染物带回地表，采用地表污水处理技术去除地下水中的有机污染物;

2) 原位反应墙法是指在地下水治理中沿垂直地下水流的方向人工构筑一堵具有还原性的反应墙，当地下水流通过反应墙时，反应墙中填充的还原性物质与污染羽流中的有机污染物发生物理反应、化学反应或生物反应,从而达到降解有机污染物的目的;

3) 生物治理法即生物修复法，其原理与土壤中的微生物修复方法的原理相同。

在PAHs有机污染修复治理方法中，生物修复研究得到国内外相关学者的普遍关注。生物修复具有成本低、处理效果好、操作简便和无二次污染等特点，从20世纪80年代开始大规模应用于环境治理中[8]。

4 PAHs微生物修复影响因素

PAHs微生物修复的基本原理是利用土壤或地下水中天然的微生物资源,或利用人为驯化筛选的目的菌株,或把构建的特异降解功能菌投加到被污染的土壤或地下水中，将滞留在水体土壤中的PAHs快速降解为无害的物质，使土壤和地下水恢复其天然的功能[8]。

目前采用的PAHs微生物修复方法通常是在被PAHs污染的环境中通过人工富集培养，分离得到一些降解性能较好的菌株，但不同菌种对不同PAHs及其转化物的降解能力是不同的。PAHs的生物降解性与所含苯环的数量密切相关，苯环的数量越多越难降解，小分子PAHs较易降解。

微生物降解PAHs一般有2种方式[7]，即:将PAHs作为唯一碳源和能源，对于土壤中3环以下的低分子量PAHs类化合物，一般采用这种方式；将PAHs与其他有机物共代谢，对于土壤中4环或4环以上的高分子量PAHs,一般采用这种方式。

微生物对有机污染物的降解与微生物的代谢活性有一定关系，而生长环境不同又会使微生物的代谢活性有所不同。研究结果表明，微生物的种类、数量、温度和土壤特性等对微生物降解有机污染物均有一定的影响[9]。相比微生物对有机污染物的降解，土著微生物对有机污染物的降解具有潜力大、成本低和环境友好等优点，但通过土著微生物进行系统内在修复的过程一般比较慢，难以得到实际价值。在此情况下，微生物强化修复技术得到应用与发展，即通过采取人工强化措施，充分发挥微生物的降解作用，有效去除土壤或地下水中的有机污染物。此外，利用土著微生物强化修复PAHs污染土壤也是土壤修复的途径之一。

微生物对PAHs的降解过程可通过多种方法进行强化，如改变土壤或地下水的理化条件(温度、湿度、pH值等)、通气及添加营养物、使用生物表面活性剂和接种经特殊驯化构建的工程微生物等[9-10]。近年来，针对土壤或地下水PAHs生物强化修复技术的研究已取得一些成果，在实际现场修复中形成了几种工程手段，如引入其他微生物、使用表面活性剂、外加营养盐和电子受体、采用合成基因工程菌系技术和采用植物-微生物联合修复技术等[11]。

5 HMW-PAHs的污染微生物降解

虽然自然界中广泛存在能降解PAHs的微生物，但HMW-PAHs难以降解。由于HMW-PAHs具有高稳定性，土壤中很少有能直接降解HMW-PAHs的微生物，因此绝大多数HMW-PAHs的降解都是以共代谢的方式进行的。研究发现，一些分枝杆菌属、红球菌属、诺卡氏菌属、Burkholderia属[12]和Stenotrophomonas属[13]的细菌能降解HMW-PAHs，海洋中特有的一种解环菌能在菲存在的条件下共代谢荧蒽和芘。

由于一种能降解石油的微生物往往只对石油中某种特定的组分具有较强的降解能力，因此需通过多种石油烃降解菌协同来完成对石油污染物的降解，这种具有协同降解作用的微生物群称为同生菌群[14]。研究结果[15]表明，通过添加外源菌种可显著加快土著菌种对土壤的修复过程，但外源菌种与土著菌种之间是否存在拮抗或协同作用机制有待进一步研究。大多数石油烃类污染物都具有疏水性, 可强烈吸附在土壤上, 这是生物代谢降解存在的主要问题，为不同介质地下水中HMW-PAHs有机污染物的微生物修复提供了研究机制。

徐莹[16]从原油污染土壤中筛选出能以荧蒽和芘为碳源和能源进行生长繁殖的混合菌群，并从活性淤泥中筛选出人工驯化之后能以芘为碳源和能源进行生长繁殖的荧蒽降解菌[17]，通过对比两者在不同降解体系下对目标污染物荧蒽和芘的降解效果，研究其降解荧蒽和芘的生物因子和非生物因子影响因素，为开展地下水中HMW-PAHs有机污染物的微生物修复提供一定的理论依据和基础数据。

6 研究展望

综合现阶段地下水中PAHs有机污染物微生物修复方面的研究进展，未来应重点关注以下几个方面的内容：

1) 基于微生物降解机理，筛选或培育不同菌属微生物降解PAHs的最适宜环境条件，如环境因素和相关工艺过程参数等，从而提高微生物的降解效率;

2) 加强对微生物降解PAHs的降解机理和主要控速步骤的研究，构建合理的微生物降解动力学模型;

3) 加强对混合菌群共代谢机制的研究，尤其加强对HMW-PAHs降解机制和在共代谢降解过程中存在的协同、促进或抑制作用的研究;

4) 完善不同介质地下水中PAHs污染的微生物修复系统，为微生物修复在石油污染场地调查和修复方面的应用提供一定的理论依据。