石油污染土地生物修复技术及其前景

赵宇通

（陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075）

由于人类对于化石燃料的过渡依赖，每年有超过15亿吨的石油被运送到世界各地。吸入、摄入甚至皮肤接触到原油、石油凝析油、汽油、柴油、煤油或其他碳氢化合物所组成的混合物，都会对人类和野生动物造成伤害，严重时甚至会致死。

从20世纪开始，生物修复就被认为是一个有效、低成本并且对环境友好的方法被用来降解石油污染环境中的石油烃。这项技术通过使用微生物及其产物来降解土壤中的污染物。相比正常环境，污染地点的微生物群体的整体数量和丰度都有着显著的变化。因此，评估土地微生物的石油烃降解能力和石油烃对污染场地微生物种群的影响在生物修复过程中非常重要。

如图1所示，根据illumina对石油污染土壤中微生物群落分布测序，假单胞菌（Pseudomonasspp.）是最具优势的菌属。Firmicutes、Chloroflexi、γ-proteobacteria和δ-proteobacteria等微生物群体则是石油污染土壤中占优势的门类。同时，超过85%的石油污染土壤中的菌种来自于革兰氏阴性菌[1]。

图1 由Illumina测序得到的石油污染土壤中相对丰富的细菌门类

1 生物修复技术

按照实行生物修复地点的不同，生物修复被分为两种，分别是原位修复和异位修复。当修复的地点就在原始的污染环境中时，被称为原位修复。当生物修复发生在污染地点之外的设施如实验室，运用于挖掘的污染土壤中时，被称为异位修复。

1.1 原位生物修复

原位生物修复不需要挖掘土壤，通过污染的土壤中循环水来提供氧气和养分，以刺激天然存在的细菌降解有机污染物。通常，这种技术适用的情况是拥有足够营养物和氧气或者其他电子受体的地下水渗透进污染的土壤。大多数情况下，原位生物修复适用于饱和土壤和地下水中污染物的降解。

1.2 异位生物修复

这项技术通常是从污染场地挖掘污染物，将污染物运送到另一个地点进行处理。选择异位生物修复经常是基于污染场地的处理成本、污染深度、污染物类型、污染程度、地理位置还有地质这些因素来考虑的。异位生物修复主要包括生物堆、料堆、生物反应器和土地耕作等方法。

1.2.1 生物堆法

生物堆（Biopile）法通过对污染土壤的挖掘并堆积于地上，调整土壤的养分，还会增加土壤的微生物活性来加强生物修复。这项技术包括的步骤有通风、灌溉、营养和渗滤液收集[2]。由于这项技术可以有效节约成本，还同时能在营养、温度和通气得到充分控制的条件下实现有效的生物降解，因此被越来越多的污染土地降解策略中使用[3]。将生物堆应用于污染场地有助于限制低分子量（LMW）污染物的挥发，还可以有效地用于受污染极端环境的修复，如非常寒冷的地区[4]。

1.2.2 料堆法

作为异位生物修复技术之一，料堆法（Windrow）依靠周期性堆积污染土壤，通过增加污染土壤中存在的碳氢化合物细菌的降解活动来增强生物修复。同时周期性地调整污染土壤的水含量，增加通气，均匀分布污染物、养分和微生物，从而加快生物修复速度。料堆法的原理是通过同化、生物转化和矿化来实现生物修复[5]。在以往的研究中，与生物堆法相比，在较松软的土壤类型中，料堆法具有更高的石油烃去除率[6]。

1.2.3 生物反应器法

生物反应器（Bioreactor）使用一种仪器来将原材料通过一系列反应后转变为特定产物。生物反应器有不同的操作模式，包括批量、补料分批、序批、连续和多阶段。运营模式的选择主要取决于成本支出。生物反应器中的条件通过模拟和维持其自然环境来提供最佳生长条件，支持细胞的自然过程[6]。污染的样品可以作为干物质或浆液进料到生物反应器中；在任何一种情况下，与其他非原位生物修复技术相比，使用生物反应器处理污染土壤具有优势。对生物过程参数（温度、pH、搅拌和通气速率、底物和接种物浓度）的控制是基于生物反应器的生物修复的主要优点之一[7]。在生物反应器中控制和操纵过程参数的能力意味着可以增强其中的生物反应，有效减少生物修复时间。重要的是，可以在生物反应器中有效地建立受控的生物强化、营养物添加、增加污染物生物利用度和传质（污染物和微生物之间的接触），使得基于生物反应器的生物修复更有效[8]。

2 生物修复前景

微生物在生物修复中起着至关重要的作用，其在污染环境中的多样性、丰度和群落结构为生物修复技术成功实施提供了可能性。分子技术如基因学、微生物代谢学、蛋白质学和转录学有助于更好地理解微生物鉴定、功能和分解代谢途径，从而克服与微生物培养相关方法的局限性。营养限制、低微生物数量或缺乏具有降解能力的微生物和低污染物生物利用度可能阻碍生物修复的成功。

3 结语

石油污染物因反应性较低而具有抗降解的能力，相比于传统的物理化学土地修复方法，被划分为优先级较高的污染物通过生物修复具有高效率、低成本和多重功能等优点。为了控制环境污染，生物修复可利用单个种群或多种群联合亲油性微生物降解土地中的石油烃。为了良好地设计修复策略，应重视氧气浓度、还原反应潜力、土壤营养、pH值、湿度和温度等可对生物修复产生影响的因素。此外，通过研究生物降解中涉及的石油烃代谢途径，可以更好地设计出有效的石油污染生物修复策略。