土壤污染防治技术课程典型案例剖析研讨式教学探索

刘晓艳 张新颖＊ 陈学萍 王道源 何池全

（上海大学，上海 200444）

目前在我国一些高校中的环境工程专业硕士研究生专业课程教学中，还存在着一些实际问题，其中比较大的问题之一是由于专业课程的机动性较大而导致在课堂教学过程中所用的教学形式的多样化，导致教学质量和教学效果受到了一定程度的影响。针对土壤污染防治技术课程的教学，根据上海大学环境学科的特色，并参照国家研究生核心课程指南，构建环境科学与工程一级学位点核心专业课程体系，在近年来受到高度重视的生态文明建设中，需要在最受关注的土壤污染防治方面加强修复技术教学，并充分体现土壤污染环境修复行业的新知识、新技术及新成果的专业技术案例教学特色，扎实强化研究生课程教学应有的深度和难度。下面通过展示在实际教学过程中，探索以石油污染土壤治理与修复为典型案例开展该专业课案例剖析研讨式教学情况。

多年来石油污染一直是全球性的环境问题，尤其是土壤中的石油污染物不仅破坏土壤环境，而且石油类污染物会通过呼吸、接触及食物链等途径危害人体健康。石油类污染物被列入我国危险废物名录，在2016年国务院印发的《土壤污染防治行动计划》中明确指出要加强对石油化工行业的环境管理，并应对石油类污染土壤采取有效的防治措施；针对石油类污染土壤的治理和修复，目前国内外普遍推崇的是生态修复方法，其中主要是微生物修复和植物修复技术。实际上，自然界中的植物与微生物是相互依存的，二者存在着良好的共生关系。由于植物与微生物之间的相互作用，使得二者共同降解石油类污染物的能力明显提高，经过优选的植物与微生物联合作用可具有协同作用效果。植物与微生物联合修复石油污染物的作用机制主要分为两类：一是“功能菌—植物”机制，是将具有特定修复功能的植物与微生物联用，植物在此过程中提供适宜微生物生长的环境条件，强化微生物对污染物的去除能力；虽存在植物与微生物的共生关系，但修复主体为微生物，植物仅作为辅助修复生物。二是“菌—植物共生”机制，强调植物与微生物在污染胁迫下共生以强化植物对污染物的富集作用，一般在根际附近形成紧密的种间互作关系，微生物胞外修复机制为植物富集污染物提供了条件，植物在微生物的保护下可减轻污染胁迫，促进植物生长和提升污染物去除效果。在该课程的专题教学过程中，主要从下面三个典型案例出发，开展了石油污染土壤治理与修复技术的剖析研讨式教学模式探索。

案例一国外利用植物和微生物联合修复原油污染土壤技术。伊朗和比利时学者利用香根草和石油降解菌联合修复原油污染土壤，引用介绍2020年发表在Journal of Cleaner Production上的一篇相关文献，教学中通过对文献的深度理解和图文并茂的说明与阐述，细致地剖析了该案例技术的研究过程、数据分析以及油污去除机理探究等内容，通过进行120天的模拟试验，研究了香根草和石油烃降解菌在不同油污浓度（0%w/w、2%w/w、4%w/w、6%w/w、8%w/w、10%w/w和12%w/w）的污染土壤中的生长性能以及对油污的耐受性，并且考查了二者联合修复过程中对土壤中的总石油烃（Total Petroleum Hydrocarbons，TPHs）的去除能力，研究发现香根草与细菌联合处理组对总石油烃的去除率最高可达到84.6%。同时该研究还发现修复过程中还存在着叶绿素a和叶绿素b含量降低、类胡萝卜素含量增加的规律性。在整个修复过程中，香根草在受污染的油污土壤中生长良好，香根草根和茎中的总抗氧化活性、丙二醛和脯氨酸含量都呈现出逐渐增加的趋势。因此，研究证明，香根草对石油污染物具有良好的耐受性，并能够同降解菌联合可有效地用于原油污染土壤的修复；但需注意在自然条件下，现场污染土壤的理化性质可能影响香根草和降解菌对油污的修复效率。通过该典型案例的教学及剖析，向同学们阐明了耐油植物香根草和石油降解菌联合修复石油污染土壤的技术是具有良好应用前景的一种技术；而且由于香根草属多年生草本植物，它对生长环境要求不高，且对气候的适应性广，可栽培于平原、丘陵、山坡以及水湿溪流边或疏松粘壤土环境中；在我国从江苏到海南纬度内的各省区内均可广泛种植，因此利用香根草对污染土壤进行生物修复的潜力很大。

案例二国内特征植物与微生物联合修复石油污染土壤技术。引用介绍2021年张金秋硕士研究论文，其主题是选用黑麦草、紫花苜蓿、高羊茅这三种可有效降解石油的植物与高效石油降解菌铜绿假单胞菌联合，开展特征植物与微生物联合修复柴油污染土壤的研究。通过分析该文献，从整体上先介绍修复植物的选择以及主体实验设计，然后在各个方面比较系统地展示了黑麦草、紫花苜蓿、高羊茅联合降解菌对柴油污染环境的修复作用。基于实验研究，首先测试了植物—微生物联合体系对柴油污染土壤的修复效果，发现植物—微生物联合修复效率明显高于植物或微生物单一修复，在56 d的实验中最高可去除土壤中油污的71.9%；在特征植物与微生物构成的联合体系中，石油降解菌与植物是相互促进的，二者达到了协同作用的效果。另外，该项研究在探讨影响生物联合修复效果的各种因素基础上，如油污浓度、投菌量、植株密度以及污染区域自然条件，研究得到了最佳修复条件：油污浓度0.6%，植株密度1棵/5 cm，投菌量20 g/kg；最佳生物联合修复场地条件：pH 7～8，温度25℃，含水率50%，N/P比10∶1。在控制最优条件下，特征植物与微生物体系对土壤中油污的去除率可达到85.5%，确实具有良好的除油修复功能；另外在研究中还进一步探索了特征植物与微生物联合修复油污土壤的初步应用效果。通过剖析和研讨使同学们认识到特征植物与微生物联合可以对油污土壤进行修复，但也认识到实际场地情况与模拟实验研究还是有较大差异的。总体来看，该研究通过对实际研究案例进行剖析，进一步证明了采用特征植物与降解菌联合在油污土壤修复中具有良好的应用前景。而且黑麦草、高羊茅和紫花苜蓿都是广泛分布于我国各地的优良草种，可以便捷地用于石油污染土壤修复技术中，不仅能够为我国环境保护做出贡献，还可起到美化环境的作用。

案例三真菌与嗜油细菌复合菌群修复原油污染土壤技术。引用介绍2019年袁晓宇硕士研究论文，波氏足分支霉联合嗜油细菌菌群修复原油污染土壤。教学中在本案例剖析前，首先介绍石油污染物的组成特征，由于其中所含的饱和烃、芳香烃、胶质及沥青质等复杂成分，导致其利用单一微生物菌种修复难以取得良好效果，因此笔者基于这个难题进行实验研究设计，通过利用不同类型的微生物进行石油污染土壤修复研究。该项研究过程中，基础工作是构建适当的联合菌群作为油污修复菌剂，从各种污泥和污染土壤中筛选出可有效降解石油的真菌波氏足分支霉和降解率优异的细菌菌群，然后探讨不同接种比例下真菌和细菌菌群对原油的综合降解能力，并构建出了降解效果最佳的真菌—细菌混合嗜油菌群；该研究前期建设的真菌—细菌混合嗜油菌群奠定了整个研究工作的基础，进而利用真菌—细菌混合嗜油菌群对石油污染土壤进行了大量细致的修复研究，通过实验探索了真菌—细菌混合嗜油菌群对实际石油污染土壤的去除能力，研究发现当真菌与细菌菌群按1∶3比例接种时，真菌—细菌混合嗜油菌群对原油的降解效果好，其7 d降解率即可达到81.45%，显著高于相应的真菌或细菌菌群的效果。另外还剖析了在实际原油降解过程中，真菌—细菌混合嗜油菌群发挥的综合作用以及其中的真菌与细菌相互之间发生的协同作用过程，检测了真菌—细菌混合嗜油菌群对实际污染土壤的修复效果，阐明了波氏足分支霉真菌增强细菌菌群去除实际原油污染土壤的降解作用机理。通过对该案例的全面阐述和剖析，不仅使同学们看到了实验研究的细致和过程推断的精妙，充分认识到由波氏足分支霉真菌同细菌菌群组成的真菌-细菌混合嗜油菌群可以应用于实际石油污染土壤的生物修复中，而且也有助于同学们在实验设计思路和修复机理分析等方面的综合能力的提升。该学位论文作者袁晓宇同学的创新性研究工作发表在国际著名期刊Bioresource Technology上，获得了国家研究生奖学金和上海市优秀毕业生的荣誉，袁晓宇同学正在我国土壤修复领域发挥着他的专业技术特长，他在研究过程中和工作岗位上付出的辛勤努力和刻苦钻研精神也将激励着学弟学妹们建立敢于攀登相关领域科技高峰的信心和决心，同学们立志为我国的环境保护事业做出自己的贡献。

本文介绍在环境工程专业开设硕士研究生专业课“土壤污染防治技术”基础上，积极尝试利用典型案例进行剖析研讨式教学，在课程教学中有针对性地体现课程的理论性、实践性、学术性、前沿性及创新性，注重教学改革实践，努力强化学生的创新精神和实践能力，培养适合新时期我国生态文明建设的高级专业人才。在以石油污染土壤治理与修复技术为主题的专题研讨教学中，利用国内外学者们开展相关技术研究的三个典型案例，向同学们展现了采用植物与微生物技术可以有效地治理和修复石油污染土壤环境的研究过程和技术特点，并使同学们清晰地看到了相关领域研究者甚至自己身边的学长们奋斗的过程和成长的身影，充分体现了开展典型案例剖析研讨式教学的优势。在教学中同学们对这种教学方式很感兴趣，他们表现出了浓厚的学习热情，课堂上研讨和互动气氛热烈，整体教学效果好，受到了学生们的普遍欢迎；而且令人欣慰的是，从研究生毕业生的就业情况看，有很多学过这门专业课的硕士毕业生目前都在从事着与土壤污染防治和修复相关的工作，他们在努力为我国的环境保护贡献力量。通过此文探索环境类专业研究生专业课的有效教学模式，希望与其他高校同行们一起探索该类研究生专业课的各种教学模式，以期起到抛砖引玉的作用，并为开展该类硕士研究生专业课教学和学位点核心课程建设起到积极作用，努力提高环境专业硕士生创新人才的培养质量。