微生物修复有机污染土壤的研究进展

金学锋

（1.同济大学，上海 200092；2.上格环境科技（上海）有限公司，上海 200333）

常见的土壤有机污染物包括石油烃、农药、苯系物（BTEX）、多环芳烃（PAHs）和氯代烃等，这些污染物主要是在化石燃料的开采和使用、农药的喷洒、储罐的泄露、污水的排放和固体废物的堆放等过程中进入土壤环境的。通常情况下，土壤有机污染物的种类较多，并具有难降解、致癌致畸和造成农作物减产等特点，从而威胁着农作物的生长以及人类的健康安全。同时，污染物还会由于雨水冲刷等原因进入到地下水中，导致地下水污染。

对于土壤中的有机污染物，近年来常用的修复方法包括物理、化学和生物技术[1]。其中，物理修复技术主要包括异位填埋、热脱附、气相抽提和土壤洗脱等；而化学修复技术主要包括化学氧化/还原、焚烧和水泥窑协同处置等；生物修复技术主要包括植物修复、生物堆和生物通风等。在实际应用中，物理和化学的修复技术较为普遍，优点是修复治理周期较短，能有效去除大部分的有机污染物，但通常治理成本较高、能耗较高、易产生二次污染，且对土壤结构和生态使用功能破坏较大。而生物修复技术是利用植物、微生物和原生动物，通过吸收、转化、清除或降解污染物[2]，以此达到生态修复的目的。因此，生物修复技术具有成本较低、二次污染较小和环境友好等优点，非常符合绿色修复理念，所以具备推广和大规模应用的潜力。

在微生物修复过程中，有机污染物可通过土壤中的土著微生物的降解和转化降低污染物的毒性。微生物降解有机污染物的方式主要有两种：（1）通过微生物分泌的胞外酶降解；（2）污染物被微生物吸收至其细胞内后，由胞内酶降解[3-4]。由此可以看出，微生物能直接利用污染物作为碳源，或通过添加其他碳源后，是利用共代谢作用降解污染物。

1 微生物修复有机污染土壤的技术类型

1.1 生物堆技术

生物堆（biopiles）技术是将挖掘出的污染土壤堆置，再通过人工强化手段，提供微生物适宜的生长环境，以促进土壤中微生物的生长，从而降解土壤中的有机污染物。该技术主要的建设结构包括底部防渗层、渗滤液收集管网、营养水分添加管网、堆体底部抽气管网、顶部进气管、土壤气在线监测、防雨覆盖层等。在实际应用中，生物堆技术常用于石油烃等易被好氧微生物降解的污染土壤或油泥的修复[5]。通常，影响生物降解的因素主要有菌种、水分、温度、pH值、营养物质（碳、氮、磷）和氧气等，且适宜的生长环境能刺激微生物快速生长，提高生物活性，从而加速微生物对污染物的降解。

生物堆中能降解有机污染物的微生物来源主要包括土著微生物、外源菌剂和基因工程菌[6]。其中，由于土壤中的土著微生物具备降解污染物的能力，所以能适应污染土壤环境的微生物会逐渐成为优势菌种，并加快污染物降解的进程。而外源菌剂是利用经筛选出的具备降解特定污染物能力的微生物，在经过生物工程扩培后，再接种到生物堆中，以此对污染物进行定向降解。基因工程菌是利用基因工程技术，将特定的基因片段植入微生物的DNA中，从而构建出适用于特定污染物降解的基因工程菌。在实际应用过程中，利用土著微生物相对安全，没有生态风险，但修复效果可能受限；而利用外源菌剂和基因工程菌虽然能相对提高修复效果，缩短修复周期，但可能会影响土著微生物的菌群结构，造成生态风险。

1.2 生物通风技术

生物通风（bioventing）是由气相抽提技术（soil vapor extraction）发展而来的，是一种原位土壤修复技术，主要是通过向污染区域注入氧气或空气，增强微生物的好氧活动，从而促进污染物的降解。同时，还可以强化空气的流动，加速有机污染物的挥发，最后通过抽气井将挥发性有机物抽出。此外，影响生物通风技术的关键因素与生物堆技术相似，且适宜的温度、湿度、氧含量和营养物质，能有效促进微生物的生长以及对污染物的降解。

有研究表明，电子受体的缺乏是影响生物修复的最关键因素[7]，其中氧气、有机碳、硝酸盐、硫酸盐等都可以作为微生物降解有机污染物的电子受体，但氧是其中最主要的电子受体，即大部分生物修复都是通过好氧微生物产生作用。而好氧过程是利用氧化将有机化合物降解为低毒性化合物，如CO2和H2O。而微生物的厌氧作用常用于处理如氯代挥发性有机物的污染，即氯代挥发性有机物作为电子受体，在厌氧条件下脱氯并降解为非氯代化合物。同时，在厌氧降解过程中，可能会产生持久性中间化合物。例如，氯代脂肪族溶剂的厌氧生物降解可产生取代度较低的氯代烃，如氯乙烷或氯乙烯（VC），这些污染物在厌氧条件下不易降解，可在好氧条件下易降解，但可能会比原来的污染物毒性更大。因此，控制氧的供应会影响微生物的降解速率及降解产物。

1.3 生物泥浆反应器

生物泥浆反应器是由土壤、沉积物、或污泥与水和其他添加剂混合而成的泥浆，以保持固体悬浮物和微生物与污染物接触，从而达到生物降解污染物的效果。生物泥浆反应器对有机污染物的处理效果好、速度快，可有效处理高浓度、难降解的有机污染物，因此，适用于小规模的污染土壤治理。在实际应用中，生物泥浆反应器以连续流搅拌反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）和土壤泥浆序批反应器（Soil Slurry-Sequencing Batch Reactor，SS-SBR）两种最为常见[8]。其中，CSTR反应器是将污染土壤连续的注入反应器中进行处理，其优点是耐冲击负荷，可将污染物在反应器入口处稀释。而SS-SBR反应器是通过进泥-反应-排泥的方式，按批次对污染土壤进行治理。同时，在反应器中，可调节微生物的生长环境，包括pH值、温度、湿度、氧含量和营养物质等，从而达到最佳的反应状态，以此强化微生物对有机污染物的降解。另外，还可以通过添加表面活性剂，将有机污染物从土壤表面解吸出来，促进污染物与微生物的接触，从而效提高生物降解的速度。

2 微生物修复技术应用于不同类型的污染物

2.1 石油污染土壤修复

微生物修复石油污染土壤的应用较为广泛，据研究发现，有100多个属、200多种能降解石油污染污的微生物，主要分为两大类：一类为假单孢菌属（Pseudomouas sp.）、节核细菌属（Arthrobacter sp.）、产碱杆菌属（Alcaligeues sp.）及无色杆菌属（Achromobacter sp.）等细菌；另一类为木霉属（Richoderma sp.）、青霉属（Peuicillium sp.）及曲霉属（Aspergillus sp.）等真菌[5]。其中，细菌降解石油污染物主要在修复的前期阶段，而修复的后期阶段主要依靠真菌去除难降解的石油烃[9]。

目前，微生物修复技术已广泛应用于石油污染土壤的修复，但单一的生物修复技术存在一定局限性，如修复周期较长、受环境影响较大和降解不彻底等。但如果将微生物修复技术与其他技术联用，如固化微生物技术、植物-微生物修复技术、电动-微生物修复技术等，能有效强化微生物修复技术在石油污染土壤修复中的应用。李琋等[10]从石油烃-镉复合污染的土壤中，筛选出1株具有重金属镉（Cd）抗性和石油烃降解能力的菌株，固定在生物炭上，用于修复石油烃-镉复合污染土壤，结果表明生物炭固化微生物技术可有效提高石油烃的降解率，同时还能固化重金属镉。孟欣等[11]通过电动-微生物修复技术，先利用电流强化微生物和微生物间的传质效率，然后再利用种植高羊茅，可有效减缓电流衰减的趋势，改善土壤微生物的活性，从而提高了微生物对石油污染物的降解率。

2.2 多环芳烃污染土壤修复

多环芳烃（PAHs）污染大多源于化石燃料的不完全燃烧，如汽车尾气排放、煤炭燃烧等产生的污染物会随着大气排放沉降到地面，从而造成土壤多环芳烃的污染。而多环芳烃大多数具有高毒性、致癌性和致畸性等危害，不易降解且具有脂溶性，所以会严重威胁人们的身体健康。微生物降解多环芳烃的第一步是利用双加氧酶的作用，先将氧原子结合到多环芳烃苯环的两个碳原子上，形成顺式二氢二醇；然后再经过脱氢酶的芳构化，以形成二羟基化的中间产物；而二羟基化中间产物随后进行开环，形成三羧酸循环的中间产物[12]。此外，多环芳烃污染还可以利用藻类、细菌和真菌等微生物单独或联合使用进行土壤修复。

在实际的污染土壤修复过程中，高效的菌种和适宜的生长环境是微生物修复的重要条件。而通过添加菇渣、木屑、畜禽粪便等，一方面可以提供木霉、白腐真菌等能有效降解PAHs的微生物，另一方面还能有效增加土壤中微生物可利用的营养物质，促进微生物的生长。当微生物暴露在高浓度的PAHs污染物中，有时可能会导致基因变异，使得微生物对PAHs的去除率提高[13]。张金宝等[14]从PAHs污染土壤中成功分离出5株高分子量PAHs降解菌，并通过电场强化增强了芘的降解效率。另外，由于多环芳烃具有脂溶性，水溶性较差，所以添加表面活性剂可提高多环芳烃的溶解效果，而强化污染物与微生物的结合，也可以增强PAHs的降解效果[15]。

2.3 农药污染土壤修复

在修复过程中，土壤中的农药可以被细菌、真菌、放线菌和藻类等微生物降解。经相关研究表明，从受农药污染严重的土壤中可筛选分离出优良菌种[16]。目前，在实验室中已筛选出可降解不同种类农药的微生物。赵萍等[17]分离出的恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）和肠杆菌（Enterobacter ludwigii），对于有机磷农药污染的修复有明显效果。此外，真菌中的曲霉属（Aspergillus）还可以降解DDT、γ-BHC、阿特拉津等有机氯农药。

其他筛选菌种的方式还有诱变育种和构建基因工程菌。彭轶楠等[18]采用12C6+离子束辐照诱变有机磷降解菌，获得1株高效降解有机磷菌株LA-1。在实际应用过程中，微生物对农药的降解主要是通过其分泌的酶与农药发生酶促反应，从而达到对农药的降解。而构建基因工程菌，也大多围绕产生农药降解酶的基因展开的。但目前，基因工程菌的构建仍存在生态环境安全风险，故鲜有在实际工程中应用。

3 微生物修复技术的发展与展望

微生物修复技术是一种高效、低能耗、环境友好的土壤修复技术，非常符合我国碳中和的发展战略，而且经研究证实，微生物对多种土壤有机污染物都具有很好的修复效果，因此，具有广阔的应用前景。建议今后对于微生物修复有机污染土壤应重点关注以下几方面：

（1）要筛选与收集能有效降解不同类型污染物的菌种；

（2）拓展生物修复技术与其他物理和化学修复技术的联用；

（3）注重高效降解菌或基因工程菌对生态环境的影响；

（4）在实际污染地块修复中，科学合理地选用微生物修复技术。