石油污染土壤的生物修复技术研究

曹子璇

（南开大学，天津 300071）

作为能源生产的原料，石油的全球需求持续增长。石油是一种暗褐色的黏性液体，由烷烃、环烷烃、芳香族碳氢化合物和部分沥青等构成。芳香烃及其衍生物具有致癌性、致畸性和致突变性，可通过包括食物、呼吸和直接暴露在内的多种方式危害人体健康。在石油的开采和运输过程中，因作业不良或突发事故等造成的重大环境污染是无法避免的。石油不仅会破坏海洋环境，还会对大气、土壤等造成严重污染。石油提炼、石油化学和纤维合成排放的含硫废气会严重污染大气环境。此外，石油污染物在大气中的沉积、石油在运输过程中的泄漏、含油矿渣和污泥的堆置都可能严重污染土壤环境。石油污染物难以清除，其进入土壤后会长期停留，对土壤生态系统造成严重影响。首先，石油污染物堵塞土壤空隙，降低土壤渗透性，使植物根系得不到充足的氧气和水分，影响植物活动，破坏区域生态平衡。其次，如果土壤中长期存在石油污染物，土壤有机物的组成和结构就会发生改变，导致碳、氮等营养元素的不均衡。最后，石油混合物中的重金属和油田产出水的高盐度会损害土壤环境，使已被石油污染的脆弱土壤生态环境进一步恶化。

1 石油污染土壤的生物修复

石油渗透性强，流动性大，对土壤的黏附作用强，石油污染土壤影响范围广，污染体系复杂，治理难度大。因此，石油污染土壤的治理必须立即进行。目前，石油污染土壤的主要修复技术有3 类，分别是物理修复法、化学修复法和生物修复法。物理修复法和化学修复法的周期短，修复效果显著，但由于高成本、处理不完全以及可能导致二次污染等原因，其尚未在实际修复中大规模应用。近年来，生物修复技术逐渐兴起，其主要通过包括植物、动物和微生物在内的生物代谢活动来对土壤污染物进行吸收、转化和降解，本质上是对自然过程的增强，具有经济环保、不会造成二次污染等优点，因此成为石油污染土壤修复的重要研究方向。根据土壤修复主体的区别，生物修复技术分为4 类，即微生物修复、植物修复、植物微生物联合修复和动物修复。

1.1 微生物修复

微生物修复主要分为两类，即原位微生物修复和异位微生物修复。原位微生物修复无须移动污染土壤，而是采用直接投加降解菌等方式进行生物降解。该技术主要分为三类，即生物通风、生物强化和生物刺激。其中，生物通风是指用物理方法向土壤中补充空气，从而促进微生物的生长及代谢；生物强化是通过向污染土壤中投加高效降解菌剂来提高环境中有效微生物的浓度，从而增强修复效果；生物刺激是指通过投加营养物质、表面活性剂、共代谢基质等对污染土壤中的微生物进行刺激，促进其生长，进而提高微生物降解污染物的效率[1]。异位微生物修复包括预制床法、堆肥处理法等。预制床法是将污染土壤平铺于预制砂石层的平台上，再加入适当营养物质调控生长条件，最后将渗滤液回注于土层，以彻底清除污染物。堆肥处理是将有机质加入土壤中，令其经过微生物的代谢后转化为腐殖质，为降解菌提供适合的营养物质和生存环境。

目前，已发现的可适用于石油污染土壤修复的微生物有节杆菌属、不动杆菌属等，其中，铜绿假单胞菌应用较广。李婧等[2]采用石油-有机氯复合菌群，开展石油-氯酚复合污染土壤的生物修复试验，结果表明，添加石油-有机氯复合菌群修复污染土壤130 d 后，石油烃降解率达到77.68%，碳数27 以下的所有烃类峰强度均有降低，氯酚降解率达到100%。吴蔓莉等[3]向石油污染土壤中施加堆肥进行42 d 的修复处理，结果表明，与自然放置的土壤相比，向石油污染土壤中施入有机肥可有效去除土壤中的石油烃、烷烃和多环芳烃，并使土壤微生物群落结构发生明显变化。

1.2 植物修复技术

植物可以在微生物的帮助下从代谢环境中降解、转化、去除污染物。植物修复技术是指通过植物体内对某些污染物的积累、植物代谢过程对某些污染物的转化和矿化等方式，将污染物提取、吸收、转化或固定在植物体内，再对植物上部进行削减。植物修复技术生态环保，同时景观价值较高。

植物可用于石油污染土壤修复。赵雨朦[4]对翅碱蓬进行土培试验，试验结果表明，翅碱蓬去除石油烃的效率高于90%。目前，紫花苜蓿、香蒲等多种耐石油污染的植物已被筛选出来。这些植物大部分分布广泛，生物量高，具备强抗污染能力[5]，在石油污染土壤修复中具有很大的应用潜力。

1.3 微生物与植物联合修复技术

植物的根际作用不仅影响土壤微生物活性，也会影响植物的修复能力。因此，植物修复体系可以添加具有特定功能的微生物，提高分解效率。微生物和植物之间存在互利关系。植物可以提供氧气，同时为微生物提供生存场所。植物根际可以释放碳水化合物、氨基酸等，有效刺激根系微生物生长，增强微生物与植物的联合修复作用，提高降解效果。微生物与植物联合修复技术主要利用二者的协同作用对石油污染土壤进行修复，其中，选择适宜的植物-微生物体系是该技术的核心。

王金成等[6]利用金盏菊和外源石油降解菌进行试验，结果表明，二者联用可以增加包括土壤脲酶在内的多种酶的活性，有效改善土壤根际环境。张金秋等[7]对紫花苜蓿和铜绿假单胞菌进行试验，结果表明，当二者协同对石油污染土壤进行修复时，其修复效果明显优于单一紫花苜蓿或铜绿假单胞菌的修复效果。在植物与微生物联合修复体系中，二者表现出明显的互生作用。

1.4 动物修复技术

土壤动物类型多样，包括原生动物、无脊椎动物和环节动物等，其正常生命活动有助于治理污染土壤，因此可以利用土壤动物的生理特性来修复污染土壤。MAIKE 等[8]在试验中使用3 种蚯蚓来修复石油污染土壤，试验结果表明，加入3 种蚯蚓的石油降解率大大提高，因此蚯蚓可以加强土壤微生物的活动，从而增强石油污染土壤的修复效果。

2 修复效果评价

石油降解量是评价石油污染土壤生物修复效果的直接依据，但是在实际应用中，降解效果不能仅用单一指标进行评价。生物修复主要利用生物体内产生的多种酶来降解石油污染物，这些过程通常包含催化氧化、还原、脱氢及脱羧等在内的多种反应，因此土壤酶活性可以作为评价指标之一。土壤微生物是土壤酶的主要来源，因此可以对土壤微生物的生物化学过程进行综合反映。例如，土壤中的芳香族化合物可以经过土壤中的多酚氧化酶氧化后转化成醌，从而促进石油降解，因此微生物对石油芳香族化合物的降解能力可以通过多酚氧化酶的活性来评价。

除此之外，还可以通过动植物可用性、生物多样性等指标来评价生物修复效果。通常，动植物的生长情况和土壤修复效果有关。动植物生长情况好，说明其生物可用性高，土壤修复效果好。同时，土壤生物种类的增加也意味着土壤毒性的降低。杨茜等[9]通过投加菌剂修复石油污染土壤，结果表明，投加外源降解菌SZ-1 可以显著提高土壤细菌群落的多样性。高晶[10]利用真菌对原油污染盐碱土进行修复，并采用聚合酶链式反应（PCR）技术分析土壤微生物的多样性，结果表明，生物修复可以提高生物多样性。

3 结论

近年来，随着石油资源的大量开采和全球需求的持续增长，石油污染土壤修复成为环境保护领域关注的焦点之一。生物修复法经济环保，不会造成二次污染，顺应社会发展趋势，在石油污染土壤修复中具有巨大的应用潜力。目前，大量生物修复技术处于试验研究阶段，但部分技术研究较为缓慢，生物修复效果的评价标准不完善。受生物本身影响，动物修复技术在实际应用中具有很大的局限性。当前，大部分生物修复技术仅适用于低浓度石油污染土壤的修复。污染物浓度过高会阻碍生物生长，从而降低修复效果。未来，要探寻能适应较高浓度石油污染土壤环境的生物，进一步提高生物修复的有效性；将生物修复技术与其他修复技术结合，实现联合修复；优化菌株生长环境，提高表面活性剂的产生量，最终增强生物修复效果。