地下水中多環(huán)芳烴有機污染物的微生物修復(fù)研究進展

徐 瑩， 魏 欣, 李 美

(中海環(huán)境科技(上海)股份有限公司， 上海 200135)

1 多環(huán)芳烴概述

多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs)是指由2個或2個以上苯環(huán)以線狀、角狀或簇狀排列形成的稠環(huán)碳?xì)浠衔?，其中具?個或4個以上苯環(huán)的PAHs稱為高分子量多環(huán)芳烴(High Molecular Weight-PAHs，HMW-PAHs)。PAHs因具有低水溶性、低揮發(fā)性和難生物降解性而被列為持久性有機污染物，具有較強的致癌性、致突變性和致畸性[1-2]，同時對微生物的生長有較強的抑制作用和光致毒性。鑒于PAHs會對人類的健康和生態(tài)系統(tǒng)的平衡造成巨大威脅，美國環(huán)保局于19世紀(jì)80年代開始將16組不帶分支的PAHs列入優(yōu)先污染物名單中，其中熒蒽、苯并[a]芘等被列入到我國環(huán)境優(yōu)先污染物黑名單中。PAHs的污染修復(fù)問題逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點[3]。

2 PAHs環(huán)境污染

PAHs主要是在煤、石油等有機高分子化合物燃燒或熱解過程中產(chǎn)生的,其來源可分為自然源和人為源，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動等[4]；人為源主要包括人類活動、化石燃料燃燒和石化產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、運輸及由此引發(fā)的泄漏事故等。PAHs普遍存在于空氣、水體和土壤中，并在環(huán)境中不斷擴散和轉(zhuǎn)化，最終大部分累積在土壤和水體沉積物中。

地下水中的PAHs主要來自于地表污染水體對地下水的滲透或補給、污水灌溉、污染土壤的淋濾和固體廢物處理場地的污水下滲等。根據(jù)我國海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，我國多處河段的PAHs含量都嚴(yán)重超標(biāo)，如在沈陽市細(xì)河流域地下水、新民市渾河流域地下水和太湖平原淺層地下水中相繼檢測出含量不等的PAHs[5]。地下水污染具有過程緩慢、不易發(fā)現(xiàn)和難以治理等特點，因此針對地下水中PAHs有機污染物開展環(huán)境修復(fù)研究，對于保證農(nóng)產(chǎn)品安全和人類健康而言具有重要的意義。

3 PAHs環(huán)境污染修復(fù)

土壤是PAHs在自然環(huán)境中遷移、轉(zhuǎn)化的站點,當(dāng)前主要采用物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)和化學(xué)與生物相結(jié)合修復(fù)等方式對土壤遭受的PAHs污染進行修復(fù)。物理修復(fù)通常是指采用客土或翻土、汽提、熱解吸、焚燒和填埋等方法去除或固定土壤中的污染物[6]?；瘜W(xué)修復(fù)通常是指基于化學(xué)反應(yīng)機制，通過向土體注入表面活性劑等增效試劑來增強PAHs等有機污染物的水溶性和擴散性，從而有效促使污染物遷出土體，降低其遷入其他環(huán)境介質(zhì)中的能力。生物修復(fù)包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)和植物-微生物聯(lián)合修復(fù)等3種。治理地下水中的PAHs等有機污染的方法主要有抽出處理法、原位反應(yīng)墻法和生物治理法等[7]。

1) 抽出處理法是通過抽取含水層中地下水面附近的地下水，將浮于水面的有機污染物帶回地表，采用地表污水處理技術(shù)去除地下水中的有機污染物;

2) 原位反應(yīng)墻法是指在地下水治理中沿垂直地下水流的方向人工構(gòu)筑一堵具有還原性的反應(yīng)墻，當(dāng)?shù)叵滤魍ㄟ^反應(yīng)墻時，反應(yīng)墻中填充的還原性物質(zhì)與污染羽流中的有機污染物發(fā)生物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng),從而達到降解有機污染物的目的;

3) 生物治理法即生物修復(fù)法，其原理與土壤中的微生物修復(fù)方法的原理相同。

在PAHs有機污染修復(fù)治理方法中，生物修復(fù)研究得到國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的普遍關(guān)注。生物修復(fù)具有成本低、處理效果好、操作簡便和無二次污染等特點，從20世紀(jì)80年代開始大規(guī)模應(yīng)用于環(huán)境治理中[8]。

4 PAHs微生物修復(fù)影響因素

PAHs微生物修復(fù)的基本原理是利用土壤或地下水中天然的微生物資源,或利用人為馴化篩選的目的菌株,或把構(gòu)建的特異降解功能菌投加到被污染的土壤或地下水中，將滯留在水體土壤中的PAHs快速降解為無害的物質(zhì)，使土壤和地下水恢復(fù)其天然的功能[8]。

目前采用的PAHs微生物修復(fù)方法通常是在被PAHs污染的環(huán)境中通過人工富集培養(yǎng)，分離得到一些降解性能較好的菌株，但不同菌種對不同PAHs及其轉(zhuǎn)化物的降解能力是不同的。PAHs的生物降解性與所含苯環(huán)的數(shù)量密切相關(guān)，苯環(huán)的數(shù)量越多越難降解，小分子PAHs較易降解。

微生物降解PAHs一般有2種方式[7]，即:將PAHs作為唯一碳源和能源，對于土壤中3環(huán)以下的低分子量PAHs類化合物，一般采用這種方式；將PAHs與其他有機物共代謝，對于土壤中4環(huán)或4環(huán)以上的高分子量PAHs,一般采用這種方式。

微生物對有機污染物的降解與微生物的代謝活性有一定關(guān)系，而生長環(huán)境不同又會使微生物的代謝活性有所不同。研究結(jié)果表明，微生物的種類、數(shù)量、溫度和土壤特性等對微生物降解有機污染物均有一定的影響[9]。相比微生物對有機污染物的降解，土著微生物對有機污染物的降解具有潛力大、成本低和環(huán)境友好等優(yōu)點，但通過土著微生物進行系統(tǒng)內(nèi)在修復(fù)的過程一般比較慢，難以得到實際價值。在此情況下，微生物強化修復(fù)技術(shù)得到應(yīng)用與發(fā)展，即通過采取人工強化措施，充分發(fā)揮微生物的降解作用，有效去除土壤或地下水中的有機污染物。此外，利用土著微生物強化修復(fù)PAHs污染土壤也是土壤修復(fù)的途徑之一。

微生物對PAHs的降解過程可通過多種方法進行強化，如改變土壤或地下水的理化條件(溫度、濕度、pH值等)、通氣及添加營養(yǎng)物、使用生物表面活性劑和接種經(jīng)特殊馴化構(gòu)建的工程微生物等[9-10]。近年來，針對土壤或地下水PAHs生物強化修復(fù)技術(shù)的研究已取得一些成果，在實際現(xiàn)場修復(fù)中形成了幾種工程手段，如引入其他微生物、使用表面活性劑、外加營養(yǎng)鹽和電子受體、采用合成基因工程菌系技術(shù)和采用植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等[11]。

5 HMW-PAHs的污染微生物降解

雖然自然界中廣泛存在能降解PAHs的微生物，但HMW-PAHs難以降解。由于HMW-PAHs具有高穩(wěn)定性，土壤中很少有能直接降解HMW-PAHs的微生物，因此絕大多數(shù)HMW-PAHs的降解都是以共代謝的方式進行的。研究發(fā)現(xiàn)，一些分枝桿菌屬、紅球菌屬、諾卡氏菌屬、Burkholderia屬[12]和Stenotrophomonas屬[13]的細(xì)菌能降解HMW-PAHs，海洋中特有的一種解環(huán)菌能在菲存在的條件下共代謝熒蒽和芘。

由于一種能降解石油的微生物往往只對石油中某種特定的組分具有較強的降解能力，因此需通過多種石油烴降解菌協(xié)同來完成對石油污染物的降解，這種具有協(xié)同降解作用的微生物群稱為同生菌群[14]。研究結(jié)果[15]表明，通過添加外源菌種可顯著加快土著菌種對土壤的修復(fù)過程，但外源菌種與土著菌種之間是否存在拮抗或協(xié)同作用機制有待進一步研究。大多數(shù)石油烴類污染物都具有疏水性, 可強烈吸附在土壤上, 這是生物代謝降解存在的主要問題，為不同介質(zhì)地下水中HMW-PAHs有機污染物的微生物修復(fù)提供了研究機制。

徐瑩[16]從原油污染土壤中篩選出能以熒蒽和芘為碳源和能源進行生長繁殖的混合菌群，并從活性淤泥中篩選出人工馴化之后能以芘為碳源和能源進行生長繁殖的熒蒽降解菌[17]，通過對比兩者在不同降解體系下對目標(biāo)污染物熒蒽和芘的降解效果，研究其降解熒蒽和芘的生物因子和非生物因子影響因素，為開展地下水中HMW-PAHs有機污染物的微生物修復(fù)提供一定的理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

6 研究展望

綜合現(xiàn)階段地下水中PAHs有機污染物微生物修復(fù)方面的研究進展，未來應(yīng)重點關(guān)注以下幾個方面的內(nèi)容：

1) 基于微生物降解機理，篩選或培育不同菌屬微生物降解PAHs的最適宜環(huán)境條件，如環(huán)境因素和相關(guān)工藝過程參數(shù)等，從而提高微生物的降解效率;

2) 加強對微生物降解PAHs的降解機理和主要控速步驟的研究，構(gòu)建合理的微生物降解動力學(xué)模型;

3) 加強對混合菌群共代謝機制的研究，尤其加強對HMW-PAHs降解機制和在共代謝降解過程中存在的協(xié)同、促進或抑制作用的研究;

4) 完善不同介質(zhì)地下水中PAHs污染的微生物修復(fù)系統(tǒng)，為微生物修復(fù)在石油污染場地調(diào)查和修復(fù)方面的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。