土壤修復(fù)中的微生物技術(shù)

四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 梁小龍

土壤修復(fù)中的微生物技術(shù)

四川師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 梁小龍

隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，土壤污染已成為全球性的重要環(huán)境問(wèn)題。農(nóng)業(yè)活動(dòng)中農(nóng)藥與化肥的不合理施用、農(nóng)業(yè)資源的不合理開(kāi)發(fā)，都使得土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致肥力下降、土壤環(huán)境衰退。因此，在這種形勢(shì)下，發(fā)展污染土壤的治理與修復(fù)技術(shù)已成為必然趨勢(shì)。目前，已有的土壤修復(fù)與改良技術(shù)主要包括物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)以及生物技術(shù)。土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要生命體，不僅具有可以指示污染土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，同時(shí)還具有潛在的環(huán)境修復(fù)功能。因此，生物技術(shù)當(dāng)中的污染土壤微生物修復(fù)技術(shù)顯得尤為重要。

一、土壤修復(fù)中的微生物技術(shù)原理

土壤當(dāng)中的大部分有機(jī)污染物可以被微生物降解與轉(zhuǎn)化，降低或消滅污染物的毒害性。微生物修復(fù)技術(shù)具體指的是利用天然存在的或經(jīng)由培養(yǎng)的功能微生物群，在適宜的條件中使微生物代謝功能得到促進(jìn)或強(qiáng)化，最終降低有毒污染物的活性，或直接使其降解成為無(wú)毒物質(zhì)。微生物降解有機(jī)污染物主要包括兩種作用方式：一種是經(jīng)由微生物所分泌的胞外酶進(jìn)行降解作用；另一種是污染物經(jīng)由微生物吸收至其細(xì)胞內(nèi)之后，由胞內(nèi)酶進(jìn)行降解作用。微生物從胞外環(huán)境中吸收攝取物質(zhì)主要通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸、被動(dòng)擴(kuò)散、胞飲作用、促進(jìn)擴(kuò)散以及基團(tuán)轉(zhuǎn)位等方式進(jìn)行。

微生物降解與轉(zhuǎn)化土壤中有機(jī)污染物的基本反應(yīng)模式主要包括氧化作用，醛、醇、甲基的氧化，硫醚氧化，氧化去烷基化，過(guò)氧化，芳環(huán)裂解，苯環(huán)羥基化，環(huán)氧化以及雜環(huán)裂解等反應(yīng)形式；還原作用，醇、乙烯基的還原，以及芳環(huán)羥基化等反應(yīng)形式；基團(tuán)轉(zhuǎn)移作用，脫鹵作用、脫羧作用以及脫烴作用等；水解作用，以及包括酯化、氨化、縮合、乙酰化以及雙鍵斷裂等其他反應(yīng)類(lèi)型。

二、土壤污染的微生物修復(fù)技術(shù)的研究應(yīng)用

1. 原位微生物修復(fù)。原位微生物修復(fù)技術(shù)不破壞土壤的基本結(jié)構(gòu)，不需將土壤搬離現(xiàn)場(chǎng)，主要用于修復(fù)被有機(jī)污染物污染的土壤。通常直接向污染土壤中供應(yīng)營(yíng)養(yǎng)鹽、氧源以及外源微生物等，以促進(jìn)土壤中特異功能微生物和土著微生物的代謝活性，提高生物降解能力。原位修復(fù)技術(shù)主要有生物培養(yǎng)法、投菌法和生物通氣法等方法。生物培養(yǎng)法指的是定期向土壤中投加營(yíng)養(yǎng)物以及在代謝過(guò)程中作為電子受體的過(guò)氧化氫，以滿足土壤中微生物的代謝活動(dòng)，污染物被徹底礦化成為CO2與H2O。投菌法采用的是直接向受污染土壤中接入外源污染物降解菌，再投加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方式。生物通氣法指的是進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)和抽真空機(jī)的安裝，在污染土壤中打上深井，將空氣強(qiáng)行排入后再抽出，去除土壤中的揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)?？杉尤胍欢康陌睔馓峁┓矗蕴嵘⑸锘钚?、提高去除效率。

2. 異位微生物修復(fù)。用異位微生物修復(fù)技術(shù)處理污染土壤時(shí)，需要挖出污染土壤，以進(jìn)行集中的生物降解，主要技術(shù)包括預(yù)制床技術(shù)、厭氧處理法、土壤堆積法、堆肥法以及生物反應(yīng)器技術(shù)等。預(yù)制床技術(shù)是在不泄漏的平臺(tái)鋪上石子與砂子，將遭受污染的土壤平鋪其上（15～30cm），加入營(yíng)養(yǎng)液和水，必要時(shí)，加入表面活化劑，定期翻動(dòng)供氧，使土壤中微生物生長(zhǎng)的要求得到滿足。達(dá)到消除污染的最終目的。過(guò)程中流出的滲濾液必須及時(shí)處理，回灌至土層上以徹底清除。

3.生物反應(yīng)器技術(shù)。把污染的土壤轉(zhuǎn)移至微生物反應(yīng)器，加水混合攪拌成泥漿，調(diào)節(jié)pH至適宜狀態(tài)，加入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與表面活性劑，并在提供氧氣的同時(shí)，使微生物與污染物得到充分的接觸，以加速降解污染物，降解完成后進(jìn)行過(guò)濾脫水再運(yùn)回原地。此法的處理速度快，效果較好，但僅適用于小范圍的污染治理工作。

4.厭氧處理技術(shù)。適用于包括三硝基甲苯、PCB等的高維度有機(jī)污染的土壤處理，但處理?xiàng)l件難以得到有效的控制，并容易產(chǎn)生中間代謝污染物，因此也較少應(yīng)用。

5.土壤堆積法、堆肥法處理。在污染土壤中直接摻入樹(shù)枝、稻草、糞肥、泥炭等可以提高處理效果的易堆腐物質(zhì)作為支撐材料，使用機(jī)械或壓氣系統(tǒng)進(jìn)行充氧，加入石灰調(diào)節(jié)pH至適宜范圍，進(jìn)行高溫降解有機(jī)物的固相反應(yīng)過(guò)程。

三、微生物修復(fù)技術(shù)的主要內(nèi)容

1. 生物轉(zhuǎn)化與降解。研究方法為動(dòng)態(tài)淋溶法，即在存在和缺乏微生物活性的條件下，進(jìn)行一維和二維淋溶試驗(yàn)以達(dá)到穩(wěn)定化金屬污染物的目的。研究結(jié)果被用于建立地質(zhì)化學(xué)模型，模擬被固定金屬的穩(wěn)定性，同時(shí)也適用于非生物以及微生物增強(qiáng)淋溶的動(dòng)力學(xué)研究。

2. 分子生物學(xué)工程。研究重點(diǎn)體現(xiàn)于生物修復(fù)的分子生物學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)兩個(gè)方面。通過(guò)增強(qiáng)對(duì)于生物修復(fù)技術(shù)的理解以及強(qiáng)化改善生物修復(fù)微生物效能的研究，篩選與鑒定全新的修復(fù)基因或者基因產(chǎn)品。

3. 團(tuán)體動(dòng)力學(xué)和微生態(tài)學(xué)。主要研究的是生態(tài)系統(tǒng)中非生命與生命成分兩者間的相互作用以及生態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以便了解與掌握此作用過(guò)程對(duì)于混合污染物的可移動(dòng)性、降解持久性以及毒性的具體影響。

4. 生物修復(fù)技術(shù)評(píng)價(jià)。研究?jī)?nèi)容為底層微生物代謝活性的定量確定；具有代謝活性的微生物生物量、硫酸鹽、Fe(Ⅲ)等還原活性的原位測(cè)定；電子給予體與電子受體、抑制劑等濃度與組合的選擇和優(yōu)化。

5. 生物地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)。研究水力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、原位地球化學(xué)以及微生物學(xué)動(dòng)態(tài)過(guò)程間的關(guān)系。通過(guò)研究地球化學(xué)與酶反應(yīng)過(guò)程，探索微生物誘導(dǎo)放射性核素以及有毒金屬的還原作用。

6. 微生物修復(fù)技術(shù)的系統(tǒng)工程化。描述參數(shù)化評(píng)價(jià)模型和復(fù)臺(tái)地質(zhì)系統(tǒng)中生物修復(fù)方法的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以充當(dāng)微生物修復(fù)技術(shù)的集成、預(yù)測(cè)以及優(yōu)化的生物學(xué)工具。

7. 細(xì)菌運(yùn)移。重點(diǎn)研究微生物以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流動(dòng)與運(yùn)移，用于加速與優(yōu)化生物修復(fù)速率的開(kāi)發(fā)。目前主要用于異質(zhì)性和生長(zhǎng)對(duì)于飽和多孔介質(zhì)微生物運(yùn)移的影響，好氧和厭氧環(huán)境條件中增強(qiáng)細(xì)菌運(yùn)移和對(duì)于金屬氧化物化學(xué)異質(zhì)性的效果評(píng)估等方面的研究。

四、土壤修復(fù)微生物技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

微生物修復(fù)是目前最具發(fā)展與應(yīng)用前景的生物修復(fù)技術(shù)，但隨著不斷拓展的微生物修復(fù)范疇及內(nèi)涵，尤其是對(duì)于污染土壤的生態(tài)系統(tǒng)，每種微生物修復(fù)技術(shù)在克服自身不足的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和解決所產(chǎn)生的新問(wèn)題，包括新微生物資源的評(píng)價(jià)、新型污染物類(lèi)型的發(fā)現(xiàn)、修復(fù)技術(shù)的高效應(yīng)用和復(fù)合機(jī)制等方面。因此，今后我們將從污染土壤的修復(fù)過(guò)程與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、微生物資源及其生物降解途徑、微生物修復(fù)技術(shù)的污染場(chǎng)地應(yīng)用、微生物修復(fù)的復(fù)合化或組合式修復(fù)技術(shù)研發(fā)等方面展開(kāi)深入的研究。