石油污染土壤的生物修復技術(shù)研究進展

呂雷　朱米家　王珂

摘要隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，石油污染土壤的治理問題已經(jīng)成為當今研究者關(guān)注的焦點問題。相比于物理方法和化學技術(shù)，生物技術(shù)因為其高效、無毒，且對環(huán)境不產(chǎn)生明顯的干擾而被廣泛應用于原位和異位修復油污土壤。生物修復技術(shù)主要包括植物修復、微生物修復、植物-微生物聯(lián)合修復等方法，通過對這些技術(shù)的優(yōu)缺點進行比較，展望了今后土壤石油污染修復的發(fā)展趨勢和研究重點。

關(guān)鍵詞石油污染；生物技術(shù)；植物修復；微生物修復

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）22-07585-03

石油在開采、運輸、煉制的過程中產(chǎn)生一定的污染，主要污染的對象是土壤。污染土壤的石油中的主要組成是C15～36的烷烴、多環(huán)芳烴、烯烴、苯系物、酚類等[1-2]。泄漏的原油不僅破壞了土壤的結(jié)構(gòu)，使土壤的功能下降，比如堵塞土壤孔隙，改變有機質(zhì)的組成，引起有機質(zhì)碳氮比和碳磷比的變化；引起土壤微生物群落、微生物區(qū)系的變化，使污染環(huán)境中微生物生理功能明顯降低[3-4]，更嚴重的是石油通過“土壤-植物-人”這一食物鏈進入人體內(nèi)，直接威脅到人類的身體健康。據(jù)報道，石油組分中的芳香烴類物質(zhì)對人及動物的毒性極大，其中多環(huán)芳烴類物質(zhì)可以通過呼吸、飲食攝入甚至皮膚接觸等方式進入人和動物體內(nèi)，影響其肝、腎等器官的正常功能，甚至引起癌變。

隨著國家對環(huán)境保護要求的不斷提高，石油對土壤污染的治理工作也逐漸成為研究的熱點問題。人類在石油污染土壤的修復工作中最早采用的是物理和化學的方法。物理修復技術(shù)如對污染土壤進行焚燒、熱修復、換土、隔離，要求高溫、機械設(shè)備和更多的人力投入等，成本較高；化學技術(shù)修復油污土壤具有較好的除油效果且處理周期短、操作簡便，如萃取法、洗滌法、光催化法、氧化法等方法，但缺點是藥劑用量過大，易造成二次污染[5-8]。相比之下，生物修復技術(shù)具有過程安全、破壞性小、效果好、操作簡便以及不易對環(huán)境造成二次污染等特點，同時生物修復技術(shù)易于實現(xiàn)土壤的原位修復和規(guī)模擴大的修復試驗[9-10]。因此近年來運用生物方法控制土壤的污染成為國內(nèi)外學者的研究重點。

1 生物修復技術(shù)及其分類

生物修復技術(shù)發(fā)源于20世紀80年代，是指利用特定的生物（植物、動物、微生物）等，將存在于土壤和地下水中的石油污染物降解成二氧化碳和水或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)的方法，以實施修復的主體分類主要有植物修復技術(shù)、微生物修復技術(shù)及微生物-植物聯(lián)合修復技術(shù)等。以修復的試驗場地來分，主要包括原位修復和異位修復兩類。其中植物修復技術(shù)用于原位降解石油污染土壤已有不少相關(guān)研究報道，激活本源微生物修復技術(shù)、微生物-植物修復技術(shù)在異位修復中取得了一定的研究進展。

2 石油污染土壤生物修復研究現(xiàn)狀

2.1 植物修復技術(shù)植物修復是指利用植物的根莖吸收污染土壤的石油烴類有機物，并將其轉(zhuǎn)運蓄積到植株的地上可收割部位，或者通過植株體的新陳代謝作用將污染有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為毒性較弱的或非毒性的代謝物。凌婉婷等通過研究20種植物的根部對油污土壤中的多環(huán)芳烴類物質(zhì)的吸收作用，發(fā)現(xiàn)植物根部的多環(huán)芳烴類（如菲、芘）的含量與根系的富集系數(shù)、根的脂肪含量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，這為篩選高效修復石油污染土壤的植株提供了試驗支持[11]。在植物修復石油烴污染土壤時，根際的降解作用顯著。在大量的研究中發(fā)現(xiàn)，一些根系發(fā)達的植物如披堿草、黑麥草、紫花苜蓿、高羊茅等被較多地應用于原位的修復領(lǐng)域，這是因為這些植物根系的特性決定了其與土壤接觸的面積增大，能通過根際作用降解更多的表層石油烴污染物[12-14]，如Kirk等研究發(fā)現(xiàn)黑麥草根際降解的石油烴是原土自行降解的233.37倍[14]。另外，也有使用植物的殘體做實驗室內(nèi)的修復工作，如Esmaeil等以4種植物殘體在溫室內(nèi)降解總石油烴含量達到10 000 mg/kg的污染土壤，4種被試驗用的樣品分別為豌豆秸、麥秸、苜蓿干草和混合殘體（質(zhì)量分數(shù)分別為20%干草、37.5%麥秸、37.5%豌豆秸和5%石膏）。90 d的試驗發(fā)現(xiàn)豌豆秸稈對石油污染土壤的降解效率能達到83%[15]。

2.2微生物修復技術(shù)微生物修復技術(shù)是指利用微生物在自然環(huán)境中對石油污染物進行轉(zhuǎn)化、降解和去除。可以通過改變外界條件（比如溫度、鹽度、氧含量、營養(yǎng)物質(zhì)濃度和添加表面活性劑等），也可以通過微生物強化修復，接種富集培養(yǎng)獲得高效降解菌株來提高土壤中的石油烴降解率。Pelaez等通過篩選出油污土壤中的芽孢桿菌和假單胞菌，對900 m2的石油污染土壤進行中等規(guī)模的生物降解，161 d時間內(nèi)有94.4%的多環(huán)芳烴類污染物被降解[16]。Alessandra等通過3種微生物技術(shù)對熱帶地區(qū)的油污粘土進行修復發(fā)現(xiàn)，堆肥法、生物刺激和添加具有特定降解能力的微生物來增強生物活性的強化生物修復的石油烴降解率分別為87%、89%和87%。其中強化生物修復方法在繼續(xù)添加了營養(yǎng)物質(zhì)和微生物的條件下，降解效率不見顯著提高[17]。Lin等采用分子檢測的微陣列生物芯片，結(jié)合生物強化和生物刺激的方法對石油污染的土壤進行堆肥降解，28 d之后C10～28的石油烴和C10～40的石油烴降解率分別達到70%和63%[18]。Soleimani等使用6種方法異位修復取自伊朗3個不同地區(qū)的油污土壤，這些修復方法包括富集培養(yǎng)細菌、植物栽種、添加氮源和磷源、糖蜜、過氧化氫氧化、添加表面活性劑吐溫80。試驗結(jié)果顯示細菌富集與添加營養(yǎng)物質(zhì)的方法去除總石油烴的效率在50%～62%范圍內(nèi)，其中前者對正構(gòu)烷烴有更顯著的降解，后者對類異戊二烯的污染組分有更好的降解效果[19]。

2.3微生物強化修復技術(shù)微生物強化修復是指在修復系統(tǒng)中，通過投加具有特定功能的微生物、營養(yǎng)物或采取其他措施，以期達到縮短修復時間，提高修復效果，減少修復費用的目的。生物強化影響因素主要有土壤環(huán)境濕度、溫度、pH、孔隙率、本源微生物數(shù)量等。生物強化修復的實施途徑主要有：①投加營養(yǎng)物質(zhì)如氮源、磷源；②投加電子受體（氧化劑）；③添加表面活性劑；④投加高效降解菌或基因工程菌（GEM）；⑤應用生物反應器[20]。生物強化修復以其超強的修復能力已成為土壤石油污染治理的研究熱點。Bento等對自然衰減、生物刺激和生物強化修復石油污染土壤的效果進行了評價，結(jié)果表明生物強化處理石油組分中重油和輕質(zhì)油的降解率均達到70%以上，修復效果顯著優(yōu)于其他處理。石油污染土壤微生物修復過程中，生物強化可以顯著提高土壤中石油烴降解微生物的生物量和酶活性[21]。Yu等利用由紅球菌屬（Rhodococcus sp） 、不動桿菌屬（Acinetobacter sp） 和假單胞菌（Pseudomonas sp.） 構(gòu)成的多環(huán)芳香烴降解菌群強化處理多環(huán)芳烴類化合物，在半固體培養(yǎng)基中發(fā)酵28 d后，對芴和菲的降解率達到100%[22]。Nikolopoulou等添加尿酸和卵磷脂強化微生物降解石油烴類化合物，連續(xù)培養(yǎng) 18 d 后，生物強化處理顯著提高了石油烴的降解速率，其中飽和烴類化合物分解最快，其次是芳香烴類化合物[23]。Nikolopoulou 等研究還表明，生物表面活性劑可以提高石油烴化合物的降解效率（18 d降解率達到96%），縮短微生物停滯期（添加生物表面活性劑7 d內(nèi)降解率達到80%）[24]。石油污染土壤的生物強化修復是目前研究較多的修復技術(shù)之一，學術(shù)界對于它的修復效果存在爭議，有研究表明利用真菌、細菌單菌株和真菌菌群強化石油多環(huán)芳烴類化合物降解，萘、蒽、菲及大分子芳香烴類化合物的降解速率無顯著變化。在實際操作過程中，應該考慮污染區(qū)的生物和非生物因素，才能發(fā)揮生物強化的修復效果[23-24]。

2.4微生物-植物聯(lián)合修復技術(shù)在實驗室條件下，將具有生物降解作用的細菌添加入石油污染的土壤中（即生物修復）通常能夠有效地加速污染物的分解，但在室外條件下卻往往很難實現(xiàn)成功的生物修復。將植物種植在土壤中以代謝和去除有毒物質(zhì)，因為即使植物在一定程度上對土壤污染物具有耐受性，但是植物生長通常會受到明顯影響，以致于植物不能達到足夠的生物量使其在一定時間內(nèi)實現(xiàn)對污染物的有效降解，克服這些傳統(tǒng)生物修復與植物修復的局限性的方法之一就是將具有生物降解作用的微生物與植物相結(jié)合，即植物-微生物聯(lián)合修復作用[25-26]。在兩種方法的基礎(chǔ)上加強對石油烴類污染物的吸收與降解。王麗萍等以玉米為接種植物進行菌根真菌-植物對土壤石油烴降解試驗研究。結(jié)果表明植物與菌種的協(xié)同作用，可有效促進植物生長和石油烴降解[27]。耿春女等研究發(fā)現(xiàn)，AM 真菌的孢子不僅能在石油污染土壤中存活，而且當石油污染物濃度達到 10 000 mg/kg時，對三葉草根系的侵染率還能達到 82.86%。利用苜蓿草與微生物修復PAHs 和礦物油污染土壤的研究表明，在植物生長條件下，土壤微生物降解功能明顯增強。以水稻為供試植物修復濕地土壤中礦物油和 PAHs 的研究表明，真菌和細菌接種量在不同污染水平上與礦物油和多環(huán)芳烴降解率存在最佳配比關(guān)系[28]。劉鵬等利用高效石油降解菌結(jié)合種植大豆、堿草等植物對石油污染土壤進行聯(lián)合修復，135 d 后石油烴的降解率為63.65%～83.26%，研究表明，植物可以促進根際微生物的繁殖及對污染物的分解轉(zhuǎn)化，進而提高修復效率。田間試驗表明，玉米、大豆與內(nèi)生或外生菌根真菌的聯(lián)合修復效果好于它們與專性降解菌的聯(lián)合修復效果[29]。劉繼朝等選取了 4 種供試驗植物向日葵、狗牙根、棉花、高丹草從中原油田地區(qū)石油污染土壤中篩選石油降解微生物。結(jié)果表明：添加微生物和植物聯(lián)合對石油降解能力大小順序為棉花+微生物>向日葵+微生物>狗牙根+微生物>高丹草+微生物[30]。以上研究說明微生物與植物修復技術(shù)的聯(lián)合運用，大大地提高了石油降解率，微生物與植物聯(lián)合修復技術(shù)將會成為今后石油污染土壤修復的一個很有研究意義的方向。

3 石油污染土壤生物修復方法的優(yōu)缺點比較

石油污染土壤的生物修復主要有自然衰減、堆肥技術(shù)、植物、微生物修復等方法。根據(jù)石油污染的程度、土壤自身的理化性質(zhì)（如pH，N、P含量，有機質(zhì)含量，含水率等）、氣候特征、修復成本、城鄉(xiāng)規(guī)劃的需要進行因地制宜的修復[31-32]。其修復方式的優(yōu)缺點比較如表1所示。

4 生物修復所面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢展望

作為環(huán)境生物修復技術(shù)的核心部分，微生物技術(shù)在基礎(chǔ)和應用研究方面都取得了較大發(fā)展，表現(xiàn)了其在中低濃度石油污染土壤修復中的可行性。近年來，利用微生物修復石油污染土壤得到了廣泛地關(guān)注。隨著微生物修復技術(shù)的日臻完善，微生物降解石油以其高效率、低成本、無污染等優(yōu)點，將在石油污染土壤修復過程中扮演越來越重要的角色。但是在自然環(huán)境中能夠分離培養(yǎng)的微生物種類只是微生物總量中很有限的一部分，尤其是在復雜的外部環(huán)境中，絕大多數(shù)微生物不能用傳統(tǒng)的純培養(yǎng)方法獲得，這在一定程度上限制了微生物修復技術(shù)的推廣應用。因此，需要將微生物修復、植物修復、菌根根際生物修復等技術(shù)聯(lián)合應用，提高石油污染物的降解率，并在修復過程中利用物理、化學和分子生物學方法對修復效果進行有效地評估，使石油污染土壤修復過程向全面系統(tǒng)化、最優(yōu)化和成熟化發(fā)展。