多環(huán)芳烴污染生物修復(fù)研究進展

張靈利 ， 徐宏英 ， 葛晶麗

(太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原 030024)

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多環(huán)芳烴污染生物修復(fù)研究進展

張靈利 ， 徐宏英*， 葛晶麗

(太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原 030024)

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbon，PAHs)是一類對環(huán)境有嚴重危害的持久性有機污染物。具有高生物富集性、致癌性、致毒性和難降解性，修復(fù)治理PAHs污染環(huán)境備受國內(nèi)外政府及學(xué)者的關(guān)注。目前主要采用物理、化學(xué)以及生物方法對多環(huán)芳烴污染的土壤和水體進行修復(fù)。其中生物修復(fù)是一種高效、經(jīng)濟和生態(tài)可承受的環(huán)保技術(shù)，具有成本低、無二次污染等優(yōu)點。本文從植物修復(fù)、微生物修復(fù)以及植物-微生物聯(lián)合修復(fù)方面，闡述了國內(nèi)外生物修復(fù)PAHs污染的最新研究進展。指出了生物修復(fù)PAHs污染環(huán)境需要進一步解決的問題，并對未來發(fā)展趨勢進行了展望。

多環(huán)芳烴(PAHs)；生物修復(fù)；微生物降解；生物可利用性

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbon，PAHs)是由煤、石油、煙草、木材、有機高分子化合物等的不完全燃燒所產(chǎn)生的揮發(fā)性碳氫化合物，是重要的環(huán)境和食品污染物[1-3]。PAHs具有高生物富集性、致癌性、致毒性和致突變性[4-5]。尤其是高分子量的PAHs，其化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電子云密度高、辛醇-水分配系數(shù)高、生物可利用性低，不易在環(huán)境中自然降解，對人類造成的危害更大。因此，治理環(huán)境中PAHs污染特別是高分子量PAHs污染成為人們關(guān)注的焦點。目前國內(nèi)外PAHs污染修復(fù)方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)以及生物修復(fù)[6]，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)物理和化學(xué)方法修復(fù)PAHs污染，費用昂貴，并使得生態(tài)資源不能再利用[7]。而生物修復(fù)二次污染少、安全、價格低廉，是PAHs污染修復(fù)首選方法[8]。近年來，該領(lǐng)域的研究取得了一定進展，主要體現(xiàn)在植物、微生物以及植物-微生物聯(lián)合修復(fù)PAHs。本文對該領(lǐng)域的國內(nèi)外研究成果進行匯總、分析，并提出對今后研究的展望。

1 植物修復(fù)PAHs污染環(huán)境

植物修復(fù)機理是利用植物吸收、降解和根際利用等方式去除PAHs，具有價格低廉、操作方便、二次污染少及可再生利用等優(yōu)點[9]。

1.1 可修復(fù)PAHs污染環(huán)境的植物

目前，已研究發(fā)現(xiàn)的能夠修復(fù)降解土壤中PAHs的植物主要有甘藍型油菜、小麥、黑麥草、蠶豆、苜蓿、樟樹和欒樹等，有草本和木本植物，約有5個科中的7個種。這些植物對低分子量PAHs污染環(huán)境的修復(fù)研究較多，對高分子量PAHs污染環(huán)境的修復(fù)，除苯并芘外，其他的均研究很少[10]。

1.2 植物修復(fù)PAHs污染環(huán)境的機理

植物根際的微生物群落和根系的相互作用，為微生物提供了較大的微環(huán)境，有足夠的作用空間用于PAHs的去除。植物修復(fù)PAHs機理包括：①植物直接吸收利用PAHs；②植物根際釋放分泌物和酶，促進微生物利用PAHs[11-12]。

1.2.1 植物直接吸收PAHs 植物直接吸收PAHs是植物修復(fù)PAHs的方式之一[13]。植物吸收PAHs后，作為碳源及能源轉(zhuǎn)化為CO2和H2O徹底去除，或者將其轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物，如木質(zhì)素等無毒物質(zhì)，達到修復(fù)PAHs的效果[14-15]。

1.2.2 釋放分泌物和酶促進微生物利用PAHs 植物向根際分泌有機物或酶，促進根際土著微生物生長繁殖，從而促進根際微生物降解PAHs[16]。根際分泌物促進PAHs吸收的途徑為①酶促進植物直接吸收PAHs；②微生物數(shù)量增加、微生物活性的提高促進PAHs的利用[17]。Reilley等[18]研究表明，種植植物可提高微生物密度，進而提高PAHs的利用率。丁克強等[19]采用黑麥草修復(fù)PAHs，發(fā)現(xiàn)黑麥草提高了多酚氧化酶活性及菲的降解率。

2 微生物修復(fù)PAHs污染環(huán)境

近年來，許多學(xué)者從PAHs污染的土壤和水體中篩選出PAHs專性降解菌，研究了其降解特性，有的已將其用于實踐中。微生物修復(fù)PAHs具有效率高、二次污染少、價格低廉等優(yōu)點，成為降解修復(fù)PAHs污染的主要途徑。PAHs的化學(xué)結(jié)構(gòu)和降解酶決定了微生物降解PAHs的效果。PAHs的環(huán)數(shù)和辛醇-水分配系數(shù)越大，PAHs降解率越低[20]。

2.1 可修復(fù)PAHs污染環(huán)境的微生物

目前，在已報道的文獻中發(fā)現(xiàn),能夠以高分子量的PAHs為唯一碳源及能源的細菌有紅球菌、洋蔥假單胞菌、分支桿菌屬等。以上菌種大部分均能降解四環(huán)及其以上的PAHs。與細菌相比，真菌通常不能直接利用PAHs作為唯一碳源及能源，但可以把PAHs轉(zhuǎn)化為無毒的中間代謝產(chǎn)物。表1為國內(nèi)外已發(fā)現(xiàn)的高環(huán)PAHs的降解菌。

表1 國內(nèi)外已報道的修復(fù)PAHs的降解菌

續(xù)表1

注:“+”代表菌屬可降解PAHs

2.2 微生物利用PAHs的方式

劉世亮等[46]研究發(fā)現(xiàn)，微生物降解PAHs的方式包括：①以PAHs為唯一碳源和能源；② PAHs與有機質(zhì)類進行共代謝。

2.2.1 以 PAHs為唯一碳源和能源 酶催化PAHs提供給微生物生長所需能量用于PAHs的降解，在PAHs的刺激作用下，微生物分泌單加氧酶或雙加氧酶。在該酶的催化作用下，氧加到苯環(huán)上，形成C-O鍵，經(jīng)過加氫、脫水等作用使C-C鍵斷裂，苯環(huán)數(shù)降低，去除PAHs[47-48]。Wang等[49]研究發(fā)現(xiàn)， 受PAHs污染的沉積物中，微生物降解PAHs能力高于未被PAHs污染的沉積物中的微生物。Field等[50]研究發(fā)現(xiàn)12種能降解蒽和苯并芘的白腐真菌，但不同的菌株對PAHs降解能力不同，并且其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物也不同。有的只能將PAHs轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物，而有的可將PAHs徹底去除。Gramss等[51]在利用不同真菌氧化PAHs實驗中發(fā)現(xiàn)，熒蒽可被外生菌根真菌氧化。

2.2.2 PAHs與有機質(zhì)的共代謝 高環(huán)的PAHs穩(wěn)定性較高，其生物可利用性與苯環(huán)數(shù)呈負相關(guān)[52]。高分子量的PAHs，由于化學(xué)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且在水體中溶解度較低，故很難被微生物利用[53]。因此，以共代謝方式對四環(huán)及以上的PAHs進行降解去除[54]。共代謝是指在有其他碳源和能源存在的條件下微生物酶活性增強，降解非生長基質(zhì)的效率提高[55]。微生物通過酶催化作用降解某些能夠維持自身生長的物質(zhì)時，同時降解某些非微生物生長的必需物質(zhì)[56]。利用易于被微生物利用的底物來維持PAHs降解菌的生長，通過降解菌的大量生長繁殖可以提高對PAHs的降解率[57]。

William等[58]發(fā)現(xiàn)拜葉林克氏菌屬不能利用苯并蒽作為唯一碳源和能源生長，但在有聯(lián)苯、水楊酸存在下，該菌可以氧化苯并蒽，水楊酸的存在能提高假單胞菌降解熒蒽和苯并芘的能力。Kanaly等[59]將苯并芘和原油混合后投入清潔土壤，用土著微生物進行降解，將苯并芘的降解解釋為共代謝氧化和隨后的一些烴類降解菌的混合體代謝作用的結(jié)果。

3 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)PAHs污染環(huán)境

3.1 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)PAHs污染環(huán)境

植物-微生物聯(lián)合修復(fù)是生物修復(fù)研究的新領(lǐng)域[60]。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)去除PAHs的機理主要是通過根際分泌物刺激根際特定微生物功能群落數(shù)量的增加以及共代謝作用達到降解修復(fù)效果[61-62]。孫鐵珩等[63]利用苜蓿草修復(fù)PAHs，發(fā)現(xiàn)種植苜蓿草后土壤微生物對PAHs的降解率提高了2.0%～4.7%，說明苜蓿草的根系可以提高微生物對PAHs的降解。Chen等[64]利用苜蓿-微生物共同修復(fù)PAHs，6個月后降解率達40%。

3.2 根際礦化作用去除PAHs

根系與微生物共同作用構(gòu)成了獨特的微環(huán)境——根際，為PAHs的降解提供了作用空間[65-67]。植物根際促進土壤微生物對PAHs的礦化作用[62,68-69]。某些植物根際的菌根真菌與植物形成共生作用，利用其獨特的酶途徑分解不能被微生物單獨轉(zhuǎn)化的PAHs[70]。Binet等[62]研究發(fā)現(xiàn)，在受蒽污染的土壤中，菌根化黑麥草的存活率明顯提高，菌根化黑麥草根際蒽的降解率也相應(yīng)提高。Binet、Lyval等研究表明，接種菌根菌后，黑麥草在蒽污染土壤中的存活率提高，并促進了植物生長，在蒽濃度為5 g/kg時，只有菌根化植物才能存活[62]。

3.3 植物-降解菌強化修復(fù)PAHs污染環(huán)境

劉魏魏等[71]利用植物-微生物強化修復(fù)PAHs污染土壤，在溫室盆栽紫花苜蓿，單獨或聯(lián)合接種根菌真菌和PAHs專性降解菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：90 d后，種植紫花苜蓿接種菌根真菌、PAHs專性降解菌及其聯(lián)合修復(fù)時，其降解率比紫花苜蓿單獨修復(fù)PAHs時分別高25.2%、27.8%、39.5%；但是，僅有接種PAHs專性降解菌能夠提高高環(huán)PAHs的降解率。

3.4 添加表面活性劑強化植物修復(fù)PAHs污染環(huán)境

添加表面活性劑使PAHs在環(huán)境中溶解度增大，從而洗脫土壤顆粒上吸附態(tài)PAHs提高其生物可利用性[72]。Li等[73]研究了Tween-80對小麥修復(fù)菲污染土壤，發(fā)現(xiàn)Tween-80能夠通過提高根際系統(tǒng)的微生物活性來明顯的提高其降解效率。孫璐等[74]發(fā)現(xiàn)水培體系中SDBS-TX100陰-非離子混合表面活性劑能促進黑麥草根對菲和芘的吸收。

4 展 望

環(huán)境中PAHs污染形勢嚴峻，從源頭減少PAHs的排放，完善生物修復(fù)PAHs污染是提高環(huán)境質(zhì)量的有效措施。對于植物修復(fù)高分子量的PAHs研究很少，目前處于起始階段，需要抓緊對修復(fù)機理，特別是對植物-微生物聯(lián)合修復(fù)機理及影響因素的研究。對于目前生物修復(fù)PAHs還需要開展如下工作：①通過試驗發(fā)現(xiàn)高效修復(fù)PAHs(尤其是高環(huán)的)的植物；②建立PAHs污染環(huán)境高效降解菌的篩選、分離、馴化的方法體系，促進微生物在PAHs污染修復(fù)中的高效利用；③運用現(xiàn)代生物工程技術(shù)構(gòu)建高效降解PAHs的基因工程菌，并摸索其在實際工程應(yīng)用中的最佳條件；④研究專性降解菌與植物根際共代謝修復(fù)PAHs的機理，構(gòu)建根際環(huán)境共代謝生物降解動力學(xué)模型。

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Advances in Polycyclic Aromatic Hydrocarbon Pollution Bio-Redemption

ZHANG Ling-li, XU Hong-ying, GE Jing-li

(Environ't&Secur.Isnt.,TaiyuanUni.ofSci. &Technol.,Taiyuan030024)

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) is a kind of persistent organic pollutants (pops) having serious harm to the environment, and high bio-accumulation, carcinogenicity, toxicity, and difficult to degrade, redemption and control PAHs pollution onto the environment had paid many close attentions by government and scholars both at home and abroad. At present the redemption and the control of the PAHs pollution on soil and waters mainly using chemical, and biological methods. Among them bio-redemption is a kind of high efficient, economic, and ecologically sustainable environmental technology, it has the advantages of low cost, non secondary pollution etc. The authors elaborated the latest advances in bio-redemption of PAHs pollution both at home and abroad from the aspects of phyto-redemption, microbial redemption, as well as plant-microbe joint redemption. And pointed out that bio-redemption of PAHs pollution of environment need further efforts to solve the problems, and prospected the developing trend in the future.

polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs); bio-redemption;microbial degradation; biological availability

山西省科技攻關(guān)項目(20120313011-2)；山西省水利廳科技研究與推廣項目(2015SHJ3)

張靈利 女，碩士研究生。研究方向為環(huán)境生物技術(shù)。E-mail：378147178@qq.com

* 通訊作者。女，博士，研究員。研究方向為環(huán)境生物技術(shù)。E-mail：420945396@qq.com

2015-08-31；

2015-10-21

Q93-33;X172

A

1005-7021(2016)02-0081-06

10.3969/j.issn.1005-7021.2016.02.014