微生物技術(shù)在土壤修復(fù)中的應(yīng)用研究進展

吳楠楠 張珂 孫晨曦

摘要：介紹了土壤污染類型（有機污染、重金屬污染、放射性污染）及微生物修復(fù)技術(shù);綜述了微生物修復(fù)技術(shù)（投菌法、生物通風法、生物培養(yǎng)法、堆制處理法、預(yù)制床法、生物反應(yīng)器法）在土壤修復(fù)中的應(yīng)用研究;分析了微生物土壤修復(fù)技術(shù)存在的問題并提出展望。

關(guān)鍵詞：土壤污染;微生物技術(shù);土壤修復(fù)

Abstract： The types of soil pollution （organic pollution， heavy metal pollution，radioactive pollution） and microbial remediation technologies? were introduced;The application research of the microbial remediation technologies （bacteria method， biological ventilation method， biological culture method， stacking method， prefabricationbed method， bioreactor method） in soil were summarized; The problems existing in microbial soil remediation technology were analyzed and the prospect was put forward.

Key words： soil pollution; microbiological technology; soil remediation

中國的土壤污染問題是由長時間的污染積累和多方面因素導(dǎo)致的。2016年，國家環(huán)保部門對全國土壤污染狀況詳細調(diào)查發(fā)現(xiàn)，重工業(yè)、采礦企業(yè)周邊環(huán)境土壤污染物超標嚴重，鎘、汞、鉻占比較大[1]。農(nóng)藥的不合理使用也造成中國土地大面積污染， 長江、黃河、松花江、遼河、海河、珠江等主要流域的底泥中農(nóng)藥污染情況十分嚴重[2]。為了有效地修復(fù)土壤、解決土壤污染問題，眾多土壤修復(fù)方法被采用，但如何針對土壤的污染類型，選擇便利的場地和高效且環(huán)保的修復(fù)手段卻頗有難度。本文將主要介紹微生物技術(shù)在土壤修復(fù)中的應(yīng)用。

1 微生物修復(fù)技術(shù)

土壤修復(fù)技術(shù)的種類有很多，主要的修復(fù)方式有生物修復(fù)、物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)，其中生物修復(fù)技術(shù)又涵蓋植物、動物、微生物3種。在學(xué)術(shù)界，微生物修復(fù)技術(shù)被普遍認同。微生物種類多、繁殖快、在土壤中生活方式不同等特點讓微生物修復(fù)技術(shù)在土壤修復(fù)方面占據(jù)優(yōu)勢地位。但微生物的性質(zhì)又直接影響其對農(nóng)藥的降解與轉(zhuǎn)化。同一物種的不同微生物種類或菌株對同一有機底物或重金屬具有不同的清除作用[3]。

微生物土壤修復(fù)技術(shù)是指在適宜的環(huán)境中用原始土壤中的微生物或者在目標污染土壤中加入已知特定功能的人工馴化微生物，使微生物主動代謝和污染物反應(yīng)，降低有毒污染物的活性或?qū)⑵浣到鉃闊o毒物質(zhì)[4]。這種技術(shù)有改良土壤品質(zhì)、處理方式多樣化、成本低、對環(huán)境影響小、可最大限度減少污染物等優(yōu)點，因此多用于修復(fù)污染土壤。根據(jù)修復(fù)場地不同，微生物修復(fù)技術(shù)又有原位和異位修復(fù)之分。

1.1 原位修復(fù)

原位微生物修復(fù)技術(shù)是指不改變土壤自身位置，向土壤中添加養(yǎng)分以及供給氧氣，促進微生物自身代謝，降解和剔除土壤中的有害物質(zhì)，從而保證土壤質(zhì)量。原位微生物修復(fù)技術(shù)操作簡單、成本較低，但處理速度慢。目前投菌法、生物通風法和生物培養(yǎng)法是3種主要的修復(fù)處理方式[5]。

1）投菌法。投菌法是指利用微生物降解和代謝能力，直接向遭受污染的土壤接入外源的污染物降解菌，同時提供這些微生物生長所需的營養(yǎng)，包括常量營養(yǎng)元素和微量營養(yǎng)元素。該修復(fù)技術(shù)的特點是易操作、成本低。由于微生物對生存環(huán)境較敏感，直接在土壤中投加生物菌體，會受到部分因素影響。尹盤基等[6]提出將表面活性劑淋洗與投菌法相結(jié)合，通過表面活性劑淋洗污染土壤來達到去除部分高濃度氯酚的目的，再加入降解菌，使低濃度氯酚不斷降解。蔗糖酯（圖1）淋洗與投菌法相結(jié)合，可在25 d內(nèi)使土壤中的2，4，6-TCP從190.4 mg/kg降至3.1 mg/kg，去除98.4%的土壤污染物，從而取得良好的修復(fù)效果。

2）生物通風法。生物通風法一般用于處理不飽和區(qū)域中的有機污染物。具有應(yīng)用范圍較廣、成本較低的優(yōu)點。該工藝在操作過程中耗時較長，毛麗華等[7]利用生物通風法和堆肥法相聯(lián)合的方法，添加生物有機肥接種并連續(xù)通風來修復(fù)原油污染的土壤。發(fā)現(xiàn)將生物有機肥接種在原油污染的土壤中，通過生物通風堆肥法修復(fù)， 效果可觀。數(shù)據(jù)顯示，當油污土壤的含油量為7.00×104 mg/kg時，處理40 d后，可去除45%以上的原油。最大生物降解速率常數(shù)可達0.033/d，半衰期僅為 20.82 d。

3）生物培養(yǎng)法。生物培養(yǎng)法指通過定期向土壤中添加過氧化氫和養(yǎng)分來提高土壤中原有降解菌的活性，并利用降解菌自身的代謝功能，轉(zhuǎn)化土壤中的有害物質(zhì)?；谖⑸锉旧磔^強的耐性和活躍性，且環(huán)境不會對其造成影響，王曉旭[8]從DDTs-PAHs復(fù)合污染土壤中篩選分離出一株高效降解菌DC-1，發(fā)現(xiàn)DC-1菌對DDTs、DDE、高環(huán)PAHs等均有良好的降解能力。在未來的研究中可以加大該方法的研究力度，增大原土壤中微生物的數(shù)量，提升其質(zhì)量，以此強化土壤修復(fù)，保證土壤的性能[6]。

1.2 異位修復(fù)

異位修復(fù)主要是挖掘、篩分和攪拌污染土壤，雖然其修復(fù)時間短、工程可控性高、效果明顯，但不易操作，運行維護困難、修復(fù)成本高，會破壞土壤的原始形態(tài)結(jié)構(gòu)，在面積比較小的土地及重污染土地作用時效果比較明顯。堆制處理法、預(yù)制床法和生物反應(yīng)器法是比較常見的異位修復(fù)方法。

1）堆制處理法。通過生物處理工藝對石油污染土壤進行針對性強化，對濃度穩(wěn)定性差的固體有機物效果比較明顯，作用時間比較高效。孫東平等[9]通過在兩種油污土樣的堆制中投加4株高效石油降解菌，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合微生物堆制處理法對原油污染土樣中的飽和烴的絕對去除效果十分明顯。試驗中所添加的高效石油降解菌以利用中低碳數(shù)烴類為主，生成無機物質(zhì)（CO2和H2O），且該法可提高土壤質(zhì)量、成本低、易操作[10-12]。宋紹富等[13]對油田含油污泥進行微生物堆制法處理，除油率作為指標，研究油污處理的影響因素（菌種類型、接種量、調(diào)理劑及堆制時間等），發(fā)現(xiàn)隨著堆制時間和接種量的增加，除油污效果更好。

2）預(yù)制床法。該方法構(gòu)建了一個相對完善的修復(fù)系統(tǒng)，既能高效控制降解效果，又能有效收集和回收產(chǎn)生的滲濾液，減輕對周圍環(huán)境造成的影響。預(yù)制床法可以處理防腐油生產(chǎn)區(qū)的污染土壤，其中的多環(huán)芳烴濃度可以下降700.3 mg/kg（土），去除率達68.4%，比該區(qū)域的原位處理效果好很多[14]。邵濤等[15]采用預(yù)制床堆制技術(shù)處理兩個不同井站的油泥（沙），pH為5～7，水分50%～70%，堆溫大概保持在16～33 ℃，初始含374 000～462 000 mg/kg原油時，經(jīng)過2個月的運行，總共可去除96.4%～98.4%的石油，其中去除74.7%～98.5%的烷烴，去除75%～89.4%的瀝青質(zhì)，去除85.5%～99.6%的芳香烴。

3）生物反應(yīng)器法。將目標污染土壤以水土比1∶2和水混合轉(zhuǎn)移至反應(yīng)器內(nèi)，投入人工馴化的微生物、營養(yǎng)鹽及表面活性劑，維持溫度20～25 ℃，并通入空氣。該方法方便控制，可以尋求更適合的條件，讓處理效果達到更好。在土壤有機污染這一領(lǐng)域內(nèi)，將物理化學(xué)法與生物反應(yīng)器法相結(jié)合的修復(fù)技術(shù)已成為國內(nèi)外研究的熱點，并取得一定進展。

目前國內(nèi)的異位修復(fù)主要包括固定/穩(wěn)定化、熱處理、土壤淋洗、化學(xué)/氧化還原、生物堆耦合、氣相抽提和水泥窖協(xié)同處置等技術(shù)[16]。

2 不同類型土壤的微生物修復(fù)技術(shù)研究進展

土壤是動植物的棲息地，糧食作物和經(jīng)濟作物生產(chǎn)更是離不開土壤。人類活動產(chǎn)生的污染物進入土壤，不斷積累以后，土壤的自凈能力慢于污染物的積累速度，形成土壤污染，對人類的生活和生產(chǎn)造成不可逆的傷害。根據(jù)土壤污染物的種類，可將土壤污染分為有機污染、重金屬污染和放射性污染等。

2.1 有機污染

2.1.1 有機污染現(xiàn)狀 土壤農(nóng)藥和化肥形成的污染具有持久性，通過食物鏈等途徑進入人體，具有累積性。長此以往就會削弱微生物的降解能力，降低土壤肥力，在土壤中形成惡性循環(huán)。據(jù)統(tǒng)計，中國2019年2月有1 300萬～1 600萬hm2的農(nóng)田被農(nóng)藥污染。2.8億hm2以上的土地施用農(nóng)藥，年施用量50萬～60萬t。然而，只有少部分農(nóng)藥被利用，10%～20%被植物吸附，50%～60%殘留在土壤中[17]。目前，使用的化學(xué)農(nóng)藥中殺蟲劑占比最大，主要為有機磷殺蟲劑，對環(huán)境污染嚴重。農(nóng)藥造成中國1 600萬hm2的土壤被污染，主要農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留超標率在16%～18%。

2.1.2 研究現(xiàn)狀 現(xiàn)今農(nóng)藥多為有機物質(zhì)，工業(yè)生產(chǎn)也會造成有機物污染，因此，有機污染問題復(fù)雜，已成為當下土壤污染問題的重點。目前發(fā)現(xiàn)的可降解有機污染物質(zhì)的微生物類型包括真菌和細菌（表1）。

2.2 重金屬污染

2.2.1 重金屬污染現(xiàn)狀 土壤中的重金屬通過食物鏈進入人體，會引發(fā)頭痛、失眠、神經(jīng)錯亂、關(guān)節(jié)疼痛、癌癥等一系列癥狀。全國土壤污染狀況調(diào)查于2005—2013年進行，2014年4月17日調(diào)查結(jié)果公布，全國土壤中鎘的點位超標率為7%，汞為1.6%，砷為2.7%，銅為2.1%，鉛為1.5%，鉻為1.1%，鋅為0.9%，鎳為4.8%。目前中國鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染嚴重。據(jù)原農(nóng)業(yè)部的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，全國每年因重金屬污染而減產(chǎn)糧食1 000多萬 t，重金屬污染糧食1 200萬 t，導(dǎo)致直接經(jīng)濟損失200多億元[34]。

2.2.2 研究現(xiàn)狀 重金屬原義是指密度大于4.5? ? g/cm3的金屬，包括金、銀、銅、鐵、汞、鉛、鎘等。重金屬在人體中累積達到一定程度會造成慢性中毒。20世紀30～60年代發(fā)生的“八大公害事件”中的水俁病事件和骨痛病事件都是由重金屬污染造成。目前對修復(fù)重金屬污染土壤具有良好效果的微生物包括真菌、放線菌及細菌。鄧平香等[35]從東南景天（Sedum alfredii）中分離純化得到的熒光假單胞菌R1，ZnO和CdO被菌株R1在生長代謝過程中分泌的蘋果酸、琥珀酸、乙酸等多種低分子有機酸溶解，在Zn、Cd污染土壤中接種菌株R1有利于東南景天的生長，增強R1對Zn、Cd吸收。鄧秋穗等[36]利用微生物對重金屬的鈍化作用，選定革蘭氏陰性桿菌制作微生物鈍化劑。

2.3 放射性污染

2.3.1 放射性污染現(xiàn)狀 中國核技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療、軍隊、核潛艇等領(lǐng)域高速發(fā)展，但同時也造成了一定的核污染。如核爆炸、鈾和釷的開采與冶煉，民用核設(shè)施（醫(yī)用X光機、醫(yī)用加速器等）造成了放射性污染，放射性污染危害了人類健康。20世紀50年代以來，中國鈾礦冶工業(yè)的發(fā)展為國防和核電技術(shù)發(fā)展作出了卓越貢獻，但同時鈾尾礦中的放射性核素也對周邊土壤環(huán)境造成一定程度的威脅。土壤中的鈾不僅有害于作物的生長，還會隨食物鏈逐級傳遞最終危害到人類健康[37]。據(jù)調(diào)查顯示，中國有28個省（市）農(nóng)用地土壤中放射性核素238U、226Ra、232Th的含量根據(jù)地域差異呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律[38]。

2.3.2 研究現(xiàn)狀 土壤放射性污染主要由土壤中的放射性物質(zhì)造成，來源于廢水、廢氣和廢渣以及核試驗的沉降物。土壤本身難以清除含放射性物質(zhì)的污染物，只能依靠自然衰變的方式將放射性元素變?yōu)榉€(wěn)定元素，從而消除其放射性。張麗娟等[39]在放射性污染土壤中分離純化得到土著真菌F54（鐮刀霉菌屬），F(xiàn)54菌體可以吸附Cs+，預(yù)示著F54不僅可以在高輻射環(huán)境中發(fā)揮作用， 在修復(fù)重金屬離子混合污染的放射性環(huán)境方面同樣具有較高的潛力。

3 微生物技術(shù)在修復(fù)土壤方面存在的問題

在眾多污染土壤修復(fù)技術(shù)中，微生物修復(fù)技術(shù)憑借其不會對土壤造成二次污染、耗資少、處理效果較好、保護土壤結(jié)構(gòu)的特點占獨特優(yōu)勢。節(jié)約資源和保護環(huán)境日漸重要，微生物技術(shù)在今后的土壤污染修復(fù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。但微生物修復(fù)方法受到微生物自身生存環(huán)境與反應(yīng)條件等因素的影響，有局限性，以下幾方面問題有待解決。

1）多數(shù)污染物為非水溶性，不易與微生物混合和接觸，影響微生物吸附和吸收。因此，適量的表面活性劑有利于微生物吸收污染物。如果污染物抑制“土著”微生物，可先投加高效降解菌分解污染物或刺激微生物生長的藥物，為微生物解除毒性，促進其快速生長，加速分解。

2）溫度、pH、無機鹽濃度等都是影響微生物生長的因素。土壤是一個龐大的系統(tǒng)，同時也相對貧瘠，土壤顆粒的大小、氮源、溫度及水分都會對土壤微生物造成一定影響。夏季溫度高、濕度大，則適于土壤微生物生長[40]。營養(yǎng)是微生物生長繁殖過程必不可少的，污染土壤基本能夠滿足微生物的生長所需營養(yǎng)，但相對增加N、P等營養(yǎng)物質(zhì)能夠提高微生物降解污染物速率。

4 展望

美國超級基金最新公布的修復(fù)原則為綠色修復(fù)、原位修復(fù)和高效修復(fù)，代表著未來場地修復(fù)技術(shù)的發(fā)展方向[41]。微生物分布廣、數(shù)量大、種類多、繁殖較快、代謝能力強且不會對土壤造成二次污染，因此微生物在土壤修復(fù)進程中占有越來越重要的地位。根據(jù)綠色發(fā)展和建設(shè)環(huán)境友好型社會的宗旨，微生物對土壤的修復(fù)在未來的應(yīng)用中有無限潛力，其不僅存在于土壤修復(fù)中，更是無害化處理各種污染物的好幫手。

土壤中污染物種類性質(zhì)不同使土壤修復(fù)變得復(fù)雜。一種修復(fù)技術(shù)無法得到最好的結(jié)果，需要其他多種技術(shù)支持，從而提高修復(fù)污染土壤效果。目前，人力資源不足，技術(shù)水平不夠，修復(fù)資金欠缺，政策不完善、不系統(tǒng)，市場不規(guī)范，環(huán)境監(jiān)管不力等都是土壤修復(fù)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的阻礙[42]。土壤修復(fù)技術(shù)發(fā)展趨勢：①微生物修復(fù)技術(shù)將進一步向綠色環(huán)保、快速高效的方向發(fā)展;②朝著多項修復(fù)技術(shù)綜合運用發(fā)展;③發(fā)展多重原位土壤修復(fù)技術(shù)，基于設(shè)備化的快速場地污染土壤修復(fù)、構(gòu)建污染土壤修復(fù)決策支持系統(tǒng)也是未來研究的重點[43]。

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