土壤污染防治技術(shù)課程典型案例剖析研討式教學(xué)探索

劉曉艷 張新穎＊ 陳學(xué)萍 王道源 何池全

（上海大學(xué)，上海 200444）

目前在我國一些高校中的環(huán)境工程專業(yè)碩士研究生專業(yè)課程教學(xué)中，還存在著一些實際問題，其中比較大的問題之一是由于專業(yè)課程的機(jī)動性較大而導(dǎo)致在課堂教學(xué)過程中所用的教學(xué)形式的多樣化，導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果受到了一定程度的影響。針對土壤污染防治技術(shù)課程的教學(xué)，根據(jù)上海大學(xué)環(huán)境學(xué)科的特色，并參照國家研究生核心課程指南，構(gòu)建環(huán)境科學(xué)與工程一級學(xué)位點核心專業(yè)課程體系，在近年來受到高度重視的生態(tài)文明建設(shè)中，需要在最受關(guān)注的土壤污染防治方面加強修復(fù)技術(shù)教學(xué)，并充分體現(xiàn)土壤污染環(huán)境修復(fù)行業(yè)的新知識、新技術(shù)及新成果的專業(yè)技術(shù)案例教學(xué)特色，扎實強化研究生課程教學(xué)應(yīng)有的深度和難度。下面通過展示在實際教學(xué)過程中，探索以石油污染土壤治理與修復(fù)為典型案例開展該專業(yè)課案例剖析研討式教學(xué)情況。

多年來石油污染一直是全球性的環(huán)境問題，尤其是土壤中的石油污染物不僅破壞土壤環(huán)境，而且石油類污染物會通過呼吸、接觸及食物鏈等途徑危害人體健康。石油類污染物被列入我國危險廢物名錄，在2016年國務(wù)院印發(fā)的《土壤污染防治行動計劃》中明確指出要加強對石油化工行業(yè)的環(huán)境管理，并應(yīng)對石油類污染土壤采取有效的防治措施；針對石油類污染土壤的治理和修復(fù)，目前國內(nèi)外普遍推崇的是生態(tài)修復(fù)方法，其中主要是微生物修復(fù)和植物修復(fù)技術(shù)。實際上，自然界中的植物與微生物是相互依存的，二者存在著良好的共生關(guān)系。由于植物與微生物之間的相互作用，使得二者共同降解石油類污染物的能力明顯提高，經(jīng)過優(yōu)選的植物與微生物聯(lián)合作用可具有協(xié)同作用效果。植物與微生物聯(lián)合修復(fù)石油污染物的作用機(jī)制主要分為兩類：一是“功能菌—植物”機(jī)制，是將具有特定修復(fù)功能的植物與微生物聯(lián)用，植物在此過程中提供適宜微生物生長的環(huán)境條件，強化微生物對污染物的去除能力；雖存在植物與微生物的共生關(guān)系，但修復(fù)主體為微生物，植物僅作為輔助修復(fù)生物。二是“菌—植物共生”機(jī)制，強調(diào)植物與微生物在污染脅迫下共生以強化植物對污染物的富集作用，一般在根際附近形成緊密的種間互作關(guān)系，微生物胞外修復(fù)機(jī)制為植物富集污染物提供了條件，植物在微生物的保護(hù)下可減輕污染脅迫，促進(jìn)植物生長和提升污染物去除效果。在該課程的專題教學(xué)過程中，主要從下面三個典型案例出發(fā)，開展了石油污染土壤治理與修復(fù)技術(shù)的剖析研討式教學(xué)模式探索。

案例一國外利用植物和微生物聯(lián)合修復(fù)原油污染土壤技術(shù)。伊朗和比利時學(xué)者利用香根草和石油降解菌聯(lián)合修復(fù)原油污染土壤，引用介紹2020年發(fā)表在Journal of Cleaner Production上的一篇相關(guān)文獻(xiàn)，教學(xué)中通過對文獻(xiàn)的深度理解和圖文并茂的說明與闡述，細(xì)致地剖析了該案例技術(shù)的研究過程、數(shù)據(jù)分析以及油污去除機(jī)理探究等內(nèi)容，通過進(jìn)行120天的模擬試驗，研究了香根草和石油烴降解菌在不同油污濃度（0%w/w、2%w/w、4%w/w、6%w/w、8%w/w、10%w/w和12%w/w）的污染土壤中的生長性能以及對油污的耐受性，并且考查了二者聯(lián)合修復(fù)過程中對土壤中的總石油烴（Total Petroleum Hydrocarbons，TPHs）的去除能力，研究發(fā)現(xiàn)香根草與細(xì)菌聯(lián)合處理組對總石油烴的去除率最高可達(dá)到84.6%。同時該研究還發(fā)現(xiàn)修復(fù)過程中還存在著葉綠素a和葉綠素b含量降低、類胡蘿卜素含量增加的規(guī)律性。在整個修復(fù)過程中，香根草在受污染的油污土壤中生長良好，香根草根和莖中的總抗氧化活性、丙二醛和脯氨酸含量都呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。因此，研究證明，香根草對石油污染物具有良好的耐受性，并能夠同降解菌聯(lián)合可有效地用于原油污染土壤的修復(fù)；但需注意在自然條件下，現(xiàn)場污染土壤的理化性質(zhì)可能影響香根草和降解菌對油污的修復(fù)效率。通過該典型案例的教學(xué)及剖析，向同學(xué)們闡明了耐油植物香根草和石油降解菌聯(lián)合修復(fù)石油污染土壤的技術(shù)是具有良好應(yīng)用前景的一種技術(shù)；而且由于香根草屬多年生草本植物，它對生長環(huán)境要求不高，且對氣候的適應(yīng)性廣，可栽培于平原、丘陵、山坡以及水濕溪流邊或疏松粘壤土環(huán)境中；在我國從江蘇到海南緯度內(nèi)的各省區(qū)內(nèi)均可廣泛種植，因此利用香根草對污染土壤進(jìn)行生物修復(fù)的潛力很大。

案例二國內(nèi)特征植物與微生物聯(lián)合修復(fù)石油污染土壤技術(shù)。引用介紹2021年張金秋碩士研究論文，其主題是選用黑麥草、紫花苜蓿、高羊茅這三種可有效降解石油的植物與高效石油降解菌銅綠假單胞菌聯(lián)合，開展特征植物與微生物聯(lián)合修復(fù)柴油污染土壤的研究。通過分析該文獻(xiàn)，從整體上先介紹修復(fù)植物的選擇以及主體實驗設(shè)計，然后在各個方面比較系統(tǒng)地展示了黑麥草、紫花苜蓿、高羊茅聯(lián)合降解菌對柴油污染環(huán)境的修復(fù)作用?；趯嶒炑芯?，首先測試了植物—微生物聯(lián)合體系對柴油污染土壤的修復(fù)效果，發(fā)現(xiàn)植物—微生物聯(lián)合修復(fù)效率明顯高于植物或微生物單一修復(fù)，在56 d的實驗中最高可去除土壤中油污的71.9%；在特征植物與微生物構(gòu)成的聯(lián)合體系中，石油降解菌與植物是相互促進(jìn)的，二者達(dá)到了協(xié)同作用的效果。另外，該項研究在探討影響生物聯(lián)合修復(fù)效果的各種因素基礎(chǔ)上，如油污濃度、投菌量、植株密度以及污染區(qū)域自然條件，研究得到了最佳修復(fù)條件：油污濃度0.6%，植株密度1棵/5 cm，投菌量20 g/kg；最佳生物聯(lián)合修復(fù)場地條件：pH 7～8，溫度25℃，含水率50%，N/P比10∶1。在控制最優(yōu)條件下，特征植物與微生物體系對土壤中油污的去除率可達(dá)到85.5%，確實具有良好的除油修復(fù)功能；另外在研究中還進(jìn)一步探索了特征植物與微生物聯(lián)合修復(fù)油污土壤的初步應(yīng)用效果。通過剖析和研討使同學(xué)們認(rèn)識到特征植物與微生物聯(lián)合可以對油污土壤進(jìn)行修復(fù)，但也認(rèn)識到實際場地情況與模擬實驗研究還是有較大差異的?？傮w來看，該研究通過對實際研究案例進(jìn)行剖析，進(jìn)一步證明了采用特征植物與降解菌聯(lián)合在油污土壤修復(fù)中具有良好的應(yīng)用前景。而且黑麥草、高羊茅和紫花苜蓿都是廣泛分布于我國各地的優(yōu)良草種，可以便捷地用于石油污染土壤修復(fù)技術(shù)中，不僅能夠為我國環(huán)境保護(hù)做出貢獻(xiàn)，還可起到美化環(huán)境的作用。

案例三真菌與嗜油細(xì)菌復(fù)合菌群修復(fù)原油污染土壤技術(shù)。引用介紹2019年袁曉宇碩士研究論文，波氏足分支霉聯(lián)合嗜油細(xì)菌菌群修復(fù)原油污染土壤。教學(xué)中在本案例剖析前，首先介紹石油污染物的組成特征，由于其中所含的飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)等復(fù)雜成分，導(dǎo)致其利用單一微生物菌種修復(fù)難以取得良好效果，因此筆者基于這個難題進(jìn)行實驗研究設(shè)計，通過利用不同類型的微生物進(jìn)行石油污染土壤修復(fù)研究。該項研究過程中，基礎(chǔ)工作是構(gòu)建適當(dāng)?shù)穆?lián)合菌群作為油污修復(fù)菌劑，從各種污泥和污染土壤中篩選出可有效降解石油的真菌波氏足分支霉和降解率優(yōu)異的細(xì)菌菌群，然后探討不同接種比例下真菌和細(xì)菌菌群對原油的綜合降解能力，并構(gòu)建出了降解效果最佳的真菌—細(xì)菌混合嗜油菌群；該研究前期建設(shè)的真菌—細(xì)菌混合嗜油菌群奠定了整個研究工作的基礎(chǔ)，進(jìn)而利用真菌—細(xì)菌混合嗜油菌群對石油污染土壤進(jìn)行了大量細(xì)致的修復(fù)研究，通過實驗探索了真菌—細(xì)菌混合嗜油菌群對實際石油污染土壤的去除能力，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)真菌與細(xì)菌菌群按1∶3比例接種時，真菌—細(xì)菌混合嗜油菌群對原油的降解效果好，其7 d降解率即可達(dá)到81.45%，顯著高于相應(yīng)的真菌或細(xì)菌菌群的效果。另外還剖析了在實際原油降解過程中，真菌—細(xì)菌混合嗜油菌群發(fā)揮的綜合作用以及其中的真菌與細(xì)菌相互之間發(fā)生的協(xié)同作用過程，檢測了真菌—細(xì)菌混合嗜油菌群對實際污染土壤的修復(fù)效果，闡明了波氏足分支霉真菌增強細(xì)菌菌群去除實際原油污染土壤的降解作用機(jī)理。通過對該案例的全面闡述和剖析，不僅使同學(xué)們看到了實驗研究的細(xì)致和過程推斷的精妙，充分認(rèn)識到由波氏足分支霉真菌同細(xì)菌菌群組成的真菌-細(xì)菌混合嗜油菌群可以應(yīng)用于實際石油污染土壤的生物修復(fù)中，而且也有助于同學(xué)們在實驗設(shè)計思路和修復(fù)機(jī)理分析等方面的綜合能力的提升。該學(xué)位論文作者袁曉宇同學(xué)的創(chuàng)新性研究工作發(fā)表在國際著名期刊Bioresource Technology上，獲得了國家研究生獎學(xué)金和上海市優(yōu)秀畢業(yè)生的榮譽，袁曉宇同學(xué)正在我國土壤修復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮著他的專業(yè)技術(shù)特長，他在研究過程中和工作崗位上付出的辛勤努力和刻苦鉆研精神也將激勵著學(xué)弟學(xué)妹們建立敢于攀登相關(guān)領(lǐng)域科技高峰的信心和決心，同學(xué)們立志為我國的環(huán)境保護(hù)事業(yè)做出自己的貢獻(xiàn)。

本文介紹在環(huán)境工程專業(yè)開設(shè)碩士研究生專業(yè)課“土壤污染防治技術(shù)”基礎(chǔ)上，積極嘗試?yán)玫湫桶咐M(jìn)行剖析研討式教學(xué)，在課程教學(xué)中有針對性地體現(xiàn)課程的理論性、實踐性、學(xué)術(shù)性、前沿性及創(chuàng)新性，注重教學(xué)改革實踐，努力強化學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，培養(yǎng)適合新時期我國生態(tài)文明建設(shè)的高級專業(yè)人才。在以石油污染土壤治理與修復(fù)技術(shù)為主題的專題研討教學(xué)中，利用國內(nèi)外學(xué)者們開展相關(guān)技術(shù)研究的三個典型案例，向同學(xué)們展現(xiàn)了采用植物與微生物技術(shù)可以有效地治理和修復(fù)石油污染土壤環(huán)境的研究過程和技術(shù)特點，并使同學(xué)們清晰地看到了相關(guān)領(lǐng)域研究者甚至自己身邊的學(xué)長們奮斗的過程和成長的身影，充分體現(xiàn)了開展典型案例剖析研討式教學(xué)的優(yōu)勢。在教學(xué)中同學(xué)們對這種教學(xué)方式很感興趣，他們表現(xiàn)出了濃厚的學(xué)習(xí)熱情，課堂上研討和互動氣氛熱烈，整體教學(xué)效果好，受到了學(xué)生們的普遍歡迎；而且令人欣慰的是，從研究生畢業(yè)生的就業(yè)情況看，有很多學(xué)過這門專業(yè)課的碩士畢業(yè)生目前都在從事著與土壤污染防治和修復(fù)相關(guān)的工作，他們在努力為我國的環(huán)境保護(hù)貢獻(xiàn)力量。通過此文探索環(huán)境類專業(yè)研究生專業(yè)課的有效教學(xué)模式，希望與其他高校同行們一起探索該類研究生專業(yè)課的各種教學(xué)模式，以期起到拋磚引玉的作用，并為開展該類碩士研究生專業(yè)課教學(xué)和學(xué)位點核心課程建設(shè)起到積極作用，努力提高環(huán)境專業(yè)碩士生創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量。