石油污染土壤的生物修復技術研究進展

呂雷　朱米家　王珂

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

關鍵詞石油污染；生物技術；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構，使土壤的功能下降，比如堵塞土壤孔隙，改變有機質的組成，引起有機質碳氮比和碳磷比的變化；引起土壤微生物群落、微生物區系的變化，使污染環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，直接威脅到人類的身體健康。據報道，石油組分中的芳香烴類物質對人及動物的毒性極大，其中多環芳烴類物質可以通過呼吸、飲食攝入甚至皮膚接觸等方式進入人和動物體內，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。物理修復技術如對污染土壤進行焚燒、熱修復、換土、隔離，要求高溫、機械設備和更多的人力投入等，成本較高；化學技術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，生物修復技術具有過程安全、破壞性小、效果好、操作簡便以及不易對環境造成二次污染等特點，同時生物修復技術易于實現土壤的原位修復和規模擴大的修復試驗[9-10]。因此近年來運用生物方法控制土壤的污染成為國內外學者的研究重點。

1 生物修復技術及其分類

生物修復技術發源于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化為無害物質的方法，以實施修復的主體分類主要有植物修復技術、微生物修復技術及微生物-植物聯合修復技術等。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。其中植物修復技術用于原位降解石油污染土壤已有不少相關研究報道，激活本源微生物修復技術、微生物-植物修復技術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狀

2.1 植物修復技術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轉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芳烴類物質的吸收作用，發現植物根部的多環芳烴類（如菲、芘）的含量與根系的富集系數、根的脂肪含量呈現顯著的正相關，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。在大量的研究中發現，一些根系發達的植物如披堿草、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等研究發現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的修復工作，如Esmaeil等以4種植物殘體在溫室內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（質量分數分別為20%干草、37.5%麥秸、37.5%豌豆秸和5%石膏）。90 d的試驗發現豌豆秸稈對石油污染土壤的降解效率能達到83%[15]。

2.2微生物修復技術微生物修復技術是指利用微生物在自然環境中對石油污染物進行轉化、降解和去除。可以通過改變外界條件（比如溫度、鹽度、氧含量、營養物質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模的生物降解，161 d時間內有94.4%的多環芳烴類污染物被降解[16]。Alessandra等通過3種微生物技術對熱帶地區的油污粘土進行修復發現，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添加了營養物質和微生物的條件下，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個不同地區的油污土壤，這些修復方法包括富集培養細菌、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。試驗結果顯示細菌富集與添加營養物質的方法去除總石油烴的效率在50%～62%范圍內，其中前者對正構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微生物強化修復是指在修復系統中，通過投加具有特定功能的微生物、營養物或采取其他措施，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境濕度、溫度、pH、孔隙率、本源微生物數量等。生物強化修復的實施途徑主要有：①投加營養物質如氮源、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，結果表明生物強化處理石油組分中重油和輕質油的降解率均達到70%以上，修復效果顯著優于其他處理。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.） 構成的多環芳香烴降解菌群強化處理多環芳烴類化合物，在半固體培養基中發酵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，連續培養 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之一，學術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，應該考慮污染區的生物和非生物因素，才能發揮生物強化的修復效果[23-24]。

2.4微生物-植物聯合修復技術在實驗室條件下，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，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實現對污染物的有效降解，克服這些傳統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合，即植物-微生物聯合修復作用[25-26]。在兩種方法的基礎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。結果表明植物與菌種的協同作用，可有效促進植物生長和石油烴降解[27]。耿春女等研究發現，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芳烴降解率存在最佳配比關系[28]。劉鵬等利用高效石油降解菌結合種植大豆、堿草等植物對石油污染土壤進行聯合修復，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化，進而提高修復效率。田間試驗表明，玉米、大豆與內生或外生菌根真菌的聯合修復效果好于它們與專性降解菌的聯合修復效果[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石油污染土壤中篩選石油降解微生物。結果表明：添加微生物和植物聯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的聯合運用，大大地提高了石油降解率，微生物與植物聯合修復技術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、植物、微生物修復等方法。根據石油污染的程度、土壤自身的理化性質（如pH，N、P含量，有機質含量，含水率等）、氣候特征、修復成本、城鄉規劃的需要進行因地制宜的修復[31-32]。其修復方式的優缺點比較如表1所示。

4 生物修復所面臨的挑戰及發展趨勢展望

作為環境生物修復技術的核心部分，微生物技術在基礎和應用研究方面都取得了較大發展，表現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注。隨著微生物修復技術的日臻完善，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。但是在自然環境中能夠分離培養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境中，絕大多數微生物不能用傳統的純培養方法獲得，這在一定程度上限制了微生物修復技術的推廣應用。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聯合應用，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化、最優化和成熟化發展。