石油污染土壤的微生物修復技術

李 楊，李凡修

（長江大學 化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023）

近年來，隨著石油工業的飛速發展，石油造成的土壤污染日益加劇，其中原油遺撒、含油污水的不達標排放成為主要污染途徑。研究表明，石油污染土壤中的有害物質不僅會導致地表水和地下水的污染問題，還會通過食物鏈轉移到動植物體內，最終到達人體，危害人體健康［1］。因此，對石油污染土壤的修復治理迫在眉睫。石油污染土壤常用的修復方法有物理法、化學法和微生物法等，但前兩者都存在著成本高、操作繁瑣、后期處理復雜的缺陷，而微生物法則以其成本低廉、操作便捷、高效環保的優勢在該領域得到更廣泛的運用［2］。

本文分析了微生物的種類、土壤及石油類物質的理化性質對石油污染土壤修復效果的影響，概述了微生物修復石油污染土壤的技術特點和研究進展，探討了新技術的發展趨勢，以期為修復石油污染土壤提供理論基礎和研究方向。

1 微生物修復石油污染土壤的影響因素

所謂微生物修復石油污染土壤技術，是指通過人工措施為外源微生物和土著微生物提供有利的生存環境，從而提高石油污染物的降解率，恢復污染土壤的正常生態功能［3］。通常情況下，微生物降解石油污染物主要是通過好氧呼吸來完成的，即通過氧化還原、脫羧、脫氨、脫水等一系列的生化反應完成降解過程［4］，見圖1。

圖1 微生物對石油污染物的降解過程

在石油污染土壤的修復過程中，影響土壤修復效果的關鍵因素有微生物的種類、土壤和石油類物質的理化性質等。

1.1 微生物種類對土壤修復效果的影響

據研究發現，可以降解石油污染物的微生物約有100多個屬、200多種，按其作用主要分為兩大類：一類為假單孢菌屬（Pseudomouas sp.）、節核細菌屬（Arthrobacter sp.）、產堿桿菌屬（Alcaligeues sp.）及無色桿菌屬（Achromobacter sp.）等細菌，可以顯著提高石油污染物的降解率；另一類為木霉屬（Richoderma sp.）、青霉屬（Peuicillium sp.）及曲霉屬（Aspergillus sp.）等真菌，可一定程度促進石油污染物的降解［5-6］。

微生物必需滿足生物酶活性高、降解速率快、適應性強且可維持一定的微生物量等要求，才能在修復污染土壤過程中體現應用價值。土著微生物、外源微生物及基因工程菌（GEM）均應滿足以上條件。韓慧龍等［7-8］的實驗結果表明，相對于單一菌種，在復合菌劑的協同共代謝作用下，石油污染物的降解更為徹底。

1.2 土壤和石油類物質的理化性質對土壤修復效果的影響

土壤的理化性質如pH、溫度、濕度、含氧量和營養物質等會影響石油污染物的降解效果。據研究證實，降解石油污染物適宜的pH為6.0～8.0、溫度為15～30 ℃、土壤濕度為70%～80%［9-11］。石油污染物的理化性質對其可生化性起到決定性作用。有研究結果表明：最難降解的是C22以上的石油烴，大部分的微生物都很難將其氧化降解；其次是C1～C6的石油烴；C10～C22的石油烴是最容易被降解的［12］。不同石油類物質的降解速率大小順序為：直鏈烷烴＞支鏈烷烴＞低分子量芳香烴＞多環芳烴，而最難被微生物氧化降解的是膠質和瀝青質［13］。

2 石油污染土壤的微生物修復技術

原位修復和異位修復是土壤修復的兩種主要方法。原位修復即在污染現場和容易殘留的區域進行修復，其修復方法主要包括生物刺激、生物強化、固定化微生物、植物-微生物聯合修復以及電動-微生物聯合修復等技術，成本較低，應用廣泛；異位修復一般將受污染土壤轉移至生物反應器內或合適地點，其修復方法主要包括預制床法、土壤堆肥法、生物反應器法等。但由于異位修復成本較高，只適用于小范圍受嚴重污染的土壤［13］。

2.1 生物刺激技術

在人工優化的環境條件下激活土壤中的土著菌，使之更好地生長代謝，從而提高石油污染物的降解效率，這一技術被稱為生物刺激技術［14］。Atagana等［15-16］研究發現，在通氣的情況下可促進土壤中低分子量烷烴的揮發和土著菌對高分子量烷烴的氧化降解。不同生物刺激技術對石油降解率的提高效果見表1。由表1可見，相對于自然衰減，不同的生物刺激手段如通氣、添加電子受體及營養物質等能夠不同程度地提高石油污染物的降解效率。不存在二次污染、操作便捷是生物刺激技術的優勢所在，但由于土著菌種數量較少，總體上生長代謝速率較慢，對石油類污染物的降解率不高。

表1 不同生物刺激技術對石油降解率的提高效果

2.2 生物強化技術

生物強化技術是將高效降解菌經馴化后接種到受污染土壤中，在優化微生物環境的前提下可顯著促進石油類物質分解的一種技術［24］。該技術具有高效降解菌種適應性強的特點，能夠克服生物刺激技術本身的局限性［25］。不同生物強化技術對石油降解率的影響見表2。由表2可見，在同等的土壤環境條件下，接種高效降解菌可以明顯增強土壤修復效果。雖然該技術對石油污染物的降解效果明顯，但極易受到土壤理化性質和環境條件的影響，在石油污染土壤修復的應用上具有局限作用［26］。因此，如何增強微生物的降解能力，探討更高效的生物強化措施，將會成為未來研究發展的熱點問題。

表2 不同生物強化技術對石油降解率的影響

2.3 固定化微生物技術

利用物理或化學方法將處于游離狀態的微生物或酶固定在適當的載體中，通過增加微生物的濃度和控制生化反應穩定性來達到強化土壤修復效果的目的，這一技術被稱之為固定化微生物技術［33-34］。該技術的優點在于固定化后容易控制降解反應條件，固定載體亦可循環利用，其中SiO2、花生殼粉末、天然有機材料以及活性炭等都是性能優良的可回收固定載體。不同固定化微生物技術對石油降解率的影響見表3。由表3可見，固定化微生物對石油污染物的降解程度顯著高于在生物刺激或生物強化條件下游離態微生物對石油污染物的降解程度。現階段面臨的主要困境是載體材料的殘留可能會引發一系列的環境問題。因此，未來的研究重點應該放在以下三個方面：1）安全環保、穩定性好、價廉易得的新型固定化載體；2）高濃度、高活性微生物的固定方法；3）載體材料的環境風險體系的評估等。

表3 不同固定化微生物技術對石油降解率的影響

2.4 植物-微生物聯合技術

通過植物和微生物兩者之間的互利作用，增強植物根際對石油類物質的吸收氧化降解程度的技術，稱之為植物-微生物聯合修復技術［40］。在石油含量較低、不足以維持大量微生物生長繁殖需要的情況下，普通微生物修復技術的使用常常受到很大限制［41］。植物吸收的氧氣和根際分泌的化學物質或酶可增強微生物的分解代謝活動，同時微生物的共代謝作用也在一定程度上提高了植物對石油化合物的吸收利用效率［42-43］，因此，植物-微生物聯合修復技術結合兩者各自的優勢，使得污染土壤修復效果得到增強。不同植物-微生物聯合技術對石油降解率的影響見表4。由表4可見，在同等的土壤環境條件下，植物和微生物的聯合修復效果顯著優于單一的植物或微生物修復效果。植物-微生物聯合修復技術存在的主要問題：植物修復土壤范圍有限；植物生長易受環境因素限制；單一植物品種的修復效果并不理想；回收植物需妥善處理等［44］。因此，未來的研究應該放在以下三個重點方向：1）研究微生物和植物共同作用的反應調控因素和修復原理；2）通過對植物進行基因修飾，選育高效修復植物，增強植物的環境適應性；3）改進工藝，優化植物品種以及植物和微生物間的有效搭配。

表4 不同植物-微生物聯合技術對石油降解率的影響

2.5 電動-微生物聯合技術

研究發現，利用高效降解菌對石油污染物進行降解的同時施加電場，可顯著提升石油污染物的降解率［26］。在直流弱電場的作用下，石油污染物可以加速移動，土壤理化性質也得到改善，從而使石油污染物的降解速率得以加快［49］。兩種電動-微生物聯合技術對石油降解率的影響見表5。由表5可見，在相同的土壤環境條件下，電動-微生物聯合技術對污染土壤的修復效果好于單純投菌或自然衰減。在電動-微生物聯合處理的過程中，降解菌的作用機制目前尚不清楚，因此，該技術目前尚停留在室內實驗階段。

表5 兩種電動-微生物聯合技術對石油降解率的影響

3 結語與展望

污染物的轉運和分離是傳統土壤修復技術的關鍵特點，而污染物的降解或消除才是微生物修復技術最為明顯的優勢。微生物修復技術以其環保安全、高效經濟等優勢成為當前應用最為普及的土壤修復技術。受環境影響程度較高、修復周期較長以及石油污染物降解不完全等是該技術現階段面臨的關鍵問題。因此，今后需要在以下幾個方面進行技術改進：

1）完善技術，優化工藝，降低成本；

2）利用DNA重組和基因拼接技術培育新型高效的降解菌；

3）優化微生物的環境條件，增強微生物降解效果；

4）探討物理法或化學法與微生物法的集成技術，開發經濟高效的新型修復技術；

5）建立微生物修復技術的評價標準，評估修復手段的環境效應及風險。

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