石油污染土壤的生物修復研究進展

惠云芳，王鴻飛

(陜西延長石油(集團)有限責任公司延安煉油廠，陜西延安 727406)

土壤污染是石油化工企業在生產過程中對環境污染的重要方面，在目前的科學技術水平及管理條件下，這種侵害和污染還不可能完全杜絕。生物修復技術是一種高效、經濟、環境友好的修復技術，主要用于對土壤污染和水污染的治理，且以原位修復為主要方式。第一次利用生物修復技術控制污染是美國1972年，用于清除管線泄露的汽油。發生在1989年美國的阿拉斯加海域大面積石油污染事件是生物修復技術的一個里程碑。在石油污染土壤的生物修復方面也有許多成功例子，1992年阿根廷通過施用肥料依靠土壤里面的土著微生物清除700 t油罐的泄露，科威特利用當地植物成功降解泄露石油對大片土壤的污染。隨著研究的不斷深入和技術革新，對石油污染土壤的處理方法已經由最初的細菌修復拓展到植物修復、微生物修復以及微生物—植物聯合修復等多個方面。

1 石油污染土壤的主要特征

據統計，中國有機污染面積大約是0.2億 hm2，其中石油污染占相當大的比例。石油的主要成分有烷烴、二甲苯、苯、甲苯等多種復雜芳香烴，這些毒性物質進入土壤后難以自然降解，如果隨著徑流進入周圍流域和地下水，會給石化企業周圍的生態環境造成持久災難。隨著現代社會對石油開采量和使用量的增加，大量石油類產品流入人居環境及生態環境，不可避免地會對周圍環境尤其是土壤環境造成污染。

相關研究表明[1]，采油區土壤污染主要有4種類型，分別是采油井周邊落地原油造成的污染、采油廢棄物堆放造成的污染、輸油管線泄漏造成的污染、采油廢水造成的污染。石油污染土壤的主要特征表現為石油類物質越多，堆積時間越長，污染程度越高。在水平方向，石油污染的區域主要在以污染源為中心的30 m以內的土壤。在垂直方向，石油類污染物主要集中在20 cm以內的土壤。石油在土壤中的遷移能力較弱，模擬分析表明，土壤自凈作用(吸附和降解等)與污染物的增加量大體持平需要15～20 a[2]。石油進入土壤后會破壞土壤的三相(固、液、氣)結構，石油污染物在表層土壤的積累導致土壤物理性狀和化學性狀發生劣變，進而影響土壤微生物的活動以及植物根系的呼吸和對水分和養分的吸收，最終對植物的生長發育造成嚴重影響[3]。

石油污染土壤的修復問題由來已久，傳統的修復方法主要是化學修復和物理修復。物理修復方法包括換土法、焚燒法和固化隔離法。換土法費工費時且不能有效去除污染物，焚燒法會產生二次污染，固化隔離法未能永久處理石油污染物。化學修復方法包括氧化法、洗滌法、萃取法，研究比較多的是洗滌法。化學修復依舊存在修復不徹底，修復劑回收困難，以及對土壤產生的二次污染問題。生物修復與物理和化學修復相比，最突出的優點是成本低，對環境的擾動性低，被譽為新世紀最有前景的修復技術。也是最適合中國國情的石油污染土壤修復技術。

2 石油土壤污染的生物修復

2.1 微生物修復技術

在石油污染土壤的生物修復技術中，微生物修復是研究最多應用最廣泛的一種修復技術。微生物修復技術的原理是利用土壤中原有的土著菌或在污染土壤中接種人工選育的高效降解菌，同時給予優化的環境條件，以加速石油污染物的降解。

在石油污染土壤的微生物影響因素、降解原理、降解菌篩選等方面，國內外學者進行大量研究[4-19]。徐金蘭等[20]采用連續富集篩選的方法，從石油污染土壤獲得7株可高效降解石油的菌株，研究結果表明這些菌株對石油烴的降解速率高于當時已有報道。到目前為止，已知能降解石油中各種烴類的微生物大約有100余屬200多種，分別屬于細菌、霉菌、放線菌、酵母以及藻類。在土壤和水中普遍存在降解烴的微生物，降解烴的微生物通常僅占微生物群落總數不到1%，在有石油污染物存在時，降解菌的比例可提高到10%[21]。大部分學者認為在分解原油方面細菌比真菌和放線菌容易，但是也有研究表明真菌的降解效果比細菌好[22]。土壤石油生物降解最基礎的微生物是細菌和真菌，有些放線菌也表現出對烴的降解能力，但是放線菌很難在污染土壤微生物菌落中取得競爭優勢[23]。另外藻類和原生動物的降解能力比較弱，文獻報道也少。微生物修復的效果主要取決于微生物在污染土壤中能否存活、能否占據優勢、能否發揮足夠的生物活性，微生物生長限制因子包括與其他微生物的競爭以及特定土壤的其他環境條件等[24]。

飽和烴是石油組分中最容易降解的，其次是低分子量的芳香烴，最難降解的是高分子量的芳香烴、膠質和瀝青質。研究表明，利用篩選出來的特定細菌對石油類物質的共代謝作用，可有效去除某些難降解有機物，包括高分子芳香烴[25]。另外通過改善土壤環境條件也可以提高微生物的活性，從而加速石油類物質的降解[26-27]。影響微生物活動的因素包括土壤溫度、土壤pH值、土壤含水量、土壤氧氣含量以及土壤營養物質及微量元素等。微生物降解石油類物質的最適宜條件一般為pH 6～8、表層土壤溫度15～30 ℃、空氣相對濕度70%～80%，營養物質比例C∶N∶P=25∶1∶0.5[28]。解決高寒、高熱等特殊地區石油污染的生物修復問題，可以利用現代生物技術以獲取適應極端條件的優良菌株，也可以采用基因工程技術把降解污染物酶的基因轉到土著微生物中，以構建適應性更強的超級工程菌，目前轉基因菌的環境安全問題仍然存在比較多的爭議[10-11]。

2.2 植物修復技術

植物修復技術被稱為廉價的綠色修復技術，具有安全環保等獨特優點，恰當使用植物修復技術還可以產生一定的經濟效益和景觀效果。土壤表面覆蓋植物以后可阻止污染物向大氣釋放，同時也減少污染物的地下滲透和表面徑流，部分植物具有同時吸收多種污染物的功能，如坡柳(Salixmyrtillacea)能同時吸收土壤中的有機物和重金屬[11]。植物修復比較適合修復面積較大、污染物濃度比較低的石油污染土壤。另外通過基因工程技術可以提高植物的降解能力和適應能力。植物對污染土壤的修復技術是一個前沿領域，具有廣闊應用前景。

植物對有機污染土壤的生物修復機制包括對有機污染物的直接吸收、根系生理生化過程中釋放的分泌物對有機污染物的生物降解以及根際微生物的礦化作用等方面。植物修復也可以通過根系對土壤物理性狀的改良，從而提高對污染物降解的效率。現有研究結果表明，楊樹(Populustomentosa)、坡柳(Salixmyrtillacea)、紫花苜蓿(Medicagosativa)等植物在修復土壤中烷烴和單環芳香烴的效果比較顯著[29-31]。楊柳科尤其是楊屬植物，可以有效去除土壤中的有機污染物[32]。紫花苜蓿經過基因改良后可以忍耐高濃度原油污染[30]。三葉草(Trifoliumrepens)、大豆(Glycinemax)、苜蓿(Medicagosativa)等草本植物降解土壤有機污染物的效果比較顯著[33-34]。植物降解微生物的機理有兩個方面：一個方面是植物根系的根際效應使根際微生物的數量增加，另一方面是植物根際分泌物為微生物代謝提供底物。在石油污染的土壤上大量種植對石油類物質具有耐受性的植被，結合施用有機堆肥和微肥，加速土壤中石油類物質降解。

植物修復技術是石油污染土壤生物修復技術中最安全、最實用、最經濟的處理技術，該技術的關鍵環節是針對不同的污染土壤，篩選最適宜的植物。植物修復技術適應于修復表層土壤的污染，目前篩選出來的植物有蓖麻(Ricinuscommunis) 、豬毛菜(Salsolanitraria)、蘆葦(Phragmitesaustralis) 、蒺藜(Tribulusterrester) 、虎尾草(Chlorisvirgata)、羊茅(Festucaovina)、旋花(Convolvulusammannii)、蒼耳(Xanthiumsibiricum)等[25,35-40]。植物對污染物的同化和積累能力是植物修復效果的關鍵因子，影響植物同化積累能力的因素比較多，除與植物遺傳特性有關外，還與植物年齡、根系發育狀況以及植物的生物量有關，特別是植物根系根毛的多少及根瘤的有無,一般來說根系發達的植物在對石油產品等有機污染物的吸附和降解能力方面比較顯著[41]。此外用于污染修復的植物還必須具備生長快、抗性強等特點。

2.3 植物—微生物聯合修復技術

植物—微生物聯合修復技術是通過植物與菌根真菌或根際菌群協同作用增強對污染物的吸收和降解效果，關于這方面的研究不是很多[42-46]。已有研究結果表明，紫花苜蓿(Medicagosativa)根系微生物與根際分泌物互作，對土壤有機物的降解效果明顯增強[46]；利用坡柳(Salixmyrtillacea)修復柴油污染土壤的研究結果表明，植物—微生物聯合修復機制主要是利用植物根系的根際微生物來促進對石油烴的降解[47]；用實驗室篩選出來的高效石油降解菌，結合三葉草(Trifoliumrepens) 和大豆(Glycinemax)等植物自身的根系分泌物，對石油污染土壤中石油烴的降解率達到63.65%～83.26%，根際土壤的石油烴含量明顯低于非根際土壤，說明植物—微生物聯合修復技術能增強根際微生物數量和活性，從而加速對污染物的分解和轉化，進而提高修復效率[48]。

植物根系與真菌可以形成具備共生關系的菌根，菌根擴大根系物理分布空間和根際微生物的種類和數量，從而顯著提高植物的修復效率。相關研究表明，云杉根系的菌根真菌能在其根部形成一個石油富集區，從而加速對石油的降解[49]；給三葉草、黑麥草、玉米和韭菜接種菌根菌，可以增強這些植物對污染物的吸收效率和礦化率以及對有機污染物的降解率，同時也能能增強寄主植物對養分和水分的吸收，從而提高其抗逆性[50]；外生菌根真菌在高濃度柴油污染的土壤里面仍然可侵染植物形成菌根，而且菌根化以后的植物在抗干旱抗低溫方面的能力會顯著增強；接種外生菌根真菌的蓖麻(Ricinuscommunis)、大豆(Glycinemax)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、萬壽菊(Tageteserecta) 等植物，其降解土壤污染物的效果會明顯提高[51]。

上述研究表明，如果能夠選擇適宜的植物與微生物形成協同互作，就可以實現對污染土壤的快速修復。但是要達到預期效果，需要對污染物、植物以及微生物三者的作用關系深入了解，植物—微生物聯合修復同樣也受到土壤溫度、土壤水分、營養狀況等環境因子的影響，雖然目前許多研究仍然處于試驗階段，但是可以相信微生物—植物聯合修復技術將是今后污染土壤治理的一個有潛力的發展方向。

2.4 生態堆技術和微生物燃料電池(MFCs)技術

生態堆技術是在一定的設備構架內將污染土壤與降解菌劑、緩釋肥劑、堆肥制劑等分層或混合堆積，在可檢測且可控制的空間環境下實現對污染土壤修復的技術。該技術主要是為解決外源微生物在實際修復環境下的不規律波動及難以存活問題，給石油降解微生物的代謝繁殖提供良好微環境[52]。在石油污染的土壤微生物修復過程中，由于外源微生物容易受到污染體系溫度、水含量、pH、營養物質供給因素的不規律波動以及土著微生物的競爭作用而失去降解能力；另一方面，當地氣候環境也會影響外源微生物在石油污染地的生長，這些因素制約著生物強化技術的應用，致使許多土壤微生物修復技術停留在實驗室階段[53]。

吳蔓莉等[54]利用有機堆肥作為固體培養基對降解菌進行擴大培養，將獲得的降解菌堆肥制劑施入油污土壤中進行修復研究，結果表明在低溫條件下向石油污染土壤中施入降解菌堆肥制劑可提高土壤中的石油烴去除率，并使土壤微生物群落結構發生明顯變化。張強等[55]通過添加海藻酸鈉包埋菌劑、緩釋肥料，并輔以通風工藝及澆水設備建立修復石油污染土壤的生態堆，對勝利油田一處油泥暫存點的石油污染土壤進行生態堆修復，結果表明生態堆技術對石油污染土壤中的脂肪烴及多環芳烴的降解具有一定效果。緩釋肥料及包埋菌劑的添加以及生態堆頂部植物的種植，使生態堆內的環境條件保持較為穩定狀態，且整個修復過程中降解菌的數量一直保持較高水平。

微生物燃料電池(MFCs)是近十幾年來迅速發展起來的一種直接將生物能轉化為電能的新興技術[56]。土壤中的石油是一種成分復雜的有機污染物，其在缺氧或厭氧的土壤環境中降解效率通常較低，土壤MFCs的構建對于石油污染土壤的修復提供一種較有前景的原位修復技術。

Wang等[57]首次將此技術應用于石油污染土壤的修復研究，試驗結果表明靠近陽極的石油烴的降解速度有所提高。Li等[58]通過向土壤MFC添加外加碳源顯著提高MFCs降解鹽堿地中石油烴的效率，該研究為從土壤貧瘠地區或極端環境去除污染物提供一種有效方法。近年來國內外許多學者[59-65]通過構建MFCs進行石油污染土壤的降解修復研究，其研究結果均證明MFCs可極大促進土壤中石油污染物的原位降解。

3 結論與展望

石油污染土壤的生物修復技術主要包括微生物修復、植物修復和微生物—植物聯合修復，其中微生物修復技術是目前石油污染土壤修復的主流技術，微生物修復技術存在的主要問題是實驗室環境下篩選馴化的高效優勢微生物菌株在實際污染的土壤環境中不能完全發揮其有效活性。植物修復是石油污染土壤修復的補充，來源于對根際微環境的研究成果，技術關鍵是篩選具有增生擴散能力的高效修復植物。微生物—植物聯合修復兼具微生物修復和植物修復的優點，從生態系統物質循環的理念出發，遵循植物微生物共存的自然規律，從自然生態角度解決石油污染土壤的問題。生態堆技術依然體現環境的自然生態規律，主要針對微生物修復油污土壤過程中降解菌菌落數量及活性維持問題。微生物燃料電池是新興技術在污染土壤修復領域的應用嘗試，近年來關于這方面的研究引起眾多學者關注，部分實驗室研究成果表現出比較滿意的效果，但是要投入到實際應用，仍然需要進一步研究和探索。

從石油污染土壤的生物修復發展歷程來看，起初主要集中在微生物修復技術的研究，隨后引入植物修復和微生物—植物聯合修復技術，以及后來出現的生物堆技術和微生物燃料電池技術。石油污染土壤生物修復的原理是通過微生物的降解作用或者植物根系的吸收作用清除、轉化或減少土壤中的石油污染物。基于此理念，今后關于石油污染土壤的修復建議從以下方面開展深入研究。首先要搞清楚遭受石油類物質污染的土壤中最主要的污染物，污染物可能會隨污染源、地域及時間的不同而出現變化。其次針對特定的污染物篩選可以有效吸收污染物的植物或者有效降解污染物的微生物，重點解決修復的高效性問題，為此需要借鑒根際微環境研究成果，引入自然生態學理念。第三要警惕生物修復過程中可能給環境造成的二次污染以及目前還無法預測的其他生態災難。

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