多環芳烴污染土壤的微生物修復技術研究進展

吳梟雄 王紅旗 劉自力

摘要：多環芳烴是一種存在于各類環境介質中的持久性有機污染物，對環境以及人類健康生存都有很大的危害。由于其高度疏水性，多環芳烴在自然界中難以被降解。對于受多環芳烴污染土壤的修復問題，微生物修復技術因其高效、經濟等特點而受到廣泛關注。本文論述了微生物降解多環芳烴的機理，并結合國內外的研究現狀介紹了幾種常見的土壤微生物修復技術，展望了微生物修復多環芳烴污染土壤的技術的發展方向。

關鍵詞：多環芳烴；土壤污染；土壤微生物修復技術；降解機理

中圖分類號：X131.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）07-0108-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.063

Progress in research on microbial remediation of polycyclic aromatic hydrocarbon contaminated soil

Wu Xiaoxiong， Wang Hongqi， Liu Zili

（ Institute of Water Sciences， Beijing Normal University， Beijing 100875，China）

Abstract： PAHs are persistent organic pollutants that exist in various environmental media and are harmful to the environment and human health. Due to its high hydrophobicity， PAHs are difficult to be degraded in nature. For the restoration of polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soils， microbial remediation technology has received extensive attention due to its high efficiency， economy， and other characteristics. This paper discusses the mechanism of microbial degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons. Combined with the research status at home and abroad， several common soil microbial remediation technologies are introduced. The development direction of the technology for microbial remediation of polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soils is prospected.

Key words： PAHs； Soil pollution； Soil microbial remediation； Degradation mechanism

多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是有包括兩個及兩個以上鑲嵌在一起的芳香環組成在一起的一大類有機化合物，已鑒定出的種類有100多種。多環芳烴可自然形成（如碳化等），但其主要來源是在石油開采、工業生產以及進行其他人類活動時，導致有機物不完全燃燒或者熱裂解，形成PAHs并釋放出來，其化學性質穩定，很難被降解，而且大部分具有致癌性與致突變性，會對人類的健康產生巨大的危害。美國環保署（US EPA）已經將16種多環芳烴作為優先控制污染物。對多環芳烴的研究獲得社會的廣泛關注。

生物修復技術（Bioremediation）是20世紀80年代以來出現并發展的清除和治理環境污染的生物工程技術。其主要運用了生物代謝、分解污染物質的能力，去除環境中的污染物，達到清除環境污染的目的。由于其具有設備簡單、操作便捷、低成本高效率等特點，生物修復技術近年來有了迅猛的發展。而土壤微生物修復技術（Soil bioremediation）則是利用土著微生物或者經過人工馴化后具有某種特定功能的微生物，在一定的環境條件下，通過代謝作用降解土壤中的有害物質或者降低污染物活性，從而達到修復受污染土壤的目的。利用微生物修復技術治理多環芳烴污染土壤也成為現在的研究熱點之一。

1 微生物降解多環芳烴的機制

自然界的微生物多種多樣，具有非常強的分解代謝能力和較高的代謝效率。比較常見的多環芳烴降解細菌有鞘氨醇單胞屬、分支桿菌屬芽孢、不動桿菌屬、芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、紅球菌菌屬和伯克氏菌屬等[1]，這些高效降解菌大多數是從被多環芳烴污染的土壤和沉積物中分離出來。不同于細菌，一些真菌也具有降解多環芳烴的能力，其中，最常見的是白腐真菌[2]。它們通過分泌胞外酶，如：木質素、漆過氧化物胞外酶，可以將高毒性的多環芳烴分解。

微生物降解PAHs有兩種方式：（1）以PAHs為唯一碳源和能源；（2）PAHs與其他有機質進行共代謝[4]。通常環數較低的PAHs（2環或3環）能很快被降解，在環境中存在時間較短，微生物可以以其為唯一碳源和能源的方式進行代謝與降解。而許多4環或多環的PAHs難以作為唯一碳源和能源被微生物降解，主要是以共代謝的方式進行。研究了苯并[a]芘在以鄰苯二甲酸、琥珀酸鈉作為共代謝底物時，微生物對其的降解效果，結果表明，琥珀酸鈉相對于鄰苯二甲酸可以更好的加強共代謝作用，并提高苯并[a]芘的微生物降解率。

微生物降解 PAHs 依賴于加氧酶的活性，加氧酶分為單加氧酶和雙加氧酶。真菌一般會產生單加氧酶，在單加氧酶的作用下把一個氧原子加到多環芳烴中，使多環芳烴開環并形成芳烴的氧化物，繼而被氧化成為反式雙氫乙醇和酚類。而細菌主要產生雙加氧酶，使多環芳烴開環并氧化成芳烴類過氧化物，再進一步氧化為龍膽酸等中間代謝物，最后苯環斷開，產生琥珀酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。所有這些產物都會進入三羧酸循環，被微生物用來合成自身的細胞蛋白質和能量，并最終產生CO2和H2O，達到降解的目的。

研究了微生物降解萘和菲的機制，其中萘降解過程中出現的鄰苯二酚-2，3-雙加氧酶、鄰苯二酚-1，2-雙加氧酶是主要的限速酶。菲降解途徑中限速酶有3，4-雙羥基菲雙加氧酶、1-羥基-2-萘甲醛羥化酶和羥基化雙加氧酶，其中間產物1-羥基-2-萘甲酸在鄰位裂解酶與間位裂解酶的作用下生成萘二酚，之后降解途徑與萘類似，多數是通過水楊酸途徑、龍膽酸途徑進入TCA循環。研究Pesudomonas sp.TN301菌降解萘的過程中時發現，龍膽酸及鄰苯二酚在鄰苯二酚-2，3-雙加氧酶和鄰苯二酚-1，2-雙加氧酶等多種酶的作用下經一系列連續降解反應并最終進入TCA循環。

2 微生物降解技術

2.1 原位微生物修復技術

2.1.1 土著菌培養法

由于在實際應用中向污染土壤接種的工程菌不易維持其活性，因此需要考慮激活污染土壤地區的土著菌，同時對土著菌進行微生物培養，向污染土壤中投加氧源及其他營養物質等，以滿足土著菌的生存需要，使其迅速繁殖并通過代謝降解污染物。受污染土壤在這個過程中基本不被攪動。

而在現場環境中，營養鹽的缺乏通常是影響微生物活性以及降解效率的主要因素。為了提高其降解效率，可適當添加營養物質，促進污染物的降解。目前，外加營養鹽主要用于受石油烴化合物污染環境的生物修復。例如，添加酵母膏或酵母廢液可以促進石油烴化合物的降解。

2.1.2 投菌法

直接向污染土壤接入經過實驗室篩選、培養的降解菌（從自然環境中定向篩選的微生物，或者是基因工程菌），并提供微生物生長所需要的N、P等營養元素，從而使污染物被降解菌代謝降解。而在實際現場處理過程中，投菌法的處理效果往往不盡如人意，其原因主要在于土著微生物與引入的外源微生物之間存在營養競爭的問題，而營養鹽又常是環境中多環芳烴降解的限制因子。所以，實際應用時要綜合考慮由實驗室培養出的降解菌在處理現場的存活率問題。

2.1.3 土地耕作法

土地耕作處理是現場處理方法中的主要手段，通過施肥、灌溉和加石灰等措施，平衡土壤中營養元素的比例、調節土壤中的水分和pH值，以優化微生物的生長條件，同時對受污染土壤進行耕作，翻動土壤可以改善土壤的通氣狀況，使土壤充氧，激發微生物代謝速率，以達到降解污染物的目的。

2.2 異位微生物修復技術

2.2.1 預制床法

預制床法是將受污染的土壤平鋪在不滲漏的平臺上，加上營養液和水，定期翻動充氧，將處理過程中的滲透水回灌于土層上，以完全清除污染物。降解過程多使用土著微生物進行降解，但為了提高修復效果，一般還會引入實驗室馴化培養的微生物。一般通過施肥、灌溉以及調節pH值等措施，可以使預制床中的微生物達到適合降解污染物的最優狀態。在原位修復技術中，土壤耕作處理的一大缺陷是污染物可能從處理區遷移，而預制床由于其底面為滲透材料多為滲透性低的物質（聚乙烯或粘土等），同時配備有濾液收集和控制排放系統，可以使污染物的遷移量大幅度減少，因此可以將其視為土壤耕作法的一種改良與延續[3]。

2.2.2 土壤堆肥法

土壤堆肥法是通過多種微生物（細菌、真菌和原生動物等）的新陳代謝活動來降解污染物的方法，其設備要求簡單，并且能夠調控過程參數（溫度、pH等）。在堆肥過程中，可以控制這些環境因素，調節至微生物最適宜的生長環境，促進繁殖，提高污染物的降解率。除此之外，在微生物降解污染物的過程中會產生一定熱量，升高堆溫，進而提高微生物的生長代謝速率，有利于微生物修復效果。采用堆肥法對油污土壤進行微生物處理，并通過檢測堆制實驗過程中的溫度、pH、菌數和總油污含量的變化，來考察實驗室篩選得到的高效石油降解菌治理現場油污土壤的效果，研究發現生物去除率可達42%。

在實驗室尺度和場地尺度兩種條件下對比研究了堆肥法修復多環芳烴污染土壤的效果，研究表明經過180天的修復，多環芳烴的總降解率達到90%，并發現了細菌群落在修復場地中的變化，其中γ-變形菌菌屬的細菌持續存在著，而β-變形菌菌屬的細菌直到90天后才會出現，此時的多環芳烴濃度足夠低，土壤已無生態毒性。

2.2.3 生物反應器法

生物反應器法是將污染土壤置于一種特殊的反應器裝置中進行處理，一般可以建在現場或特定的處理區，通常為臥鼓狀和氣提式。處理時，將污染土壤轉移至反應器中，加入足量水充分混合至泥漿狀，并加入各類營養物質并劇烈攪拌使氧氣充足，微生物與污染土壤充分接觸，完成處理過程。由于反應器能夠使土壤與微生物及其他添加物（如營養鹽、表面活性劑等）徹底混合均勻，同時可以控制降解的環境條件（溫度、pH值等），因而處理速度快，效果好。生物反應器已經開始應用于多環芳烴污染土壤的處理。

在研究中向連續攪拌釜內加入葡萄球菌和芽孢桿菌，并采用分批培養的方式降解多環芳烴污染土壤中的菲、芘及苯[a]并蒽，一段時間后，兩者的降解率均接近100%。發現向泥漿生物反應器中加入有機廢棄物（2.5%發酵牛糞和2.5%造紙干粉）可以提高多環芳烴降解菌的數量，強化微生物對多花芳烴污染土壤的修復。

3 展望

土壤中多環芳烴污染的治理與修復問題一直都被社會所關注，各類土壤微生物修復技術日趨成熟，但仍然存在一些方面需要進一步研究。（1）加強對微生物降解多環芳烴的降解機理與主要控速步驟的研究，構建合理的微生物降解動力學模型。（2）加強對共代謝機制的研究，尤其是對高環數的多環芳烴降解機制研究，以及在共代謝降解過程中，不同的多環芳烴降解會對其他多環芳烴降解產生何種影響。（3）分析研究土壤微生物修復技術最適宜的工作條件，包括環境因素與工藝過程的參數等，例如pH、溫度等，因地制宜，從而提高微生物的降解效率。

參考文獻

[1]楊曉磊， 陸貽通， 曹林奎. 多環芳烴熒蒽降解菌的篩選鑒定及降解特性研究[J]. 科技通報，2007（01）：46-51.

[2]李慧蓉. 白腐真菌的研究進展[J]. 環境科學進展， 1996（06）：70-78.

[3]王銀善. 生物碳固定化白腐真菌修復PAHs污染土壤及作用機理[D]. 杭州：浙江大學，2010.

[4]侯梅芳， 潘棟宇， 黃賽花， 等. 微生物修復土壤多環芳烴污染的研究進展[J].生態環境學報，2014（07）：1233-1238.

收稿日期：2018-04-19

基金項目：國家自然科學基金（NO.41772234）。

作者簡介：吳梟雄（1995-），男，研究生，研究方向為微生物修復技術。

通訊作者：王紅旗（1960-），男，博士，教授，研究方向為污染土壤修復機理與修復技術。