石油污染土地生物修復技術及其前景

趙宇通

（陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075）

由于人類對于化石燃料的過渡依賴，每年有超過15億噸的石油被運送到世界各地。吸入、攝入甚至皮膚接觸到原油、石油凝析油、汽油、柴油、煤油或其他碳氫化合物所組成的混合物，都會對人類和野生動物造成傷害，嚴重時甚至會致死。

從20世紀開始，生物修復就被認為是一個有效、低成本并且對環境友好的方法被用來降解石油污染環境中的石油烴。這項技術通過使用微生物及其產物來降解土壤中的污染物。相比正常環境，污染地點的微生物群體的整體數量和豐度都有著顯著的變化。因此，評估土地微生物的石油烴降解能力和石油烴對污染場地微生物種群的影響在生物修復過程中非常重要。

如圖1所示，根據illumina對石油污染土壤中微生物群落分布測序，假單胞菌（Pseudomonasspp.）是最具優勢的菌屬。Firmicutes、Chloroflexi、γ-proteobacteria和δ-proteobacteria等微生物群體則是石油污染土壤中占優勢的門類。同時，超過85%的石油污染土壤中的菌種來自于革蘭氏陰性菌[1]。

圖1 由Illumina測序得到的石油污染土壤中相對豐富的細菌門類

1 生物修復技術

按照實行生物修復地點的不同，生物修復被分為兩種，分別是原位修復和異位修復。當修復的地點就在原始的污染環境中時，被稱為原位修復。當生物修復發生在污染地點之外的設施如實驗室，運用于挖掘的污染土壤中時，被稱為異位修復。

1.1 原位生物修復

原位生物修復不需要挖掘土壤，通過污染的土壤中循環水來提供氧氣和養分，以刺激天然存在的細菌降解有機污染物。通常，這種技術適用的情況是擁有足夠營養物和氧氣或者其他電子受體的地下水滲透進污染的土壤。大多數情況下，原位生物修復適用于飽和土壤和地下水中污染物的降解。

1.2 異位生物修復

這項技術通常是從污染場地挖掘污染物，將污染物運送到另一個地點進行處理。選擇異位生物修復經常是基于污染場地的處理成本、污染深度、污染物類型、污染程度、地理位置還有地質這些因素來考慮的。異位生物修復主要包括生物堆、料堆、生物反應器和土地耕作等方法。

1.2.1 生物堆法

生物堆（Biopile）法通過對污染土壤的挖掘并堆積于地上，調整土壤的養分，還會增加土壤的微生物活性來加強生物修復。這項技術包括的步驟有通風、灌溉、營養和滲濾液收集[2]。由于這項技術可以有效節約成本，還同時能在營養、溫度和通氣得到充分控制的條件下實現有效的生物降解，因此被越來越多的污染土地降解策略中使用[3]。將生物堆應用于污染場地有助于限制低分子量（LMW）污染物的揮發，還可以有效地用于受污染極端環境的修復，如非常寒冷的地區[4]。

1.2.2 料堆法

作為異位生物修復技術之一，料堆法（Windrow）依靠周期性堆積污染土壤，通過增加污染土壤中存在的碳氫化合物細菌的降解活動來增強生物修復。同時周期性地調整污染土壤的水含量，增加通氣，均勻分布污染物、養分和微生物，從而加快生物修復速度。料堆法的原理是通過同化、生物轉化和礦化來實現生物修復[5]。在以往的研究中，與生物堆法相比，在較松軟的土壤類型中，料堆法具有更高的石油烴去除率[6]。

1.2.3 生物反應器法

生物反應器（Bioreactor）使用一種儀器來將原材料通過一系列反應后轉變為特定產物。生物反應器有不同的操作模式，包括批量、補料分批、序批、連續和多階段。運營模式的選擇主要取決于成本支出。生物反應器中的條件通過模擬和維持其自然環境來提供最佳生長條件，支持細胞的自然過程[6]。污染的樣品可以作為干物質或漿液進料到生物反應器中；在任何一種情況下，與其他非原位生物修復技術相比，使用生物反應器處理污染土壤具有優勢。對生物過程參數（溫度、pH、攪拌和通氣速率、底物和接種物濃度）的控制是基于生物反應器的生物修復的主要優點之一[7]。在生物反應器中控制和操縱過程參數的能力意味著可以增強其中的生物反應，有效減少生物修復時間。重要的是，可以在生物反應器中有效地建立受控的生物強化、營養物添加、增加污染物生物利用度和傳質（污染物和微生物之間的接觸），使得基于生物反應器的生物修復更有效[8]。

2 生物修復前景

微生物在生物修復中起著至關重要的作用，其在污染環境中的多樣性、豐度和群落結構為生物修復技術成功實施提供了可能性。分子技術如基因學、微生物代謝學、蛋白質學和轉錄學有助于更好地理解微生物鑒定、功能和分解代謝途徑，從而克服與微生物培養相關方法的局限性。營養限制、低微生物數量或缺乏具有降解能力的微生物和低污染物生物利用度可能阻礙生物修復的成功。

3 結語

石油污染物因反應性較低而具有抗降解的能力，相比于傳統的物理化學土地修復方法，被劃分為優先級較高的污染物通過生物修復具有高效率、低成本和多重功能等優點。為了控制環境污染，生物修復可利用單個種群或多種群聯合親油性微生物降解土地中的石油烴。為了良好地設計修復策略，應重視氧氣濃度、還原反應潛力、土壤營養、pH值、濕度和溫度等可對生物修復產生影響的因素。此外，通過研究生物降解中涉及的石油烴代謝途徑，可以更好地設計出有效的石油污染生物修復策略。