土壤生物修復技術研究進展

李秀璋，張宗豪，劉欣，李玉玲

(青海大學畜牧獸醫科學院，西寧 810016)

利用傳統物理化學方法處理土壤污染物不僅費時費力而且費用高昂，同時可供傳統方法處理和暫時儲存相關污染物的空間也在逐漸減少。此外，目前看來傳統方法并不能確保土壤中的污染物被完全銷毀[1]。因此，在過去很長一段時間內，尋找成本效益高和環境友好的替代方法來處理污染土壤成為該領域研究的熱點。隨著相關技術研發投入的增多，一些模擬自然恢復的土壤修復技術逐步脫穎而出，研究發現一些生物修復技術成為清除許多土壤污染物最理想的方法[2]。生物修復技術是一種利用自然界的相關生物，即：植物、真菌、細菌等對各種污染物進行降解和無害化處理的方法，目前主要以相關微生物資源的篩選和應用推廣為主。由于生物修復技術成本相對較低且技術含量適中，一般公眾接受度高，適用范圍廣等特點，逐步得到大家認可[3-5]。目前對于生物修復過程中所選用的微生物主要以受污染地區的原生境微生物的篩選應用為主，利用其它地區分離篩選出的優良菌株進行發酵培養后也可以用于當地土壤污染物的修復。土壤污染物的降解主要通過微生物的相關代謝過程發生轉化或富集，污染物的毒性降低或消除[6]。生物修復的主要過程涉及相關微生物所釋放的一些酶類物質對污染物的作用，這些酶類物質通過水解等過程將污染物降解為無毒或低毒化合物[7]。使用地區的環境條件是限制微生物土壤修復劑是否正常發揮作用的關鍵，只有在適宜微生物生長的環境條件才能最大程度的發揮微生物制劑的作用，實現微生物的快速生長和土壤污染物的高效降解[8]。其中最主要的限制因素有土壤pH值、溫度和濕度等，因此在使用微生物修復劑之前常需要對污染土壤進行相應的前處理(表1)。例如，若土壤中酸性較強，則可以通過加入石灰的方法來調節土壤pH值[9]。溫度是限制微生物相關生物化學反應速率的關鍵因子，在一定范圍內，溫度每升高10℃，部分生物制劑的反應速率增加近一倍[6]。

表1 微生物制劑高效運行的最佳環境條件(Vidali 2001 )

1 土壤中常見污染物來源

土壤污染主要是指對植物生長和動物健康有不利影響的持久性有毒化合物、化學品、鹽分、放射性物質或致病化合物在土壤中的累積。垃圾填埋場的滲流、工業廢棄物的排放、工農業污水在土壤中的排放、地下油氣庫的破裂、農藥化肥、殺蟲劑和除草劑的過量使用、固體廢物的滲流、武器彈藥的不當安裝、爆炸和拆除等是引起土壤污染的主要方式(表2)[1，11-14]。

表2 土壤主要污染物來源

2 生物修復策略

有機污染物的生物修復主要是將其轉化為二氧化碳、水和其它一些小分子化合物，一些污染物也可以通過結合腐殖質來進行固定。根據所用微生物制劑的差異，土壤污染物的降解分為好氧條件和厭氧條件[15-17]。對于生物制劑的選擇主要基于污染物對生物轉化的適應性、污染物對微生物制劑的可及性和生物活性條件的優化。通過對生物制劑加工工藝的選擇和生長條件的調整，可以有效強化降解過程，提高降解效率，最終實現處理成本的降低[18-20]。從土壤處理的場地又可以將生物處理技術分為原位處理和異位處理。所謂異位處理技術是指通過挖掘或澆灌的方式，將污染土壤或地下水等從污染源移走；而原位處理技術是指直接在污染土壤或水源區域進行污染物處理的技術。由于相對成本低、干擾少，并且能有效降低污染物在挖掘和運輸中費用以及這個過程中對土壤可能造成的二次污染，因此原位處理技術是最常用的選擇[6，21]。

2.1 異位修復法

土地耕作被認為是最常見的一種異位土壤修復技術，是一種通過生物降解或降低土壤中有機污染物濃度的地上修復技術。這種技術通常是對污染土壤進行翻耕形成土壤污染物的位移，在地面形成多孔隙的松散土層，隨后經過自然通風或添加礦物質、營養物質和水分的方式來刺激土壤內好氧微生物活動，對土壤污染物進行轉化或降解，最終實現污染物的清除[22]。由于常見的傳統翻耕只能實現對表層污染土壤的處理，翻耕深度為25cm，深翻機械的翻耕深度也僅僅只能達到約40cm左右，無法實現對深層污染土壤的處理。因此，需要現代深耕機械的配合進行定期的翻耕和碾磨，促進好氧微生物的生長[18，23-24]。

堆肥也是一種較為常見的異位生物修復技術，是實現有毒有機化合物降解的一種常見方法，堆肥能夠有效減少土壤中有機殘留物、生活垃圾和農副產品中金屬污染物的毒性[25，26]。堆肥類似于微生物在土壤中分解有機廢物的生物反應過程，堆肥過程中的溫度通常比土壤溫度高，導致污染物的溶解度增加、堆肥中相關微生物代謝活性增強，加快對污染物的降解實現肥力的提高。堆肥中基質含量的高低也是影響污染物降解的重要指標，較高的基質含量可形成微生物與污染物的共代謝，最終實現有機污染物的降解。此外，污染物中常見的較堅硬的金屬、塑料、玻璃、石頭等固體，也是影響堆肥效果的因素之一。這類物質常需要進行一定的前處理，例如通過研磨、混合和篩除不可降解的材料，為生物處理堆肥材料提供良好條件[27,28]。不僅如此，有機污染物的性質、堆肥的條件和過程、微生物群落結構和堆肥時間都是影響堆肥效果的重要因素[29,30]。

生物堆制法是一種土壤耕作和堆肥相結合的一種方法。這種方法主要是將翻出的土壤與土壤改良劑相混合放置在處理區，并通過強制通風進行生物修復，將污染物轉化為二氧化碳和水。基本生物雙堆系統包括一個處理床、一個曝氣系統、一個灌溉或營養系統和一個滲濾液收集系統。生物堆制的土堆最高可達6m左右，通過覆蓋塑料以控制徑流、蒸發和揮發，實現加熱的目的，提高處理效率[31]。生物堆制法可以為本地適宜的微生物制劑提供良好的好氧或厭氧發酵環境，這是實現污染物清除的關鍵[30-32]。

生物反應器是利用自然界中存在的具有特殊降解能力的微生物，經分離純化后接種至液相或固相的反應系統中對污染物進行處理。在這個反應過程中，被污染的土壤會被處理成固體或泥漿相[33,34]。固相生物反應器的原理主要是通過摩擦和強烈混合攪拌對土壤進行機械分解，該過程可以確保污染物、微生物、營養物質、水和空氣等進行深層次的接觸。泥漿生物反應器被認為是一種三相(固體、液體、氣體)混合條件的容器系統，它能夠增加土壤的生物修復率和水溶性污染物的降解。相對于其它污染物處理裝置，生物反應器所處的環境更易于管理、也更易于控制和預測，它的生物降解速度和程度比原位或固相系統更加高效。然而，生物反應器對預處理的被污染土壤性狀要求較高，被污染土壤在放入生物反應器之前通常需要進行必要的預處理，例如土壤清洗或物理提取等[6，35，36]。

2.2 原位修復法

生物通氣法是一種較為常見的原位生物處理方法，這種方法的核心是利用本地微生物對非飽和土壤上吸附的有機成分進行生物降解。其原理主要是基于壓力增強對土壤污染物進行蒸氣提取，人為制造地上地下壓力差導致大氣空氣的流入，氧氣濃度增強，作為污染物降解的好氧微生物活力增強，顯著增加對汽油、噴氣燃料、煤油、柴油等石油產品的降解能力。如果污染物中含有大量的揮發性物質，則需要對萃取出的土壤蒸氣使用生物降解活性炭進行處理[17，37-38]。

生物噴注法是利用和激發本地微生物活性實現對飽和土壤中有機污染物降解的一種方法[39]。其主要方式是通過鉆孔將空氣注入到飽和區域，通過增加氧的溶解來增加土壤中好氧微生物的活性，促進好氧微生物對土壤或地下水中污染物的降解。生物噴注法還能有效促進石油類污染物向土壤毛細管邊緣的吸附，促進其揮發，或者將這類污染物移動到地下水位以下或溶解在地下水中。因此，生物噴注法常被用于含有中等重量石油產品污染的地點，如柴油、煤油燃料等。較輕的石油產品往往能通過噴注法利用土壤的毛細管效應迅速揮發，因此土壤的滲透性是影響該技術有效性的關鍵因素[6,18,39]。

生物強化法是將受污染的本地區或外源微生物制劑添加到污染物中進行土壤修復的一種方法。盡管這種方法能夠在短時間內增加微生物制劑的種群數量，但是微生物制劑并不一定適宜所有的土壤污染環境。常見的影響污染物中微生物制劑添加的因素主要有兩個方面，一方面是外來微生物制劑的適應性以及與本地微生物種群的競爭作用，另一方面是本地微生物群落中有效微生物物種的篩選和純化擴繁[6，40，41]。

3 展望

3.1 土壤修復技術選用

相對于傳統的物理化學方法，生物修復能夠在很大程度上解決它們的不足，是一種“近自然修復過程”[42,43]，也是一種較為安全的土壤修復技術。盡管生物修復在許多領域都被證實是簡單有效的土壤修復方式，但是也面臨著一些無法解決的問題[44]：例如微生物制劑的選擇、儲運、施用等，微生物制劑加工和使用通常需要專業的設備和嚴格的溫濕度條件。此外，根據土壤污染的性質和程度、污染土壤修復的便利性等因素，以及污染土壤所處的整個生態系統的穩定性等因素，綜合考慮土壤修復的有效性和經濟性，最終實現土壤生態系統的穩定。

3.2 微生物制劑的評估

為了加快微生物制劑的應用推廣，迫切需要開發快速、可靠和廉價的微生物制劑及相應的評價方法。外來微生物的適應性和本地微生物制劑在群落中的適應性，是未來微生物菌劑使用過程中無法避免的一個問題[45]。對于不同的微生物菌劑需要制定相協調的物理化學方法，協調適應好氧或厭氧微生物的生存以及對污染土壤的修復。一種微生物菌劑從研發到上市推廣需要漫長的過程，實驗室水平的數據和最終的使用之間可能還會存在較大的差異。外來微生物的引進和本地微生物的篩選培養勢必會增加相關微生物在群落中的豐度，相關微生物種群豐度的增加是否會給整個微生物群落或生態系統的穩定性帶來不可控的因素尚需進一步深入評估。微生物制劑在土壤修復過程中所產生的部分中間代謝物在一定程度上也是完全不可控的，這個中間體的形成可能會抑制土壤修復過程的順利進行、亦或導致土壤污染的進一步加劇，這也是對微生物制劑進行篩選的過程中需要關注的重要依據[46,47]。此外，對于生物修復策略的選用和實施，必須能夠確定達到目標閾值，而且處理過程中的相關影響因素也可以能夠完全被量化。根據污染土壤所處的野外條件的異質性、可變性、大小來測試微生物種群的生存潛力，同時也需要對活體微生物使用的復雜性進行詳細評估。需要針對不同的污染物和微生物制劑制定不同的評估標準，以便更好地掌握污染物的清理程度和速度。

3.3 微生物制劑數據庫的建立

目前，微生物制劑的種類繁多，除了用于土壤修復的各類微生物制劑外，農作物和草地有害生物的生物防治中也開發出了大量的微生物生防制劑。不同種類的微生物制劑作為活體生物制劑，其擴繁和使用均需要特定的條件和施用范圍。因此，基于微生物制劑的相關特征建立一個備案清晰、全面有效、并且開放的數據庫十分必要。總之，生物修復技術的進一步發展需要多學科、跨領域之間的通力合作，最終實現污染土壤的高效修復[48-55]。