土壤污染防治技術課程典型案例剖析研討式教學探索

劉曉艷 張新穎＊ 陳學萍 王道源 何池全

（上海大學，上海 200444）

目前在我國一些高校中的環境工程專業碩士研究生專業課程教學中，還存在著一些實際問題，其中比較大的問題之一是由于專業課程的機動性較大而導致在課堂教學過程中所用的教學形式的多樣化，導致教學質量和教學效果受到了一定程度的影響。針對土壤污染防治技術課程的教學，根據上海大學環境學科的特色，并參照國家研究生核心課程指南，構建環境科學與工程一級學位點核心專業課程體系，在近年來受到高度重視的生態文明建設中，需要在最受關注的土壤污染防治方面加強修復技術教學，并充分體現土壤污染環境修復行業的新知識、新技術及新成果的專業技術案例教學特色，扎實強化研究生課程教學應有的深度和難度。下面通過展示在實際教學過程中，探索以石油污染土壤治理與修復為典型案例開展該專業課案例剖析研討式教學情況。

多年來石油污染一直是全球性的環境問題，尤其是土壤中的石油污染物不僅破壞土壤環境，而且石油類污染物會通過呼吸、接觸及食物鏈等途徑危害人體健康。石油類污染物被列入我國危險廢物名錄，在2016年國務院印發的《土壤污染防治行動計劃》中明確指出要加強對石油化工行業的環境管理，并應對石油類污染土壤采取有效的防治措施；針對石油類污染土壤的治理和修復，目前國內外普遍推崇的是生態修復方法，其中主要是微生物修復和植物修復技術。實際上，自然界中的植物與微生物是相互依存的，二者存在著良好的共生關系。由于植物與微生物之間的相互作用，使得二者共同降解石油類污染物的能力明顯提高，經過優選的植物與微生物聯合作用可具有協同作用效果。植物與微生物聯合修復石油污染物的作用機制主要分為兩類：一是“功能菌—植物”機制，是將具有特定修復功能的植物與微生物聯用，植物在此過程中提供適宜微生物生長的環境條件，強化微生物對污染物的去除能力；雖存在植物與微生物的共生關系，但修復主體為微生物，植物僅作為輔助修復生物。二是“菌—植物共生”機制，強調植物與微生物在污染脅迫下共生以強化植物對污染物的富集作用，一般在根際附近形成緊密的種間互作關系，微生物胞外修復機制為植物富集污染物提供了條件，植物在微生物的保護下可減輕污染脅迫，促進植物生長和提升污染物去除效果。在該課程的專題教學過程中，主要從下面三個典型案例出發，開展了石油污染土壤治理與修復技術的剖析研討式教學模式探索。

案例一國外利用植物和微生物聯合修復原油污染土壤技術。伊朗和比利時學者利用香根草和石油降解菌聯合修復原油污染土壤，引用介紹2020年發表在Journal of Cleaner Production上的一篇相關文獻，教學中通過對文獻的深度理解和圖文并茂的說明與闡述，細致地剖析了該案例技術的研究過程、數據分析以及油污去除機理探究等內容，通過進行120天的模擬試驗，研究了香根草和石油烴降解菌在不同油污濃度（0%w/w、2%w/w、4%w/w、6%w/w、8%w/w、10%w/w和12%w/w）的污染土壤中的生長性能以及對油污的耐受性，并且考查了二者聯合修復過程中對土壤中的總石油烴（Total Petroleum Hydrocarbons，TPHs）的去除能力，研究發現香根草與細菌聯合處理組對總石油烴的去除率最高可達到84.6%。同時該研究還發現修復過程中還存在著葉綠素a和葉綠素b含量降低、類胡蘿卜素含量增加的規律性。在整個修復過程中，香根草在受污染的油污土壤中生長良好，香根草根和莖中的總抗氧化活性、丙二醛和脯氨酸含量都呈現出逐漸增加的趨勢。因此，研究證明，香根草對石油污染物具有良好的耐受性，并能夠同降解菌聯合可有效地用于原油污染土壤的修復；但需注意在自然條件下，現場污染土壤的理化性質可能影響香根草和降解菌對油污的修復效率。通過該典型案例的教學及剖析，向同學們闡明了耐油植物香根草和石油降解菌聯合修復石油污染土壤的技術是具有良好應用前景的一種技術；而且由于香根草屬多年生草本植物，它對生長環境要求不高，且對氣候的適應性廣，可栽培于平原、丘陵、山坡以及水濕溪流邊或疏松粘壤土環境中；在我國從江蘇到海南緯度內的各省區內均可廣泛種植，因此利用香根草對污染土壤進行生物修復的潛力很大。

案例二國內特征植物與微生物聯合修復石油污染土壤技術。引用介紹2021年張金秋碩士研究論文，其主題是選用黑麥草、紫花苜蓿、高羊茅這三種可有效降解石油的植物與高效石油降解菌銅綠假單胞菌聯合，開展特征植物與微生物聯合修復柴油污染土壤的研究。通過分析該文獻，從整體上先介紹修復植物的選擇以及主體實驗設計，然后在各個方面比較系統地展示了黑麥草、紫花苜蓿、高羊茅聯合降解菌對柴油污染環境的修復作用。基于實驗研究，首先測試了植物—微生物聯合體系對柴油污染土壤的修復效果，發現植物—微生物聯合修復效率明顯高于植物或微生物單一修復，在56 d的實驗中最高可去除土壤中油污的71.9%；在特征植物與微生物構成的聯合體系中，石油降解菌與植物是相互促進的，二者達到了協同作用的效果。另外，該項研究在探討影響生物聯合修復效果的各種因素基礎上，如油污濃度、投菌量、植株密度以及污染區域自然條件，研究得到了最佳修復條件：油污濃度0.6%，植株密度1棵/5 cm，投菌量20 g/kg；最佳生物聯合修復場地條件：pH 7～8，溫度25℃，含水率50%，N/P比10∶1。在控制最優條件下，特征植物與微生物體系對土壤中油污的去除率可達到85.5%，確實具有良好的除油修復功能；另外在研究中還進一步探索了特征植物與微生物聯合修復油污土壤的初步應用效果。通過剖析和研討使同學們認識到特征植物與微生物聯合可以對油污土壤進行修復，但也認識到實際場地情況與模擬實驗研究還是有較大差異的。總體來看，該研究通過對實際研究案例進行剖析，進一步證明了采用特征植物與降解菌聯合在油污土壤修復中具有良好的應用前景。而且黑麥草、高羊茅和紫花苜蓿都是廣泛分布于我國各地的優良草種，可以便捷地用于石油污染土壤修復技術中，不僅能夠為我國環境保護做出貢獻，還可起到美化環境的作用。

案例三真菌與嗜油細菌復合菌群修復原油污染土壤技術。引用介紹2019年袁曉宇碩士研究論文，波氏足分支霉聯合嗜油細菌菌群修復原油污染土壤。教學中在本案例剖析前，首先介紹石油污染物的組成特征，由于其中所含的飽和烴、芳香烴、膠質及瀝青質等復雜成分，導致其利用單一微生物菌種修復難以取得良好效果，因此筆者基于這個難題進行實驗研究設計，通過利用不同類型的微生物進行石油污染土壤修復研究。該項研究過程中，基礎工作是構建適當的聯合菌群作為油污修復菌劑，從各種污泥和污染土壤中篩選出可有效降解石油的真菌波氏足分支霉和降解率優異的細菌菌群，然后探討不同接種比例下真菌和細菌菌群對原油的綜合降解能力，并構建出了降解效果最佳的真菌—細菌混合嗜油菌群；該研究前期建設的真菌—細菌混合嗜油菌群奠定了整個研究工作的基礎，進而利用真菌—細菌混合嗜油菌群對石油污染土壤進行了大量細致的修復研究，通過實驗探索了真菌—細菌混合嗜油菌群對實際石油污染土壤的去除能力，研究發現當真菌與細菌菌群按1∶3比例接種時，真菌—細菌混合嗜油菌群對原油的降解效果好，其7 d降解率即可達到81.45%，顯著高于相應的真菌或細菌菌群的效果。另外還剖析了在實際原油降解過程中，真菌—細菌混合嗜油菌群發揮的綜合作用以及其中的真菌與細菌相互之間發生的協同作用過程，檢測了真菌—細菌混合嗜油菌群對實際污染土壤的修復效果，闡明了波氏足分支霉真菌增強細菌菌群去除實際原油污染土壤的降解作用機理。通過對該案例的全面闡述和剖析，不僅使同學們看到了實驗研究的細致和過程推斷的精妙，充分認識到由波氏足分支霉真菌同細菌菌群組成的真菌-細菌混合嗜油菌群可以應用于實際石油污染土壤的生物修復中，而且也有助于同學們在實驗設計思路和修復機理分析等方面的綜合能力的提升。該學位論文作者袁曉宇同學的創新性研究工作發表在國際著名期刊Bioresource Technology上，獲得了國家研究生獎學金和上海市優秀畢業生的榮譽，袁曉宇同學正在我國土壤修復領域發揮著他的專業技術特長，他在研究過程中和工作崗位上付出的辛勤努力和刻苦鉆研精神也將激勵著學弟學妹們建立敢于攀登相關領域科技高峰的信心和決心，同學們立志為我國的環境保護事業做出自己的貢獻。

本文介紹在環境工程專業開設碩士研究生專業課“土壤污染防治技術”基礎上，積極嘗試利用典型案例進行剖析研討式教學，在課程教學中有針對性地體現課程的理論性、實踐性、學術性、前沿性及創新性，注重教學改革實踐，努力強化學生的創新精神和實踐能力，培養適合新時期我國生態文明建設的高級專業人才。在以石油污染土壤治理與修復技術為主題的專題研討教學中，利用國內外學者們開展相關技術研究的三個典型案例，向同學們展現了采用植物與微生物技術可以有效地治理和修復石油污染土壤環境的研究過程和技術特點，并使同學們清晰地看到了相關領域研究者甚至自己身邊的學長們奮斗的過程和成長的身影，充分體現了開展典型案例剖析研討式教學的優勢。在教學中同學們對這種教學方式很感興趣，他們表現出了濃厚的學習熱情，課堂上研討和互動氣氛熱烈，整體教學效果好，受到了學生們的普遍歡迎；而且令人欣慰的是，從研究生畢業生的就業情況看，有很多學過這門專業課的碩士畢業生目前都在從事著與土壤污染防治和修復相關的工作，他們在努力為我國的環境保護貢獻力量。通過此文探索環境類專業研究生專業課的有效教學模式，希望與其他高校同行們一起探索該類研究生專業課的各種教學模式，以期起到拋磚引玉的作用，并為開展該類碩士研究生專業課教學和學位點核心課程建設起到積極作用，努力提高環境專業碩士生創新人才的培養質量。