石油污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)研究

曹子璇

（南開大學(xué)，天津 300071）

作為能源生產(chǎn)的原料，石油的全球需求持續(xù)增長。石油是一種暗褐色的黏性液體，由烷烴、環(huán)烷烴、芳香族碳?xì)浠衔锖筒糠譃r青等構(gòu)成。芳香烴及其衍生物具有致癌性、致畸性和致突變性，可通過包括食物、呼吸和直接暴露在內(nèi)的多種方式危害人體健康。在石油的開采和運(yùn)輸過程中，因作業(yè)不良或突發(fā)事故等造成的重大環(huán)境污染是無法避免的。石油不僅會破壞海洋環(huán)境，還會對大氣、土壤等造成嚴(yán)重污染。石油提煉、石油化學(xué)和纖維合成排放的含硫廢氣會嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。此外，石油污染物在大氣中的沉積、石油在運(yùn)輸過程中的泄漏、含油礦渣和污泥的堆置都可能嚴(yán)重污染土壤環(huán)境。石油污染物難以清除，其進(jìn)入土壤后會長期停留，對土壤生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。首先，石油污染物堵塞土壤空隙，降低土壤滲透性，使植物根系得不到充足的氧氣和水分，影響植物活動，破壞區(qū)域生態(tài)平衡。其次，如果土壤中長期存在石油污染物，土壤有機(jī)物的組成和結(jié)構(gòu)就會發(fā)生改變，導(dǎo)致碳、氮等營養(yǎng)元素的不均衡。最后，石油混合物中的重金屬和油田產(chǎn)出水的高鹽度會損害土壤環(huán)境，使已被石油污染的脆弱土壤生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。

1 石油污染土壤的生物修復(fù)

石油滲透性強(qiáng)，流動性大，對土壤的黏附作用強(qiáng)，石油污染土壤影響范圍廣，污染體系復(fù)雜，治理難度大。因此，石油污染土壤的治理必須立即進(jìn)行。目前，石油污染土壤的主要修復(fù)技術(shù)有3 類，分別是物理修復(fù)法、化學(xué)修復(fù)法和生物修復(fù)法。物理修復(fù)法和化學(xué)修復(fù)法的周期短，修復(fù)效果顯著，但由于高成本、處理不完全以及可能導(dǎo)致二次污染等原因，其尚未在實(shí)際修復(fù)中大規(guī)模應(yīng)用。近年來，生物修復(fù)技術(shù)逐漸興起，其主要通過包括植物、動物和微生物在內(nèi)的生物代謝活動來對土壤污染物進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)化和降解，本質(zhì)上是對自然過程的增強(qiáng)，具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、不會造成二次污染等優(yōu)點(diǎn)，因此成為石油污染土壤修復(fù)的重要研究方向。根據(jù)土壤修復(fù)主體的區(qū)別，生物修復(fù)技術(shù)分為4 類，即微生物修復(fù)、植物修復(fù)、植物微生物聯(lián)合修復(fù)和動物修復(fù)。

1.1 微生物修復(fù)

微生物修復(fù)主要分為兩類，即原位微生物修復(fù)和異位微生物修復(fù)。原位微生物修復(fù)無須移動污染土壤，而是采用直接投加降解菌等方式進(jìn)行生物降解。該技術(shù)主要分為三類，即生物通風(fēng)、生物強(qiáng)化和生物刺激。其中，生物通風(fēng)是指用物理方法向土壤中補(bǔ)充空氣，從而促進(jìn)微生物的生長及代謝；生物強(qiáng)化是通過向污染土壤中投加高效降解菌劑來提高環(huán)境中有效微生物的濃度，從而增強(qiáng)修復(fù)效果；生物刺激是指通過投加營養(yǎng)物質(zhì)、表面活性劑、共代謝基質(zhì)等對污染土壤中的微生物進(jìn)行刺激，促進(jìn)其生長，進(jìn)而提高微生物降解污染物的效率[1]。異位微生物修復(fù)包括預(yù)制床法、堆肥處理法等。預(yù)制床法是將污染土壤平鋪于預(yù)制砂石層的平臺上，再加入適當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)調(diào)控生長條件，最后將滲濾液回注于土層，以徹底清除污染物。堆肥處理是將有機(jī)質(zhì)加入土壤中，令其經(jīng)過微生物的代謝后轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，為降解菌提供適合的營養(yǎng)物質(zhì)和生存環(huán)境。

目前，已發(fā)現(xiàn)的可適用于石油污染土壤修復(fù)的微生物有節(jié)桿菌屬、不動桿菌屬等，其中，銅綠假單胞菌應(yīng)用較廣。李婧等[2]采用石油-有機(jī)氯復(fù)合菌群，開展石油-氯酚復(fù)合污染土壤的生物修復(fù)試驗，結(jié)果表明，添加石油-有機(jī)氯復(fù)合菌群修復(fù)污染土壤130 d 后，石油烴降解率達(dá)到77.68%，碳數(shù)27 以下的所有烴類峰強(qiáng)度均有降低，氯酚降解率達(dá)到100%。吳蔓莉等[3]向石油污染土壤中施加堆肥進(jìn)行42 d 的修復(fù)處理，結(jié)果表明，與自然放置的土壤相比，向石油污染土壤中施入有機(jī)肥可有效去除土壤中的石油烴、烷烴和多環(huán)芳烴，并使土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。

1.2 植物修復(fù)技術(shù)

植物可以在微生物的幫助下從代謝環(huán)境中降解、轉(zhuǎn)化、去除污染物。植物修復(fù)技術(shù)是指通過植物體內(nèi)對某些污染物的積累、植物代謝過程對某些污染物的轉(zhuǎn)化和礦化等方式，將污染物提取、吸收、轉(zhuǎn)化或固定在植物體內(nèi)，再對植物上部進(jìn)行削減。植物修復(fù)技術(shù)生態(tài)環(huán)保，同時景觀價值較高。

植物可用于石油污染土壤修復(fù)。趙雨朦[4]對翅堿蓬進(jìn)行土培試驗，試驗結(jié)果表明，翅堿蓬去除石油烴的效率高于90%。目前，紫花苜蓿、香蒲等多種耐石油污染的植物已被篩選出來。這些植物大部分分布廣泛，生物量高，具備強(qiáng)抗污染能力[5]，在石油污染土壤修復(fù)中具有很大的應(yīng)用潛力。

1.3 微生物與植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

植物的根際作用不僅影響土壤微生物活性，也會影響植物的修復(fù)能力。因此，植物修復(fù)體系可以添加具有特定功能的微生物，提高分解效率。微生物和植物之間存在互利關(guān)系。植物可以提供氧氣，同時為微生物提供生存場所。植物根際可以釋放碳水化合物、氨基酸等，有效刺激根系微生物生長，增強(qiáng)微生物與植物的聯(lián)合修復(fù)作用，提高降解效果。微生物與植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)主要利用二者的協(xié)同作用對石油污染土壤進(jìn)行修復(fù)，其中，選擇適宜的植物-微生物體系是該技術(shù)的核心。

王金成等[6]利用金盞菊和外源石油降解菌進(jìn)行試驗，結(jié)果表明，二者聯(lián)用可以增加包括土壤脲酶在內(nèi)的多種酶的活性，有效改善土壤根際環(huán)境。張金秋等[7]對紫花苜蓿和銅綠假單胞菌進(jìn)行試驗，結(jié)果表明，當(dāng)二者協(xié)同對石油污染土壤進(jìn)行修復(fù)時，其修復(fù)效果明顯優(yōu)于單一紫花苜蓿或銅綠假單胞菌的修復(fù)效果。在植物與微生物聯(lián)合修復(fù)體系中，二者表現(xiàn)出明顯的互生作用。

1.4 動物修復(fù)技術(shù)

土壤動物類型多樣，包括原生動物、無脊椎動物和環(huán)節(jié)動物等，其正常生命活動有助于治理污染土壤，因此可以利用土壤動物的生理特性來修復(fù)污染土壤。MAIKE 等[8]在試驗中使用3 種蚯蚓來修復(fù)石油污染土壤，試驗結(jié)果表明，加入3 種蚯蚓的石油降解率大大提高，因此蚯蚓可以加強(qiáng)土壤微生物的活動，從而增強(qiáng)石油污染土壤的修復(fù)效果。

2 修復(fù)效果評價

石油降解量是評價石油污染土壤生物修復(fù)效果的直接依據(jù)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，降解效果不能僅用單一指標(biāo)進(jìn)行評價。生物修復(fù)主要利用生物體內(nèi)產(chǎn)生的多種酶來降解石油污染物，這些過程通常包含催化氧化、還原、脫氫及脫羧等在內(nèi)的多種反應(yīng)，因此土壤酶活性可以作為評價指標(biāo)之一。土壤微生物是土壤酶的主要來源，因此可以對土壤微生物的生物化學(xué)過程進(jìn)行綜合反映。例如，土壤中的芳香族化合物可以經(jīng)過土壤中的多酚氧化酶氧化后轉(zhuǎn)化成醌，從而促進(jìn)石油降解，因此微生物對石油芳香族化合物的降解能力可以通過多酚氧化酶的活性來評價。

除此之外，還可以通過動植物可用性、生物多樣性等指標(biāo)來評價生物修復(fù)效果。通常，動植物的生長情況和土壤修復(fù)效果有關(guān)。動植物生長情況好，說明其生物可用性高，土壤修復(fù)效果好。同時，土壤生物種類的增加也意味著土壤毒性的降低。楊茜等[9]通過投加菌劑修復(fù)石油污染土壤，結(jié)果表明，投加外源降解菌SZ-1 可以顯著提高土壤細(xì)菌群落的多樣性。高晶[10]利用真菌對原油污染鹽堿土進(jìn)行修復(fù)，并采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)分析土壤微生物的多樣性，結(jié)果表明，生物修復(fù)可以提高生物多樣性。

3 結(jié)論

近年來，隨著石油資源的大量開采和全球需求的持續(xù)增長，石油污染土壤修復(fù)成為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)之一。生物修復(fù)法經(jīng)濟(jì)環(huán)保，不會造成二次污染，順應(yīng)社會發(fā)展趨勢，在石油污染土壤修復(fù)中具有巨大的應(yīng)用潛力。目前，大量生物修復(fù)技術(shù)處于試驗研究階段，但部分技術(shù)研究較為緩慢，生物修復(fù)效果的評價標(biāo)準(zhǔn)不完善。受生物本身影響，動物修復(fù)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的局限性。當(dāng)前，大部分生物修復(fù)技術(shù)僅適用于低濃度石油污染土壤的修復(fù)。污染物濃度過高會阻礙生物生長，從而降低修復(fù)效果。未來，要探尋能適應(yīng)較高濃度石油污染土壤環(huán)境的生物，進(jìn)一步提高生物修復(fù)的有效性；將生物修復(fù)技術(shù)與其他修復(fù)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合修復(fù)；優(yōu)化菌株生長環(huán)境，提高表面活性劑的產(chǎn)生量，最終增強(qiáng)生物修復(fù)效果。