微生物-植物聯合修復技術在多環芳烴污染土壤治理中的應用

摘要：作為一類高風險的環境污染物，多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）在土壤中廣泛分布，難以降解，容易導致面源污染。聚焦于微生物-植物聯合修復技術在PAHs污染土壤治理中的應用，分析微生物與植物根系相互作用的機制及其降解轉化過程。試驗驗證該技術在實際應用中的有效性，并評估環境因素對修復效果的影響。研究結果表明，該技術能顯著降低土壤的PAHs含量，并對土壤質量、微生物群落結構和功能多樣性產生積極影響。

關鍵詞：多環芳烴（PAHs）；污染土壤；微生物修復；植物修復

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0311

Application of Microbial-Plant Remediation Technology in the Treatment of Soil Contaminated by Polycyclic Aromatic Hydrocarbons

FEI Xiaotong

（China Design Group Co.， Ltd.， Nanjing 210014， China）

Abstract： As a high-risk environmental pollutant， Polycyclic Aromatic Hydrocarbons （PAHs） are widely distributed in soil and difficult to degrade， which can easily lead to non-point source pollution. Focusing on the application of microbial-plant remediation technology in the treatment of PAHs contaminated soil， the mechanism of interaction between microorganisms and plant roots and their degradation and transformation processes are analyzed. The experiment verifies the effectiveness of this technology in practical applications， and evaluates the impact of environmental factors on the restoration effect. The research results indicate that this technology can significantly reduce the PAHs content in soil， and have a positive impact on soil quality， microbial community structure and functional diversity.

Keywords： Polycyclic Aromatic Hydrocarbons （PAHs）; contaminated soil; microbial remediation; plant remediation

多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是一類具有強致癌、致畸和致突變效應的有機污染物，源自化石燃料不完全燃燒和石油泄漏，嚴重威脅土壤生態和人體健康[1]。傳統物理和化學修復方法成本高，可能引發二次污染。因此，生物修復技術成為研究熱點。微生物-植物聯合修復技術結合微生物降解和植物轉化的優勢，應用前景良好[2]。因此，有必要探討其在PAHs污染土壤治理中的有效性，分析微生物-植物根系相互作用及降解轉化過程，評估可行性和環境效益，并探索影響修復效果的關鍵因素，為PAHs污染治理提供科學依據和技術支持。

1 微生物-植物聯合修復技術路線

1.1 微生物-植物相互作用機制

微生物與植物根系的相互作用是促進PAHs降解的關鍵機制之一，具體作用機制如圖1所示。這種相互作用主要體現在4個方面。一是根際效應。植物根系分泌有機酸、酶等活性物質，改變根際土壤環境，如pH值和氧化還原電位，影響微生物代謝和群落結構，同時為微生物提供碳源和能源，促進其生長繁殖。二是協同代謝。微生物與植物根系共生，通過協同代謝降解PAHs。細菌分泌酶（如雙加氧酶）將其轉化為無害物質，植物根系吸收降解產物，促進微生物生長代謝，形成協同作用。三是信號傳導。植物根系與微生物通過信號分子交流，調節生理活動。受PAHs污染時，植物釋放信號分子激活微生物防御機制，增強其降解能力。四是基因表達調控。植物根系分泌物誘導微生物特定基因表達，增強PAHs降解；微生物信號分子調控植物根系基因表達，促進污染物吸收轉化。綜上所述，微生物與植物根系的相互作用通過多種途徑促進PAHs降解，提高降解效率，改善土壤質量，優化微生物群落結構。深入研究此機制對開發高效環保的PAHs污染土壤治理技術具有重要意義。

1.2 微生物降解PAHs的機理

微生物降解PAHs的過程涉及多種酶和代謝途徑。這些酶主要包括單加氧酶、雙加氧酶和脫氫酶等，它們通過氧化還原反應將復雜的PAHs分子逐步分解為更簡單的化合物，最終轉化為無害的二氧化碳和水。一是初始氧化階段。PAHs的降解通常從初始氧化開始，這一步是關鍵步驟。微生物利用細胞內的單加氧酶或雙加氧酶對PAHs進行氧化，引入氧原子到芳香環上。根據單加氧酶作用，單加氧酶可以將一個氧原子加入PAHs的芳香環上，形成環氧合物。根據雙加氧酶作用，雙加氧酶能夠同時將兩個氧原子加入芳香環上，形成二羥基化合物。二是開環階段。初始氧化后，多環芳烴的芳香環被打開，形成直鏈化合物。這一步驟通常由開環酶催化完成。三是進一步代謝階段。開環后形成的直鏈化合物進一步被微生物代謝，通過一系列酶促反應轉化為更簡單的有機酸。四是最終礦化階段。這些簡單的有機酸被徹底礦化為二氧化碳和水。這一過程中，β-酮己二酸脫羧酶等酶起到關鍵作用。

1.3 植物吸收與轉化PAHs的機理

植物根系吸收PAHs時，主要依賴被動擴散和主動運輸，PAHs通過根部脂質層跨膜進入植物，經維管系統轉運并在組織中積累。植物細胞內的微粒體和胞質溶膠代謝PAHs，通過酶促反應轉化為親水羥基化產物，再經糖基化、硫酸化或谷胱甘肽結合，降低毒性并促進排出。植物還通過揮發、脫落物和根系分泌物釋放PAHs及其代謝物，影響土壤微生物活性及生態功能，參與自然修復過程。

2 微生物-植物聯合修復試驗

2.1 試驗材料與方法

試驗選取黑麥草作為模擬植物，因其根系發達，能廣泛吸收和轉化土壤中的污染物。同時，選用已知對PAHs有高效降解能力的菌株——惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida）。污染土壤采自工業區附近，PAHs含量高，具體包括萘、菲和芘等。試驗使用的主要材料包括菌株培養基（LB培養基）、黑麥草種子和受污染的土壤樣品，各類化學試劑用于土壤和植物組織中PAHs的分析。

試驗主要分為5個步驟。一是土壤處理。將采集的污染土壤進行篩分，去除石塊和大顆粒雜質，然后進行滅菌處理，消除土著微生物的影響。二是植物栽培。在溫室條件下，將處理過的土壤填充到花盆中，播種黑麥草種子，保持適宜的濕度和溫度。三是微生物接種。將培養好的菌液均勻地施入土壤。四是樣品收集。在試驗開始后的第0周、第1周、第2周、第4周和第6周分別收集土壤和植物樣品，分析PAHs的殘留量。五是數據分析。使用高效液相色譜和氣相色譜-質譜聯用技術測定土壤和植物樣品中PAHs的含量。經試驗設計，驗證微生物-植物聯合修復技術在實際應用中的有效性，評估其對土壤質量及微生物群落結構的影響。

2.2 結果與分析

2.2.1 微生物-植物聯合修復效果評價

利用高效液相色譜和氣相色譜-質譜聯用技術測定不同時間點土壤和植物樣品的PAHs含量，試驗數據如表1所示。隨著時間的推移，土壤中各種PAHs的含量顯著下降。在第6周時，萘、菲和芘的殘留量分別降至初始值的26.7%、25.0%和22.2%。這表明微生物-植物聯合修復技術在降低土壤中PAHs含量方面具有顯著效果。此外，分析黑麥草對PAHs的吸收情況。植物體內PAHs的含量測定結果顯示，黑麥草能夠有效吸收并轉化這些污染物。

數據顯示，隨著時間的推移，黑麥草的PAHs含量逐漸增加，表明其對污染物的吸收和轉化能力較強。特別是在第6周時，萘、菲和芘的含量分別達到25、35、28 mg/kg。經分析，微生物-植物聯合修復技術在處理PAHs污染土壤方面表現出色，不僅顯著降低土壤的PAHs含量，還促進植物對污染物的吸收和轉化。這一技術的應用為PAHs污染土壤的治理提供一種高效、環保的解決方案。

2.2.2 影響因素分析

在微生物-植物聯合修復技術的應用過程中，多個環境因素對修復效果產生顯著影響。作為3個關鍵因素，溫度、濕度和土壤對聯合修復效果影響較大。溫度是影響微生物活性和植物生長的關鍵因素，適宜溫度能促進PAHs降解，提高修復效率。通過控制溫室條件，確保微生物和植物在最佳狀態下進行修復。適宜濕度可以促進微生物生長繁殖和植物水分吸收，提高修復效率。定期澆水，保持土壤濕潤，確保濕度在適宜范圍。土壤類型影響微生物活性、植物生長及PAHs生物可利用性。選用工業區附近的高有機質、良好透氣性的污染土壤，利于微生物生長和植物根系擴展。

不同溫度和濕度條件下，土壤中PAHs降解率的變化如表2所示。數據顯示，隨著溫度和濕度的增加，PAHs的降解率逐漸提高。特別是在溫度30 ℃和濕度70%的條件下，萘、菲和芘的降解率分別達到最高值。這說明適宜的溫度和濕度條件對提高PAHs降解率至關重要。溫度、濕度和土壤類型是影響微生物-植物聯合修復技術的關鍵，優化這些條件能提高PAHs污染土壤的修復效率。未來研究需要深入探索其相互作用機制，為應用提供精準指導。

3 結論

試驗結合微生物-植物聯合修復技術路線，驗證該技術在PAHs污染土壤治理中的有效性。結果顯示，該技術能顯著提高降解效率，改善土壤質量，并優化微生物群落。未來研究需要探索環境因素對修復效果的影響，結合基因工程、納米技術等現代生物技術，提升應用潛力。總之，微生物-植物聯合修復技術在PAHs污染土壤治理中具有廣闊的市場前景，但仍需要進一步研究和優化，以實現廣泛應用。

參考文獻

1 趙 旭，楊富鑫，李正鴻，等.煤熱解過程中多環芳烴的生成與排放特性[J/OL].煤炭學報，1-12[2024-10-13].https：//doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2024.0820.

2 王萌瑤，王 建，湯 磊，等.土壤中多環芳烴衍生物污染特征及其生物降解[J/OL].中國環境科學，1-9[2024-10-13].https：//doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20240910.005.

作者簡介：費小通（1989—），男，浙江湖州人，碩士，工程師。研究方向：土壤修復。