劉張 周成

(云南省輕工業(yè)科學(xué)研究院 云南昆明 650034)

微生物土壤修復(fù)是利用土著或者外源微生物群,在適宜的環(huán)境條件下,促進(jìn)或強化微生物降解功能,從而達(dá)到降低有毒污染物活性或降解成無毒物質(zhì)的生物修復(fù)技術(shù)[1]。與物理化學(xué)和植物土壤修復(fù)技術(shù)相比,因具有:(1)經(jīng)過修復(fù)的土壤環(huán)境的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)基本保持不變,甚至?xí)?yōu)于原有土壤的性質(zhì);(2)最大限度地降低污染物的濃度;(3)處理形式多樣,可就地處理;(4)環(huán)境影響小;(5)修復(fù)成本費用低;(6)應(yīng)用限制較小等優(yōu)點,微生物修復(fù)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于污染土壤的修復(fù)中。

1 土壤微生物修復(fù)技術(shù)的原理

1.1 土壤環(huán)境的自凈作用

土壤環(huán)境的自凈作用是指在自然因素作用下,污染物的數(shù)量、濃度或毒性通過土壤自身的凈化機制降低的過程。根據(jù)自凈作用機理不同,土壤的自凈作用分為物理、物理化學(xué)、化學(xué)和生物凈化作用四種。

1.2 土壤環(huán)境的污染過程

物質(zhì)和能量輸入土壤體系后,在土壤中發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)化和積累,從而影響著土壤環(huán)境的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能;同時土壤也向環(huán)境中輸出物質(zhì)和能量,并不斷地影響環(huán)境的狀態(tài)、性質(zhì)和使用功能。正常情況下,兩者之間處于一種穩(wěn)定的動平衡狀態(tài)。但當(dāng)生產(chǎn)和生活中產(chǎn)生的污染物質(zhì)通過各種途徑進(jìn)入到土壤中,污染物的數(shù)量及進(jìn)入土壤的速度超過了土壤環(huán)境自身的凈化能力,土壤的自凈作用無法完成,就會造成污染物的積累,從而引起土壤正常功能的紊亂和土壤質(zhì)量的下降。由于土壤環(huán)境中污染物質(zhì)還會發(fā)生遷移和轉(zhuǎn)化,還會引起大氣、水體和生物污染。

圖1 污染物在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化

1.3 影響微生物土壤修復(fù)的因素

(1)受體土壤特性:土壤是由固、液、氣三相組成的分散體系,土壤的孔隙度和質(zhì)地、土壤酸堿度、化學(xué)平衡、氧化還原等物化性質(zhì)都影響著土壤的微生物修復(fù)技術(shù)。

(2)污染物的特性：污染物的理化特性決定了污染物的溶解性、分子排列、空間結(jié)構(gòu)和化學(xué)功能團(tuán)等特征,這些特征決定了土壤污染物的微生物可利用性及生物降解的難易程度。

(3)微生物活性影響因素:包括微生物生長的營養(yǎng)物質(zhì),電子受體(如溶解氧(DO)、有機物分解的中間產(chǎn)物和無機酸根等)及微生物菌群間的協(xié)同作用等。

1.4 土壤微生物修復(fù)技術(shù)原理

大多數(shù)環(huán)境中都存在著能夠降解有毒有害污染物的天然的微生物(土著微生物),但由于營養(yǎng)鹽缺乏、溶解氧不足,能高效降解的微生物生長緩慢甚至不生長等因素,往往自然凈化過程極為緩慢。土壤的微生物修復(fù)技術(shù)就是基于這一情況,通過提供氧氣、添加營養(yǎng)鹽、提供電子受體、接種經(jīng)馴化培養(yǎng)具有高效降解作用的微生物等方法加強土壤自凈過程。

2 微生物土壤修復(fù)技術(shù)

2.1 接種微生物

土壤中的微生物種類繁多,但受污染的土壤而言,不一定存在能夠降解相應(yīng)污染物質(zhì)的微生物。為提高污染土壤中污染物的降解效果,需要接種具有某些特定降解功能的微生物,并使之成為其中的優(yōu)勢微生物種群。接種的微生物通常為土著微生物、外來微生物和基因工程菌三類。

2.1.1 土著微生物

當(dāng)土壤受到有毒有害物質(zhì)的污染后,土著微生物會出現(xiàn)一個自然馴化適應(yīng)的過程。不適應(yīng)污染土壤的微生物逐漸死亡;適應(yīng)環(huán)境的微生物則在污染物的誘導(dǎo)作用下,逐漸產(chǎn)生能分解某些特異污染物的酶系,在酶的催化作用下使污染物得到降解、轉(zhuǎn)化。因此,通過接種馴化后的土著微生物優(yōu)勢菌,縮短微生物生長遲緩期、保持微生物活性優(yōu)點。如為解決大豆除草劑氯嘧磺隆在土壤中殘留時間長的問題,研究人員從殘留有氯嘧磺隆的土壤中分離出一株高效降解氯嘧磺隆的真菌,該土壤氯嘧磺隆的降解率達(dá)到94.88%,同時油菜出苗率由10%提高到80%,使得氯嘧磺隆污染的土壤有很好的修復(fù)作用[2]。

2.1.2 外來微生物

為解決土著微生物生長速度緩慢、代謝活性低或因污染物的影響引起土著微生物的數(shù)量下降時,接種對污染物有較高降解作用的優(yōu)勢菌種。該菌種可縮短微生物的馴化期、克服降解微生物的不均勻性、加速污染物的生物降解、恢復(fù)微生物區(qū)系等作用。在修復(fù)五氯酚(PCP)污染的土壤時,添加黃孢原毛平革菌進(jìn)行堆肥修復(fù)的效果明顯不加菌,經(jīng)過60d的堆肥,五氯酚基本得到降解,降解率能達(dá)到了94%以上[3]。

2.1.3 基因工程菌

利用DNA的體外重組、質(zhì)粒分子育種、原生質(zhì)體融合技術(shù)等遺傳工程手段,篩選出能改變某些微生物作用的底物范圍、對土壤污染物有專一性或能增加高效降解作用的酶的數(shù)量和活性的基因工程菌,并用于土壤修復(fù)。Bathe等將含有苯胺降解質(zhì)粒的Pseudomonas putidap NB2菌株接種到生物膜反應(yīng)器中,提高了對氯苯胺的降解能力[4]。

2.2 添加營養(yǎng)物

微生物的生長不僅需要有機物質(zhì)提供碳源,還需要其他營養(yǎng)物質(zhì)?？梢酝ㄟ^向污染土壤中添加微生物生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì),來改善微生物生長環(huán)境,促進(jìn)污染物降解和轉(zhuǎn)化能力。如對含油污泥進(jìn)行生物修復(fù)時,添加酵母膏或酵母廢液可顯著地促進(jìn)石油烴類化合物的降解。此外,使用營養(yǎng)鹽的效果隨環(huán)境不同而不同,通過實驗發(fā)現(xiàn),C:N:P的比值為100:60:1時處理效果比較明顯[5]。

2.3 添加表面活性劑

微生物對污染物的生物降解主要在酶的催化作用進(jìn)行,但發(fā)揮降解作用的很多酶都不是胞外酶。通過向污染土壤環(huán)境中添加表面活性劑,增加污染物與微生物細(xì)胞的接觸率,促使污染物得到分解。在含煤焦油、石油烴和石蠟等污染物的土壤修復(fù)中,使用添加表面活性劑能取得較好的效果。同時選擇表面活性劑易于生物降解、對土壤中的生物無毒害作用且不會引起土壤物理性質(zhì)的惡化、通常本身就能促進(jìn)污染物可得性。

2.4 現(xiàn)有微生物土壤修復(fù)技術(shù)狀況

表1 現(xiàn)有微生物土壤修復(fù)技術(shù)概況[6]

3 污染土壤微生物修復(fù)處理工藝

微生物土壤修復(fù)處理工藝技術(shù)主要分為原位(in situ)處理工藝、異位(on situ)處理工藝和反應(yīng)器(bioreactor)處理工藝三類。

3.1 原位處理工藝

圖2 原位微生物修復(fù)工藝示意圖

原位處理工藝是直接向污染地區(qū)提供氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)、最終電子受體或接種微生物,實現(xiàn)污染物的生物降解修復(fù)處理工藝技術(shù)(圖2)。一般采用土著微生物進(jìn)行生物降解,但有時也加入經(jīng)過馴化和培養(yǎng)的外源微生物來加速處理過程,提高處理效果。通常情況下還需要加入一些有利于生物降解的工程強化措施。根據(jù)所采取的工程措施的差異,將原位處理工藝包括生物通風(fēng)工藝、土地耕作工藝和生物強化修復(fù)工藝。

3.2 異位處理工藝

異位微生物修復(fù)工藝是從原地遷移受污染的土壤,在異地利用微生物方法,采取一定的工程手段,降解污染物,恢復(fù)土壤的原有功能性狀,包括挖掘堆置處理工藝和堆肥修復(fù)工藝。較為常用的是堆肥修復(fù)工藝。

3.3 反應(yīng)器處理工藝

反應(yīng)器微生物修復(fù)工藝是將受污染的土壤挖掘出來加入反應(yīng)器中與水混合,通過接種微生物,維持適宜條件,在反應(yīng)器內(nèi)處理完成后,再將土壤和水分離運回原地(圖3)。反應(yīng)器處理工藝以水相為中間介質(zhì),主要包括土壤漿化生物反應(yīng)器、生物過濾反應(yīng)器、固定化微生物反應(yīng)器和厭氧反應(yīng)器四種。

圖3 土壤微生物修復(fù)反應(yīng)器示意圖

3.3.1 土壤漿化生物反應(yīng)器

土壤漿化生物反應(yīng)器是將污染土壤與水在一個反應(yīng)器中均勻混合,使其成為泥漿狀,接種相應(yīng)的微生物并加入營養(yǎng)物質(zhì),在充分供氧的條件下劇烈地攪拌,對受污染的土壤進(jìn)行生物降解處理。該工藝能降解多種有毒有害的有機物質(zhì),如多環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物、殺蟲劑、石油烴和氯代芳烴。

由于以水相為主要處理介質(zhì), 該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)了各種環(huán)境條件(如pH 值、溫度、氧化還原電位、氧氣量、營養(yǎng)物濃度、鹽度等) 的有效控制,溶解氧和營養(yǎng)物的傳質(zhì)速率快,反應(yīng)器處理污染物的效果明顯,但工程復(fù)雜,處理費用較高。另外,在用于難生物降解物質(zhì)的處理時須慎重,防止污染物從土壤遷移擴散到水中[5]。

3.3.2 生物過濾反應(yīng)器

生物過濾反應(yīng)器可用于降解許多揮發(fā)性的有機化合物,例如揮發(fā)性氯化物、丙酮、丙荃、甲苯、苯、二氯乙烷以及氯乙烯等。反應(yīng)器中微生物固定在固態(tài)載體上,含污染物的氣流通過載體,實現(xiàn)污染物的微生物降解。生物過濾反應(yīng)器包括滴濾床反應(yīng)器和生物洗滌器等類型。

3.3.3 固定化微生物反應(yīng)器

固定化生物反應(yīng)器是通過應(yīng)用固定化技術(shù)提高反應(yīng)器中微生物的細(xì)胞密度,使溶液中的污染物在通過生物膜時,其降解速度有所提高。

3.3.4 厭氧反應(yīng)器

氯代化合物、三硝基甲苯等的微生物降解都需要厭氧條件。厭氧菌對氯代化合物分子進(jìn)行還原脫鹵,高氯代取代的多氯聯(lián)苯、四氯化碳、PCE等鹵代產(chǎn)品,可在厭氧菌作用下轉(zhuǎn)化為氯取代較少的有機化合物,然后再利用好氧微生物的作用將其進(jìn)一步分解。

4 微生物土壤修復(fù)技術(shù)的發(fā)展與展望

近些年,微生物土壤修復(fù)技術(shù)發(fā)展較為迅速,集中表現(xiàn)在:(1)篩選高效降解菌株、微生物酶制劑及其他環(huán)境修復(fù)制劑的研發(fā),如澳大利亞的Orica-Watercare公司開發(fā)出有機磷水解酶制劑Landguard TM,用于土壤中有機磷農(nóng)藥污染的修復(fù),效果顯著[7];(2)探索新型土壤修復(fù)反應(yīng)器工藝技術(shù),如研發(fā)針對土壤中烴類等有機物生物降解及土壤生物修復(fù)效率進(jìn)行定量監(jiān)測的土壤生物修復(fù)反應(yīng)器[8],模擬極端條件下(特別是高溫石油污染)土壤有機污染微生物修復(fù)反應(yīng)器[9];(3)組合使用:與動植物或物理化學(xué)土壤修復(fù)技術(shù)相結(jié)合,如利用根瘤菌-豆科植物共生體系促進(jìn)重金屬污染地氮素循化和營養(yǎng)元素積累[10];與土壤電動修復(fù)技術(shù)聯(lián)用,提高原位微生物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)效率[11]等。

微生物代謝活動易受環(huán)境條件變化的影響,特定生物只能吸收利用降解轉(zhuǎn)化特定類型的化學(xué)物質(zhì),施用條件苛刻等原因,使得目前微生物技術(shù)在污染土壤修復(fù)應(yīng)用受限,對化學(xué)農(nóng)藥等難降解污染物生物降解研究,仍局限于實驗室研究。突破應(yīng)用的局限,未來微生物土壤修復(fù)技術(shù)著重發(fā)展方向?qū)⒅饕性谝韵?個方面:(1)多途徑、多方法分離和篩選具有高效降解特性的菌株,建立高效降解菌的種子庫;(2)利用基因手段改良現(xiàn)有菌株適應(yīng)性的步伐,擴大降解范圍,提高降解能力;(3)加快降解酶的酶學(xué)研究;(4)進(jìn)行微生物制劑的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及田間應(yīng)用條件研究;(5)不同修復(fù)方式之間的組合研究。

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