呂雷　朱米家　王珂

摘要隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，石油污染土壤的治理問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今研究者關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。相比于物理方法和化學(xué)技術(shù)，生物技術(shù)因?yàn)槠涓咝?、無(wú)毒，且對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生明顯的干擾而被廣泛應(yīng)用于原位和異位修復(fù)油污土壤。生物修復(fù)技術(shù)主要包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)、植物-微生物聯(lián)合修復(fù)等方法，通過(guò)對(duì)這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，展望了今后土壤石油污染修復(fù)的發(fā)展趨勢(shì)和研究重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞石油污染；生物技術(shù)；植物修復(fù)；微生物修復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）22-07585-03

石油在開(kāi)采、運(yùn)輸、煉制的過(guò)程中產(chǎn)生一定的污染，主要污染的對(duì)象是土壤。污染土壤的石油中的主要組成是C15～36的烷烴、多環(huán)芳烴、烯烴、苯系物、酚類(lèi)等[1-2]。泄漏的原油不僅破壞了土壤的結(jié)構(gòu)，使土壤的功能下降，比如堵塞土壤孔隙，改變有機(jī)質(zhì)的組成，引起有機(jī)質(zhì)碳氮比和碳磷比的變化；引起土壤微生物群落、微生物區(qū)系的變化，使污染環(huán)境中微生物生理功能明顯降低[3-4]，更嚴(yán)重的是石油通過(guò)“土壤-植物-人”這一食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，直接威脅到人類(lèi)的身體健康。據(jù)報(bào)道，石油組分中的芳香烴類(lèi)物質(zhì)對(duì)人及動(dòng)物的毒性極大，其中多環(huán)芳烴類(lèi)物質(zhì)可以通過(guò)呼吸、飲食攝入甚至皮膚接觸等方式進(jìn)入人和動(dòng)物體內(nèi)，影響其肝、腎等器官的正常功能，甚至引起癌變。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，石油對(duì)土壤污染的治理工作也逐漸成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。人類(lèi)在石油污染土壤的修復(fù)工作中最早采用的是物理和化學(xué)的方法。物理修復(fù)技術(shù)如對(duì)污染土壤進(jìn)行焚燒、熱修復(fù)、換土、隔離，要求高溫、機(jī)械設(shè)備和更多的人力投入等，成本較高；化學(xué)技術(shù)修復(fù)油污土壤具有較好的除油效果且處理周期短、操作簡(jiǎn)便，如萃取法、洗滌法、光催化法、氧化法等方法，但缺點(diǎn)是藥劑用量過(guò)大，易造成二次污染[5-8]。相比之下，生物修復(fù)技術(shù)具有過(guò)程安全、破壞性小、效果好、操作簡(jiǎn)便以及不易對(duì)環(huán)境造成二次污染等特點(diǎn)，同時(shí)生物修復(fù)技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)土壤的原位修復(fù)和規(guī)模擴(kuò)大的修復(fù)試驗(yàn)[9-10]。因此近年來(lái)運(yùn)用生物方法控制土壤的污染成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。

1 生物修復(fù)技術(shù)及其分類(lèi)

生物修復(fù)技術(shù)發(fā)源于20世紀(jì)80年代，是指利用特定的生物（植物、動(dòng)物、微生物）等，將存在于土壤和地下水中的石油污染物降解成二氧化碳和水或轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)的方法，以實(shí)施修復(fù)的主體分類(lèi)主要有植物修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)及微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等。以修復(fù)的試驗(yàn)場(chǎng)地來(lái)分，主要包括原位修復(fù)和異位修復(fù)兩類(lèi)。其中植物修復(fù)技術(shù)用于原位降解石油污染土壤已有不少相關(guān)研究報(bào)道，激活本源微生物修復(fù)技術(shù)、微生物-植物修復(fù)技術(shù)在異位修復(fù)中取得了一定的研究進(jìn)展。

2 石油污染土壤生物修復(fù)研究現(xiàn)狀

2.1 植物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)是指利用植物的根莖吸收污染土壤的石油烴類(lèi)有機(jī)物，并將其轉(zhuǎn)運(yùn)蓄積到植株的地上可收割部位，或者通過(guò)植株體的新陳代謝作用將污染有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為毒性較弱的或非毒性的代謝物。凌婉婷等通過(guò)研究20種植物的根部對(duì)油污土壤中的多環(huán)芳烴類(lèi)物質(zhì)的吸收作用，發(fā)現(xiàn)植物根部的多環(huán)芳烴類(lèi)（如菲、芘）的含量與根系的富集系數(shù)、根的脂肪含量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，這為篩選高效修復(fù)石油污染土壤的植株提供了試驗(yàn)支持[11]。在植物修復(fù)石油烴污染土壤時(shí)，根際的降解作用顯著。在大量的研究中發(fā)現(xiàn)，一些根系發(fā)達(dá)的植物如披堿草、黑麥草、紫花苜蓿、高羊茅等被較多地應(yīng)用于原位的修復(fù)領(lǐng)域，這是因?yàn)檫@些植物根系的特性決定了其與土壤接觸的面積增大，能通過(guò)根際作用降解更多的表層石油烴污染物[12-14]，如Kirk等研究發(fā)現(xiàn)黑麥草根際降解的石油烴是原土自行降解的233.37倍[14]。另外，也有使用植物的殘?bào)w做實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的修復(fù)工作，如Esmaeil等以4種植物殘?bào)w在溫室內(nèi)降解總石油烴含量達(dá)到10 000 mg/kg的污染土壤，4種被試驗(yàn)用的樣品分別為豌豆秸、麥秸、苜蓿干草和混合殘?bào)w（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%干草、37.5%麥秸、37.5%豌豆秸和5%石膏）。90 d的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)豌豆秸稈對(duì)石油污染土壤的降解效率能達(dá)到83%[15]。

2.2微生物修復(fù)技術(shù)微生物修復(fù)技術(shù)是指利用微生物在自然環(huán)境中對(duì)石油污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化、降解和去除?？梢酝ㄟ^(guò)改變外界條件（比如溫度、鹽度、氧含量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度和添加表面活性劑等），也可以通過(guò)微生物強(qiáng)化修復(fù)，接種富集培養(yǎng)獲得高效降解菌株來(lái)提高土壤中的石油烴降解率。Pelaez等通過(guò)篩選出油污土壤中的芽孢桿菌和假單胞菌，對(duì)900 m2的石油污染土壤進(jìn)行中等規(guī)模的生物降解，161 d時(shí)間內(nèi)有94.4%的多環(huán)芳烴類(lèi)污染物被降解[16]。Alessandra等通過(guò)3種微生物技術(shù)對(duì)熱帶地區(qū)的油污粘土進(jìn)行修復(fù)發(fā)現(xiàn)，堆肥法、生物刺激和添加具有特定降解能力的微生物來(lái)增強(qiáng)生物活性的強(qiáng)化生物修復(fù)的石油烴降解率分別為87%、89%和87%。其中強(qiáng)化生物修復(fù)方法在繼續(xù)添加了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和微生物的條件下，降解效率不見(jiàn)顯著提高[17]。Lin等采用分子檢測(cè)的微陣列生物芯片，結(jié)合生物強(qiáng)化和生物刺激的方法對(duì)石油污染的土壤進(jìn)行堆肥降解，28 d之后C10～28的石油烴和C10～40的石油烴降解率分別達(dá)到70%和63%[18]。Soleimani等使用6種方法異位修復(fù)取自伊朗3個(gè)不同地區(qū)的油污土壤，這些修復(fù)方法包括富集培養(yǎng)細(xì)菌、植物栽種、添加氮源和磷源、糖蜜、過(guò)氧化氫氧化、添加表面活性劑吐溫80。試驗(yàn)結(jié)果顯示細(xì)菌富集與添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的方法去除總石油烴的效率在50%～62%范圍內(nèi)，其中前者對(duì)正構(gòu)烷烴有更顯著的降解，后者對(duì)類(lèi)異戊二烯的污染組分有更好的降解效果[19]。

2.3微生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)微生物強(qiáng)化修復(fù)是指在修復(fù)系統(tǒng)中，通過(guò)投加具有特定功能的微生物、營(yíng)養(yǎng)物或采取其他措施，以期達(dá)到縮短修復(fù)時(shí)間，提高修復(fù)效果，減少修復(fù)費(fèi)用的目的。生物強(qiáng)化影響因素主要有土壤環(huán)境濕度、溫度、pH、孔隙率、本源微生物數(shù)量等。生物強(qiáng)化修復(fù)的實(shí)施途徑主要有：①投加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如氮源、磷源；②投加電子受體（氧化劑）；③添加表面活性劑；④投加高效降解菌或基因工程菌（GEM）；⑤應(yīng)用生物反應(yīng)器[20]。生物強(qiáng)化修復(fù)以其超強(qiáng)的修復(fù)能力已成為土壤石油污染治理的研究熱點(diǎn)。Bento等對(duì)自然衰減、生物刺激和生物強(qiáng)化修復(fù)石油污染土壤的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明生物強(qiáng)化處理石油組分中重油和輕質(zhì)油的降解率均達(dá)到70%以上，修復(fù)效果顯著優(yōu)于其他處理。石油污染土壤微生物修復(fù)過(guò)程中，生物強(qiáng)化可以顯著提高土壤中石油烴降解微生物的生物量和酶活性[21]。Yu等利用由紅球菌屬（Rhodococcus sp） 、不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter sp） 和假單胞菌（Pseudomonas sp.） 構(gòu)成的多環(huán)芳香烴降解菌群強(qiáng)化處理多環(huán)芳烴類(lèi)化合物，在半固體培養(yǎng)基中發(fā)酵28 d后，對(duì)芴和菲的降解率達(dá)到100%[22]。Nikolopoulou等添加尿酸和卵磷脂強(qiáng)化微生物降解石油烴類(lèi)化合物，連續(xù)培養(yǎng) 18 d 后，生物強(qiáng)化處理顯著提高了石油烴的降解速率，其中飽和烴類(lèi)化合物分解最快，其次是芳香烴類(lèi)化合物[23]。Nikolopoulou 等研究還表明，生物表面活性劑可以提高石油烴化合物的降解效率（18 d降解率達(dá)到96%），縮短微生物停滯期（添加生物表面活性劑7 d內(nèi)降解率達(dá)到80%）[24]。石油污染土壤的生物強(qiáng)化修復(fù)是目前研究較多的修復(fù)技術(shù)之一，學(xué)術(shù)界對(duì)于它的修復(fù)效果存在爭(zhēng)議，有研究表明利用真菌、細(xì)菌單菌株和真菌菌群強(qiáng)化石油多環(huán)芳烴類(lèi)化合物降解，萘、蒽、菲及大分子芳香烴類(lèi)化合物的降解速率無(wú)顯著變化。在實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)該考慮污染區(qū)的生物和非生物因素，才能發(fā)揮生物強(qiáng)化的修復(fù)效果[23-24]。

2.4微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室條件下，將具有生物降解作用的細(xì)菌添加入石油污染的土壤中（即生物修復(fù)）通常能夠有效地加速污染物的分解，但在室外條件下卻往往很難實(shí)現(xiàn)成功的生物修復(fù)。將植物種植在土壤中以代謝和去除有毒物質(zhì)，因?yàn)榧词怪参镌谝欢ǔ潭壬蠈?duì)土壤污染物具有耐受性，但是植物生長(zhǎng)通常會(huì)受到明顯影響，以致于植物不能達(dá)到足夠的生物量使其在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的有效降解，克服這些傳統(tǒng)生物修復(fù)與植物修復(fù)的局限性的方法之一就是將具有生物降解作用的微生物與植物相結(jié)合，即植物-微生物聯(lián)合修復(fù)作用[25-26]。在兩種方法的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對(duì)石油烴類(lèi)污染物的吸收與降解。王麗萍等以玉米為接種植物進(jìn)行菌根真菌-植物對(duì)土壤石油烴降解試驗(yàn)研究。結(jié)果表明植物與菌種的協(xié)同作用，可有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)和石油烴降解[27]。耿春女等研究發(fā)現(xiàn)，AM 真菌的孢子不僅能在石油污染土壤中存活，而且當(dāng)石油污染物濃度達(dá)到 10 000 mg/kg時(shí)，對(duì)三葉草根系的侵染率還能達(dá)到 82.86%。利用苜蓿草與微生物修復(fù)PAHs 和礦物油污染土壤的研究表明，在植物生長(zhǎng)條件下，土壤微生物降解功能明顯增強(qiáng)。以水稻為供試植物修復(fù)濕地土壤中礦物油和 PAHs 的研究表明，真菌和細(xì)菌接種量在不同污染水平上與礦物油和多環(huán)芳烴降解率存在最佳配比關(guān)系[28]。劉鵬等利用高效石油降解菌結(jié)合種植大豆、堿草等植物對(duì)石油污染土壤進(jìn)行聯(lián)合修復(fù)，135 d 后石油烴的降解率為63.65%～83.26%，研究表明，植物可以促進(jìn)根際微生物的繁殖及對(duì)污染物的分解轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高修復(fù)效率。田間試驗(yàn)表明，玉米、大豆與內(nèi)生或外生菌根真菌的聯(lián)合修復(fù)效果好于它們與專(zhuān)性降解菌的聯(lián)合修復(fù)效果[29]。劉繼朝等選取了 4 種供試驗(yàn)植物向日葵、狗牙根、棉花、高丹草從中原油田地區(qū)石油污染土壤中篩選石油降解微生物。結(jié)果表明：添加微生物和植物聯(lián)合對(duì)石油降解能力大小順序?yàn)槊藁?微生物>向日葵+微生物>狗牙根+微生物>高丹草+微生物[30]。以上研究說(shuō)明微生物與植物修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合運(yùn)用，大大地提高了石油降解率，微生物與植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)將會(huì)成為今后石油污染土壤修復(fù)的一個(gè)很有研究意義的方向。

3 石油污染土壤生物修復(fù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較

石油污染土壤的生物修復(fù)主要有自然衰減、堆肥技術(shù)、植物、微生物修復(fù)等方法。根據(jù)石油污染的程度、土壤自身的理化性質(zhì)（如pH，N、P含量，有機(jī)質(zhì)含量，含水率等）、氣候特征、修復(fù)成本、城鄉(xiāng)規(guī)劃的需要進(jìn)行因地制宜的修復(fù)[31-32]。其修復(fù)方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

4 生物修復(fù)所面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)展望

作為環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)的核心部分，微生物技術(shù)在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面都取得了較大發(fā)展，表現(xiàn)了其在中低濃度石油污染土壤修復(fù)中的可行性。近年來(lái)，利用微生物修復(fù)石油污染土壤得到了廣泛地關(guān)注。隨著微生物修復(fù)技術(shù)的日臻完善，微生物降解石油以其高效率、低成本、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，將在石油污染土壤修復(fù)過(guò)程中扮演越來(lái)越重要的角色。但是在自然環(huán)境中能夠分離培養(yǎng)的微生物種類(lèi)只是微生物總量中很有限的一部分，尤其是在復(fù)雜的外部環(huán)境中，絕大多數(shù)微生物不能用傳統(tǒng)的純培養(yǎng)方法獲得，這在一定程度上限制了微生物修復(fù)技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此，需要將微生物修復(fù)、植物修復(fù)、菌根根際生物修復(fù)等技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，提高石油污染物的降解率，并在修復(fù)過(guò)程中利用物理、化學(xué)和分子生物學(xué)方法對(duì)修復(fù)效果進(jìn)行有效地評(píng)估，使石油污染土壤修復(fù)過(guò)程向全面系統(tǒng)化、最優(yōu)化和成熟化發(fā)展。