（生態(tài)學專業(yè)論文）礦物油污染土壤的菌根生物修復研究.pdfVIP

捅要 本文對外生菌根真菌( e c m ) 在純培養(yǎng)及與植物共生情況下對礦物油的降解效果 進行了研究，比較了不同接種條件、不同接種方式對土壤礦物油降解率的影響，篩選 出了植物與外生菌根真菌的最佳降解組合，并探討了外生菌根真菌與專性降解菌、固 氮菌、v a 菌的聯(lián)合降解效應。對外生茵根真菌促進降解的原因及對土壤酶活性的影 響也進行了研究。 研究結(jié)果表明，篩選出的的4 種外生菌根真菌均可以礦物油作為唯一碳源和能源 而使礦物油得到降解。培養(yǎng)基種類對外生菌根真菌的生物量和降解礦物油的能力有顯 著影響，以有機氮作為氮源，尤其是提供少量容易利用的碳源作為啟動碳源將大大提 高其生物量和礦物油降解率。隨著油濃度的增加，菌體生物量呈現(xiàn)波動性變化，低濃 度刺激生長，高濃度抑制。礦物油對小麥和苜蓿種子的萌發(fā)和生長有明顯的抑制作用， 隨著油濃度增加，抑制作用增強。在二者的各項指標中，根或根與下胚軸的干重均隨 油濃度增加呈現(xiàn)規(guī)律性下降，故可作為衡量土壤礦物油污染程度的較穩(wěn)定指標。 在高濃度( 1 0 0 0 0 p p m ) 礦物油污染土壤上，外生菌根真菌仍然可侵染植物形成菌 根。菌根化植物的礦物油降解率及抗干旱、抗低溫能力明顯增強，并可持續(xù)發(fā)揮有益 作用，第二年某些共生組合可使油濃度降至正常水平。在單接種中，刺槐與e 2 菌，白 蠟與e 4 ，垂柳與e 4 茵為最佳降解組合。盆栽和田間實驗均表明，外生菌根真菌混合 接種的降解效果好于單接種和雙接種。不施肥接種的降解效果好于施肥接種。滅菌接 種使礦物油降解率有所提高，但效果不十分顯著。滅菌處理使土壤真菌、細菌數(shù)量增 加，土壤過氧化物酶、過氧化氫酶活性提高，這可能是其降解率提高的主要原因。 外生菌根真菌與專性降解菌聯(lián)合接種對植物生長的促進作用及對礦物油的降解 效果因植物而異，與固氮菌聯(lián)合接種則抑制植物生長，降解效果低于單獨接種。 接種外生菌根真菌可明顯提高植物生物量和礦物油降解率，降解率最高比對照增 加3 2 3 。無論對內(nèi)生或內(nèi)外生菌根植物，接種e c m 菌都使土壤中細菌數(shù)量明顯上升， 說明接種e c m 菌使土壤微生物數(shù)量增加是其促進降解的主要原因。接種e c m 菌使土壤 的酸性磷酸酶、過氧化物酶活性增加，多酚氧化酶活性降低，說明接種e c m 菌可促進 土壤有機污染物的轉(zhuǎn)化、提高土壤肥力水平。 研究結(jié)果為礦物油污染土壤的菌根生物修復提供了理論指導和科學依據(jù)，為菌根 技術在有機污染土壤生物修復中的應用提供了借鑒。 關鍵詞：外生菌根真菌礦物油土壤降解生物修復 ? 稚經(jīng)悟符、導師同纛 匈壘文公布 a b s t r a c t t h e d e g r a d a t i o ne f f e c to fe c t o m y c o r r h i z a l ( e c m ) f u n g it om i n e r a lo i li np u r ec u l t u r e o rg r o ww i t hap l a n t p a g t l l e rw a s s t u d i e di nt h i sp a p e r o i l d e g r a d a t i o nr a t eo fs y m b i o t i c a s s o c i a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so rw i t hd i f f e r e n tm e t h o d so fi n o c u l a t i o nw a s c o m p a r e d t h eo p t i m u m c o m b i n a t i o n so fe c m f u n g ia n ds o m ep l a n t sw a ss c r e e n e df o r o i ld e g r a d a t i o n , a n dd e g r a d a t i o ne f f e c to fe c m f u n g ia s s o c i a t e dw i t hs p e c f f i cb a c t e r i ao r f u n g i ，a z o t o b ；a c t e r o rv a 觸g iw a sd i s c u s s e d t h el i k e l ym e c h a n i s b so fe c m f u n g i e n h a n c e do i ld e g r a d a t i o na n di t si n f l u e n c et os o i le n z y m e a c t i v i t yw a s a l s od i s c 璐s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t4s p e c i e so fe c t o m y c o r r h i z a lf u n g is c r e e n e dw e r ea b l et o d e g r a d em i n e r a lo i l t h e i rb i o m a s sa n da b i l i t yo fo i ld e g r a d a t i o nv a r i e s 、聃t ht h ek i n do f c u l t u r em e d i u m s e v i d e n t l y t h e i rb i o m a s sa n do i ld e g r a d a t i o nr a t ew o u l di n e r e a s eg r e a t l y w i t ho r g a n i cn i t r o g e ns o b r c ea n dal i t t l e g l u c o s ea ss t a r t i n gc a r b o ns o u r c ei nt h ec u l t u r e m e d i u m e c mf u n g a lb i o m a s sf l u c t u a t e sw i t ht h ei n c r e a s eo fo i lc o n c e n t r a t i o n , e c m f u n g a lb i o m a s si n c r e a s e di nl o w e rc o n c e n t r a t i o nw h i l ed e c r e a s e di nh i g h e rc o n c e n l r a t i o n t h eg e r m i n a t i o na n dg r o w t ho fa l f a l f aa n dw h e a ts e e d sw a si n h i b i t e de v i d e n t l yw i t h i n c r e a s eo fo i lc o n c e n t r a t i o n ，t h ed r yw e i g h to ft h e i rr o o to rr a d i c e ld e c r e a s e dr e g u l a r l y w i t ht h ei n e a s eo fo i lc o n c e n t r a t i o na n dc a nb eu s e dt o j u d g et h ed e g r e eo f o i lp o l l u t i o n o f s o i l e c m f - n g ic a n i n f e c t e ds o m e p l a n t s a th i g h l y o i l - p o l l u t e d ( 1 0 0 0 0 p p m ) s o i l s t h e o i l d e g r a d a t i o nr a t e ， e n d u r a n c ea n dr e s i s t a n c eo f m y c o r r h i z a - a c c r e t e dp l a n t s e n h a n c e d e v i d e n t l y a n dc a na c ts u s t a i n i n g l y , o i lc o n c e n t r a t i o no fs o i ld e c r e a s e dt on o r m a ll e v e lb y s o m e s y m b i o t i c a s s o c i a t i o n si nt h en e x t y e a r t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t o p t i m u m c o m b i n a t i o n sw e r eb l a c kl o c u s tw i t he 2 ，b u n g ea s ho rb a b y l o n w e e p i n gw i l l o w 、i t he 4 p o ta n df i e l de x p e r i m e n ts h o w e dt h a td e g r a d a t i o ne f f e c tw e r eb e t t e rw h e n p l a n ti n o c u l a t e d w i t h4s p e c i e so fe c mf u n g it o g e t h e rt h a nw i t ho n eo rt w os p e c i e s ，a n db e t t e ri n n o n - f e r t i l i z i n gt r e a l m e n ld e g r a d a t i o nr a t ee n h a n c e db u tn o tm a r k e d l yw h e ni n o c u l a t e d e c m f u n g ii ns t e r i l es o i lc o m p a r e dw i t hi nu n s t e r i l e ds o i l ，a n dt h i sm a y b ed u et ot h e a m o u n to f m i c r o o r g a n i s ma n d c a l a t a s ea n d p e r o x i d e s ea c t i v i t i e si n c r e a s e di ns t e r i l es o i l t h ee f f e c to fg r o w t ha n do i l d e g r a d a t i o nr a t ev a r i e dw i t hs p e c i e so fp l a n tw h e n i n o c u l a t e de c mf u n g ic o m b i n e dw i t hs p e c f f i cb a c t e r i ao rf u n g i ，b u tb o t hd e c r e a s e d c o m p a r e w i t h s i n g l ei n o c u l a t i o nw h e n c o m b i n e dw i t ha z o t o b a c t e r b i o m a s s o f p l a n t a n do i ld e g r a d a t i o nr a t ec a nb ei m p r o v e d e v i d e n t l yw h e n i n o c u l a t e d w i t he c m f u n g i d e g r a d a t i o nr a t ei n c r e a s e db y3 2 3 t h a nc o n t r o la tm o s t w h e t h e r e n d o m y c o r r h i z a lp l a n t o r e c t e n d o m y c o r r h i z a lp l a n t , t h e a m o u n to fb a c t e r i ai ns o i l i n c r e a s e d e v i d e n t l y i ni n o c u l a t e ds o i l ，t h i sm a yb et h em a i nr e a s o no f e c m f u n g if a c i l i t a t e o i l d e g r a d a t i o n a c i dp h o s p h a m s ea n dp e r o x i d a s ea c t i v i t i e s i n c r e a s e da n dp y r o g a l l i c a c t i v i t yd e c r e a s e dm a r k e d l y , s u g g e s tt h a te c mf u n g ii n o c u l a t i o nc a ni m p r o v e df e r t i l i t y l e v e lo f s o i la n dt h ea b i l i t yo f p l a n tt ot r a n s f o r m o r g a n i cp o u u t a n t t h er e s u l t s p r o v i d e d b a s i sf o rt h e a p p l i c a t i o n o fm y c o r r h i z a l t e c h n o l o g y t o b i o r e m e d i a t i o no f m i n e r a lo i lc o n t a m i n a t e ds o i l k e y w o r d s e c t o m y c o r r h i z a lf u n g i , m i n e r a lo i l ；s o i l ；d e g r a d a t i o n ；b i o r e m e d i a f i o n 礦物油污染土壤的菌根生物修復研究 引言 1 礦物油污染土壤的途徑及危害 我國是一個土地資源匱乏的國家，人均占有耕地僅o 1 2 公頃，且還有不斷減 少的趨勢。土壤污染使土地資源緊張的狀況進一步加劇，同時，土壤污染使得污 染物通過食物鏈進入人體的威脅大大增加，對人群健康和社會發(fā)展造成嚴重影響。 土壤、大氣、水體等環(huán)境要素之間存在互相影響、互相制約的復雜關系，土壤污 染對大氣和水體來說起著源和匯的雙重作用，沒有清潔的土壤就不可能有清潔的 空氣、水源以及食品安全。 同大氣和水相比，土壤污染具有隱蔽性、長期性和難恢復的特點，它不象水和 大氣污染那樣直觀，土壤污染往往要通過糧食、蔬菜進入食物鏈，最后危及人畜的 健康情況才反映出來。因此，在很長時間內(nèi)，土壤污染未能象大氣和水體那樣引起 人們的重視。與大氣和水污染不同，大氣和水的自由度比較大，污染物可通過擴散 和流動得以稀釋和降解，而土壤的自由度極小，一旦遭受污染，想徹底恢復是比較 困難的。今天，土壤污染問題己引起人們的普遍關注，污染土壤修復已經(jīng)成為發(fā)達 國家甚至發(fā)展中國家環(huán)境污染整治的重點。如美國每年投資上百億美元的超級基 金，主要用于污染土壤與地下水的修復。我國也開始重視污染土壤的修復。對污染 土壤進行修復，使其恢復正常的生態(tài)功能和生產(chǎn)功能，是社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的 需要。 土壤中的有機污染物，由于其在環(huán)境中的持久性和對人體健康的潛在威脅、越 來越得到人們的關注。殘留在土壤中的有機污染物，不僅改變土壤正常的結(jié)構(gòu)和功 能，影響植物生長，而且還通過食物鏈進入人體、對人體的健康造成不可估量的影 響。因此、如何消除土壤有機污染以修復被污染的土地，成為環(huán)境研究領域里一個 非常重要的課題。在土壤有機污染物中，石油污染是一大類。石油是目前人類最主 要的能源之一“1 。當今世界上石油的總產(chǎn)量，每年約有2 2 億噸，其中1 7 5 億噸是 由陸地油田生產(chǎn)的“3 。僅石油污染一項每年全世界就有8 0 0 萬噸進入環(huán)境。中國作 為世界上最大的發(fā)展中國家和石油生產(chǎn)、消費大國，由于生產(chǎn)條件、環(huán)保技術等方 面相對落后，石油污染問題相當突出，尤其是土壤的石油污染問題日益嚴重。據(jù)統(tǒng) 計，我國有各類污染土壤0 6 億公頃，占現(xiàn)有耕地面積1 3 6 億公頃的4 0 以上，其中 有機污染土壤面積約為0 2 億公頃。在有機污染土壤中，石油污染占相當比例。我 國自1 9 7 8 年原油年產(chǎn)量突破l 億噸大關而成為世界十大產(chǎn)油國之一以來，目前勘探 開發(fā)的油氣田和油氣藏已有4 0 0 多個，年產(chǎn)石油污染土壤近1 0 萬噸，累計堆放量近 東北林業(yè)大學博士學位論文 5 0 萬噸0 1 。以油田為例，每口油并污染的土地面積為2 0 0 5 0 0 m 2 ，全國共有油井2 0 萬口，由此造成的土壤污染可達8 0 0 0 萬m 2 ，這一數(shù)值每年還在增長中。1 9 9 8 年，全 國石油、煉化企業(yè)產(chǎn)生含油固體廢物量達4 2 9 萬噸，利用率低于5 0 ，由此造成的土 地污染可達5 0 0 萬畝，我國每年有6 0 萬噸石油經(jīng)跑、冒、滴、漏途徑進入環(huán)境，對 土壤、地下水、地表水造成污染。具不完全統(tǒng)計，全國因使用污水灌溉而導致的土 壤污染面積約3 0 0 0 萬畝，如沈撫灌區(qū)長期使用含油污水進行灌溉，嚴重污染面積達 1 4 萬畝，全國類似農(nóng)田有1 5 0 萬畝。隨著石油開采和使用量的增加，大量的石油及 其加工品進入環(huán)境，不可避免地對環(huán)境造成了污染，給生物和人類帶來嚴重危害。 目前，石油污染問題已成為世界各國普遍關注的環(huán)境問題之一。 1 1 土壤中礦物油的來源、組成及其在土壤中的分布 1 1 1 土壤中礦物油的來源 礦物油污染泛指原油和石油初加工產(chǎn)品( 包括汽油，柴油，重油，潤滑油等) 及各類油的分解產(chǎn)物引起的污染。隨著工業(yè)的發(fā)展，人為地造成礦物油污染的狀 況日益增多，如石油開采、石油煉制、石油化工、輸油管道的破裂、運輸事故、 清洗油船、汽車、工廠等，都給環(huán)境帶來嚴重污染。土壤中的礦物油主要來自以 下幾個方面m ： 污灌：含油污水的農(nóng)灌是大面積土壤遭受礦物油污染的最主要原因。含油污 水的礦物油含量一般較高，長期灌溉必然導致土壤中的礦物油含量增高。含油 工業(yè)污水主要來自石油開采、加工和運輸?shù)炔块T。 大氣污染：大氣污染物沉降是土壤礦物油含量增加的另一重要因素。在工業(yè)發(fā) 達、大氣污染嚴重的區(qū)域尤為如此。有研究表明：大氣降塵污染區(qū)的土壤礦物油 含量比對照區(qū)高卜2 倍。 溢油事故：石油及其產(chǎn)品在開采、運輸、使用、貯存過程中的泄漏、溢油等現(xiàn) 象時有發(fā)生。當事故發(fā)生在陸地上時，大量油類便直接進入土壤，給土壤帶來 嚴重污染。 車輛污染：汽車尾氣含有多種礦物油成分，這些成分大都以沉降的形式進入 土壤，使車輛繁多的的公路兩側(cè)的土壤受到相當于甚至超過污灌、大氣污染所 造成的礦物油污染。 油類作為藥劑施用：油類可直接噴于果樹等作為殺蟲劑使用，同時也可作為各 種殺蟲劑、防腐劑及除草劑的乳化劑或溶劑。所有這些都可能增加土壤礦物油 2 礦物油污染土壤的菌根生物修復研究 的含量。 含油礦渣、含油垃圾、含油污泥的堆放或處理后作為有機肥施用。 有的土壤生物可合成礦物油的某些成分，但是極其微量、不足以污染土壤。 1 1 2 礦物油的組成及特點 礦物油的成分因油的品種、產(chǎn)地而異，如石油是一種含有烴類和少量其它有 機物的復雜混合物，典型樣品的烴類組份包括2 0 0 3 0 0 種；分屬烷烴、環(huán)烷烴和 芳香烴，其中非烴類組分包括環(huán)烷酸、酚、雜環(huán)氮和硫化物等。石油經(jīng)分餾得到 各種產(chǎn)品，如汽油( c 。- c 。) 、煤油( c 。- c 。，) 、柴油( c 。2 _ c 。) 等。石油烴類在土壤 中主要以4 種狀態(tài)存在：氣態(tài)、溶解態(tài)、吸附態(tài)、自由態(tài)，其中被土壤吸附和存 留于毛管孔隙的那部分是不易遷移的，治理較困難；以氣態(tài)、溶解態(tài)和單獨的一 相存留于非毛管孔隙的石油烴類物質(zhì)遷移性較強，容易造成污染范圍的擴大，甚 至引起地下水污染。 石油烴類污染物進入土壤后，會破壞土壤結(jié)構(gòu)，分散土粒，使土壤的透水性 降低。其反應基與無機氮、磷結(jié)合并限制硝化作用和脫磷酸作用，從而使土壤有 效磷、氮的含量減少。現(xiàn)已確認，具有致癌、致畸、致突變潛在性的化學物質(zhì)中， 有許多是石油或石油制品中所含的物質(zhì)，如苯并( a ) 芘、苯并蒽等多環(huán)芳烴類物 質(zhì)；另外，石油烴類對強酸、強堿和氧化劑都有很強的穩(wěn)定性，在環(huán)境中殘留時 間較長。 1 1 3 礦物油在土壤剖面上的分布 土壤礦物油在土壤剖面上的分布與土壤中礦物油的濃度及其在土壤中的持留 時間及土壤水分條件有關。油濃度越高，在土壤剖面上的分布便越深；油的持留 時間越長，越易進入下層土壤；壤孔隙度越高，礦物油越易滲入下層土壤。土 壤礦物油在剖面上的分布越深，越易污染地下水。側(cè)如在質(zhì)地粗糙的砂土地帶， 曾發(fā)現(xiàn)有因污灌滲漏引起淺層地下水遭受油的輕微污染現(xiàn)象，因此在砂土地帶不 能進行污水灌溉0 1 。 一般情況下，由于土壤礦物油在旱地土壤中大多為土粒固定，在水田中大都 漂浮于水面，所以其污染地下水的機會相對較小。r a y m o n dr l 和r i n c a n n o n c b 等人對土壤滲析水的分析證明，油并沒有由于水的流動而從試驗小區(qū)中消失“1 。 國內(nèi)研究也表明?！? ，張士、沈撫污水灌區(qū)草甸棕壤中的礦物油污染物主要集中分 東北林業(yè)大學博士學位論文 布于耕作層( 0 - 2 0 c m ) 以內(nèi)，并不因污水灌溉而沿剖面向下淋溶或移動。因此， 土壤礦物油污染主要對農(nóng)田作物影響較大。 1 2 土壤礦物油的污染效應 礦物油進入土壤后給土壤生態(tài)系統(tǒng)帶來一系列復雜的影響，其污染效應主要 表現(xiàn)在以下幾方面。 1 2 1 礦物油對壤微生物的影響 礦物油進入土壤，對土壤微生物的影響是多方面的。礦物油改變了土壤有機 質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，使土壤有機質(zhì)的c n 和c p 發(fā)生改變，從而導致土壤微生物區(qū) 系的變化。少量礦物油進入土壤，不至于造成土壤孔隙的堵塞，土壤微生物受到 的不利影響較小，相反，增加的土壤有機質(zhì)還有利于促進土壤微生物活性。但是， 當大量礦物油進入土壤后，不僅會堵塞土壤孔隙而影響土壤通透性，造成對微生 物的不利影響，而且會包裹大量土壤結(jié)構(gòu)體的活性表面，這些活性表面正是微生 物活動的良好場所，它們的減少必然影響土壤微生物活性。研究表明m ，在草甸 棕壤中，礦物油對細菌的抑制作用較明顯，對真菌、放線茵的抑制作用較弱。低 濃度礦物油對固氮菌有刺激作用，高濃度則抑制；礦物油對硝化細菌的代謝作用 有明顯的抑制效應。h e r s l l m a n 等嗍的研究表明，當土壤礦物油濃度小于1 0 時， 土壤中的放線菌和總細菌數(shù)量不受影響，但真菌數(shù)量明顯減少，固氮菌活性降低， 土壤糖類的礦化率降低。 1 2 2 礦物油對土壤酶活性的影響 礦物油對土壤酶的影響隨礦物油成分和土壤類型的不同而不同。草甸褐土施 入礦物油后，對脲酶、蛋白酶、堿性磷酸酶活性均有抑制作用，其抑制程度為脲 酶 蛋白酶 堿性磷酸酶嘲。楊桂芬“帕用不同濃度的原油，添加到土壤中進行 水稻和小麥的盆栽模擬試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原油對脲酶有明顯的抑制作用，對蔗糖 酶稍有抑制，對磷酸酶、過氧化氫酶和蛋白酶抑制不明顯。當添加的油濃度為 5 0 0 p p m 時，小麥盆栽土中的脲酶抑制率為3 9 5 ；蔗糖酶的抑制率為1 4 3 ；水 稻盆栽土中脲酶的抑制率為6 4 7 ；蔗糖酶沒有受到抑制。因此她認為用脲酶作 為檢驗土壤石油污染程度的指示酶是可行的。國外一項研究表明“”，原油及其產(chǎn) 品投入土壤后，土壤脫氫酶活性均比對照高，原油對脫氫酶活性的促進作用最強， 4 礦物油污染土壤的菌根生物修復研究 其次是加鉛汽油、柴油和發(fā)動機油，各類油對土壤脫氫酶活性的刺激效應隨投油 量和投入油后的時間而變。 土壤酶的種類和活性強弱與土壤理化性質(zhì)及生活在土壤中的生物群落，尤其 是微生物區(qū)系有關。礦物油進入土壤，不僅可以引起土壤理化性質(zhì)的變化，而且 可能引起土壤生物群落如微生物區(qū)系的變化，這些變化的結(jié)果必然導致土壤酶種 類和活性強弱的變化。因此，土壤礦物油對土壤酶之影響與土壤礦物油對土壤其 它因素的影響密切相關。 1 2 3 礦物油對作物生長的影響 關于礦物油對植物的影響問題，k n i g h t 和d e o n g 等人于1 9 2 9 年研究表明， 礦物油可直接經(jīng)表皮滲入細胞，并在植物體內(nèi)進行再分配由根部向葉或由葉向 根運轉(zhuǎn)。同時指出，這種滲入的動力是物理的滲透壓作用，而非生物呼吸作用。 但是，礦物油對植物生理作用則有影響，具體表現(xiàn)為能降低植物的蒸騰作用，加 強呼吸作用以及減少光合作用率等。在石油污染物對植物的危害上，低分予烴 比高分子烴危害大，主要是因為它能穿透進入植物組織內(nèi)部，破壞植物正常的生 理機能。高分子烴可能因分子較大而穿透能力差，但高分子烴易在植物表面形成 一層薄膜，阻塞植物氣孔，影響植物的蒸騰和呼吸作用“”。 礦物油對作物生長的不利影響主要表現(xiàn)為：發(fā)芽出苗率降低，各生育期推遲， 貪青晚熟，結(jié)實率下降，抗倒伏、抗病蟲害的能力降低等。當然，不同作物受油 的影響是不同的。如礦物油對水稻生長發(fā)育的影響較小，而對各種不同土壤上生 長的小麥都有很大影響，隨著油濃度的增加，小麥生物產(chǎn)量、經(jīng)濟產(chǎn)量、于粒重 等都逐漸減少，濃度達5 0 ，0 0 0 p p m 時，小麥幼苗全部死亡哪。有研究表明：石油 能阻止或抑制玉米屬作物種子、辣椒種子發(fā)芽，其抑制率與種子接觸石油的時間 長短有關，接觸時間越長，發(fā)芽率越低，恢復發(fā)芽所需的時間越長。地衣、苔蘚 類植物對石油污染物的影響極為敏感，因此，它們常用作石油污染的指示植物“”。 吳維中發(fā)現(xiàn)，沈撫灌區(qū)一般年度水稻有輕度貪青，而在周期性的低溫年，水稻則 大面積減產(chǎn)，這是土壤遭受有機物污染的結(jié)果。另一方面，原油能促進某些植物 的生長，如f e s t u c ar u b r a ，p u c c i n e l l i am a r i t i m a “”和t r i f o l i u mr u b r a “”。這種現(xiàn)象的 機理并不清楚，但生長促進可能是原油或原油殺死的動物或細菌釋放養(yǎng)分或生長 調(diào)節(jié)物質(zhì)的直接結(jié)果o ”。 東北林業(yè)大學博士學位論文 1 3 土壤礦物油的殘留效應 礦物油進入土壤，經(jīng)過一系列作用后，在土壤、作物籽實中都有殘留，其殘留 量與土壤礦物油含量呈顯著正相關“。研究表明，土壤中苯并芘( b a p ) 殘留與 礦物油投加濃度密切相關“1 。盆栽土壤中加入3 0 0 p p m 礦物油后，稻米中礦物油的殘 留量顯著增加，且殘留量隨著加入的礦物油量的增加而遞增“。雖然有些作物如水 稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量受油的影響較小，但作物體內(nèi)和果實的礦物油殘留卻很高，不 利于人畜食用。如沈撫污灌區(qū)長期使用含油污水灌溉。盡管水稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量 基本不受影響，但其品質(zhì)大半已變劣而發(fā)出不良氣味，造成此況的根本原因是大米 的礦物油殘留超標，并由此引起大米其它營養(yǎng)成分的變化。實驗分析表明“”，在污 染嚴重地塊，大米籽實中有多量的甲苯、乙醛類物質(zhì)積累，產(chǎn)生異味，說明這是礦 物油污染的結(jié)果。礦物油在土壤、作物體的主要殘留毒害成分是多環(huán)芳烴、苯、甲 苯等。這些物質(zhì)已被證明具有致癌性，尤其土壤中的多環(huán)芳烴類物質(zhì)屬強致癌物， 可通過呼吸、皮膚接觸、飲食攝入等方式進入人或動物體內(nèi)，影響肝、腎等器官的 正常功能，甚至引起癌變。多環(huán)芳烴在食物中的殘留還會影響到食物的品質(zhì)，如氨 基酸降低，各營養(yǎng)成分發(fā)生不良轉(zhuǎn)化等。多環(huán)芳烴在作物種子中的殘留，會引起種 子的新陳代謝突變，這種突變產(chǎn)生的副產(chǎn)物不僅影響種子的萌發(fā)，而且會對食用者 人畜帶來不利影響。 6 礦物油污染土壤的菌根生物修復研究 2 礦物油污染土壤的生物修復 土壤是大氣、水體及固體廢棄物中的污染物在環(huán)境中遷移、滯留和沉積的目標， 是長期環(huán)境污染的承受者。隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人口的不斷增加，土壤作為 人類賴以生息的資源，越來越暴露出不堪重負的跡象。隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展， 各種農(nóng)藥及化學品的數(shù)量、種類劇增，其不合理的使用、處置或突發(fā)性泄漏，往往 造成嚴重的土壤污染。土壤污染不僅導致糧食的污染和減產(chǎn)、威脅人體健康和生命 安全，而且通過對地下水的污染以及污染的轉(zhuǎn)移構(gòu)成對人類生存環(huán)境多個層面上的 不良脅迫“”。被污染的土壤可通過污染物遷移對地表水和地下水造成二次污染，或 經(jīng)土壤一植物系統(tǒng)由食物鏈進入人體，危害人體健康。因此，對土壤生態(tài)環(huán)境的保 護和治理已引起人們的普遍關注，成為全球范圍面臨的迫切任務之一。 土壤污染的研究起步較晚，與大氣、水體污染的研究相比，在研究的規(guī)模、深 度、廣度上都存在很大差距。這除了主觀上人們對土壤污染的嚴重性認識不足外， 土壤本身的復雜性、污染的潛在性、間接性和凈化困難也是重要原因。鑒于土壤污 染的嚴重危害，近年來世界各國都開始重視污染土壤修復技術的研究，各發(fā)達國家 紛紛制定了土壤恢復計劃。荷蘭、德國、日本、美國等國家都先后投入了大量資 金用于污染土壤的恢復研究和應用，德國在1 9 9 5 年投資約6 0 億美元凈化士壤，美國 9 0 年代用于土壤修復的投資額超過百億美元“”，尤其有關生物修復技術方面的研究 更是備受關注。對于土壤污染的修復技術與方法，國外自7 0 年代末8 0 年代初已開始 研究。初期一般采用物理和化學方法進行污染士壤的修復，如熱處理法和化學浸出 法，但費用昂貴，不適于大面積應用。8 0 年代末和9 0 年代初期，國外開始研究基于物 理、化學、生物過程的利用微生物、植物分解代謝土壤污染物的方法即生物修復技 術，生物修復技術近幾年發(fā)展非常迅速，不僅較物理、化學方法經(jīng)濟，同時也不易產(chǎn) 生二次污染，更適于大面積污染土壤的修復。 石油工業(yè)是國家綜合國力的重要組成部分，但石油開采、石油化工行業(yè)的發(fā)展 及石油產(chǎn)品的廣泛使用，使石油污染成為當今世界性公害之一。石油類污染物進入 環(huán)境，不僅對土壤造成污染，影響土壤質(zhì)量與正常的生物學活性，影響農(nóng)作物生長、 品質(zhì)與安全性及地下水和地表水質(zhì)量，也給人類健康、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以及社會持續(xù) 發(fā)展帶來極大的威脅。鑒于石油污染的危害性及石油污染的全球性，發(fā)達國家實施 了相應的石油污染治理計劃，包括石油污染土壤的物理、化學和生物修復項目。其 中生物修復因具有安全性、非破壞性和經(jīng)濟性的優(yōu)點而愈來愈受到各國的重視，被 列為重點發(fā)展技術并被普遍采用。目前，生物修復技術已成為環(huán)境保護領域最有價 7 東北林業(yè)大學博士學位論文 值和最具生命力的污染修復技術之一“2 “。生物修復技術已得到世界環(huán)保部門 的認可，并引起了工業(yè)界的關注，預計市場對生物修復技術服務及其生物產(chǎn)品的需 求平均每年增長1 5 1 。在英國和法國，有5 至1 0 的土壤使用了生物修復劑?？?以預見，土壤生物修復技術的市場前景十分廣闊，在污染土壤和地下水修復中將扮 演越來越重要的角色。 2 1 生物修復的發(fā)展歷程 1 9 7 2 年美國清除賓夕法尼亞州的a m b l e r 管線泄漏的汽油是史料所記載的生物 修復技術的首次應用。開始時生物修復的應用規(guī)模很小，處于試驗階段直到1 9 8 9 年，美國阿拉斯加海域受到大面積石油污染以后，才首次大規(guī)模應用生物修復技術 ?！薄Ｉ镄迯褪芪廴镜陌⒗辜雍┑某晒?，最終得到了環(huán)保局的認可，所以說阿拉 斯加海灘溢油的生物修復是生物修復發(fā)展的里程碑嘶4 1 。生物修復因其良好的恢復 效果而顯示出巨大的魅力，因此也引起了世界各國越來越多的關注和研究。美國從 1 9 9 1 年開始實施龐大的土壤、地下水、海灘等環(huán)境危險污染物的治理項目，并稱之 為“超基金項目“”1 。歐洲各發(fā)達國家從2 0 世紀8 0 年代中期就對生物修復進行了初 步研究，并完成了一些實際的處理工程。其生物修復技術可與美國并駕齊驅(qū)，德國、 荷蘭等國位于歐洲前列。我國的生物修復技術處于剛剛起步階段，在過去的1 0 年中 主要是跟蹤國際生物修復技術的發(fā)展，大面積應用的例子還較少。最初的生物修復 主要是利用細菌治理石油、農(nóng)藥之類的有機污染。隨著研究的不斷深入，生物修復 已由細菌修復拓展到真菌修復、植物修復、動物修復及植物一微生物聯(lián)合修復，由有 機污染物的生物修復拓展到無機污染物的生物修復。 2 2 生物修復的概念和特點 2 2 1 生物修復的概念 所謂生物修復田1 ，廣義上就是利用微生物、植物和動物將土壤、地下水或海洋 中的危險污染物降解、吸收或富集的生物工程技術系統(tǒng)。土壤生物修復是利用生物 的生命代謝活動減少土壤環(huán)境中有毒有害物質(zhì)的濃度或使其完全無害化，從而使污 染了的土壤環(huán)境能夠部分地或完全地恢復到原初狀態(tài)的過程。相同的表達有生物恢 復( b i o r e s t o r a t i o n ) ，生物清除( b i o d i m i n a f i o n ) 或生物再生( b i o m c l a m a t i o n ) 。相近的 概念是生物凈化( b i o p u r i f i c a t i o n ) 洶1 ，但生物凈化是指自然生態(tài)系統(tǒng)中生物對外源 8 礦物油污染土壤的菌根生物修復研究 污染物進行的自發(fā)清除過程，而生物修復則強調(diào)人為控制條件下生物技術的應用 捌 2 2 2 生物修復的特點 生物修復的原理主要是利用天然的或接種的生物并通過工程措旌為生物生長 與繁殖提供必要的條件，從而加速污染物的降解或去除，使其濃度降至環(huán)境標準規(guī) 定的安全濃度之下“1 。 生物修復的主要優(yōu)點有啪。3 ”：( 1 ) 費用低。生物修復技術的成本是所有處理技術 中最便宜的，其費用約為焚燒處理的1 3 i 4 。( 2 ) 處理效果好。經(jīng)過生化處理， 污染物殘留量可達到很低水平。( 3 ) 對環(huán)境影響小，生物修復只是一個自然過程的強 化，其最終產(chǎn)物是c 0 2 、水和脂肪酸，不會形成二次污染。( 4 ) 可就地處理。其他技 術難以使用的場地，可以采用就地生物修復技術，既避免了集輸過程的二次污染， 又節(jié)約了處理費用，同時不破壞植物生長所需要的土壤環(huán)境。( 5 ) 應用范圍廣。可 同時處理受污染的地下水，具有獨到的優(yōu)勢。因此，環(huán)境科學界認為，生物修復技 術比物理、化學處理技術更具發(fā)展前途，它在土壤恢復中的應用價值是無可估量的。 2 3 生物修復的類型 根據(jù)所選用的生物體的種類，目前生物修復主要分三種類型，即微生物修復、 植物修復和植物一微生物聯(lián)合修復。此外還有動物修復、酶修復等，但這方面研究 較少。 、 2 3 1 微生物修復 一般是根據(jù)土壤污染狀況，富集、馴化土著微生物，或人工接種培養(yǎng)代表性 的土壤微生物，以研究土壤微生物受土壤污染的影響變化，及土壤的污染物含量 變化。早期的生物修復主要指微生物修復，微生物修復是研究的最早、最深入、 應用也最為廣泛的一種生物修復方法。由此產(chǎn)生一系列生物修復技術如現(xiàn)場處理、 就地處理、堆肥、生物反應器等。這些修復技術的主體均是微生物應用這些技 術處理污染土壤已有廣泛的研究。許多研究表明，微生物降解是去除土壤有機污 染物的主要途徑，其它生物修復技術也都離不開微生物的作用。 從微生物的來源看，應用于生物修復的降解菌可分為土著菌、外來菌和基因 工程茵。實際修復中常應用從污染土壤中分離出來的專性降解菌，經(jīng)擴大培養(yǎng)后 9 東北林業(yè)大學博士學位論文 再回接到土壤中，效果較好。土壤中經(jīng)常大量存在著各種各樣的微生物，在受到 有毒有害有機物的污染后，實際上就是一個自然馴化選擇過程，一些特異的微生 物在污染物的誘導下產(chǎn)生分解污染物的酶體系，可將污染物降解轉(zhuǎn)化。目前在大 多數(shù)實際的生物修復中應用的都是土著微生物。土著微生物雖然在土壤中廣泛地 存在，但其生長速度較慢，代謝活性不高，或者由于污染物的存在造成土著微生 物的數(shù)量下降，致使降解污染物的能力降低，因此，在污染物的實際處理過程中， 需要考慮在污染土壤中接種多種降解污染物的高效降解菌。外來菌的特點是代謝 能力強，降解效率高，缺點是會受到土著菌的競爭，只有大量接種才能形成優(yōu)勢。 基因工程菌是利用基因工程技術將多種降解基因轉(zhuǎn)入同一種微生物中，使其具有 廣譜降解能力的微生物，其研究工作已取得一些成果，但其環(huán)境安全問題仍存在 很大爭議，實際應用仍受嚴格限制。微生物修復可分為微生物法和微生物生態(tài)法。 微生物法 該法利用一種或數(shù)種能力較強的主要微生物進行生物修復，通過人為提高有 關的微生物濃度可使生物降解能力明顯增大。采用微生物法治理污染土壤時，所 用的菌種有兩個來源。一是使用對特定污染物有較強降解能力的成品菌株，這些 菌株通常篩選自其他污染地點，采用傳統(tǒng)篩選方法從自然界獲取。此外，還可采 用誘導或離子輻射等方法加快微生物的變異速度，亦可通過基因工程獲取性能優(yōu) 良的工程菌( g e m s ) 。二是使用取自污染現(xiàn)場的有較強降解能力的菌株。分離到 所需性能的微生物后，從中挑選出有較強降解能力的菌株并進行大量培養(yǎng)，用高 濃度菌液治理污染土壤，適時添加營養(yǎng)物使所加微生物保持較高活性。 微生物生態(tài)法 微生物生態(tài)法側(cè)重于識別影響當?shù)匚⑸锓N群降解速率的某些物理和化學因 素。通過適時調(diào)整這些因素，污染物的生物降解速率可明顯加快，采用微生物生 態(tài)法的前提是，污染現(xiàn)場原有的微生物群在適宜的條件下具有降解污染物的能力。 采用微生物生態(tài)法時不需確定被污染土壤中微生物的種類和數(shù)量，而是側(cè)重于識 別制約微生物降解能力的主要因素。通過跟蹤檢測污染物濃度的變化情況，評估 出各種因素的影響程度，一旦確定主要因素后，即可采用相應的改善措施，提高 其降解力。 近二十年來，人們對應用微生物降解環(huán)境污染物越來越感興趣。微生物修復具 有以下優(yōu)點：成本低，其處理費用約為熱處理的1 3 一i 4 、理化處理的i 2 一i 3 ：對 環(huán)境影響小，如使用得當不會帶來二次污染啪：處理形式多樣，可進行原位、異位 及原位一異位聯(lián)合修復：其中原位修復操作簡單，不破壞土壤環(huán)境。此外，某些微 l o 礦物油污染土壤的菌根生物修復研究 生物可在極端環(huán)境條件下生存，若通過基因技術使其具有高效降解能力，則對治理 特殊環(huán)境條件下的污染有利。 其缺點為某些微生物只能降解特定類型污染物；有些情況下不能將污染物全 部去除，修復劑或微生物，酶制劑可能帶來次生污染問題，并對自然生態(tài)過程產(chǎn)生 一定影響；加入到修復現(xiàn)場環(huán)境中的微生物可能由于競爭或難以適應環(huán)境而導致作 用結(jié)果與實驗結(jié)果有較大出入【3 3 3 4 l 。微生物修復受各種環(huán)境因素的影響較大，溫 度、濕度、氧氣狀況、p h 等均可影響微生物活性從而影響修復效果。因此，為降 解菌提供適宜的環(huán)境條件以促進其生長增殖至關重要。與物理法、化學法相比，這 一技術治理污染土壤的時間相對較長。 2 3 2 植物修復 植物修復技術是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素的理論為基礎， 利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中的污染物的一門環(huán)境污染治理技術。”。 它是利用植物及其微生物與環(huán)境之間的相互作用，對環(huán)境污染物質(zhì)進行清除、分 解、吸收或吸附，使土壤環(huán)境重新得到恢復。植物修復技術興起于2 0 世紀5 0 年代人們對非耐性植物和耐性植物的耐重金屬機理的研究。廣義的植物修復技術 包括利用植物修復重金屬污染的土壤，利用植物凈化空氣、利用植物清除放射性 核素和利用植物及其根際微生物共存體系凈化土壤中有機污染物四個方面1 。 植物修復可以利用土壤植物微生物組成的復合處理系統(tǒng)來共同降解污染 物，它有以太陽能為動力的“水泵”、“植物反應器”及與之相連的“微生物轉(zhuǎn)化 器”和“土壤過濾器”，因而該系統(tǒng)是一個強大的“活凈化器川。這里的有機體 密度最高，生命活動最旺盛，由于植物、土壤膠體、土壤微生物區(qū)系及酶的多樣 性，該系統(tǒng)可通過一系列物理、化學和生物學過程，對環(huán)境中的污染物進行吸附、 離子交換、沉淀、降解等凈化作用，如能配合適當?shù)沫h(huán)境工程措施，就可在整體 上起到利用資源、節(jié)省能源、化害為利、保護環(huán)境的重要作用，因此，植物修復 是一種廉價、有效、頗有發(fā)展?jié)摿Φ纳镄迯图夹g。與微生物修復相比，植物修 復更適用于現(xiàn)場修復且操作簡單，容易大面積應用，因而近年來有關研究較多， 有的已達到野外實際應用水平啪1 。 植物修復有機污染土壤的機理包括側(cè)：1 ) 植物對有機污染物的直接吸收和降 解2 ) 植物釋放分泌物及促進化學反應的酶3 ) 植物強化根際的微生物降解4 1 植物對污染物的固定和揮發(fā)。 研究表明，由于植物的根際作用，根圈內(nèi)有機碳、p h 值、生物活性和無機可 東北林業(yè)大學博士學位論文 溶性組分發(fā)生變化，根際微生物的數(shù)量和活性均明顯高于非根際帶，根圈作用能 明顯促進石油及其它難降解有機污染物的生物降解口9 帥】。n i c h o l s 【4 1 】通過研究認為 植物根區(qū)土壤中的微生物比非根區(qū)土壤中的微生物種類和數(shù)量都要多，因而加速 了污染物的降解。r e i u y 4 2 1 研究多環(huán)芳烴( p a i l s ) 降解時發(fā)現(xiàn)在植物根區(qū)微生物密 度增加，p a h s 的降解也增加。植物的存在亦可增加土壤通氣性，刺激好氧微生物 對有機污染物的分解。此外，根分泌物及其對根際環(huán)境的影響，也能促進土壤有 機污染物的轉(zhuǎn)化降解，或成為微生物共代謝的原料。研究表明，植物對難降解p a i l s 的生物去除有明顯的強化作用“。 在植物選擇上，植物對污染物的同化能力是需要優(yōu)先考慮的一個重要方面，研 究表明，不同植物之間同化有毒物質(zhì)的能力存在顯著差異，如同樣條件下，楓樹對 大氣中苯的吸收量比榆樹高數(shù)百倍，比白桑樹高數(shù)千倍。黑麥草可從土壤中吸收大 量的苯并( a ) 芘，對水體中苯并( a ) 芘的積累量也比周圍水體高數(shù)千倍m 1 。因此篩選 具有特異同化能力的植物是植物修復技術的關鍵。楊柳科的植物尤其是楊柳屬，已 被證實通過吸收有機物至根部，可大量去除土壤及地下水中的有機污染物“町。研究 植物釋放的酶也可作為篩選修復植物的依據(jù)之一。其次，理想的修復植物應具有易 存活、生長快、生物量大、適應性強、根系發(fā)達等特點。植物的根是植物與污染物 最密切