土壤污染生物修復(fù)的影響因素

1、土壤污染生物修復(fù)的影響因素安 淼，周 琪，李 暉同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092摘要：從污染物特征、微生物的降解能力和環(huán)境因子三個(gè)方面對(duì)土壤污染生物修復(fù)技術(shù)中的主要影響因素進(jìn)行了綜合評(píng)述，重點(diǎn)分析了修復(fù)過程中涉及的物理、化學(xué)及生物作用機(jī)理，并介紹了消除影響的對(duì)策和目前的研究進(jìn)展。 關(guān)鍵詞：影響因素；生物修復(fù)；土壤；污染 中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-181X（2002）04-0397-04隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，各種農(nóng)藥及化學(xué)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(yán)重的土壤污染。被污染的土壤通過對(duì)地表水和地下水造

2、成二次污染或經(jīng)土壤-植物系統(tǒng)由食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康。因此，土壤污染治理技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)引起人們普遍的關(guān)注。近年來開發(fā)的污染土壤治理方法主要有物理法、化學(xué)法和生物修復(fù)技術(shù)（Bioremediation）。其中生物修復(fù)技術(shù)具有成本低、處理效果好、環(huán)境影響小、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為最有發(fā)展前景。但在另一方面，由于污染物質(zhì)的種類繁多、土壤生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及環(huán)境條件的千變?nèi)f化，使得生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用受到極大的限制。往往在一個(gè)地點(diǎn)有效的修復(fù)技術(shù)在另一個(gè)地點(diǎn)不起作用。因此這些影響因素的確定和消除成為決定生物修復(fù)技術(shù)效果的關(guān)鍵。目前，國外在生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用及影響因素方面開展了廣泛的研究并取得

3、了一些進(jìn)展。我國在這方面的研究尚處于起步階段。因此本文從污染物的特征、微生物的降解能力和環(huán)境因子三個(gè)方面對(duì)影響生物修復(fù)的主要因素及其作用機(jī)理進(jìn)行綜合評(píng)述，以便推動(dòng)該技術(shù)在我國土壤污染治理中的應(yīng)用。1 污染物特征1.1 污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同的污染物具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)。污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)包括其分子排列、空間結(jié)構(gòu)、功能團(tuán)、分子間的吸引和排斥等特征，并由此決定其生物降解性。一般來講，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的污染物比結(jié)構(gòu)復(fù)雜的容易降解，分子量小的污染物比分子量大的容易降解。這是因?yàn)榫酆衔锖透叻肿踊衔镫y以通過微生物的細(xì)胞膜而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，微生物的胞內(nèi)酶不能對(duì)其發(fā)生作用，同時(shí)也因其分子較大，微生物的胞外酶也不能靠近并破壞化

4、合物分子內(nèi)部敏感的反應(yīng)鍵。以石油烴為例，許多研究表明，微生物能夠降解石油中的飽和烴和輕質(zhì)芳香烴組分，而其中的高分子重質(zhì)芳香烴、樹脂等則難以降解1。通常情況下芳香族化合物的生物降解性較脂肪族差，而且化合物所含苯環(huán)數(shù)目越多，穩(wěn)定性越強(qiáng)，可生物降解性越差。Zappi等學(xué)者2的研究表明：受污染土壤中的單環(huán)烷烴和和鏈烷烴能夠被微生物氧化利用而被去除，但芳香烴和環(huán)烷烴由于難以降解而常常滯留在土壤中。化學(xué)官能團(tuán)的類型和取代位置對(duì)污染物的降解性能也有很大的影響。部分官能團(tuán)如羥基、氨基等的取代作用能夠提高芳香烴的可降解性，但氯取代基、硝基的取代作用卻會(huì)產(chǎn)生相反的影響。在氯代芳香化合物生物降解方面的研究發(fā)現(xiàn)35：

5、高電負(fù)性的氯原子強(qiáng)烈吸附苯環(huán)上的電子，使苯環(huán)成為一個(gè)疏電子環(huán)而難以被微生物氧化。氯取代基數(shù)量越多，氯代芳香化合物的生物降解性越差。取代基的相對(duì)位置也可造成生物降解性能的差異。在三種二氯苯中，存在鄰位間位對(duì)位的關(guān)系。受污土壤中有機(jī)污染物大多數(shù)是人工合成的外源性物質(zhì)(xenobiotics)，由于本身化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生物陌生性，通常不易被生物降解。迄今為止，眾多學(xué)者對(duì)于外源性物質(zhì)的降解性評(píng)價(jià)、降解機(jī)理、降解菌株分離等方面進(jìn)行了大量研究，并取得了許多有益的成果2, 6。1.2 污染物的生物可利用性 它指的是土壤環(huán)境中的污染物能夠被微生物利用或降解部分的數(shù)量大小。 生物可利用性大小的不同可以產(chǎn)生以下

6、三種情況。（1）污染物的生物可利用性太小會(huì)導(dǎo)致微生物不能獲得足夠物質(zhì)和能量供應(yīng)而無法維持代謝的需求，這時(shí)生物降解就不會(huì)發(fā)生。（2）當(dāng)存在一個(gè)較低的可利用的污染物濃度時(shí)，微生物能夠維持自身的生存。這時(shí)會(huì)出現(xiàn)污染物被降解的情況，但是由于沒有新細(xì)胞的產(chǎn)生而使降解速率受到限制。（3）當(dāng)有足夠可利用的污染物時(shí)，微生物不斷增殖，可以使降解速率達(dá)到最大。這是生物修復(fù)中所希望出現(xiàn)的最佳情況。由于污染物的生物可利用性決定了生物降解進(jìn)行的速率，因此被認(rèn)為是影響生物修復(fù)最重要的因素之一7, 8。污染物的疏水性，土壤顆粒的吸附以及微孔排斥作用都會(huì)影響污染物的生物可利用性。低水溶性的物質(zhì)形成獨(dú)立的非水相，微生物不能直接

7、利用，而且這種非水相容易產(chǎn)生生物毒害。疏水性的污染物還容易被土壤顆粒吸附。目前的研究表明：被吸附的污染物通常難以被微生物利用9。因此當(dāng)解吸所需的時(shí)間超過生物降解所需的時(shí)間時(shí)，解吸速率便成為整個(gè)反應(yīng)的限速步驟。許多研究者發(fā)現(xiàn)土壤被污染的時(shí)間越長，越難以被修復(fù)10, 11。這是因?yàn)殡S著污染時(shí)間的延長，污染物逐漸擴(kuò)散到一些極小的土壤微孔中，這些微孔的內(nèi)空隙比一般土壤微生物的體積長度要小，阻擋了微生物的進(jìn)入，因而降低了污染物的生物可利用性。這就是所謂的微孔排斥作用。影響生物可利用性的因素還有污染物的分布特性、初始污染物濃度、土壤顆粒分布狀況及有機(jī)質(zhì)含量等。 由于表面活性劑能夠改善疏水性污染物的溶解性從

8、而增加污染物生物可利用性，因此在土壤污染的生物修復(fù)中得到廣泛的應(yīng)用。常用的表面活性劑可分為人工合成的表面活性劑和生物表面活性劑兩大類。生物表面活性劑是由微生物等產(chǎn)生的天然表面活性劑，因其具有臨界膠束濃度（CMC）低、易降解等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞。Oberbremer等人12的研究表明：通過向泥漿反應(yīng)器中加入制備的生物表面活性劑可以提高烴類物質(zhì)的降解速率，并增加可降解的烴的種類。Herman13通過向?qū)嶒?yàn)土柱中投加鼠李糖脂研究對(duì)十六烷降解的影響，結(jié)果表明十六烷的去除率和鼠李糖脂的濃度呈正相關(guān)性。2 微生物的降解能力和活性2.1 微生物的降解能力污染土壤生物修復(fù)中的主要作用者是具有污染物降解能力的微生物

9、，部分真菌和植物。土壤中的微生物種類繁多、數(shù)量巨大，很多受污地點(diǎn)本身就存在具有降解能力的微生物種群?；蛘咴陂L時(shí)間和污染物接觸后，土著微生物能夠適應(yīng)環(huán)境的改變而進(jìn)行選擇性并發(fā)和遺傳改變產(chǎn)生降解作用。土著微生物對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境適應(yīng)性好，且具有巨大的降解潛力，目前在大多數(shù)生物修復(fù)工程得到應(yīng)用，但是土著微生物存在著生長速度慢，代謝活性低的弱點(diǎn)。在一些受高濃度生物外源性物質(zhì)污染的場(chǎng)所或當(dāng)?shù)貤l件不適于降解菌大量產(chǎn)生時(shí)，需要接種高效降解菌。一種方法是直接從污染場(chǎng)地分離篩選降解菌，經(jīng)富集強(qiáng)化后使用；另外還可以利用分子遺傳工程手段構(gòu)建高效的基因工程菌（genetic engineering microorganism

10、, GEM）14。接種的外來降解菌，一方面要經(jīng)受當(dāng)?shù)丨h(huán)境的考驗(yàn)，另一方面還受到土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)，因此需用大量的接種微生物形成優(yōu)勢(shì)，以便迅速啟動(dòng)生物降解的過程。2.2 微生物的活性在實(shí)施生物修復(fù)中希望提高微生物的代謝活性以使生物降解的速度和程度都達(dá)到最大。但是土壤是一個(gè)相對(duì)貧瘠的環(huán)境，許多微生物生長代謝所要求的條件難以具備，需要采取措施加以消除。這些限制因素包括：、氮源、磷源營養(yǎng)物、電子受體等。微生物的生長繁殖和代謝過程需要碳源，N、P和多種無機(jī)鹽類。有機(jī)污染物中含有大量的碳和氫，同時(shí)土壤中存在各種無機(jī)鹽，基本可以滿足降解過程中微生物的營養(yǎng)需求。N、P營養(yǎng)物是常見的微生物生長的限制條件，適量添加

11、可以提高微生物活性促進(jìn)降解反應(yīng)的進(jìn)行。目前在石油污染治理上的大量研究表明，補(bǔ)充N、P營養(yǎng)能夠顯著提高降解菌的數(shù)量和活性，縮短污染物去除所需要的時(shí)間15。電子受體的缺乏常常成為影響生物活性的重要因子，因此需要進(jìn)行補(bǔ)充以增強(qiáng)微生物的呼吸速率。對(duì)于好氧降解，常用的補(bǔ)充氧的方法包括：土壤深耕，富氧水加注，氣泵充氧或注入H2O2以釋放游離氧。H2O2在水中的溶解度約為氧的7倍，每分解1摩爾能產(chǎn)生0.5摩爾氧氣，具有較好的充氧效果，相關(guān)研究和應(yīng)用的報(bào)道較多16。在缺氧條件下，可以投加硝酸鹽和碳酸鹽作為替代的電子受體，比氧更有效地提高降解菌的生物活性。也有研究者應(yīng)用一種固體產(chǎn)氧劑提供游離氧，發(fā)現(xiàn)微生物的數(shù)量

12、增加了10100倍，其活性也有了很大的增強(qiáng)17。微生物在受污染土壤中的存活和和性能是決定生物修復(fù)成敗的關(guān)鍵。除了營養(yǎng)物外，生長限制因素還包括原生動(dòng)物的捕食，與其它微生物的競(jìng)爭(zhēng)，場(chǎng)地條件等。在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)出來的微生物，在自然環(huán)境中的存活對(duì)其能否實(shí)際應(yīng)用于田間極其重要。3 環(huán)境因子3.1 溫度溫度不但直接影響微生物的代謝和生長，而且通過改變污染物的物理化學(xué)性質(zhì)來影響整個(gè)生物降解的進(jìn)程。目前絕大多數(shù)生物修復(fù)都是在中溫條件（約20 40 ）下進(jìn)行的，該溫度最適宜微生物的代謝和生長。在低溫條件下微生物生長緩慢，代謝活性差。有報(bào)道顯示18：當(dāng)溫度低于10 時(shí)，石油烴類的降解速率明顯下降。在寒冷地區(qū)，可以通

13、過覆蓋塑料薄膜，抽取地下水加熱后回灌等方法提高土壤溫度以利于生物降解的進(jìn)行。目前在寒冷和高溫等極端環(huán)境中生物修復(fù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)是尋找合適的降解菌，例如Sorkop等從沙漠樣品中分離出一株嗜熱菌，該菌在60下仍具有原油降解能力19。在石油污染治理的研究中發(fā)現(xiàn)，低溫下石油粘度增加，短鏈有毒烷烴的揮發(fā)作用減弱而水溶性增加，于是延緩了生物降解作用的開始；當(dāng)溫度偏高時(shí)，烴類的毒性增加，也會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生抑制，最佳溫度范圍為30 40 20。3.2 pH值 由于絕大部分細(xì)菌生長pH值范圍界于68之間，中性最為適宜，生物修復(fù)的研究和應(yīng)用也集中在這個(gè)范圍。但是在實(shí)際土壤環(huán)境中，偏酸性或偏堿性的情況并不少見，通過

14、調(diào)整土壤的pH值可以明顯提高生物降解的速率，常用的方法有添加酸堿緩沖液或中性調(diào)節(jié)劑等。在酸性土壤的治理中，價(jià)格低廉的石灰常常被用于提高pH值，但要使用時(shí)要注意防止影響N、P等元素的生物可得性。3.3 土壤類型 在生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用中，土壤類型是一個(gè)重要但往往被忽視的影響因子?？偟膩碇v，粘性小的砂質(zhì)土適于實(shí)施生物修復(fù)，而粘性大、易形成土壤團(tuán)塊的粘質(zhì)土則不適合。土壤的滲透性的好壞是決定生物修復(fù)是否成功的另一個(gè)關(guān)鍵。因?yàn)樵跐B透性好的土壤中營養(yǎng)物和電子受體的傳質(zhì)速度快，有利于生物降解反應(yīng)的進(jìn)行。在滲透性差的土壤中情況則相反。3.4 土壤含水率 土壤微生物需要水以維持其基本的代謝活動(dòng)。含水率低的土壤，不

15、但營養(yǎng)物質(zhì)和污染物的傳質(zhì)速度低，生物可利用性差，而且對(duì)依賴水流作用力進(jìn)行遷移的單細(xì)胞微生物的活性造成不利影響21。含水率過高又會(huì)妨礙氧的傳遞。一般認(rèn)為土壤含水率為50%時(shí)有利于生物修復(fù)的實(shí)施。4 結(jié)語生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于受污土壤的治理，通常就是對(duì)環(huán)境速率限制因子的消除，從而使微生物對(duì)任何可降解的污染物都具有最大的降解速率。因此，今后的研究將向以下幾個(gè)方向發(fā)展：（1）污染物在土壤中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及生物降解機(jī)理；（2）高效降解菌的篩選培養(yǎng)及其活性的增強(qiáng)；（3）向土壤中接種微生物以及注入營養(yǎng)物和電子受體的有效方式。參考文獻(xiàn)：1 LEAHY J G, COLWEL R R. Microbial degra

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