李 楊，李凡修

（長江大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

近年來，隨著石油工業(yè)的飛速發(fā)展，石油造成的土壤污染日益加劇，其中原油遺撒、含油污水的不達標排放成為主要污染途徑。研究表明，石油污染土壤中的有害物質(zhì)不僅會導(dǎo)致地表水和地下水的污染問題，還會通過食物鏈轉(zhuǎn)移到動植物體內(nèi)，最終到達人體，危害人體健康［1］。因此，對石油污染土壤的修復(fù)治理迫在眉睫。石油污染土壤常用的修復(fù)方法有物理法、化學(xué)法和微生物法等，但前兩者都存在著成本高、操作繁瑣、后期處理復(fù)雜的缺陷，而微生物法則以其成本低廉、操作便捷、高效環(huán)保的優(yōu)勢在該領(lǐng)域得到更廣泛的運用［2］。

本文分析了微生物的種類、土壤及石油類物質(zhì)的理化性質(zhì)對石油污染土壤修復(fù)效果的影響，概述了微生物修復(fù)石油污染土壤的技術(shù)特點和研究進展，探討了新技術(shù)的發(fā)展趨勢，以期為修復(fù)石油污染土壤提供理論基礎(chǔ)和研究方向。

1 微生物修復(fù)石油污染土壤的影響因素

所謂微生物修復(fù)石油污染土壤技術(shù)，是指通過人工措施為外源微生物和土著微生物提供有利的生存環(huán)境，從而提高石油污染物的降解率，恢復(fù)污染土壤的正常生態(tài)功能［3］。通常情況下，微生物降解石油污染物主要是通過好氧呼吸來完成的，即通過氧化還原、脫羧、脫氨、脫水等一系列的生化反應(yīng)完成降解過程［4］，見圖1。

圖1 微生物對石油污染物的降解過程

在石油污染土壤的修復(fù)過程中，影響土壤修復(fù)效果的關(guān)鍵因素有微生物的種類、土壤和石油類物質(zhì)的理化性質(zhì)等。

1.1 微生物種類對土壤修復(fù)效果的影響

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，可以降解石油污染物的微生物約有100多個屬、200多種，按其作用主要分為兩大類：一類為假單孢菌屬（Pseudomouas sp.）、節(jié)核細菌屬（Arthrobacter sp.）、產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligeues sp.）及無色桿菌屬（Achromobacter sp.）等細菌，可以顯著提高石油污染物的降解率；另一類為木霉屬（Richoderma sp.）、青霉屬（Peuicillium sp.）及曲霉屬（Aspergillus sp.）等真菌，可一定程度促進石油污染物的降解［5-6］。

微生物必需滿足生物酶活性高、降解速率快、適應(yīng)性強且可維持一定的微生物量等要求，才能在修復(fù)污染土壤過程中體現(xiàn)應(yīng)用價值。土著微生物、外源微生物及基因工程菌（GEM）均應(yīng)滿足以上條件。韓慧龍等［7-8］的實驗結(jié)果表明，相對于單一菌種，在復(fù)合菌劑的協(xié)同共代謝作用下，石油污染物的降解更為徹底。

1.2 土壤和石油類物質(zhì)的理化性質(zhì)對土壤修復(fù)效果的影響

土壤的理化性質(zhì)如pH、溫度、濕度、含氧量和營養(yǎng)物質(zhì)等會影響石油污染物的降解效果。據(jù)研究證實，降解石油污染物適宜的pH為6.0～8.0、溫度為15～30 ℃、土壤濕度為70%～80%［9-11］。石油污染物的理化性質(zhì)對其可生化性起到?jīng)Q定性作用。有研究結(jié)果表明：最難降解的是C22以上的石油烴，大部分的微生物都很難將其氧化降解；其次是C1～C6的石油烴；C10～C22的石油烴是最容易被降解的［12］。不同石油類物質(zhì)的降解速率大小順序為：直鏈烷烴＞支鏈烷烴＞低分子量芳香烴＞多環(huán)芳烴，而最難被微生物氧化降解的是膠質(zhì)和瀝青質(zhì)［13］。

2 石油污染土壤的微生物修復(fù)技術(shù)

原位修復(fù)和異位修復(fù)是土壤修復(fù)的兩種主要方法。原位修復(fù)即在污染現(xiàn)場和容易殘留的區(qū)域進行修復(fù)，其修復(fù)方法主要包括生物刺激、生物強化、固定化微生物、植物-微生物聯(lián)合修復(fù)以及電動-微生物聯(lián)合修復(fù)等技術(shù)，成本較低，應(yīng)用廣泛；異位修復(fù)一般將受污染土壤轉(zhuǎn)移至生物反應(yīng)器內(nèi)或合適地點，其修復(fù)方法主要包括預(yù)制床法、土壤堆肥法、生物反應(yīng)器法等。但由于異位修復(fù)成本較高，只適用于小范圍受嚴重污染的土壤［13］。

2.1 生物刺激技術(shù)

在人工優(yōu)化的環(huán)境條件下激活土壤中的土著菌，使之更好地生長代謝，從而提高石油污染物的降解效率，這一技術(shù)被稱為生物刺激技術(shù)［14］。Atagana等［15-16］研究發(fā)現(xiàn)，在通氣的情況下可促進土壤中低分子量烷烴的揮發(fā)和土著菌對高分子量烷烴的氧化降解。不同生物刺激技術(shù)對石油降解率的提高效果見表1。由表1可見，相對于自然衰減，不同的生物刺激手段如通氣、添加電子受體及營養(yǎng)物質(zhì)等能夠不同程度地提高石油污染物的降解效率。不存在二次污染、操作便捷是生物刺激技術(shù)的優(yōu)勢所在，但由于土著菌種數(shù)量較少，總體上生長代謝速率較慢，對石油類污染物的降解率不高。

表1 不同生物刺激技術(shù)對石油降解率的提高效果

2.2 生物強化技術(shù)

生物強化技術(shù)是將高效降解菌經(jīng)馴化后接種到受污染土壤中，在優(yōu)化微生物環(huán)境的前提下可顯著促進石油類物質(zhì)分解的一種技術(shù)［24］。該技術(shù)具有高效降解菌種適應(yīng)性強的特點，能夠克服生物刺激技術(shù)本身的局限性［25］。不同生物強化技術(shù)對石油降解率的影響見表2。由表2可見，在同等的土壤環(huán)境條件下，接種高效降解菌可以明顯增強土壤修復(fù)效果。雖然該技術(shù)對石油污染物的降解效果明顯，但極易受到土壤理化性質(zhì)和環(huán)境條件的影響，在石油污染土壤修復(fù)的應(yīng)用上具有局限作用［26］。因此，如何增強微生物的降解能力，探討更高效的生物強化措施，將會成為未來研究發(fā)展的熱點問題。

表2 不同生物強化技術(shù)對石油降解率的影響

2.3 固定化微生物技術(shù)

利用物理或化學(xué)方法將處于游離狀態(tài)的微生物或酶固定在適當(dāng)?shù)妮d體中，通過增加微生物的濃度和控制生化反應(yīng)穩(wěn)定性來達到強化土壤修復(fù)效果的目的，這一技術(shù)被稱之為固定化微生物技術(shù)［33-34］。該技術(shù)的優(yōu)點在于固定化后容易控制降解反應(yīng)條件，固定載體亦可循環(huán)利用，其中SiO2、花生殼粉末、天然有機材料以及活性炭等都是性能優(yōu)良的可回收固定載體。不同固定化微生物技術(shù)對石油降解率的影響見表3。由表3可見，固定化微生物對石油污染物的降解程度顯著高于在生物刺激或生物強化條件下游離態(tài)微生物對石油污染物的降解程度?，F(xiàn)階段面臨的主要困境是載體材料的殘留可能會引發(fā)一系列的環(huán)境問題。因此，未來的研究重點應(yīng)該放在以下三個方面：1）安全環(huán)保、穩(wěn)定性好、價廉易得的新型固定化載體；2）高濃度、高活性微生物的固定方法；3）載體材料的環(huán)境風(fēng)險體系的評估等。

表3 不同固定化微生物技術(shù)對石油降解率的影響

2.4 植物-微生物聯(lián)合技術(shù)

通過植物和微生物兩者之間的互利作用，增強植物根際對石油類物質(zhì)的吸收氧化降解程度的技術(shù)，稱之為植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)［40］。在石油含量較低、不足以維持大量微生物生長繁殖需要的情況下，普通微生物修復(fù)技術(shù)的使用常常受到很大限制［41］。植物吸收的氧氣和根際分泌的化學(xué)物質(zhì)或酶可增強微生物的分解代謝活動，同時微生物的共代謝作用也在一定程度上提高了植物對石油化合物的吸收利用效率［42-43］，因此，植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)結(jié)合兩者各自的優(yōu)勢，使得污染土壤修復(fù)效果得到增強。不同植物-微生物聯(lián)合技術(shù)對石油降解率的影響見表4。由表4可見，在同等的土壤環(huán)境條件下，植物和微生物的聯(lián)合修復(fù)效果顯著優(yōu)于單一的植物或微生物修復(fù)效果。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)存在的主要問題：植物修復(fù)土壤范圍有限；植物生長易受環(huán)境因素限制；單一植物品種的修復(fù)效果并不理想；回收植物需妥善處理等［44］。因此，未來的研究應(yīng)該放在以下三個重點方向：1）研究微生物和植物共同作用的反應(yīng)調(diào)控因素和修復(fù)原理；2）通過對植物進行基因修飾，選育高效修復(fù)植物，增強植物的環(huán)境適應(yīng)性；3）改進工藝，優(yōu)化植物品種以及植物和微生物間的有效搭配。

表4 不同植物-微生物聯(lián)合技術(shù)對石油降解率的影響

2.5 電動-微生物聯(lián)合技術(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，利用高效降解菌對石油污染物進行降解的同時施加電場，可顯著提升石油污染物的降解率［26］。在直流弱電場的作用下，石油污染物可以加速移動，土壤理化性質(zhì)也得到改善，從而使石油污染物的降解速率得以加快［49］。兩種電動-微生物聯(lián)合技術(shù)對石油降解率的影響見表5。由表5可見，在相同的土壤環(huán)境條件下，電動-微生物聯(lián)合技術(shù)對污染土壤的修復(fù)效果好于單純投菌或自然衰減。在電動-微生物聯(lián)合處理的過程中，降解菌的作用機制目前尚不清楚，因此，該技術(shù)目前尚停留在室內(nèi)實驗階段。

表5 兩種電動-微生物聯(lián)合技術(shù)對石油降解率的影響

3 結(jié)語與展望

污染物的轉(zhuǎn)運和分離是傳統(tǒng)土壤修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵特點，而污染物的降解或消除才是微生物修復(fù)技術(shù)最為明顯的優(yōu)勢。微生物修復(fù)技術(shù)以其環(huán)保安全、高效經(jīng)濟等優(yōu)勢成為當(dāng)前應(yīng)用最為普及的土壤修復(fù)技術(shù)。受環(huán)境影響程度較高、修復(fù)周期較長以及石油污染物降解不完全等是該技術(shù)現(xiàn)階段面臨的關(guān)鍵問題。因此，今后需要在以下幾個方面進行技術(shù)改進：

1）完善技術(shù)，優(yōu)化工藝，降低成本；

2）利用DNA重組和基因拼接技術(shù)培育新型高效的降解菌；

3）優(yōu)化微生物的環(huán)境條件，增強微生物降解效果；

4）探討物理法或化學(xué)法與微生物法的集成技術(shù)，開發(fā)經(jīng)濟高效的新型修復(fù)技術(shù)；

5）建立微生物修復(fù)技術(shù)的評價標準，評估修復(fù)手段的環(huán)境效應(yīng)及風(fēng)險。

［1］ 童玲，陳偉勝，鄭西來，等. 石油污染土壤修復(fù)技術(shù)的進展［J］. 化工環(huán)保，2012，32（4）：311 - 315.

［2］ 張聞，陳貫虹，高永超，等. 石油和重金屬污染土壤的微生物修復(fù)研究進展［J］. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35（12）：174 - 181.

［3］ 馮冬藝，余成洲，白云，等. 石油污染土壤的植物-微生物聯(lián)合修復(fù)研究［J］. 三峽環(huán)境與生態(tài)，2010，32（6）：57 - 60.

［4］ 王悅明，王繼富，李鑫，等. 石油污染土壤微生物修復(fù)技術(shù)研究進展［J］. 環(huán)境工程，2014（8）：157 - 161.

［5］ 唐金花，于春光，張寒冰，等. 石油污染土壤微生物修復(fù)的研究進展［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（20）：4125 - 4128.

［6］ 楊峰，鐘鳴，白鵬，等. 土壤中微生物對多環(huán)芳烴的降解及其生物修復(fù)的研究進展［J］. 遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（4）：53 - 57.

［7］ 韓慧龍，陳鎮(zhèn)，楊健民，等. 真菌-細菌協(xié)同修復(fù)石油污染土壤的場地試驗［J］. 環(huán)境科學(xué)，2008，29（2）：454 - 461.

［8］ 張超，陳文兵，武道吉，等. 混合菌修復(fù)石油污染土壤［J］. 化工環(huán)保，2014，34（1）：19 - 23.

［9］ 孫清，陸秀君，梁成華. 土壤的石油污染研究進展［J］. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，33（5）：390 - 393.

［10］ Hwang H M. Interactions between subsurface microbial assemblages and mixed organic and inorganic contaminant system［J］. Bull Environ Contain Toxicol，1994，53（5）：771 - 778.

［11］ Mills S A. Evaluation of phosphorus source bioremediation of diesel fuel in soil［J］. Bull Environ Contain Toxicol，1994，53（2）：280 - 284.

［12］ 任磊，黃廷林. 石油污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2001，1（2）：50 - 54.

［13］ 劉五星，駱永明，滕應(yīng)，等. 石油污染土壤的生物修復(fù)研究進展［J］. 土壤，2006，38（5）：634 - 639.

［14］ 屠明明，王秋玉. 石油污染土壤的生物刺激和生物強化修復(fù)［J］. 中國生物工程雜志，2009，29（8）：129 - 134.

［15］ Atagana H I. Bioremediation of creosote contaminated soil：A pilot-scale land farming evaluation［J］. World J Microbiol Biotechnol，2003，19：571 - 581.

［16］ Ayotamuno M J，Kogbara R B，Ogaji S O T，et al.Bioremediation of a crude oil polluted agricultural soil at Port Harcourt Nigeria［J］. Appl Energy，2006，83：1249 - 1257.

［17］ 黃廷林，唐智新，徐金蘭，等. 黃土地區(qū)石油污染土壤生物修復(fù)室內(nèi)模擬試驗研究［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2008，27（6）：2206 - 2210.

［18］ Embar K，F(xiàn)orgacs C，Sivan A. The role of indigenous bacterial and fungal soil populations in the biodegradation of crude oil in a desert soil［J］. Biodegradation，2006，17：369 - 377.

［19］ Allan I J，Semple K T，Hare R，et al. Cyclodextrin enhanced biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons and phenols in contaminated soil slurries［J］.Environ Sci Technol，2007，41（15）：5498 - 5504.

［20］ 牛明芬，韓曉日，郭書海. 生物表而活性劑在石油污染土壤生物預(yù)制床修復(fù)中的應(yīng)用研究［J］. 土壤通報，2005，36（5）：712 - 715.

［21］ 喬俊，陳威，張承東. 添加營養(yǎng)助劑對石油污染土壤生物修復(fù)的影響［J］. 環(huán)境化學(xué)，2010，29（1）：6 - 11.

［22］ Maike S，F(xiàn)ilser J. The influence of earthworms and organic additives on the biodegradation of oil contaminated soil［J］. Appl Soil Ecology，2007，36（1）：53 -62.

［23］ 張秀霞，滕芝，吳佳東. 激活劑對石油污染土壤修復(fù)的強化作用及修復(fù)條件的優(yōu)化［J］. 石油學(xué)報（石油加工），2013，29（2）：353 - 358.

［24］ 鄭金秀，彭棋，張甲耀，等. 優(yōu)勢降解菌群生物強化修復(fù)石油污染土壤［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，25（5）：1212 - 1216.

［25］ 徐金蘭，黃廷林，唐智新，等. 高效石油降解菌的篩選及石油污染土壤生物修復(fù)特性的研究［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，27（4）：622 - 628.

［26］ 程國玲，李培軍. 石油污染土壤的植物與微生物修復(fù)技術(shù)［J］. 環(huán)境工程學(xué)報，2007，1（6）：91 - 95.

［27］ Bento F M，Camargo F A O，Okeke B C，et al.Comparative bioremediation of soils contaminated with diesel oil bynatural attenuation，biostimulation and bioaugmentation［J］. Bioresour Technol，2005，96（9）：1049 - 1055.

［28］ Rahman K S M，Banat I M，Thahira J，et al. Bioremediation of gasoline contaminated soil by a consortium amended with poultry litter coir pith and rhamnolipid biosurfactant［J］. Bioresour Technol，2002，81（1）：25 - 32.

［29］ 齊建超，張承東，喬俊，等. 微生物與有機肥混合劑修復(fù)石油污染土壤的研究［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2010，29（1）：66 - 72.

［30］ 高闖，張全. 生物刺激與生物強化聯(lián)合修復(fù)柴油污染土壤［J］. 化工環(huán)保，2015，35（2）：142 - 146.

［31］ 鄭金秀，彭祺，張甲耀. 優(yōu)勢降解菌群生物強化修復(fù)石油污染土壤［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，25（5）：1212 - 216.

［32］ 張秀霞，滕芝，吳佳東. 生物強化修復(fù)石油污染土壤［J］. 環(huán)境工程學(xué)報，2013，7（4）：1573 - 1577.

［33］ 司友斌，彭軍. 固定化微生物技術(shù)及其在污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用［J］. 土壤，2007，39（5）：673 - 676.

［34］ Pritchard P H. Use of inoculation in bioremediation［J］.Curr Opin Biotechnol，1992，3（3）：232 - 243.

［35］ 張秀霞，耿春香，房苗苗，等. 固定化微生物應(yīng)用于生物修復(fù)石油污染土壤［J］. 石油學(xué)報（石油加工），2008，24（4）：409 - 414.

［36］ Xu Yaohui，Lu Mang. Bioremediation of crude oilcontaminated soil：Comparison of different biostimulation and bioaugmentation treatments［J］. J Hazard Mater，2010，183（1/3）：395 - 401.

［37］ 張秀霞，自雪晶，徐娜娜，等. 固定化微生物修復(fù)石油污染土壤影響因素研究［J］. 環(huán)境工程學(xué)報，2013，7（3）：1156 - 162.

［38］ 張秀霞，劉永博，徐娜娜，等. 固定化MM-7修復(fù)石油污染土壤影響因素重要性［J］. 化工進展，2012，31（2）：448 - 452.

［39］ Liang Yuting，Zhang Xu，Dai Dongjuan，et al. Porous biocarrier-enhanced biodegradation of crude oil contaminated soil［J］. Int Biodeterior Biodegrad，2009，63（1）：80 - 87.

［40］ 藺昕，李培軍，臺培東，等. 石油污染土壤植物-微生物修復(fù)研究進展［J］. 生態(tài)學(xué)雜志，2006，25（1）：93 - 100.

［41］ Cunningham S D，Shann J R，Crowley D E，et al.Phytoremedianon of contaminated water and soil［C］//Kruger E L，Anderson T A，Coats J R. Phytoremediation of Soil and Water Contaminants. Washington D C：American Chemical Society，1997：2 - 17.

［42］ Schnoor J L，Licht L，Mccutccheon S C，et al. Phytoremediation of organic contaminants［J］. Environ Sci Technol，1996，29（7）：318 - 323.

［43］ Liste H H，Alexander M. Plant-promoted pyerne degradation in soil［J］. Chemosphere，2000，40：7 - 10.

［44］ 高彥征，凌婉婷，朱利中，等. 黑麥草對多環(huán)芳烴污染土壤的修復(fù)作用及機制［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2005，24（3）：498 - 502.

［45］ Soleimani M，Afyuni M，Hajabbasi M A，et al. Phytoremediction of an aged petroleum contaminated soil using endophyte infected and non-infected grasses［J］.Chemosphere，2010，81（9）：1084 - 1090.

［46］ Mohsenzadeh F，Nasseri S，Mesdaghinia A，et al.Phytoremediation of petroleum-polluted soils：Application of polygonum aviculare and its root-associated（penetrated）fungal strains for bioremediation of petroleum-polluted soils［J］. Ecotoxicol Environ Saf，2010，73（4）：613 - 619.

［47］ 李春榮，土文科，曹玉清，等. 石油污染土壤的生態(tài)效應(yīng)及修復(fù)技術(shù)研究［J］. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2007，30（9）：4 - 7.

［48］ Huang Xiaodong，El-Alawi Y，Gurska J，et al. A multi-process phytoremediation system for decontamination of persistent total petroleum hydrocarbons from soils［J］. Microchem J，2005，81（1）：139 - 147.

［49］ 李婷婷，張玲妍，郭書海，等. 完全對稱電場對電動-微生物修復(fù)石油污染土壤的影響［J］. 環(huán)境科學(xué)研究，2010，23（10）：1262 - 1267.

［50］ Kim S H，Han H Y，Lee Y J，et al. Effect of electrokinetic remediation on indigenous microbial activity and community within diesel contaminated soil［J］. Sci Total Environ，2010，408（16）：3162 - 3168.

［51］ Li Tingting，Guo Shuhai，Wu Bo，et al. Effect of electric intensity on the microbial degradation of petroleum pollutants in soil［J］. J Environ Sci，2010，22（9）：1381 - 1386.

［52］ Xu Wei，Wang Cuiping，Liu Haibin，et al. A laboratory feasibility study on a new electrokinetic nutrient injection pattern and bioremediation of phenanthrene in a clayey soil［J］. J Hazard Mater，2010，184（1-3）：798 - 804.