張騰飛，黃玉杰,季蕾,王加寧

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院生態(tài)研究所 山東省應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250103)

石油是由各種烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等烴類和非烴類化合物組成的復(fù)雜混合物[1]，在促進(jìn)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]。操作不當(dāng)?shù)热藶樵蛞约耙馔獍l(fā)生的事故等均會(huì)導(dǎo)致石油在勘探開采、運(yùn)輸、加工冶煉的過程中發(fā)生泄漏、溢出和排放[3]。

石油滲透到土壤中，一半以上的難揮發(fā)性污染物質(zhì)會(huì)滯留在其中，直接影響土壤的理化性質(zhì)和群落結(jié)構(gòu)，例如堵塞土壤顆粒之間的孔隙，降低含水率，改變土壤中的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)等，威脅生物的生存[4]。作為“生產(chǎn)者”的部分植物在受到石油污染土壤的影響后，通過食物鏈傳遞到“消費(fèi)者”動(dòng)物體內(nèi)，將危害動(dòng)物的生長(zhǎng)和繁殖[5]，沿著食物鏈毒性會(huì)不斷地放大，甚至?xí)：θ祟惖慕】怠Ｍ寥朗侨祟愘囈陨娴闹匾匀毁Y源，國(guó)內(nèi)外專家已高度重視石油污染土壤問題，石油污染的治理刻不容緩。

目前國(guó)內(nèi)外有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)等技術(shù)改善石油污染土壤現(xiàn)狀。土壤置換、氣相抽提等物理修復(fù)技術(shù)在一定程度上能夠取得很好的修復(fù)效果, 但是存在治理成本較高、潛在危險(xiǎn)性較大、污染物降解效率低等不足，目前該項(xiàng)技術(shù)已被逐漸淘汰而退出市場(chǎng)。熱脫附、電動(dòng)修復(fù)等技術(shù)，工藝新穎但修復(fù)成本較高，處理不當(dāng)又會(huì)引起二次污染?；瘜W(xué)修復(fù)技術(shù)的發(fā)展早于物理修復(fù)，也相對(duì)成熟。化學(xué)氧化、光催化氧化、等離子體降解等技術(shù)可應(yīng)用于修復(fù)目標(biāo)要求比較嚴(yán)格、周期短的污染土壤，其修復(fù)效果好，對(duì)污染物降解速率快，但該技術(shù)修復(fù)成本較高，容易產(chǎn)生二次污染，修復(fù)過程中土壤的理化性質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、微生物結(jié)構(gòu)等會(huì)發(fā)生變化，這是由于氧化劑等化學(xué)試劑過量使用或使用不當(dāng)造成的。微生物、植物、微生物-植物聯(lián)合等生物修復(fù)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、成本低、有機(jī)物降解徹底的特點(diǎn)，相比物理和化學(xué)等方法安全可靠、無二次污染，能實(shí)施原位處理，對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)性低，可以高效降解污染物，修復(fù)范圍廣泛。但是生物修復(fù)技術(shù)存在特異性高效降解菌株稀少、降解效率低等問題，導(dǎo)致實(shí)際場(chǎng)地應(yīng)用困難。本文對(duì)微生物、植物、聯(lián)合修復(fù)等3種生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行綜述，以期為國(guó)內(nèi)石油污染土壤生物修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

生物修復(fù)是指利用植物、微生物、原生動(dòng)物等生物自身的代謝功能，吸收、轉(zhuǎn)化、降解環(huán)境當(dāng)中的污染物，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境的凈化、生態(tài)的恢復(fù)[6]。20世紀(jì)70年代，世界各國(guó)陸續(xù)展開了污染土壤修復(fù)的相關(guān)研究，國(guó)外最早開始此類研究的是英國(guó)、愛爾蘭、德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家，制定了一系列石油污染土壤的修復(fù)方案。對(duì)于污染土壤修復(fù)的研究，我國(guó)起步較晚，主要?dú)v經(jīng)了三個(gè)階段[7]： 第一階段即20世紀(jì)80年代之前，該階段的任務(wù)是以物理修復(fù)為主的土壤治理，相繼展開了很多對(duì)土地資源的穩(wěn)定化應(yīng)用；第二階段即20世紀(jì)90年代，此階段的土壤修復(fù)有了很大的進(jìn)步，物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)都有應(yīng)用，但主要的還是對(duì)土地的復(fù)墾；第三階段即21世紀(jì)以來，該階段的土地治理方式較前兩個(gè)階段來說，又有了進(jìn)一步的研究，具體修復(fù)技術(shù)包括氣相抽提、熱脫附、生物炭吸附、化學(xué)氧化、微生物修復(fù)、植物修復(fù)、微生物-植物聯(lián)合修復(fù)等，其中的研究重點(diǎn)就是微生物修復(fù)、植物修復(fù)、微生物-植物聯(lián)合修復(fù)?？偟膩碚f，我國(guó)對(duì)生物修復(fù)技術(shù)的研究仍處于起步階段，對(duì)石油污染土壤的修復(fù)工作還有很長(zhǎng)的路要走。

1.1 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)就是土壤中的土著微生物在適宜的生存環(huán)境下利用其代謝功能，或者通過促進(jìn)或強(qiáng)化具有污染物降解能力的外源功能微生物群的代謝活動(dòng)，最終消除污染物的生物修復(fù)技術(shù)[8]，其本質(zhì)是生物的降解或者生物的轉(zhuǎn)化[9]。微生物對(duì)石油烴類的降解主要是由胞內(nèi)酶的催化作用完成的[10]，降解過程是：降解石油烴類的微生物通過分泌表面活性劑乳化污染物，被乳化后的污染物進(jìn)一步黏附在細(xì)胞膜表面并以某種特定的方式進(jìn)入細(xì)胞，這種方式包括主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)或被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、胞吞作用等，在胞內(nèi)污染物與相應(yīng)的酶進(jìn)行酶促反應(yīng)以達(dá)到降解的目的[11]。

微生物降解鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴等各種石油烴類的機(jī)理各不相同。鏈烷烴的降解途徑可分為單末端氧化、雙末端氧化和次末端氧化等三種氧化方式，不同的氧化方式在碳鏈上的不同位置進(jìn)行，最終形成醇、醛、酸和輔酶A(coenzyme A，CoA) 等物質(zhì)，然后進(jìn)行β氧化為微生物的生命活動(dòng)提供能量[11]。環(huán)烷烴的降解過程與鏈烷烴稍有不同：環(huán)烷烴一開始被羥化酶氧化生成環(huán)烷醇，環(huán)烷醇與氫原子反應(yīng)形成環(huán)烷酮；在酮加氧酶的作用下，環(huán)烷酮轉(zhuǎn)化為己內(nèi)酯，然后一個(gè)H2O分子與己內(nèi)酯作用來破壞環(huán)結(jié)構(gòu)；環(huán)結(jié)構(gòu)被打開后進(jìn)一步生成6-羥基己酸，6-羥基己酸被6-羥基己酸脫氫酶氧化為6-氧己酸，經(jīng)乙醛脫氫酶氧化進(jìn)而形成二羧酸；最后，通過三羧酸循環(huán)進(jìn)一步氧化二羧酸，維持微生物的生命活性[12]。相比較其他烴類，芳香烴的降解更為復(fù)雜。苯環(huán)數(shù)相同的芳香烴，由于其降解的位點(diǎn)不同，具體的降解情況也不同。例如，節(jié)桿菌和分枝桿菌對(duì)菲有多個(gè)降解途徑，但它們對(duì)菲的開環(huán)位置不同，可能形成2-羥基-1-萘酸或2,2 -聯(lián)苯二酸等產(chǎn)物[13]。單環(huán)芳烴的初始氧化物是順式二氫-二羥基化合物，脫氫后形成二醇環(huán)氧化物，二醇的環(huán)氧裂解形成對(duì)應(yīng)的醇并產(chǎn)生水楊酸、兒茶酚和龍膽酸等產(chǎn)物繼續(xù)氧化。開苯環(huán)的鏈烴通過烷烴氧化途徑形成羧酸，羧酸與CoA反應(yīng)生成乙酰CoA，乙酰CoA通過TAC(三羧酸循環(huán))為自我代謝提供能量[14]。對(duì)多環(huán)芳烴來說，其降解途徑基本類似。多環(huán)芳烴的其中一個(gè)苯環(huán)被氧化形成反式二氫-二羥基化合物或被微生物酶催化進(jìn)而發(fā)生反應(yīng)被微生物降解。四環(huán)以上的多環(huán)芳烴，隨著苯環(huán)數(shù)量的增加，微生物很難直接進(jìn)行降解，只能通過共代謝氧化降解。

目前，研究表明細(xì)菌、真菌、放線菌、酵母菌和霉菌中100屬的200多種微生物都能夠有效地降解石油烴類污染物。細(xì)菌的生物降解效率可以達(dá)到0.13%～50.00%，海洋細(xì)菌的降解率則高達(dá)100%[15-16]，常見的細(xì)菌有假單胞菌屬、棒桿菌屬、芽孢桿菌屬、放線菌屬等[17-18]。真菌可以降解6%～82%[17-18]的烴類污染物，包括木霉屬、青霉屬和曲霉屬、假絲酵母菌屬、紅酵母屬[19]等。具有降解烴類污染物能力的細(xì)菌、真菌、藻類等微生物被許多學(xué)者研究和報(bào)道[20]。近175個(gè)屬的細(xì)菌、真菌能夠?qū)⑹蜔N等碳?xì)浠衔锓纸獬啥趸己退甗11]，利用合適的微生物降解石油，一些有毒有害的石油烴類污染物可以降解成無害物質(zhì)[21]。不同種屬的菌株或菌群可以降解不同種類的石油烴類污染物，而降解有機(jī)污染物的主要微生物是細(xì)菌[22]。

近年來，從分子水平研究了生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能，利用分子生物學(xué)、基因工程等技術(shù)對(duì)微生物的蛋白質(zhì)、核酸(遺傳因子)等進(jìn)行了深入探索，通過篩選和構(gòu)建高效降解菌株，提高現(xiàn)有菌株的降解能力，可以為今后微生物修復(fù)技術(shù)的改善提供基礎(chǔ)[23]。微生物具有遺傳多樣性[24]，分子方法通過檢測(cè)土壤中最豐富的微生物種群，在一定程度上能夠揭示微生物群落的結(jié)構(gòu)進(jìn)而促進(jìn)對(duì)微生物的研究。目前盛行的高通量測(cè)序系統(tǒng)16S rRNA基因焦磷酸測(cè)序技術(shù)是研究環(huán)境中細(xì)菌群落的有效方法[25-26]，應(yīng)用于檢測(cè)環(huán)境樣品中的微生物群落和多樣性，該技術(shù)已在石油污染土壤的修復(fù)領(lǐng)域取得了一些成果[27]。

1.2 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)就是利用生態(tài)系統(tǒng)植物的根系或者莖葉部分徹底清除土壤、水體和大氣中的污染物的技術(shù)[32]。該技術(shù)利用植物來處理各種各樣的環(huán)境污染問題，包括修復(fù)被碳?xì)浠衔锖推渌卸居泻ξ镔|(zhì)污染的土壤和地下水。不同的機(jī)制即水力控制、植物揮發(fā)、根修復(fù)和植物轉(zhuǎn)化均可用于多種污染物的修復(fù)。植物修復(fù)在污染修復(fù)領(lǐng)域是比較有前景的，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)包括成本效益、美學(xué)優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)期適用性[33]。此外，利用植物修復(fù)作為原位處理的二次拋光步驟，可以最大限度地減少土地干擾，降低與場(chǎng)外處理和處置相關(guān)的運(yùn)輸和責(zé)任成本，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)，但由于植物修復(fù)是一個(gè)自然發(fā)生的過程，該技術(shù)的修復(fù)周期相對(duì)較長(zhǎng)[33]。

植物修復(fù)石油污染土壤的具體表現(xiàn)為植物根際能夠吸收土壤中的石油烴類污染物，污染物在植物內(nèi)部實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，該過程實(shí)現(xiàn)污染物在植物根際微域的礦化和降解的物質(zhì)是植物自身所釋放的各種分泌酶以及酶類，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的修復(fù)，污染土壤的生態(tài)功能逐漸得到恢復(fù)[34]。外部的環(huán)境條件、污染物的性質(zhì)、植物的種類等3個(gè)因素主要影響植物降解污染物，而污染物的性質(zhì)即污染物的生物有效性則是決定植物降解土壤中的石油烴類等有機(jī)污染物的關(guān)鍵。植物修復(fù)過程中對(duì)污染物的降解作用主要集中在根系附近[35]，該過程體現(xiàn)了植物與微生物之間的共生關(guān)系，植物根際分泌物(糖類、醇類、酸類)為微生物的生長(zhǎng)發(fā)育提供了大量所需的營(yíng)養(yǎng)元素，提高了微生物降解石油烴類污染物的能力，微生物的代謝產(chǎn)物反過來又促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，這種發(fā)生在植物與微生物之間的共生關(guān)系就是最具有潛力的土壤修復(fù)技術(shù)[36]。該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于篩選出高效降解植物，這也是目前限制植物修復(fù)技術(shù)發(fā)展的主要原因。

為了實(shí)現(xiàn)植物修復(fù)的最優(yōu)化，就要因地制宜地選擇植物的種類，植株要表現(xiàn)出對(duì)特定污染物的耐受性，同時(shí)還要保證自身能夠正常地生長(zhǎng)。唐景春等[37]研究了生長(zhǎng)在大港油田周邊的植物，通過設(shè)置不同植被類型和處理方式(土壤調(diào)理劑)等兩種實(shí)驗(yàn)條件，探討植物對(duì)污染土壤的降解效果以及降解效率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植被類型方面，堿蓬、大豆等植物的降解效率要明顯高于蘆葦、苜蓿；土壤調(diào)理劑對(duì)石油污染土壤修復(fù)的效果方面，商業(yè)添加劑最顯著，遠(yuǎn)大于牛糞和蛭石。丁正等[38]對(duì)狗牙根、黑麥草、高羊茅修復(fù)效果的規(guī)律性和相關(guān)性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性方面，TPH(石油類污染物)降解率與莖鮮重和莖干重呈顯著正相關(guān)；規(guī)律性方面，TPH 降解率與TPH降解菌數(shù)量的變化規(guī)律一致。董亞明等[39]研究了蘆葦、沙棗、檉柳3種植物對(duì)石油污染土壤的修復(fù)效果，其中蘆葦?shù)男Ч詈?，這3種植物都可以很大程度提高土壤中植物根際的微生物數(shù)量，土壤的酶活性也明顯得到改善。

1.3 聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是為了克服單項(xiàng)修復(fù)技術(shù)的局限性，結(jié)合兩種或兩種以上修復(fù)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)地污染物的處理和對(duì)污染土壤修復(fù)的技術(shù),能夠極大程度地提高污染土壤的修復(fù)速率與效率[40]，聯(lián)合修復(fù)囊括了物理、化學(xué)、生物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用各項(xiàng)修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合作用，對(duì)土壤中的石油烴類污染物進(jìn)行分解，最終實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境的修復(fù)和改善。微生物-植物聯(lián)合修復(fù)、微生物-物理/化學(xué)聯(lián)合修復(fù)、物理-化學(xué)聯(lián)合修復(fù)等都包括在該項(xiàng)修復(fù)技術(shù)的范疇內(nèi)，微生物-植物聯(lián)合修復(fù)則是目前研究比較熱門的領(lǐng)域。

微生物-植物聯(lián)合修復(fù)就是利用二者之間的協(xié)同共生作用，富集與降解土壤中污染物的過程。所謂的協(xié)同共生就是植物利用自身的代謝活動(dòng)為微生物的生存提供場(chǎng)所、氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等條件，以此來保證土壤中根際微生物的正常生長(zhǎng)，微生物在植物的根際或體內(nèi)生長(zhǎng)繁殖，為植物抵抗外部環(huán)境提供保障，微生物的代謝活動(dòng)同時(shí)還可以使有機(jī)污染物的存在形態(tài)發(fā)生改變，加快石油烴類等有機(jī)污染物的降解和礦化。

在微生物-植物聯(lián)合修復(fù)體系中，植物與微生物之間的協(xié)同共生需要對(duì)植株與菌株有所要求，只有二者的有機(jī)結(jié)合才能使石油烴類等有機(jī)污染物的降解實(shí)現(xiàn)最大化。對(duì)于植株來說，要最大可能地提供微生物活動(dòng)的根表面的面積，就是必須有旺盛的須根系，同時(shí)根系能夠延伸到較深的土層中[41]；此外，植株的生命力要旺盛，對(duì)污染物要表現(xiàn)出一定的抗性。對(duì)微生物而言，自身對(duì)污染物要具有較高的代謝降解能力，且能夠很好地適應(yīng)植株周邊的外部環(huán)境，重要的是微生物要能夠和植株共生。目前，微生物-植物聯(lián)合作用機(jī)理的研究主要有：(1)植株根際通過代謝活動(dòng)改善土壤的理化性質(zhì)，為微生物生長(zhǎng)所需的微生態(tài)環(huán)境給予保障；(2)植物根際分泌的物質(zhì)可以在活化污染物質(zhì)的同時(shí)刺激、強(qiáng)化微生物的降解過程，或分泌酶類物質(zhì)直接參與到污染物質(zhì)的降解過程中；(3)根際的微生物要利用自身的功能達(dá)到強(qiáng)化的植株的效果[42-43]。

2 研究展望

2.1 存在問題

進(jìn)入21世紀(jì)后，為了追求經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多國(guó)家不斷地開發(fā)利用石油資源，與此同時(shí)造成了相當(dāng)嚴(yán)重的石油污染問題。石油資源的使用在帶動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)，給生態(tài)環(huán)境帶來了不可估量的破壞，各種生物修復(fù)技術(shù)在研究、應(yīng)用過程中也存在著很多問題。

(1)缺乏高效降解菌。所選擇的高效降解微生物需要對(duì)環(huán)境中的污染物有較高的適應(yīng)性和耐受力，同時(shí)不破壞環(huán)境中原有土壤的理化性質(zhì)以及原有微生物的多樣性，而目前缺乏高效率降解污染物的特異性菌株。

(2)降解效率低下。微生物修復(fù)、植物修復(fù)、聯(lián)合修復(fù)等各項(xiàng)技術(shù)均能夠達(dá)到一定的修復(fù)效果，同時(shí)也存在一定的應(yīng)用限制和不足，對(duì)污染物的降解效果不是很理想。

(3)環(huán)境條件制約。外部及土壤環(huán)境對(duì)生物降解影響很大，溫度、濕度、pH、氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、氧化還原電位、表面活性劑等均會(huì)影響微生物、植物等生物的生長(zhǎng)進(jìn)而影響生物降解。

(4)實(shí)際場(chǎng)地應(yīng)用受到限制。當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者大多數(shù)開展的研究都是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的，具有人為可操作性，但是在實(shí)際污染場(chǎng)地的修復(fù)中由于與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境差異太大，往往難以開展修復(fù)工作。

(5)石油污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻。世界各國(guó)一直致力于提倡使用清潔能源，但柴油、汽油等石油相關(guān)產(chǎn)品的使用并沒有因此而減少，世界范圍內(nèi)石油烴類污染物的量仍很大，對(duì)人們的生產(chǎn)、生活帶來的負(fù)面影響也越來越明顯。

2.2未來發(fā)展方向

近年來我國(guó)學(xué)者圍繞石油污染所帶來的環(huán)境問題、污染物遷移規(guī)律、石油污染防治修復(fù)技術(shù)開展了大量的科學(xué)研究，取得了顯著的成績(jī)。為解決生物修復(fù)技術(shù)存在的諸多問題，今后國(guó)內(nèi)應(yīng)在以下幾方面加強(qiáng)研究：

(1)深入掌握生物修復(fù)的原理，利用修復(fù)過程的基因調(diào)控機(jī)制構(gòu)建基因工程菌，提高菌株對(duì)特定環(huán)境的耐受性和適應(yīng)性，獲得高效降解菌株。

(2)生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊、修復(fù)潛力巨大，今后應(yīng)該根據(jù)污染土壤的特性、污染情況，將微生物修復(fù)與植物修復(fù)有機(jī)結(jié)合、綜合運(yùn)用，構(gòu)建石油污染土壤的高效降解體系，提高降解率。

(3)在實(shí)際汽油和柴油等石油土壤場(chǎng)地的修復(fù)中由于與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境差異太大，開展修復(fù)工作比較艱難。為解決場(chǎng)地石油污染土壤問題，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)污染場(chǎng)地的研究，把研究成果運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)中去。

(4)完善生物修復(fù)技術(shù)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和評(píng)價(jià)體系，減少治理過程中產(chǎn)生的不必要的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

作為一種高效率、低成本、無污染的修復(fù)技術(shù)，生物降解土壤石油污染物無論是在基礎(chǔ)研究還是在實(shí)際應(yīng)用方面均取得了很大的進(jìn)展，將是我國(guó)未來土壤修復(fù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。面對(duì)我國(guó)復(fù)雜的石油污染土壤環(huán)境問題，大規(guī)模利用生物降解土壤污染物、治理環(huán)境污染將對(duì)未來的國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。