吳敏，施柯廷，陳全，梁妮，潘波

（昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500）

能源開(kāi)發(fā)使用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擴(kuò)大、城鎮(zhèn)化發(fā)展等一系列人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致土壤有機(jī)污染問(wèn)題愈加嚴(yán)重。多種被禁用的有機(jī)氯農(nóng)藥（如六六六和滴滴涕）在土壤中的監(jiān)測(cè)量仍超過(guò)國(guó)家限定標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)用塑料薄膜的廣泛應(yīng)用使農(nóng)田土壤中的鄰苯二甲酸酯（PAEs）嚴(yán)重超標(biāo)，工業(yè)區(qū)域的土壤大多存在多氯聯(lián)苯（PCBs）、多環(huán)芳烴（PAHs）、丁草胺等高度致癌物質(zhì)的污染問(wèn)題。這些有機(jī)污染物能直接破壞土壤正常機(jī)能，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和土壤動(dòng)物的生理活動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)食物鏈富集影響人體健康。

目前，常用的有機(jī)物污染土壤修復(fù)技術(shù)可分為物理、化學(xué)、生物及復(fù)合修復(fù)技術(shù)。物理修復(fù)（例如熱處理和蒸氣提取技術(shù)）和化學(xué)修復(fù)（例如高級(jí)氧化技術(shù)和淋洗/浸提修復(fù)技術(shù)）可以有效地修復(fù)有機(jī)污染土壤，但其缺點(diǎn)是會(huì)嚴(yán)重?fù)p害土壤的理化性質(zhì)和微生物的生存環(huán)境。此外，設(shè)備復(fù)雜和處理成本高等問(wèn)題也限制了物理和化學(xué)修復(fù)技術(shù)在有機(jī)污染土壤修復(fù)中的規(guī)?；瘧?yīng)用。生物修復(fù)由于具有無(wú)二次污染、成本低等特點(diǎn)而被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的土壤修復(fù)技術(shù)，但其修復(fù)效率在一定程度上會(huì)受到物種地域性及生物有效性的制約。本文通過(guò)總結(jié)生物修復(fù)技術(shù)的限制因素，提出提升修復(fù)效率的可行方法，為減少甚至消除有機(jī)污染物對(duì)土壤環(huán)境的危害提供新角度。

1 生物修復(fù)技術(shù)的限制因素

利用土壤中植物、動(dòng)物和微生物等生物吸收、降解和轉(zhuǎn)化土壤中的污染物質(zhì)，將污染物含量降低到一定水平或者轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)是生物修復(fù)技術(shù)的核心。但在修復(fù)有機(jī)物污染土壤時(shí)，生物修復(fù)技術(shù)的修復(fù)效率易受氣候地理?xiàng)l件、污染物種類(lèi)及結(jié)構(gòu)、污染物在土壤中的存在形態(tài)及污染程度等因素的影響，這些限制因素在修復(fù)過(guò)程中不可忽略。

1.1 氣候地理?xiàng)l件對(duì)物種的制約

修復(fù)場(chǎng)地的氣候地理?xiàng)l件會(huì)限制修復(fù)物種的選擇，氣候、地形地貌和植被結(jié)構(gòu)等決定了修復(fù)場(chǎng)地的物種豐富度。表1列出了生物修復(fù)技術(shù)針對(duì)的污染物種類(lèi)、物種類(lèi)型、氣候地理限制因素及物種適用的修復(fù)條件。在使用生物修復(fù)技術(shù)對(duì)污染地區(qū)進(jìn)行治理時(shí)，不僅需要考慮能有效處理有機(jī)物的生物物種，同時(shí)還需要挑選出適合該地區(qū)氣候地理?xiàng)l件的生物進(jìn)行修復(fù)，因此如何根據(jù)氣候地理?xiàng)l件科學(xué)有效地選擇修復(fù)的物種是修復(fù)技術(shù)的首要問(wèn)題。

表1 氣候地理?xiàng)l件限制因素及適用范圍Table 1 Limiting factors and applicable scopes of climate and geographical conditions

1.2 有機(jī)污染物的存在形態(tài)、結(jié)構(gòu)及毒性對(duì)生物修復(fù)技術(shù)的制約

有機(jī)物進(jìn)入土壤后的遷移方式有吸附、解吸、揮發(fā)、淋濾、降解殘留等，而有機(jī)污染物的自身特性（如易揮發(fā)、難降解、親/憎水性等）會(huì)影響其在土壤中的遷移。例如進(jìn)入土壤后的PAHs 可分為水溶態(tài)、有機(jī)酸可溶態(tài)、結(jié)合態(tài)和鎖定殘留態(tài)4 種形態(tài)。水溶態(tài)有機(jī)污染物可以直接被動(dòng)植物利用；酸溶態(tài)有機(jī)污染物可被植物根系分泌物溶解利用；結(jié)合態(tài)有機(jī)污染物難以被植物或微生物利用，但可以被有機(jī)溶劑解吸；鎖定殘留態(tài)污染物是通過(guò)減緩解吸過(guò)程或隨孔隙水進(jìn)入土壤微孔內(nèi)，由于孔隙彎曲被鎖定在內(nèi)而形成的，通常不能從土壤中釋放出來(lái)。污染物的鎖定受孔隙表面疏水性的影響，研究發(fā)現(xiàn)疏水性強(qiáng)的孔隙表面對(duì)PAHs 的鎖定作用更強(qiáng)，PAHs 的解吸速率變緩慢，生物有效性顯著下降。難降解有機(jī)污染物的鎖定現(xiàn)象會(huì)影響污染物在土壤內(nèi)部及土壤與其他介質(zhì)界面的遷移轉(zhuǎn)化和最終歸宿，而這一部分污染物的去除也是修復(fù)技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，有機(jī)物通常以多種形態(tài)存在于土壤中，如何同時(shí)去除不同存在形態(tài)的污染物和提高鎖定殘留態(tài)有機(jī)污染物的去除亟需進(jìn)一步研究。

有機(jī)污染物的種類(lèi)及其結(jié)構(gòu)、毒性等也會(huì)對(duì)生物修復(fù)技術(shù)產(chǎn)生制約。苯酚對(duì)惡臭假單胞菌（）的生長(zhǎng)抑制作用明顯大于氨基苯磺酸，這是由于苯酚與細(xì)胞外酶、細(xì)胞分泌酶發(fā)生作用破壞酶活性的能力大于氨基苯磺酸。張敏等研究了磺胺二甲嘧啶對(duì)沼氣發(fā)酵過(guò)程中微生物群落的影響，結(jié)果表明磺胺二甲嘧啶對(duì)微生物群落功能多樣性和物種豐富度均有抑制作用，磺胺二甲嘧啶會(huì)抑制微生物產(chǎn)生脫氫酶，且其濃度越高抑制作用越顯著。此外，水溶性低、脂溶性高的有機(jī)污染物易在生物體內(nèi)發(fā)生富集。有研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)氯農(nóng)藥和二氨基甲酸酯類(lèi)農(nóng)藥易在蚯蚓體內(nèi)富集，而蚯蚓對(duì)辛醇/水分配系數(shù)較低的農(nóng)藥（如氯代酰胺類(lèi)除草劑等）的富集能力較弱。此外，污染物的分子量也會(huì)影響其在土壤中的存在形態(tài)，分子量較高的PAHs 更具頑固性且難于從土壤中分離轉(zhuǎn)移到水中，不易被動(dòng)植物利用降解。

1.3 土壤自身環(huán)境及營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)生物修復(fù)技術(shù)的制約

土壤pH、水分、溫度及有機(jī)質(zhì)含量會(huì)影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和新陳代謝。土壤中有機(jī)磷農(nóng)藥的消散是由土壤微生物的代謝活動(dòng)介導(dǎo)的，中性和弱堿性（pH＞6.7）土壤更有利于降解菌發(fā)揮降解作用，而偏酸性土壤環(huán)境會(huì)降低一些微生物（尤其是細(xì)菌）的活性。溫度也是影響微生物活性的重要因素，對(duì)石油烴有較好降解效果的紅球菌TMP2 的最佳生長(zhǎng)溫度為30 ℃，在10～30 ℃的溫度范圍內(nèi)降解正構(gòu)烷烴（C～C）的效果較好，但TMP2 對(duì)姥鮫烷的降解速率在20 ℃時(shí)較高，在30 ℃時(shí)未觀察到降解現(xiàn)象。一般認(rèn)為利用降解菌進(jìn)行生物修復(fù)的最佳溫度范圍為25～35 ℃，溫度過(guò)高或過(guò)低均會(huì)導(dǎo)致微生物活性降低，從而影響降解菌的降解作用。此外，土壤有機(jī)質(zhì)含量也會(huì)影響有機(jī)污染物的降解率，降解菌epI 對(duì)滅線(xiàn)磷的降解速率隨有機(jī)質(zhì)含量的增高而下降。隨著與土壤接觸時(shí)間的增加，有機(jī)物會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，一般認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的吸附作用是疏水性有機(jī)化合物老化存留在土壤中的主要機(jī)制，疏水性有機(jī)化合物能夠與土壤中的有機(jī)質(zhì)形成很強(qiáng)的氫鍵，且不易被解吸，因此難以被動(dòng)植物吸收利用，從而降低了生物修復(fù)效率。同樣，進(jìn)入土壤的污染物會(huì)改變土壤中的營(yíng)養(yǎng)成分結(jié)構(gòu)，影響土壤微生物和動(dòng)物降解污染物的能力。石油污染物進(jìn)入土壤后，改變了土壤中的碳氮比，微生物利用多余的碳作為生長(zhǎng)底物時(shí)會(huì)使可利用的氮、磷等無(wú)機(jī)養(yǎng)分流失，從而影響微生物的生長(zhǎng)及對(duì)石油污染物的降解能力。另外，碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)微生物降解石油污染物的速率也有較大的影響，EMAMI 等分別以硝基氮和氨基氮為不同類(lèi)型氮源，探究了微生物在石油污染土壤中酶活性的變化，研究表明氨基氮作為氮源更利于微生物酶活性提高。此外，土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)作用導(dǎo)致外源菌株對(duì)石油的降解效率未能顯著提高，反而存在菌株死亡率較高的現(xiàn)象。有研究者發(fā)現(xiàn)馴化后的土著微生物因其較強(qiáng)的適應(yīng)性，常具有更高效的降解效率。從遼河油田低溫石油樣品中分離得到的一種嗜麥芽窄食單胞菌（），在15 ℃下接種10 d 后對(duì)石油的降解效率可達(dá)80.16%。

含鹽量高、結(jié)構(gòu)性差的土壤會(huì)引起植物細(xì)胞質(zhì)膜損傷、植物發(fā)育不良等問(wèn)題，從而無(wú)法達(dá)到預(yù)期的修復(fù)效果。土壤環(huán)境的酸堿性變化對(duì)油菜根系的生長(zhǎng)發(fā)育有一定的影響，當(dāng)pH＜5.8 時(shí)，根系開(kāi)始表現(xiàn)出衰老的跡象，植物根際作用減弱。土壤pH 降低還會(huì)導(dǎo)致鈣、鎂、鉀等鹽基離子的加速淋失，導(dǎo)致樹(shù)木生理病害發(fā)生，從而影響植物對(duì)污染物的吸收固定作用。在改良了水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、鹽分含量、pH 和電導(dǎo)率的土壤上種植的堿茅和玉米，較對(duì)照組生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)顯著，改良后的土壤可以減少植物細(xì)胞的損傷、提高植物的選擇性吸收。土壤水分含量對(duì)植株生長(zhǎng)有顯著的作用，當(dāng)土壤水分含量達(dá)到重度干旱水平時(shí)，黑麥草的株高、葉面積、凈光合速率和地上生物量及總生物量均顯著下降，黑麥草的發(fā)育不良導(dǎo)致其對(duì)污染物的吸收和其根際降解作用減弱。土壤溫度是土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的限制性因素，其主要通過(guò)影響土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)及酶活性對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解合成、土壤養(yǎng)分（碳、氮、磷等）的轉(zhuǎn)化和循環(huán)來(lái)影響土壤肥力，例如長(zhǎng)白山西坡苔原帶土壤肥力水平隨土壤溫度升高而升高，土壤肥力是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子。

總之，土壤環(huán)境會(huì)影響生物的生長(zhǎng)及其修復(fù)效率，在修復(fù)污染土壤時(shí)需要考慮生物生長(zhǎng)的有利條件，從而提升生物修復(fù)效率。

2 生物修復(fù)技術(shù)的效率提升

生物修復(fù)技術(shù)會(huì)受到氣候地理?xiàng)l件、有機(jī)物在土壤中的存在形態(tài)、土壤自身的理化性質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)元素等因素制約，其根本原因在于生物在污染土壤中的生物活性和有效性受到了抑制。生物有效性的提升與動(dòng)植物和微生物息息相關(guān)。表2為不同修復(fù)物種對(duì)不同有機(jī)污染物的修復(fù)效果及作用機(jī)理。

表2 不同修復(fù)物種的修復(fù)效果及作用機(jī)理Table 2 The repair effects and mechanisms of different repair species

植物去除有機(jī)污染物的機(jī)理主要有植物吸收與固定、植物根際降解、植物體內(nèi)代謝，以及植物與微生物聯(lián)合降解。在植物的吸收固定中，植物根部細(xì)胞壁在相關(guān)酶和蛋白質(zhì)的作用下與污染物結(jié)合，使其固定在細(xì)胞膜外；也有部分酶（如胞外酶、周質(zhì)酶、胞質(zhì)酶）能夠促使有機(jī)污染物（如石油烴污染物）吸附在細(xì)胞膜胞外聚合物層，從而起到固定降解作用。大量研究發(fā)現(xiàn)，植物根系細(xì)胞壁或根際微生物作用于污染物是植物修復(fù)的主要方式。植物根部分泌的大量有機(jī)物質(zhì)可直接作用于污染物，這些有機(jī)物質(zhì)還能刺激根際微生物對(duì)污染物進(jìn)行分解。特定菌株對(duì)污染物的處理能力更為高效，原因在于其體內(nèi)存在的特異性酶可有效降解污染物。除了使用單一植物修復(fù)技術(shù)，植物與微生物聯(lián)合降解也是一項(xiàng)重要的修復(fù)技術(shù)。植物根際存在著大量的根際微生物，這些微生物不僅能直接作用于污染物，還可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，從而加強(qiáng)植物對(duì)污染物的降解作用。近年來(lái)，許多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)生菌聯(lián)合植物修復(fù)體系對(duì)修復(fù)有機(jī)污染土壤的潛力巨大，例如KHAN 等研究發(fā)現(xiàn)假單胞菌屬（）PD1 接種到柳樹(shù)和草中均可以促進(jìn)宿主植物的生長(zhǎng)，接種植株對(duì)菲的去除效率提升了25%～40%。內(nèi)生菌具有獨(dú)特的木質(zhì)素氧化系統(tǒng)，可以分泌漆酶、木質(zhì)素酶和過(guò)氧化物酶等特異性酶，從而對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行高效降解。

受污染的土壤條件惡劣、生態(tài)系統(tǒng)紊亂，不利于修復(fù)效率的提升，但可以通過(guò)添加外源物質(zhì)（如生物炭、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)）構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，從而提升修復(fù)效率。綜上，通過(guò)對(duì)生物修復(fù)技術(shù)限制因素的分析，本文從物種選擇、生物有效性提升、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定構(gòu)建3個(gè)角度提出提升生物修復(fù)技術(shù)效率的方法。

2.1 物種的科學(xué)性選擇

根據(jù)污染土壤生物修復(fù)主體的不同，生物修復(fù)可以分為植物修復(fù)技術(shù)和微生物修復(fù)技術(shù)兩種，修復(fù)過(guò)程主要會(huì)受到污染物毒性、污染物種類(lèi)、土壤污染程度的影響。

2.1.1 修復(fù)植物的選擇

優(yōu)良的修復(fù)植物應(yīng)該對(duì)污染物具有良好的耐受性，能夠高效富集、降解、固定污染物，同時(shí)具有生長(zhǎng)迅速、能將根部累積的污染物轉(zhuǎn)移到地上枝葉部分且收割方便等優(yōu)勢(shì)。紅桑樹(shù)、黑柳樹(shù)、有根雜種楊樹(shù)、美國(guó)梧桐和黑刺槐等樹(shù)種被用于降解PAHs；狐尾草、狗尾草、蟋蟀草、高羊茅、稗草和堿蓬6 種野草對(duì)土壤中的菲有較高降解效率，其中狐尾草降解效率可高達(dá)81%，堿蓬降解效率最低，僅為42%，植物根的生物量越大對(duì)菲的去除率就越高；在存在15 種PAHs污染物的土壤上種植黑麥草后，發(fā)現(xiàn)具有較高抗生物降解性或低水溶性的二苯并蒽、苯并[G，H，I]苝、茚并[1，2，3-cd]芘等分子量較高的PAHs 的生物有效性較低，且其在受污染土壤的老化過(guò)程中會(huì)與土壤顆粒結(jié)合，導(dǎo)致去除率低于其余PAHs 的平均去除率。NWAICHI 等探究了植物對(duì)原油污染土壤的修復(fù)作用，發(fā)現(xiàn)主要為植物根際區(qū)的降解作用，其中木虱草和檸檬草都表現(xiàn)出較高的修復(fù)效率，降解率分別可達(dá)87%和85%。植物根部可以分泌有機(jī)物質(zhì)，增加石油污染物的生物有效性，并能創(chuàng)造富含糖類(lèi)、氨基酸、有機(jī)酸和生物酶等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的多元有機(jī)環(huán)境，從而增強(qiáng)植物根部周邊微生物群落的新陳代謝活動(dòng)。此外，豆科植物根部分泌的生物酶能有效降解柴油類(lèi)污染物，其降解效率比黑麥草、楊樹(shù)、紫羊茅、歐洲赤松等更高。豌豆和白三葉等豆科植物在種植60 d后，對(duì)柴油的降解率可達(dá)61%，其中豆科植物根部污染物濃度降低，且其根莖葉萃取物中并未發(fā)現(xiàn)柴油成分，表明植物對(duì)有機(jī)物存在直接降解作用。柳科植物和具有很強(qiáng)的石油耐受性，石油中的蒽、菲、芘、熒蒽等物質(zhì)可被植物生長(zhǎng)利用，并可通過(guò)植物體內(nèi)所含的降解有機(jī)質(zhì)酶將其降解固定，經(jīng)過(guò)3 a 的生長(zhǎng)后，土壤中的石油烴濃度降低了近98%。蠶豆、玉米、黑麥等能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的物種對(duì)飽和烴具有較好的降解效果，其次是芳香化合物，而較難降解的部分是樹(shù)脂和瀝青質(zhì)。蠶豆根部可降解47%的飽和烴和26.2%的芳香化合物，玉米根部可降解37.4%的飽和烴和8.2%的芳香化合物，而普通小麥對(duì)飽和烴的降解率為33.2%，對(duì)芳香族化合物的降解率僅為3.9%。

綜上，在針對(duì)修復(fù)PAHs 污染的土壤時(shí)，可采用存活能力強(qiáng)、生長(zhǎng)旺盛、植株數(shù)量多且根系發(fā)達(dá)的植物，這類(lèi)植物根基作用明顯，植物根部及其周?chē)⑸锏南嗷プ饔媚軌蝻@著降低污染物的毒性和持久性。針對(duì)石油、柴油等污染物時(shí)可傾向選擇柳科、豆科植物，其根部分泌的生物酶能更有效地降解石油類(lèi)污染物。選擇農(nóng)作物進(jìn)行修復(fù)時(shí)，應(yīng)選擇既能促進(jìn)土壤污染物降解、又能保證農(nóng)產(chǎn)品安全的物種，例如蠶豆、玉米、花生、甘蔗等，除了直接吸收降解污染物外，其根部分泌的生物酶還能促進(jìn)周?chē)⑸锘钚?。選作修復(fù)植物的農(nóng)作物，還需保證農(nóng)產(chǎn)品的安全。研究表明，葉片是多氯聯(lián)苯的重要儲(chǔ)存庫(kù)，因?yàn)槿~片的質(zhì)量占比大且具有較大表面積?？傮w來(lái)說(shuō)，更多PCBs 集中分布在營(yíng)養(yǎng)器官而不是可食用部分?；ㄉ陀衩鬃蚜Ｖ械腜CBs濃度較低，表明大多數(shù)PCBs遷移進(jìn)入籽粒受到了明顯阻礙。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民可以在受污染的農(nóng)業(yè)土壤種植這些生產(chǎn)性物種，從而獲得最大程度的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1.2 修復(fù)微生物的選擇

在選擇微生物進(jìn)行修復(fù)時(shí)，主要選擇具有能高效降解目標(biāo)污染物、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、不產(chǎn)生毒性物質(zhì)等特性的菌株和菌群。將具有高效特定降解能力的菌株加入污染土壤中，利用其直接降解作用或共代謝作用強(qiáng)化污染物的去除，提高污染物降解速率。s 和這兩種白腐真菌對(duì)芳香族化合物具有良好的降解能力，該菌產(chǎn)生的胞外酶具有較低的底物特異性，能夠降解3 環(huán)和4 環(huán)的PAHs，平均降解率為58%～73%，該菌在土壤中的定殖能力強(qiáng)且與土著微生物有較大競(jìng)爭(zhēng)力。氘菌真菌球孢（）接種在天然氣污染的土壤中能顯著促進(jìn)高分子量PAHs 的降解，原土著微生物雖然對(duì)PAHs 表現(xiàn)出一定的降解能力，但接種氘菌真菌球孢后，污染土壤中5環(huán)和6環(huán)的PAHs被耗盡，總PAHs 降解率為21%～26%，這表明該菌種能夠在非本土土壤中生存并與本土微生物種群競(jìng)爭(zhēng)，且在降解污染物過(guò)程中不產(chǎn)生毒性和其他中間體物質(zhì)。分離于地下深層油藏的采出水中的新型細(xì)菌菌株DQ12-45-1b，能夠利用各種正構(gòu)烷烴（C～C）、芳香族化合物和原油作為生長(zhǎng)碳源，該菌株的優(yōu)勢(shì)是能夠隨著生長(zhǎng)時(shí)間的推移以不同的方式利用各種碳?xì)浠衔?，其早期培養(yǎng)階段優(yōu)先降解短鏈碳?xì)浠衔铮ā蹸），后期培養(yǎng)階段以原油為唯一碳源，能夠降解鏈長(zhǎng)為C～C的碳?xì)浠衔铩?/p>

在厭氧情況下，厭氧微生物也會(huì)產(chǎn)生降解作用，例如硝酸鹽還原細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌、產(chǎn)甲烷聚生體細(xì)菌和金屬還原細(xì)菌對(duì)苯酚有較好的降解效果。WEELINK 等從受污染的含水層中分離出一種可降解PAHs 的單菌（菌株G5G6），該菌的特殊性在于能使用Fe（Ⅱ）、Mn（Ⅳ）和硝酸鹽作為末端電子受體降解芳香族化合物并以此為碳源生長(zhǎng)，可以將甲苯全部氧化并生成CO，不會(huì)產(chǎn)生其他污染物質(zhì)。大多數(shù)氧化甲苯、減少硝酸鹽的細(xì)菌都屬于屬或?qū)?。厭氧生物處理的?yōu)勢(shì)在于不需要大面積曝氣，可以降低總修復(fù)成本，還可以處理地下深層土壤。有研究表明，厭氧細(xì)菌對(duì)有機(jī)污染物的敏感性遠(yuǎn)高于好氧細(xì)菌，因?yàn)楫?dāng)使用硝酸鹽、三價(jià)鐵離子或硫酸鹽代替氧氣作為終端電子受體時(shí)，氧化還原電位更低，細(xì)菌產(chǎn)生的能量較低，使它們對(duì)膜活性化合物（如溶劑）更敏感，所以厭氧生物降解有望代替好氧生物降解。

此外，還可選擇通過(guò)基因改造得到的特異性強(qiáng)的功能菌來(lái)降解目標(biāo)污染物。王建峰等通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)將銅綠假單胞菌（）PAO1 的基因克隆至表達(dá)載體pBBR1-MCS2 和pBBR1-MCS5上，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的生物膜根表功能基因工程菌，新構(gòu)建的4 個(gè)基因工程菌的生物膜形成能力和對(duì)原油的降解率都明顯提高。此外，多功能農(nóng)藥降解基因工程菌株m-CDS-1在環(huán)境中降解甲基對(duì)硫磷和呋喃丹兩種農(nóng)藥的效果明顯提高。

也有研究表明某些單一的微生物菌株釋放到環(huán)境后菌數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，主要是因?yàn)橥庠葱晕⑸餆o(wú)法和土著微生物進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。構(gòu)建高效混合菌群則可以大幅提高其競(jìng)爭(zhēng)能力與降解能力，例如和組成的2 菌株菌群能有效降解吡蟲(chóng)啉；、、組成的3 菌株菌群可用 于 降 解 敵 草 ?。籹p. LR2014-1 和sp.ANB-1 組成的2 菌株菌群能有效降解 利 谷 ??；AT5、sp. NY15 組成的菌群能有效降解阿特拉津。這些微生物菌群對(duì)污染物的降解效率均顯著高于單個(gè)降解菌株的降解效率，且具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

微生物與植物修復(fù)都具有環(huán)境友好、成本低等優(yōu)勢(shì)，但在選擇修復(fù)物種時(shí)，需要因地制宜地選擇最適宜的物種進(jìn)行修復(fù)。同時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮本地物種，因?yàn)閷⑼鈦?lái)物種引入“新”生態(tài)系統(tǒng)的后果是未知的，其對(duì)修復(fù)場(chǎng)地的影響機(jī)理也有待研究。此外，當(dāng)前研究主要探究了單一植物或微生物對(duì)修復(fù)效果的影響，在實(shí)際修復(fù)場(chǎng)地中植物和微生物是共存的，因此，在選擇場(chǎng)地修復(fù)方法及研究物種對(duì)土壤修復(fù)效果的影響時(shí)需要考慮多種植物和微生物的共存情況，且應(yīng)更加關(guān)注整個(gè)微生物群落結(jié)構(gòu)，而非單個(gè)微生物物種。

2.2 有機(jī)污染物生物有效性的提升

2.2.1 微生物和土壤動(dòng)物的引入

土壤中有機(jī)污染物生物有效性較低時(shí)，可以通過(guò)引入對(duì)污染物有較強(qiáng)耐受力的微生物或動(dòng)物來(lái)提高其生物有效性。微生物作為修復(fù)的主體因素，其細(xì)胞膜外胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）對(duì)污染物的遷移、轉(zhuǎn)化和歸宿及其生物修復(fù)的影響顯著。EPS 能增加PAHs 在水中的溶解度，使細(xì)菌細(xì)胞對(duì)PAHs 的生物利用度提高。EPS 中存在疏水性區(qū)域，因此一些強(qiáng)疏水性有機(jī)污染物如萘、苯和染料（如甲苯胺藍(lán)等）都可以被EPS 吸附。當(dāng)堿性藍(lán)54（BB54）濃度在50～400 mg·L范圍時(shí)，TJ-1 分泌產(chǎn)生的EPS 對(duì)其吸附可以在5 min內(nèi)達(dá)到吸附平衡。此外，微生物-植物聯(lián)合也有助于提高污染物的生物有效性。東南景天和鞘氨醇桿菌（sp.D-6）聯(lián)合降解滴滴涕（DDT）時(shí)，植物酚類(lèi)根系分泌物通過(guò)誘導(dǎo)酶或提供共代謝生長(zhǎng)基質(zhì)促進(jìn)根際細(xì)菌的活性，DDT 去除率可達(dá)68%。在冰草和不動(dòng)桿菌（）/假單胞菌（）/無(wú)色桿菌（）/諾 卡 氏 菌（）等幾種微生物聯(lián)合去除原油的研究中，植物為微生物提供了較大的根表面積，提高了微生物活性，經(jīng)過(guò)63 d 的修復(fù)后，污染物降解率可達(dá)88.54%。在蒿柳和乳白蛋巢菌（）聯(lián)合修復(fù)苯并芘體系中，蒿柳提升了乳白蛋巢菌群落豐度，乳白蛋巢菌分泌代謝的物質(zhì)又為蒿柳提供了營(yíng)養(yǎng)。根際土壤區(qū)較多微生物的活動(dòng)可以明顯提高土壤酶的活性，在植物根際土壤中，微生物及酶的共同作用能夠促進(jìn)土壤中污染物的降解。

土壤動(dòng)物對(duì)提升土壤污染物的生物有效性也有一定作用。蚯蚓在土壤中蠕動(dòng)可以改變土壤的透氣性和土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，增加土壤的通氣效率，利于好氧微生物的生長(zhǎng)、代謝、繁殖，同時(shí)影響土壤的氧化還原狀態(tài)，進(jìn)而影響污染物的生物有效性。蚯蚓排出的糞便可作為植物和微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高植物體葉綠素含量，降低植物細(xì)胞損傷，提高其對(duì)污染物的利用。向被草甘膦污染的土壤中加入蚯蚓糞便可以顯著促進(jìn)草甘膦從土壤中解吸。

由于污染物種類(lèi)復(fù)雜，在采用微生物修復(fù)時(shí)引入的微生物和土壤動(dòng)物是否能在復(fù)合污染物的條件下生存發(fā)育、能否有效降解污染物，以及如何提高生物的環(huán)境適應(yīng)能力、保證修復(fù)的長(zhǎng)期性和持續(xù)性，均是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。

2.2.2 有機(jī)溶劑的添加

碳?xì)浠衔锞哂休^高分子量，其對(duì)土壤基質(zhì)的高吸附性和高疏水性限制了生物修復(fù)的應(yīng)用，在某些石油化合物（例如聚芳烴）或其中間體存在的情況下，微生物的活性不足以進(jìn)行高效的生物處理。為了克服這些限制，可在土壤基質(zhì)中添加共溶質(zhì)、共溶劑或溶劑，以提高有機(jī)污染物的溶出，促進(jìn)微生物降解。高濃度植物油可作為不混溶的有機(jī)液體來(lái)影響疏水性污染物（包括吸附在土壤基質(zhì)上的PAHs）在土壤中的存在狀態(tài)，從而提高微生物降解效率。植物油促進(jìn)枯草芽孢桿菌進(jìn)行柴油污染土壤修復(fù)的數(shù)據(jù)顯示，植物油中存在的磷脂、脂肪酸和中性脂質(zhì)能夠發(fā)揮其表面活性劑效應(yīng)，促進(jìn)污染物的遷移和從土壤基質(zhì)中的解吸；同時(shí)植物油為枯草芽孢桿菌提供碳源，增加土壤脫氫酶活性，從而促進(jìn)了柴油污染物的降解，這是一種聯(lián)合化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)來(lái)清潔石油烴污染土壤的新方法，經(jīng)過(guò)修復(fù)后，樣品中碳?xì)浠衔锏慕到饴蔬_(dá)到63%～80%。用植物油進(jìn)行修復(fù)時(shí)，PAHs 的去除效率與土壤洗滌修復(fù)相當(dāng)，且其毒性比通常使用的化學(xué)溶劑的毒性更低，對(duì)土壤微生物和動(dòng)物危害性更小。在全面應(yīng)用該技術(shù)之前，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研究并評(píng)估污染因素，例如污染物的類(lèi)型、污染程度、老化時(shí)間和土壤性質(zhì)。處理時(shí)植物油的用量和處理過(guò)的土壤中的殘油都應(yīng)保持在盡可能低的水平，以避免產(chǎn)生后續(xù)污染。

表面活性劑（SEBR）同樣可用于提高農(nóng)業(yè)土壤中有機(jī)污染物的生物有效性。多項(xiàng)研究表明，表面活性劑不僅可以增加有機(jī)污染物在微生物細(xì)胞中的分配，還可以促進(jìn)污染物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中，從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)生物降解。不同類(lèi)型的表面活性劑能夠通過(guò)破壞細(xì)菌膜和改變細(xì)胞表面疏水性等獨(dú)特機(jī)制，對(duì)PAHs 的生物降解產(chǎn)生促進(jìn)作用。研究發(fā)現(xiàn)表面活性劑會(huì)誘導(dǎo)節(jié)桿菌屬中環(huán)羥基化雙加氧酶（RHDase）和1-羥基-2-萘甲酸酯雙加氧酶（1H2Nase）的產(chǎn)生，這些酶在疏水性芳香族化合物的分解中起關(guān)鍵作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑可促進(jìn)球形節(jié)桿菌對(duì)農(nóng)業(yè)土壤中DDT 的降解。表面活性劑在提高PAHs生物有效性的同時(shí)，還能提高與植物-微生物相關(guān)的生物修復(fù)效率。將甲基芽孢桿菌（）添加到用表面活性劑處理過(guò)的土壤后，總石油烴在30 d 內(nèi)的去除率可達(dá)到80.24%?？傮w而言，表面活性劑聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)是解決農(nóng)業(yè)土壤中有機(jī)污染物綜合污染的有效技術(shù)之一，其具有廣泛的應(yīng)用前景，應(yīng)在未來(lái)的研究中加以重點(diǎn)關(guān)注。然而，有機(jī)溶劑大范圍應(yīng)用后是否會(huì)影響土壤性質(zhì)以及污染地下水等問(wèn)題，還需要研究者進(jìn)一步探究。

2.3 修復(fù)體系中穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建

2.3.1 添加生物炭可直接吸附/降解污染物并穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)

添加生物炭可間接促進(jìn)有機(jī)污染物的降解。富含生物炭的土壤呈明顯的黑色，土壤顏色加深降低了土壤的表面反射率，能夠吸收更多的輻射能量從而提高土壤溫度；生物炭顆粒的加入會(huì)引起土壤中的氧化作用及羧基官能團(tuán)的增多，提高土壤的親水性，從而增強(qiáng)土壤的持水能力，在砂性土壤中效果明顯。另外，生物炭的加入有利于土壤pH 的調(diào)節(jié)，土壤pH的提高能有效固定營(yíng)養(yǎng)元素（如鉀素）。此外，生物炭還可增強(qiáng)植物與微生物的相互作用，有助于去除PAHs，無(wú)論是單一PAHs還是多種PAHs的混合物，被生物炭影響的微生物菌群對(duì)PAHs 生物降解的效率都優(yōu)于單獨(dú)使用菌株。生物炭和石油降解細(xì)菌組合促進(jìn)了細(xì)菌種群的多樣性和碳?xì)浠衔锏纳镉行浴?/p>

生物炭的添加不僅改善了土壤肥力和碳儲(chǔ)量，而且極大地調(diào)節(jié)了土壤的理化性質(zhì)和細(xì)菌活性，有利于體系中穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建和污染物的降解，其作為改善土壤環(huán)境的外源輸入材料，能夠直接或間接參與土壤生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮、磷的循環(huán)，為穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了新角度。

2.3.2 電強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)

電強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)通過(guò)使污染物移動(dòng)以及刺激細(xì)菌（例如PAHs 降解細(xì)菌和烴降解細(xì)菌）活性實(shí)現(xiàn)修復(fù)，該技術(shù)已成功應(yīng)用于修復(fù)多種有機(jī)污染土壤，對(duì)十五烷、苯酚和五氯苯酚（PCP）的去除率分別可達(dá)77.6%、51%和60%。電強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其電場(chǎng)可以覆蓋到地下污染物存在的區(qū)域，從而促進(jìn)污染物隨流體介質(zhì)移動(dòng)并去除，但電極周?chē)捎陔姖B作用和電解作用易產(chǎn)生極端pH 區(qū)域，不利于微生物的生長(zhǎng)和污染物的去除，故可采用陰陽(yáng)極交換的極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)，該方法幾乎不會(huì)引起土壤水分和pH 的變化，能抑制極端pH 區(qū)域的形成，還能加速污染物的礦化，并可促進(jìn)土壤中細(xì)菌和養(yǎng)分的混合，陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣還能增強(qiáng)有氧微生物活性。在極性反轉(zhuǎn)電場(chǎng)中采用電動(dòng)-生物復(fù)合修復(fù)技術(shù)處理污染物芘，芘去除率為63%，是生物修復(fù)方法的1.7倍，且在電場(chǎng)作用下的細(xì)菌計(jì)數(shù)比無(wú)電場(chǎng)作用下高?？傮w來(lái)說(shuō)，采用電動(dòng)生物復(fù)合修復(fù)技術(shù)不僅可以增強(qiáng)微生物與污染物之間接觸混合的多樣性和連通性，還能保持統(tǒng)一的pH和濕度條件，維持均勻的微生物分布，并可以增加有效電場(chǎng)、增強(qiáng)生物降解面積，有利于構(gòu)建一個(gè)健康穩(wěn)定的修復(fù)生態(tài)環(huán)境。

電強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)的主要挑戰(zhàn)之一是如何克服污染物大規(guī)模轉(zhuǎn)移的極限，之二是傳質(zhì)電阻。影響傳質(zhì)電阻的主要因素是導(dǎo)電性，包括反應(yīng)器設(shè)計(jì)、電極材料和土壤介質(zhì)等。土壤中的總有機(jī)碳、黑炭、碳、氮等參數(shù)可以作為電強(qiáng)化生物修復(fù)技術(shù)的重要參數(shù)，優(yōu)化這些參數(shù)可能是提高修復(fù)效率的有效方法，并可降低修復(fù)成本。因此，進(jìn)一步研究使用這些參數(shù)和統(tǒng)計(jì)建模來(lái)預(yù)測(cè)和促進(jìn)特定污染部位中的修復(fù)性能，將有利于在該研究領(lǐng)域取得突破。

2.3.3 添加營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑促進(jìn)植物和微生物生長(zhǎng)

在土壤修復(fù)過(guò)程中，人為添加碳、氮、磷等養(yǎng)分能顯著促進(jìn)植物和微生物的生長(zhǎng)和降解能力，肥料作為最常用的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑被廣泛使用。關(guān)于施用無(wú)機(jī)肥和親脂肥對(duì)石油烴降解的影響研究發(fā)現(xiàn)，肥料的添加可以顯著提高總烴的降解率和脂肪酶的活性，當(dāng)碳?xì)浠衔镂廴緡?yán)重時(shí)，可通過(guò)施肥對(duì)本地土壤微生物進(jìn)行生物刺激來(lái)提升去除率，且初始的總石油烴污染程度越高，施肥對(duì)石油烴的去除影響就越明顯，其中當(dāng)污染物初始濃度為2 500 mg·kg時(shí)，施加無(wú)機(jī)肥后降解率為74%，施加親脂肥后降解率可達(dá)80%。AYOTAMUNO 等使用含氮型肥料原位修復(fù)石油污染的農(nóng)業(yè)土壤時(shí)也發(fā)現(xiàn)，添加肥料在厭氧條件下能為微生物提供所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其石油烴的降解率高達(dá)50%～95%。由腐植酸、諾沃肥和氮磷鉀復(fù)合肥構(gòu)建的復(fù)合營(yíng)養(yǎng)助劑能夠有效刺激石油烴污染土壤中土著微生物的生長(zhǎng)，提高土壤微生物的數(shù)量，增強(qiáng)脫氫酶活性，在使用該復(fù)合營(yíng)養(yǎng)助劑處理60 d后石油烴降解率可達(dá)31.3%～39.5%，不添加營(yíng)養(yǎng)助劑的修復(fù)效率僅為3.5%。通過(guò)添加營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑同樣可以提高對(duì)PAHs 的降解效率，AMBROSOLI 等在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，添加乙酸鹽、乳酸鹽或丙酮酸鹽等營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑后，PAHs的降解率均顯著提高。在添加營(yíng)養(yǎng)物時(shí)還需注意營(yíng)養(yǎng)物的配比，例如分別以（NH）SO和KHPO為氮源和磷源，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)物中碳、氮、磷的摩爾比為60∶3∶1 時(shí)，節(jié)細(xì)菌（DX-9）對(duì)石油的降解效率最高。添加營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑可以改善土壤性質(zhì)（土壤有機(jī)質(zhì)和持水量），提高土壤的耐鹽性，增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)元素（磷、鉀、鎂、鋅和錳）的有效性，重塑土壤微生物群落組成并增強(qiáng)植物光合作用，促進(jìn)植物和微生物的生長(zhǎng)，建立微生物與植物共生體系，提高植物、微生物對(duì)有機(jī)污染物的耐受性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，從而提高生物修復(fù)能力。

由此可見(jiàn)，營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑提供了生物生長(zhǎng)所必需的無(wú)機(jī)或有機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分，從而促進(jìn)了生物的生長(zhǎng)活動(dòng)，提高了生物修復(fù)的降解效率。但不同處理因污染物類(lèi)型、土壤理化情況、肥料類(lèi)型等因素的差異而在不同污染地點(diǎn)表現(xiàn)出不同的效果，且過(guò)量添加營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑也會(huì)降低微生物的降解能力，因此根據(jù)污染物類(lèi)型和污染程度，選擇添加適當(dāng)類(lèi)型、數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)劑才可增加生物對(duì)污染物的降解效率。

3 結(jié)論和展望

本文綜述了生物修復(fù)技術(shù)的限制性因素，發(fā)現(xiàn)氣候地理?xiàng)l件對(duì)動(dòng)植物的選擇具有制約性，有機(jī)污染物的存在形態(tài)會(huì)影響修復(fù)效率的提升，而土壤自身環(huán)境與營(yíng)養(yǎng)也會(huì)影響生物的有效性。依據(jù)這些限制性因素，提出了提升修復(fù)效果的方法。根據(jù)污染物、場(chǎng)地的特殊性，針對(duì)性地選擇動(dòng)植物和微生物。植物主要依靠根系細(xì)胞壁及蛋白質(zhì)對(duì)污染物進(jìn)行吸收降解，此外根系產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)還可以起到固定污染物的作用；微生物通過(guò)自身的特異性酶利用污染物，而動(dòng)物通過(guò)直接吸收等方式降解污染物。除了動(dòng)植物、微生物對(duì)污染物的直接降解，通過(guò)添加有機(jī)溶劑、生物炭、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等也可間接影響污染物的存在形態(tài)，提高生物有效性。由于污染場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜多變且污染物種類(lèi)繁多，有機(jī)物污染土壤具有較大的修復(fù)難度，采用單一的修復(fù)技術(shù)難以達(dá)到預(yù)期修復(fù)效果。因此，需要根據(jù)污染場(chǎng)地的實(shí)際情況，綜合各種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，尋求高效復(fù)合修復(fù)技術(shù)，使修復(fù)后的土壤能夠快速恢復(fù)性能，重新投入生產(chǎn)利用。

有機(jī)物污染的土壤面積大、范圍廣、程度深、降解難，相關(guān)修復(fù)治理工作勢(shì)在必行。生物修復(fù)技術(shù)作為最有效可行的綠色修復(fù)技術(shù)，對(duì)于其效率提升等問(wèn)題的解決仍需進(jìn)一步的探索和研究。本研究提出以下展望：

（1）有機(jī)污染物在土壤中的遷移方式因土壤理化性質(zhì)、地質(zhì)氣候條件的復(fù)雜性而異，導(dǎo)致有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化形態(tài)也不同。為了達(dá)到更好的修復(fù)效果，需進(jìn)一步從微觀尺度探究不同有機(jī)物污染組分和土壤之間的相互作用，揭示有機(jī)物污染分子在土壤介質(zhì)中的遷移、轉(zhuǎn)化和降解規(guī)律，從而尋求合理的修復(fù)治理方法。

（2）在選擇高效降解菌株時(shí)，快速分離篩選方法、對(duì)降解的影響因素、代謝機(jī)制都需要深入研究，同時(shí)可以通過(guò)分子生物學(xué)、基因工程學(xué)對(duì)菌株基因進(jìn)行升級(jí)改造，從而提高菌株的特異性。

（3）添加生物炭后，土壤中的腐殖質(zhì)、礦物質(zhì)（離子和顆粒物）等組分會(huì)如何影響生物炭對(duì)污染物的吸附降解仍需進(jìn)一步研究。此外，將生物炭進(jìn)行功能化改性可提高生物炭對(duì)有機(jī)污染物的固定效果，但需確定最佳功能化生物炭改性條件，為提高修復(fù)效率提供研究基礎(chǔ)。

（4）添加有機(jī)溶劑、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等可以提高修復(fù)效率，但其對(duì)土壤環(huán)境的具體改變尚不明確，需進(jìn)一步確定其環(huán)境與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。