沉积物中持久性有机污染物生物修复的现状与展望

黄勤超，黄民生，池金萍，宋 力，陈 丽

（1.华东师范大学环境科学系，上海200062；2.浙江省环境保护科学设计院，杭州310007）

20世纪50年代以来，随着工农业的飞速发展使人工合成的有机物种类和数量与日俱增，其中持久性有机污染物（persistent organic pollutants，POPs），是指具有持久性、生物富积性、高毒性和半挥发性的环境有机污染物。沉积物是POPs的“沉积库”，是“汇”，也是水体和土壤污染的内源。POPs污染是一个复杂的化学过程，它能够通过生物富集作用在生物体内达到较高的浓度，从而对生物体产生较强的毒害作用，这些污染物还能够通过水／沉积物界面的迁移转化作用重新进入水体，即在气－水－生物－沉积物等多介质环境生物体系中迁移、转化和暴露，最终在人和动植物体内大量积累，从而对整个生态系统造成严重威胁［1－2］，其中POPs在气－水－生物－沉积物的迁移转化如图1［3］。大量研究表明，POPs物质对生态环境污染的严重性和复杂性远超过无机酸性气体、重金属等物质对环境体系的损害，且大多数POPs具有三致效应，还有可能导致生物体内分泌紊乱，影响人体和动物的生殖系统和免疫系统。其主要来源有工业释放，如多氯联苯、六氯苯；农林牧业防止虫害的杀虫剂，如艾氏剂、氯丹、滴滴涕、狄氏剂、异狄氏剂、灭蚁灵、毒杀芬、七氯和六氯苯；不完全燃烧与热解、含氯化合物的使用、氯碱工业、纸浆漂白和食品污染等。POPs对全球环境和人类健康危害的严重性及其来源的广泛性，引起了各国政府、学术界、工业界和公众越来越广泛的重视，现已成为一个倍受关注的全球性环境问题。

长期以来，沉积物中POPs的污染治理都是一个广为研究的问题，更是一个值得日益深思的问题。传统的污染治理技术，如填埋、回收、高温处理等处置方法不仅效率低、费用高，并且易产生有毒有害的中间产物而造成二次污染，而生物修复（bioremediation）的优势在于它利用的是生物，能将存在于土壤、地下水和海洋等环境中的有毒、有害的污染物降解为二氧化碳、水或转化为无害物质。较物化修复方法和生物修复方法成本低，能彻底清除POPs，不会造成二次污染。现将对POPs的生物修复方法进行简要综述，为推进POPs的修复治理提供理论基础。

图1 POPs在气－水－生物－底泥的迁移转化

1 沉积物中POPs物化修复技术

实践表明，常规的物理修复技术如土地填埋，通风去污和去表层土等并不能从根本上解决POPs的污染问题，只能把污染物暂时转移，且成本昂贵，去除不彻底，一般只能用于土壤中点污染源的治理。化学方法对底泥中POPs的处置还在不断完善中，化学制剂与底泥中POPs由于接触不完全而导致反应不彻底，产生新的污染性或毒性更强的物质，造成二次污染，且费用较高。表1列举了目前国际上已应用或研究的POPs废物处置技术的适用对象、成熟程度和处置费用等。

表1 主要POPs物化处理技术［4］

2 生物修复

生物修复是指利用生物（包括微生物、植物、动物）将存在于土壤、地下水和海洋等环境中有毒、有害、难降解的污染物降解为CO2和H2O或其他无毒无害的物质，从而将污染环境修复成正常环境的工程体系。生物修复可分为微生物修复、植物修复、动物修复和现代生物修复。

2.1 微生物修复

微生物修复是指利用微生物机体的代谢活动将POPs转化为易降解的物质甚至矿化。即利用微生物将污染物大分子转化为小分子，实现污染物的分解和降解［5］。20世纪80年代，从黄杆菌（Flavobacteriumsp）和假单胞菌（Pseudomonas diminuta）将有机磷水解酶提纯出来以来，人们就观察到微生物对有机磷的降解作用，开始尝试将有机磷水解酶用于有机磷农药的降解［6］。李国学等［7］利用高温堆肥降解六六六和DDT，他们发现当对反应条件进行一定的控制时，对DDT的降解率甚至可以达到100%，可见微生物在适宜的条件下对POPs具有较好的降解效果。据报道，2004年通过中国科学院微生物的研究，获得可用于构建高效降解工业废水中氯代芳烃类化合物的微生物菌株基因资源，并有望进一步推出POPs微生物修复技术［8］。目前，我国的研究大多集中于高效降解菌的筛选和降解机理等方面。科研工作者通过富集培养等技术已发现了细菌、白腐真菌等多种能够降解POPs的微生物。Donnelly等［9］的研究中，一些外生菌根真菌降解POPs的能力较白腐真菌强，具有更好的降解PCBs的能力（见表2），但其降解能力具有一定的局限性，目前尚无研究表明外生菌根真菌能降解DDT，值得注意的是，DDT及其同系物DDE、DDD都具有氯代芳烃结构。

表2 部分POPs的降解微生物［10－13］

由于实际环境体系复杂，沉积物中微生物的营养受到限制，降低了微生物对有机污染物的降解活性。向水体沉积物中投加某些化学制剂（如氧化剂和营养物质），采用化学－微生物联用法会促进微生物对污染有机物的降解作用。该技术已成功用于加拿大Hamilton港油和有机化合物的（主要为PAHs）污染沉积物的修复中试研究［14］，试选择Dofasco Boatslip区域（1 000m×1 000m）作为试验区，利用附带有注射管道的船舶在1年中分4次向受污染的沉积物注入氧化剂Ca（NO3）2，总计约为18.5t。其中最后1次同时注入5t有机营养物。结果发现，1年后沉积物中48%的PAHs和57%的油被厌氧微生物降解。Xu等［15］将1.2%（W／W）的Osmocote（一种含N、P、K水溶性无机盐的SRF产品）投加到5%（W／W）的阿拉伯轻质原油滩地沉积物中，然后搅拌均匀。结果发现，试验期间（105d），混有Osmocote的沉积物孔隙水中N和P的含量明显提高，和PO－43－P最高值分别达到29.0，37.8和26.2mg·L－1，同时土著微生物的脱氢酶活性在第28天也达到了最高值［14.5 mgNTF／（kg·h－1）］，与空白参照相比，混有Osmocote沉积物中的直链烷烃（C10－C33）、支链烷烃（姥鲛烷和植烷）和PAH s（2－6环）的一阶降解速率常数分别增大3.95，5.50和2.45倍。以上结果说明，Osmocote在沉积物中能够持续释放营养物，为土著微生物提供充足养分，持久性有机物降解率明显提高［16］。且沉积物中的持久性有机物主要存在于固相中，生物可利用性较差，加入TriTonX 2100等表面活性剂（BS）能促进水相POPs的生物降解，有研究表明，非离子表面活性剂可以提高POPs的降解程度，该技术逐渐得到人们的重视。

2.2 植物修复

植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，去除、转化和固定土壤、底泥、地下水、地表水中的一些POPs的新兴技术［17］。是当前生物修复研究领域中的热点（如人工湿地），即使一些污染物在植物体内大量积累，也可以通过转移植物而将其清除。植物对环境中POPs的修复主要通过以下3种途径实现：植物对POPs的直接吸收；植物根际作用吸收、转化和降解；植物根部分泌的酶降解底泥中的POPs。目前，典型POPs植物修复包括对PCBs、PAHs、有机氯农药等难溶、难降解有机物的修复。

植物修复是一种原位修复技术，它不像生物修复技术可能会导致细菌等微生物对土壤和地下水造成生物性污染，因此沉积物植物修复技术的开展是一种必然的趋势。据调查，目前关注的POPs主要有多氯联苯（PCBs）、多环芳烃（PAHs）、有机溶剂（TCE等）、总石油烃（TPH）、杀虫剂（DDT、BHC等）等和爆炸物（TNT）等有机污染物（见表3）。这些污染物能被特定的植物不同程度地吸收、转运和降解。Liste等［18］于2000年的研究中选用9种不同的植物进行研究。结果表明，它们均可促进芘的降解，种植植物8周后的土壤中芘消失了74%，而未种植植物的土壤中芘最多消失了40%。Tam＼在温室内利用桐花树对受PAHs（3－5环）污染的红树林藻泽沉积物进行修复研究。桐花树在污染沉积物中能够生长，154d后对沉积物中芴、菲、荧蒽、芘和苯并芘的去除率分别达到87.02%，73.40%，56.51%，55.21%和33.57%。Chekol等［19］通过室内模拟实验研究了苜蓿草（Medicago sativa）、黧豆（Lathyrus sylvestris）、虉草卷（Phalaris arundinacea）、柳枝稷（Panicum virgatum）、高牛毛草（Festucaarundinacea）等7种植物对PCBs（Aroclor，1248）污染土壤的修复作用。经过4个月的处理后，与未种植物的对照相比，所有栽种植物的处理中PCBs的生物降解性都显著提高，其中虉草卷和柳枝稷的降解效果最好。Chen等［20］比较了小胡瓜（Cucurbita pepo ssp.pepo）、黄瓜（Cucum is sativus）和南瓜（Cucurbita pepo ssp.ovifera）对PAHs的吸收作用，以28d为1个周期，4个周期全部结束后，小胡瓜吸收PAHs的量是黄瓜和南瓜吸收PAHs量之和的2倍，从而证明小胡瓜对PAHs有较好的修复效果。Aslund和Zeeb（2007）的研究表明，植物的直接吸收是植物修复PCBs的关键机制，能够显著地降低土壤中PCBs的浓度。实验用南瓜（Cucurbita pepossp.pepocv.Howden）、莎草（Carexnormalis）、高牛毛草（Festucaarundinacea）来修复土壤中的PCBs污染，初始PCBs的平均浓度为46μg·g－1。经修复处理后，莎草内的生物累积系数达0.129，南瓜体内的生物累积系数为0.115，且离根越远的枝叶内PCBs的浓度越低，3种植物都表现出对PCBs的直接吸收作用。高创新等［21］比较了芦苇（Fhragmites communis）、香蒲（TyPha orientalis）、水葱（Scirpus validusVahl）对五氯酚（PCP）的修复，结果表明修复效果为：水葱＞香蒲＞芦苇，且在根际微生物的作用下，植物对PCP的降解效果更好。

表3 有机污染物土壤植物修复的基本类型和进展［22］

研究还发现，由于疏水性有机污染物（如PAHs、PCBs等）难以被植物根系吸收转运而大量积累在植物根际，根际修复通常在此类有机污染物修复中占主导作用。Sandman［23］研究证明许多根际区的农药降解速度快且降解率高与根际区微生物的生物量增加呈正相关，发现微生物联合群落比单一群落对化合物的降解有更广泛的适应性。植物根系能够释放大量的有机污染物降解酶于沉积物中，如漆酶、硝基还原酶、脱卤素酶、腈水解酶和过氧化物酶等［24］，这些降解酶的存在能够促进沉积物中POPs的降解。Macek等［25］研究发现腈水解酶能够降解氯化氰苯，脱卤酶可降解含氯溶剂，如TCE（四氯乙烯），生成Cl－，H2O和CO2，PCBs的降解速率与过氧化物酶活性成正相关。Huang等［26］研究发现，在物化、微生物和植物修复的联合作用下，牛毛草（Festucaarundinacea）能够有效地去除土壤中的杂酚污染物。经4个月的处理后，一共去除了16种优先PAHs，其去除率比单独的生物修复高50%，比单独的植物修复高45%。更重要的是，经过多步骤联合处理，可以有效地去除土壤中大多数高疏水性、土结的PAHs。

2.3 动物修复

动物修复是指底泥中的一些大型土生动物和小型动物种群，能吸收和富集残留在土壤中的POPs（如有机氯农药、多环芳烃、多氯联苯等），并通过自身的代谢作用，将部分POPs转化成低毒或无毒产物，此方法对底泥的要求条件较高。据报道，蚯蚓对六六六、DDT等农药的积累能力一般比外界大10倍，对DDT的积累最高达70倍左右。目前，大量研究探讨了耐性植物对POPs的降解作用，而结合土壤动物对沉积物－植物系统对POPs降解效果的强化作用却鲜见报道。

2.4 现代生物修复技术

现代生物修复技术主要包括基因工程，酶工程，细胞工程和发酵工程。这些技术以基因工程为核心，相互联系，相互渗透，基因工程技术的发展将会带动酶工程、细胞工程、发酵工程的发展。现代环境生物技术在POPs的控制和治理方面具有不可替代的优势，得到了广泛的应用。而酶工程处理费用高，若使用不当，可能产生有毒物质，比较适合低浓度、高毒性有机污染物的处理，但反应副产物的稳定化、反应残余物的处理还有待研究。基因工程为改变细胞内关键酶或酶系统，提高微生物降解速率，拓宽底物专一性范围，维持低浓度下代谢活性以及改善POPs降解过程中的生物催化稳定性等提供了可能。通过引入编码新酶的活性基因，对现有的基因物质进行改造、重组，从而构建出新的微生物，基因工程可用于氯代芳烃混合物的降解。生物的降解反应中，微生物之间共生或者互生现象普遍存在，通过原生质体融合技术，可以将多个细胞的优良性状集中到一个细胞内，使之具有新的性能。目前，细胞工程所涉及的主要技术有动植物组织和细胞培养技术、细胞融合技术、细胞器移植和细胞重组技术、DNA重组技术和基因转移技术等。随着这些技术的发展，必将为POPs的控制技术注入新的活力。

3 总结与展望

POPs的生物修复发展迅速，部分技术在实施治理中已经取得了良好的效果，尤其是微生物修复技术和植物修复技术。但各种修复法均存在一定的局限性，如处理效率低，易产生二次污染，处理周期长，费用高等。为解决这些问题，促进POPs生物修复技术的发展，进行以下总结和展望。

（1）微生物技术可广泛用于点源和面源污染的治理与修复，是一种既经济又安全的POPs降解技术。但特定的微生物只能降解特定类型的化合物，具有单一性，而POPs种类繁多，且大多数的POPs在环境中的浓度极低，不能维持降解细菌所需的群落，更何况微生物对POPs的降解能力很差，其活性受环境条件的影响也特别大。因此，考虑完善POPs高效菌株的构建，降解酶的构造，利用分子生物技术改变蛋白质的表达等现代生物技术将会给受POPs污染的环境修复带来更有利的条件。

（2）植物修复技术适用于大面积、低浓度的污染位点，成本低，效率高，无二次污染，不破坏生物生长所需的环境，且植物不仅能通过根系吸收难降解的POPs，而且能迅速地从环境中吸收转移，并可同时去除POPs和重金属、放射性核素。因此，加快发展植物修复技术，用于修复浅水区或湿地受污染的沉积物。通过微生物联合植物修复或构建转基因植物可提高植物对污染物的耐受性和吸收、富集、降解能力。

（3）物化－微生物、植物－微生物和物化－微生物－植物修复技术的联用将会进一步促进沉积物POPs的降解。另外，探索对POPs降解的最优组合和条件也是一个值得研究的问题。

（4）现代生物技术的研发和完善会给POPs的修复带来更为有利的条件，动物对POPs修复的研究在国内外并不多见，还处于起步阶段，尚有待进一步的研究。

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