污染土壤微生物修复技术

刘张 周成

(云南省轻工业科学研究院 云南昆明 650034)

微生物土壤修复是利用土著或者外源微生物群,在适宜的环境条件下,促进或强化微生物降解功能,从而达到降低有毒污染物活性或降解成无毒物质的生物修复技术[1]。与物理化学和植物土壤修复技术相比,因具有:(1)经过修复的土壤环境的物理、化学和生物学性质基本保持不变,甚至会优于原有土壤的性质;(2)最大限度地降低污染物的浓度;(3)处理形式多样,可就地处理;(4)环境影响小;(5)修复成本费用低;(6)应用限制较小等优点,微生物修复技术广泛地应用于污染土壤的修复中。

1 土壤微生物修复技术的原理

1.1 土壤环境的自净作用

土壤环境的自净作用是指在自然因素作用下,污染物的数量、浓度或毒性通过土壤自身的净化机制降低的过程。根据自净作用机理不同,土壤的自净作用分为物理、物理化学、化学和生物净化作用四种。

1.2 土壤环境的污染过程

物质和能量输入土壤体系后,在土壤中发生迁移、转化和积累,从而影响着土壤环境的组成、结构、性质和功能;同时土壤也向环境中输出物质和能量,并不断地影响环境的状态、性质和使用功能。正常情况下,两者之间处于一种稳定的动平衡状态。但当生产和生活中产生的污染物质通过各种途径进入到土壤中,污染物的数量及进入土壤的速度超过了土壤环境自身的净化能力,土壤的自净作用无法完成,就会造成污染物的积累,从而引起土壤正常功能的紊乱和土壤质量的下降。由于土壤环境中污染物质还会发生迁移和转化,还会引起大气、水体和生物污染。

图1 污染物在土壤中的迁移和转化

1.3 影响微生物土壤修复的因素

(1)受体土壤特性:土壤是由固、液、气三相组成的分散体系,土壤的孔隙度和质地、土壤酸碱度、化学平衡、氧化还原等物化性质都影响着土壤的微生物修复技术。

(2)污染物的特性：污染物的理化特性决定了污染物的溶解性、分子排列、空间结构和化学功能团等特征,这些特征决定了土壤污染物的微生物可利用性及生物降解的难易程度。

(3)微生物活性影响因素:包括微生物生长的营养物质,电子受体(如溶解氧(DO)、有机物分解的中间产物和无机酸根等)及微生物菌群间的协同作用等。

1.4 土壤微生物修复技术原理

大多数环境中都存在着能够降解有毒有害污染物的天然的微生物(土著微生物),但由于营养盐缺乏、溶解氧不足,能高效降解的微生物生长缓慢甚至不生长等因素,往往自然净化过程极为缓慢。土壤的微生物修复技术就是基于这一情况,通过提供氧气、添加营养盐、提供电子受体、接种经驯化培养具有高效降解作用的微生物等方法加强土壤自净过程。

2 微生物土壤修复技术

2.1 接种微生物

土壤中的微生物种类繁多,但受污染的土壤而言,不一定存在能够降解相应污染物质的微生物。为提高污染土壤中污染物的降解效果,需要接种具有某些特定降解功能的微生物,并使之成为其中的优势微生物种群。接种的微生物通常为土著微生物、外来微生物和基因工程菌三类。

2.1.1 土著微生物

当土壤受到有毒有害物质的污染后,土著微生物会出现一个自然驯化适应的过程。不适应污染土壤的微生物逐渐死亡;适应环境的微生物则在污染物的诱导作用下,逐渐产生能分解某些特异污染物的酶系,在酶的催化作用下使污染物得到降解、转化。因此,通过接种驯化后的土著微生物优势菌,缩短微生物生长迟缓期、保持微生物活性优点。如为解决大豆除草剂氯嘧磺隆在土壤中残留时间长的问题,研究人员从残留有氯嘧磺隆的土壤中分离出一株高效降解氯嘧磺隆的真菌,该土壤氯嘧磺隆的降解率达到94.88%,同时油菜出苗率由10%提高到80%,使得氯嘧磺隆污染的土壤有很好的修复作用[2]。

2.1.2 外来微生物

为解决土著微生物生长速度缓慢、代谢活性低或因污染物的影响引起土著微生物的数量下降时,接种对污染物有较高降解作用的优势菌种。该菌种可缩短微生物的驯化期、克服降解微生物的不均匀性、加速污染物的生物降解、恢复微生物区系等作用。在修复五氯酚(PCP)污染的土壤时,添加黄孢原毛平革菌进行堆肥修复的效果明显不加菌,经过60d的堆肥,五氯酚基本得到降解,降解率能达到了94%以上[3]。

2.1.3 基因工程菌

利用DNA的体外重组、质粒分子育种、原生质体融合技术等遗传工程手段,筛选出能改变某些微生物作用的底物范围、对土壤污染物有专一性或能增加高效降解作用的酶的数量和活性的基因工程菌,并用于土壤修复。Bathe等将含有苯胺降解质粒的Pseudomonas putidap NB2菌株接种到生物膜反应器中,提高了对氯苯胺的降解能力[4]。

2.2 添加营养物

微生物的生长不仅需要有机物质提供碳源,还需要其他营养物质。可以通过向污染土壤中添加微生物生长所必需的营养物质,来改善微生物生长环境,促进污染物降解和转化能力。如对含油污泥进行生物修复时,添加酵母膏或酵母废液可显著地促进石油烃类化合物的降解。此外,使用营养盐的效果随环境不同而不同,通过实验发现,C:N:P的比值为100:60:1时处理效果比较明显[5]。

2.3 添加表面活性剂

微生物对污染物的生物降解主要在酶的催化作用进行,但发挥降解作用的很多酶都不是胞外酶。通过向污染土壤环境中添加表面活性剂,增加污染物与微生物细胞的接触率,促使污染物得到分解。在含煤焦油、石油烃和石蜡等污染物的土壤修复中,使用添加表面活性剂能取得较好的效果。同时选择表面活性剂易于生物降解、对土壤中的生物无毒害作用且不会引起土壤物理性质的恶化、通常本身就能促进污染物可得性。

2.4 现有微生物土壤修复技术状况

表1 现有微生物土壤修复技术概况[6]

3 污染土壤微生物修复处理工艺

微生物土壤修复处理工艺技术主要分为原位(in situ)处理工艺、异位(on situ)处理工艺和反应器(bioreactor)处理工艺三类。

3.1 原位处理工艺

图2 原位微生物修复工艺示意图

原位处理工艺是直接向污染地区提供氧气、营养物质、最终电子受体或接种微生物,实现污染物的生物降解修复处理工艺技术(图2)。一般采用土著微生物进行生物降解,但有时也加入经过驯化和培养的外源微生物来加速处理过程,提高处理效果。通常情况下还需要加入一些有利于生物降解的工程强化措施。根据所采取的工程措施的差异,将原位处理工艺包括生物通风工艺、土地耕作工艺和生物强化修复工艺。

3.2 异位处理工艺

异位微生物修复工艺是从原地迁移受污染的土壤,在异地利用微生物方法,采取一定的工程手段,降解污染物,恢复土壤的原有功能性状,包括挖掘堆置处理工艺和堆肥修复工艺。较为常用的是堆肥修复工艺。

3.3 反应器处理工艺

反应器微生物修复工艺是将受污染的土壤挖掘出来加入反应器中与水混合,通过接种微生物,维持适宜条件,在反应器内处理完成后,再将土壤和水分离运回原地(图3)。反应器处理工艺以水相为中间介质,主要包括土壤浆化生物反应器、生物过滤反应器、固定化微生物反应器和厌氧反应器四种。

图3 土壤微生物修复反应器示意图

3.3.1 土壤浆化生物反应器

土壤浆化生物反应器是将污染土壤与水在一个反应器中均匀混合,使其成为泥浆状,接种相应的微生物并加入营养物质,在充分供氧的条件下剧烈地搅拌,对受污染的土壤进行生物降解处理。该工艺能降解多种有毒有害的有机物质,如多环芳烃、杂环化合物、杀虫剂、石油烃和氯代芳烃。

由于以水相为主要处理介质, 该工艺能够实现了各种环境条件(如pH 值、温度、氧化还原电位、氧气量、营养物浓度、盐度等) 的有效控制,溶解氧和营养物的传质速率快,反应器处理污染物的效果明显,但工程复杂,处理费用较高。另外,在用于难生物降解物质的处理时须慎重,防止污染物从土壤迁移扩散到水中[5]。

3.3.2 生物过滤反应器

生物过滤反应器可用于降解许多挥发性的有机化合物,例如挥发性氯化物、丙酮、丙荃、甲苯、苯、二氯乙烷以及氯乙烯等。反应器中微生物固定在固态载体上,含污染物的气流通过载体,实现污染物的微生物降解。生物过滤反应器包括滴滤床反应器和生物洗涤器等类型。

3.3.3 固定化微生物反应器

固定化生物反应器是通过应用固定化技术提高反应器中微生物的细胞密度,使溶液中的污染物在通过生物膜时,其降解速度有所提高。

3.3.4 厌氧反应器

氯代化合物、三硝基甲苯等的微生物降解都需要厌氧条件。厌氧菌对氯代化合物分子进行还原脱卤,高氯代取代的多氯联苯、四氯化碳、PCE等卤代产品,可在厌氧菌作用下转化为氯取代较少的有机化合物,然后再利用好氧微生物的作用将其进一步分解。

4 微生物土壤修复技术的发展与展望

近些年,微生物土壤修复技术发展较为迅速,集中表现在:(1)筛选高效降解菌株、微生物酶制剂及其他环境修复制剂的研发,如澳大利亚的Orica-Watercare公司开发出有机磷水解酶制剂Landguard TM,用于土壤中有机磷农药污染的修复,效果显著[7];(2)探索新型土壤修复反应器工艺技术,如研发针对土壤中烃类等有机物生物降解及土壤生物修复效率进行定量监测的土壤生物修复反应器[8],模拟极端条件下(特别是高温石油污染)土壤有机污染微生物修复反应器[9];(3)组合使用:与动植物或物理化学土壤修复技术相结合,如利用根瘤菌-豆科植物共生体系促进重金属污染地氮素循化和营养元素积累[10];与土壤电动修复技术联用,提高原位微生物修复技术的修复效率[11]等。

微生物代谢活动易受环境条件变化的影响,特定生物只能吸收利用降解转化特定类型的化学物质,施用条件苛刻等原因,使得目前微生物技术在污染土壤修复应用受限,对化学农药等难降解污染物生物降解研究,仍局限于实验室研究。突破应用的局限,未来微生物土壤修复技术着重发展方向将主要集中在以下5个方面:(1)多途径、多方法分离和筛选具有高效降解特性的菌株,建立高效降解菌的种子库;(2)利用基因手段改良现有菌株适应性的步伐,扩大降解范围,提高降解能力;(3)加快降解酶的酶学研究;(4)进行微生物制剂的产业化生产及田间应用条件研究;(5)不同修复方式之间的组合研究。

[1]滕应,骆永明,污染土壤的微生物修复原理与技术进展[J].土壤,2007,39(4):497－502.

[2]韩婷婷,孙庆元,宗娟等.一株黄曲霉菌种对土壤氯嘧磺隆残留的降解特性.大连工业大学学报 Vol. 29 No. 5 Sept.2010.

[3]蒋晓云,曾光明,黄丹莲,陈洋,陈鑫,黄国和.接种白腐菌堆肥修复五氯酚污染的土壤 环境科学 Vol. 27,No. 12 Dec.,2006.

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[5]李晔,陈新才,王建兵.富含油脂污泥在土壤浆化反应器中的生物修复.环境科学技术, 2001年5月.

[6]和文祥,洪坚平.环境微生物学,2007.

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[8]201020138298.X,赵东风,张云波,刘其友,吴伟林.极端环境下土壤有机污染生物修复的模拟反应器 中国 B09C1/00(2006.01) 2010.03.19.

[9]CN200920277431.7 贾建丽,李广贺,张旭,李东,曹琳,王旭博.定量分析污染物去除过程的有机污染土壤生物修复反应器.中国 B09C1/00 2009.11.19.

[10]韦革宏,马占强.根瘤菌-豆科植物共生体系在重金属污染环境修复中的地位、应用及潜力.微生物学报,50(11):1421－1430;4 November 2010.

[11]赵庆杰.土壤电动修复中匀强电场对土壤细菌群落的影响.安徽农业科学,Journal of Anhui Agri. Sci.2011,39(19):11551－11554.