石油污染土壤的微生物修复技术研究进展

徐丽萍

(四川化工职业技术学院 泸州 646005)

1 生物修复技术的基本原理和方法

生物修复技术最初是由Sufita等人在20世纪80年代提出，指利用微生物及其他生物的吸收、转化、清除或降解作用，将土壤中的石油污染物降解成CO2和H2O等无害物质，使污染的土壤生态功能得到修复。

该技术主要有以下优点：不破坏植物生长所需的土壤环境、理化及生物性质；修复过程中不出现二次污染；处理效果好；形式多样、操作相对简单；处理成本相对较低且应用广泛。生物修复技术按生物种类可分为植物修复、动物修复和微生物修复；按修复地点又可分为原位生物修复和异位生物修复。

1.1 植物修复 植物修复是指利用植物根系的吸收作用以及植物体内发达的酶系统对环境污染物进行清除、分解、吸收或吸附功能，使土壤生态系统得到恢复的土壤修复技术。研究表明，许多微生物和植物都能从周围环境中富集重金属，但缺乏一种经济有效的方法回收这些微生物，而回收富集了重金属的植物相对比较容易。植物对石油污染土壤的修复作用主要表现在利用植物对石油污染物的吸收，植物体内释放的各种分泌酶或酶类物质促进了污染物的降解及在植物根际微域的矿化，使污染的土壤生态功能得到恢复。植物降解有机污染物的成功与否，取决于有机污染物的生物有效性，即植物微生物的吸收与代谢能力。修复方式有植物萃取技术、根际过滤技术、植物固化技术、植物挥发、植物辅助生物修复技术和植物转化技术[1]。

1.2 动物修复 动物修复是指将污染土壤上的植物体本身或其粮食产物等喂养动物，或者直接将土壤动物(蚯蚓和线虫类等)饲养在污染土壤中[2]，达到去除环境中的有机污染物，从而修复土壤污染的修复技术。

1.3 微生物修复 微生物修复是指利用土壤中的土著微生物或向污染环境接种的经驯化的高效微生物，在优化的环境条件下加速分解污染物，实现修复土壤污染的技术。根据修复过程中是否有取土操作，可分为原位修复和异位修复。

1.3.1 原位修复 原位修复是指将污染土壤在污染地区直接采用土著微生物或驯化微生物进行处理，从而修复土壤污染的技术。这种技术主要取决于油污土壤自身微生物的自然降解能力及人为创造的合适降解条件，以促进微生物生长繁殖，最终达到去除污染物的目的。污染土壤经过处理，所有多环芳烃的降解都很明显。但是，三环和多环芳烃的降解率一般明显低于60%。因为就地处理对温度较敏感，所以只能在气温高于8℃的月份进行[3]。原位修复技术包括投菌法、生物培养法和生物通气法。

(1)投菌法 该法直接向油污土壤引入外源污染物降解菌，同时添加降解菌生长所需营养物，以促进其对污染物的降解。

(2)生物培养法 该法定期向油污土壤中加入可作为电子受体的物质(营养、氧、双氧水)，从而提高土著微生物的代谢活性，达到去除土壤污染物的目的。

(3)生物通气法 该法通过向土壤中通入空气，提高微生物氧化降解活性，从而去除土壤污染物。该法适用于多孔结构土壤的修复。

1.3.2 异位修复 该法将被污染土壤从污染地挖掘或抽取出来，在异地用生物的或工程的手段进行处理，实现恢复土壤功能的目的。该法主要包括土壤耕作法、预制床法、堆制处理法和生物反应器法[4]。

(1)土壤耕作法 将污染废物处理成泥浆样物料施于土壤，然后经灌溉、施肥及加石灰处理，使土壤保持最佳含氧量、水分及pH，并通过耕作使石油污染物降解。该方法应用广泛，但缺点是有可能引起污染物的转移[4]。

(2)预制床法 该法将污染土壤移至预制床，经施肥、灌溉和调控pH，有时还加入微生物和表面活性剂，将污染物的迁移量减至最小[4]。

(3)堆制处理法 该法将受污染的土壤从污染地区挖掘并运输到经过处理的地点堆放，形成上升斜坡，再进行生物处理。该方法是治理高浓度不稳定成分的有效方法，并可加入干草、树叶和肥料等调理剂[4]，是一种特殊的预制床法。

(4)生物反应器法 生物反应器法中以泥浆反应器法最为灵活，其工作原理是向污染土壤加水调成泥浆，装入生物反应器内，通过人为控制生物降解条件提高处理效果，是处理高浓度重油污染土壤的有效方法之一[5]。

2 微生物修复土壤石油污染的原理和方法

2.1 土壤微生物修复的原理 受污染的土壤之所以能够用微生物修复的方法来治理，有以下两个原因：一是土壤中存在着多种多样的微生物，这些微生物能够适应变化了的环境，能够产生分解污染物的酶，具备以污染物为碳源进行代谢的功能，能够降解或转化土壤中难降解的污染物；二是进入土壤中的污染物大部分具有生物可降解性。微生物处理石油的主要代谢途径有：将石油烃分解为CO2和H2O；将石油烃转化为微生物自身成分物质，如蛋白质、氨基酸、脂类和多糖等；将石油烃转化为其他物质，如各种醇、苯酚、醛、脂肪酸等[6]。

2.2 降解石油的微生物种类 能够降解石油的微生物种类很多。目前了解，细菌、放线菌、酵母菌和霉菌中有100多属的200多种，能生活在石油中，并通过生物氧化降解石油。细菌以假单胞菌、棒状杆菌、节杆菌、黄杆菌、无色杆菌，以及小球菌属、弧菌属等较常见，但最常见的是假单胞菌，可使多种烷烃彻底降解；放线菌包括链霉菌和诺卡氏菌，它们对烃类的降解常不彻底，有中间产物积累；真菌是石油降解微生物的主要类群，包括酵母菌中的假丝酵母、红酵母和球拟酵母等，以假丝酵母最为常见，该菌对营养要求不高，且在分解石油的同时可生产酵母蛋白；霉菌中的枝胞霉被认为是主要的解烃真菌，曲霉和青霉也较常见，它们在pH<6且含氮量低的环境中也能降解石油，在土壤中的降解作用远大于水体中。此外，有些蓝细菌也能降解石油。自然界中石油烃类的降解常以混合菌株的联合作用效果较好[7]。

2.3 影响微生物降解石油污染的因素 在微生物修复过程中，许多因素会影响生物处理石油污染的速度和效果。

2.3.1 石油的理化性质 石油产品的可降解性随其组分的种类和大小的不同而不同。一般而言，各类石油烃的微生物可降解性的排列顺序如下:饱和烃>芳香烃>胶质和沥青。在饱和烃部分中，直链烷烃最容易被降解；在芳香烃部分中，二环和三环化合物较容易被降解；胶质和沥青则极难被微生物所降解[7]。从分子结构来看，一般认为各类石油烃的微生物可降解性的次序为：少于C10的直链烷烃>C10～C24或更长的直链烷烃>少于C10的支链烷烃>C10～C24或更长的支链烷烃>单环芳烃>多环芳烃>杂环芳烃[4]。

石油浓度对微生物降解的影响主要表现为在低浓度时降解率低，但随着浓度的升高，降解率增大；但达到最大值后继续升高浓度，则反而会出现抑制作用，使降解率降低。研究表明[4]，向土壤中添加油泥使土壤中烃浓度达到1.25%～5%时，土壤的呼吸强度增大；烃浓度达到10%时，土壤的呼吸强度不再增大；而烃浓度达到15%时，土壤的呼吸强度则下降。

2.3.2 微生物的种类和菌群 土壤中的微生物群是影响石油降解速率的直接因素，不同微生物对石油中不同组分的降解能力不同。可以用于生物修复的微生物有土著微生物、外来微生物、基因工程菌以及其他生物(藻类、原生动物)等。研究表明，混合培养菌的石油降解效果明显高于单株培养菌。例如，魏呐等通过筛选驯化的耐盐复合高效微生物菌群，对大港油田石油开采产生的废水成功地进行了有机物降解处理[10]；何诩等通过施加微生物菌剂对污水灌区石油烃污染土壤进行了处理，修复后的土壤中石油烃污染物的降解率达到了54.23%[11]。发生这种现象的主要原因是混合培养有可能具有以下优势：混合培养可以加快菌株的生长速度；不同微生物可以降解不同的物质；可消除底物或产物对单一菌株的抑制。

当受污染环境中的土著微生物生长过慢、代谢活性不高时，可人为投加一些适合于降解该污染物的高效外来菌帮助降解。另外，采用基因工程技术还可将具有降解石油污染物特性的质粒转移到一些能在污染土壤中生存的菌体内，定向地构建高效降解污染物的工程菌。到目前为止，已发现自然界所含的降解性质粒多达30余种，其中主要的有假单胞菌属中的石油降解质粒等。

2.3.3 环境因子 土壤石油污染的降解速度除了受土壤中微生物的种类和数量、石油本身的化学组成及物理性质影响外，还受环境条件的影响。因此，可通过改变环境条件(包括温度、土壤pH、含水率、通气状况及营养物含量等)，提高微生物对石油污染物的降解率。

(1)温度 温度主要影响石油烃的物理状态、化学组成以及微生物本身的代谢活性和降解酶的活性。适当选择较高的温度可以促进原油中一些对微生物有毒性的物质的挥发，也可以增加原油的乳化程度，有利于微生物对油类的降解。在进行微生物修复时，要紧密结合当地的气候条件和环境因子。Ward等[3，12]研究了环境因素对温暖湖水中烃降解速率的影响，发现烃降解微生物整年活动，但石油烃降解速率却与季节相关。

(2)营养物质 微生物的生长繁殖需要碳、氢、氧、磷和其他各种矿物质元素。石油烃污染物含有大量的碳和氢，而氮和磷相对缺乏，因此适时适量施用氮、磷肥料可以加快石油污染物的降解。就降解效果而言，无机氮比有机氮好，硝酸氮比铵态氮好[13]。石油中富含反应基团可以与无机氮、磷结合，并限制消化作用和脱磷酸作用，使土壤中有效氮、磷的含量降低。研究表明[14]，氮、磷元素的配比以5∶1～10∶1比较合适，但需结合实际处理的污染土壤加以确定。氮源主要有NH4+、NO3-，磷源则主要有PO43-。

(3)含氧量 微生物对石油烃的降解可以在有氧条件进行，也可以在厌氧条件下进行。一般而言，烃化合物在厌氧条件下的生物降解速率要比在有氧条件下慢得多。因此，对于绝大多数好氧微生物可采用翻耕土地方法提供充足氧，或向污染土壤中投加H2O2为微生物降解提供电子受体，强化它们对烃类污染物的去除效果。研究表明[13]，通气可为石油烃污染土壤中的微生物提供充足的电子受体，可保持土壤 pH 稳定，从而促进微生物的生物活性，强化其对石油污染物的氧化降解作用。然而，通气量过高不利于微生物的活性发挥，这可能是太高的通气量影响土壤的温度，使微生物分解有机物释放的能量不足，补偿通气对温度有降低的作用，使降解率下降。

(4)pH 一般认为，低的pH会影响氮的转化，当pH稍高于中性时，对硝化作用及氮的进一步转化都比较有利。大多数土壤微生物的适宜pH在6～8之间。

(5)含水率 研究表明：含水率低于30%时，微生物在水中摄取营养物质的能力就会降低，有机物分解缓慢；当水分低于12%时，微生物的繁殖就会停止。相反，含水率高于65%时，水分会充满物料颗粒间的间隙，堵塞空气的通道，使空气含量大量减少，不利于好氧微生物的生长。在通氧生物反应器中，泥浆相的含水率可适当提高。

在中性点不接地系统中，当系统发生单相接地故障时，系统仍可以在故障状态下继续运行一段时间，有供电连续性高的优点。但不接地系统发生单相接地故障后，非故障相会产生较高的过电压，影响系统设备的绝缘性能和使用寿命，后果是出现更频繁的故障。

(6)盐度 研究表明[13]，随着盐添加量的增大，微生物降解石油的性能逐渐降低。在此过程中，微生物的数量没有明显变化，其存活性没有受到盐度的影响。但是，由于渗透作用的影响，使微生物活性逐渐降低，影响对石油的降解率。

2.3.4 共代谢作用 共代谢作用主要是指微生物的“生长基质”和“非生长基质”共酶代谢。“生长基质”是指可以被微生物利用作为碳源和能源的物质；而非生长基质(例如，有些污染物等)是指不能作为微生物的碳源和能源的物质。共代谢作用是一种很独特的代谢方式，某些有毒难降解物质(非生长基质)不能被微生物直接降解，但添加易被微生物降解的物质(生长基质，如葡萄糖和乙醇等)后，则可以促进或启动难降解物质的降解。例如，许多微生物以土壤中低分子量的多环芳烃化合物(双环或三环)作为碳源和能源，并将其完全无机化，但是共代谢能促进其对四环或多环高分子量芳烃的降解。据报道[15]，有一个洋葱假单胞菌株以甲苯为生长基质时可对三氯乙烯共代谢降解。

2.3.5 表面活性剂 在石油污染物的微生物降解过程中，污染物必须通过细胞的外层亲水膜进入细胞内后才能被降解酶降解，故污染物的疏水性成为其被微生物代谢所降解的主要障碍，而利用表面活性剂可提高污染物的亲水性。魏德洲等[16]采用生物泥浆法，研究了油酸钠和十二胺对石油污染土壤微生物治理效果的影响。结果表明，阴离子型表面活性剂油酸钠能明显促进石油污染物的微生物降解过程，大幅度提高微生物的除油效果。史继诚等[17]发现一定浓度的表面活性剂Tween-80对重油的生物降解有促进作用，但Tween-80浓度过高则会对降解起抑制作用。

3 微生物修复技术的局限及展望

微生物修复技术在快速发展的同时还存在着许多的局限性，主要体现在：①环境因素或污染物存在状态的改变都会使微生物的降解难以进行；②当污染物浓度太低不足以维持一定数量的降解菌时，残余的污染物就会留在土壤中，使污染物不能达到100%的降解；③特定的微生物只能够降解特定的化合物类型，化合物形态一旦变化就难以被原有微生物酶系降解；④其他物质对微生物修复的抑制及促进效应及修复过程中的基因调控机理还有待研究。

今后应着重做好以下工作：①深入了解生物修复机理、修复过程的基因调控机制；②通过基因工程构建高效降解菌；③尽可能将微生物修复过程与当地实际气候条件和环境因子紧密结合。

总之，微生物修复技术以其效率高、治理费用低和现场可操作性强的特点，仍广泛应用于污染环境的治理。随着生物技术的发展，利用微生物修复技术治理污染土壤将会有巨大的发展潜力。