微生物—植物联合修复石油污染土壤的研究进展

谢丽凤 吴卫飞

摘要：概述了根际效应、根系分泌物、菌根在微生物—植物联合修复石油污染物土壤的机理和应用，并展望了该修复技术在石油污染土壤的应用前景。

关键词：微生物修复;植物修复;石油;污染土壤

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）08-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.08.018

Advances in microbial-phytoremediation of petroleum-contaminated soils

Xie Lifeng1，Wu Weifei2

（1.Zhonghuan Huacheng （Xiamen） Environmental Protection Technology Co.， Ltd. Zhejiang Branch， Ningbo Zhejiang 315800，China;

2.Ningbo Shengyong Marine Technology Co.， Ltd.，Ningbo Zhejiang 315000，China）

Abstract： The mechanism and application of rhizosphere effect， root exudates and mycorrhizal fungi in the remediation of petroleum contaminated soil bymicroorganism-plant combination were summarized， and the application prospect of the remediation technology in petroleum contaminated soil was prospected.

Key words：Microbial remedialion;Phytoremediation; Petroleum;Eontaminated soil

随着人们对石油的需求逐年增加，石油工业发展迅速，在石油开采、冶炼、运输和使用过程中产生的含油废水排放、各种石油制品的挥发和不完全燃烧飘落等问题不可避免的造成石油污染土壤。石油污染物引起土壤的理化性质发生改变，影响植物正常生理活动，改变土壤中微生物的群落结构和降低生物多样性。石油中一些难降解的烃类可能通过食物链进入人体，危害人体健康。因此，急需采取高效可行的修复手段清除石油污染物和恢复土壤环境。

1 石油污染土壤修复技术概况

目前，石油污染土壤的修复技术大体分为三种：物理修复、化学修复、生物修复。20世纪80年代以前，治理石油污染土壤仅限于物理和化学修复，这些方法虽然可以取得一定的修复效果，但是存在操作繁琐、投资大、破坏土壤的结构和组分、污染物清除不彻底、二次污染等问题。生物修复因成本低、对环境影响小、无二次污染、操作便利、可原位修复等优点，得到了研究人员的广泛关注。生物修复主要包括微生物修复、植物修复和微生物—植物联合修复。

2 微生物—植物联合修复

微生物—植物联合修复是利用由土壤、微生物、植物组成的复合体系共同降解石油污染物，兼具微生物修复和植物修复的优点。石油污染物的降解过程主要发生于根际区域，现在普遍认为根际效应、根系分泌物和菌根在微生物—植物联合修复体系中发挥着重要的作用。

2.1 根际效应和根系分泌物

根际是植物与微生物相互作用的一个生物活性区域，该区域内存在根系发育和死亡、根系物脱落、根系分泌物的产生、植物和微生物呼吸、土壤的团粒结构变化等一系列影响土壤成分变化的活动。根际范围随植物种类及土壤、气候条件有所不同，根际影响显著的范围仅有2～3mm，影响距离达2～3cm;距根越远，根际效应越小。根系分泌物是植物根系在生长代谢过程中向周围环境分泌或脱落的有机化合物的总称，含有较多的糖类、氨基酸、有机酸、酶类物质以及各种次生代谢物质，在根际效应中起到最重要的作用。

Gerhardt等[1]總结了根际降解污染物的可能机理：①根系生长可以改善土壤理化性状，促进好氧环境的形成。②根系为微生物提供生存场所和营养物质，改善微生物的依附环境，增加了微生物生物活性、群落数量和多样性，或者选择性富集污染物降解特性的菌群。研究表明，在石油污染的水稻田中分离出的芽孢杆菌，仅在水稻根系分泌物存在的情况下才能在石油污染物中生长[2]。大豆、碱草与石油烃降解菌联合处理石油污染土壤135d后，土壤石油烃的降解率达63.65%～83.26%;植物根际土壤石油烃含量明显低于非根际土壤;根际土壤中微生物数量比非根际土壤高2个数量级[3]。③根系分泌物为石油污染物提供共代谢底物，共代谢被认为是降解顽固石油烃的主要途径，根系分泌物中许多次生代谢物的结构与石油烃类似，微生物对根系分泌物的代谢可刺激酶的通路、增强协同代谢过程或施加选择压力来增加石油烃的代谢。桑橙、杂交柳树、近心形破布木、白桑的根系分泌物可作为苯并[a]芘的共代谢底物，促进其降解，去除率达到15%～20%[4]。PAHs专性降解菌与高羊茅联合修复PAHs污染农田土壤时，在植物根系生物量大、分泌物量多时（90～120d期间），土壤中环数多的PAHs的降解率显著高于前期[5]。④根际酶促反应降解污染物。王金成等研究表明，外源石油降解菌与金盏菊联合作用有效改善了土壤根际微环境，土壤脲酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性均不同程度的呈增加趋势;微生物群落多样性指数、均匀度指数均呈逐渐增加;土壤中TpHs、pH、有机质含量、含盐率总体呈下降趋势;土壤碱解氮、速效磷及速效钾含量总体呈上升趋势[2]。紫花苜蓿分泌的漆酶可降解各种芳香族化合物，杨树分泌的脱卤酶可促进卤代芳烃和多环芳烃的降解[6]。微生物分泌的酶类物质也可促进石油烃的降解，并被认为是核心降解过程，目前2-羟基苯醛脱氢酶、单/双加氧酶等已可人工提取纯化。⑤微生物的代谢作用可降低污染物的毒性，促进植物生长，加速污染物降解过程。⑥植物和微生物的分泌物可提高污染物的生物可利用性。如鼠李糖脂等生物面活性剂可降低石油烃表面张力，提高其溶解度，即可增加微生物和植物对其的吸收转化率。一些植物分泌的低分子量羧化物，如草酸、柠檬酸，能螯合土壤中部分离子，改变土壤的微孔结构，增加石油烃的释放量。在野外堆制后的石油污染土壤进行植物修复研究发现，与非根际土壤相比，碱蓬根际土壤的pH值降低，微孔数目减少显著，微孔表面积和体积分别减少了0.28m2/g、0.53mm3/g[7]。

2.2 菌根

“菌根”是土壤中一定种类的真菌与植物根系所形成的互惠共生体，德国植物生理学家和森林学家Frank在1885年首次提出。按照形态和结构的不同，菌根可分为3个主要类型：外生菌根、内生菌根、内外生菌根。外生菌根的真菌多属于担子菌种的牛肝菌属、鹅膏菌属和蘑属，也有少数属于子囊菌的块菌目;而丛枝菌根（VA菌根）是最主要的内生菌根，主要的真菌属于内囊霉科。近年来，菌根在土壤污染物修复中的应用越来越受关注。菌根共生体可促进植物对营运元素的吸收，某些菌根还能合成酶类、维生素、植物生长激素等活性物质，促进植物生长，提高植物对温度、盐度、酸碱性、重金属、疾病等的耐受性。

目前较为认可的菌根生物修复的机理主要有以下几个方面：①直接利用污染物作为营养物质;或者在污染物的诱导下产生独特的酶（如蛋白酶、酯酶、多酚氧化酶、过氧化物酶等），直接降解污染物。Braun-Lüllemann等纯培养了16种外生菌根真菌，并发现其中大多数外生菌根真菌对菲、芘、屈、苯并[a]芘等4中PAHs具有不同程度的降解能力[8]。②菌根通过外延菌丝向土壤延伸，扩大与土壤的接触面积。研究表明，菌根外延菌丝的长度可比根系长1000倍，外延菌丝与土壤的接触面积可超过300m2，比根系面积大10倍[9]。③菌根的形成可改善根际的微环境，促进植物的营养吸收，提高植物生物量和耐受性。根内孢囊霉和变形球囊霉侵染高羊茅后，能促进植物对土壤中菲和芘的吸收，显著提高高羊茅根系和叶片内菲和芘的含量，土壤中多酚氧化酶、脱氢酶和过氧化氢酶活性显著提高[10]。④菌根可为微生物提供生存场所和营养物质，促进菌根根际各种菌落的形成，提高根际微生物生物活性、种群密度和多样性。紫花苜蓿与菌根真菌、芽孢杆菌和黄杆菌两种降解菌联合修复PAHs污染农田土壤90d后，土壤中微生物群落结构发生了变化，群落多样性由3.17提高至3.45，高分子量PAHs的降解率高达64.11%[11]。在石油烃污染的土壤中，欧洲赤松与卷边桩菇或粘盖牛杆菌形成菌根，外延菌丝遍布根际土壤，菌丝表面聚集了各类石油烃降解菌，这些菌群大大提高了石油烃的降解率[12]。

3 展望

微生物—植物联合修复石油污染土壤方面具有环保、经济、高效等优点，但是一般适合修复中、低浓度石油污染土壤，修复效果受场地条件、环境条件和污染物性质影响较大。因此今后可在以下几方面开展进一步的研究：①深入研究不同条件下，微生物—植物联合修复过程、机制及控制因素，筛选具有高效降解作用的土著菌，或在与土著菌竞争中可成为优势种的高效降解菌;②加强现场试验，完善技术，优化工艺，推进实际应用进程;③对于高浓度石油污染土壤，可研究物理、化学、生物联合修复技术。

参考文献

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[12]Sarand I，Timonen S，Nurmiahho Lassila E L，et al.Microbial biofilms and catabolic plasmid harbouring degradative fluorescent pseudomonads in Scots pine mycorrhiza-spheres developed on  petroleum contaminated soil[J].Microbiol. Ecol.，1998，27（2）： 115-126.

收稿日期：2019-05-10

作者简介：谢丽凤（1985-），女，汉族，硕士研究生，工程师，研究方向为环境影响评价、环境治理修复研究。