土壤生物修复技术研究进展

李秀璋，张宗豪，刘欣，李玉玲

(青海大学畜牧兽医科学院，西宁 810016)

利用传统物理化学方法处理土壤污染物不仅费时费力而且费用高昂，同时可供传统方法处理和暂时储存相关污染物的空间也在逐渐减少。此外，目前看来传统方法并不能确保土壤中的污染物被完全销毁[1]。因此，在过去很长一段时间内，寻找成本效益高和环境友好的替代方法来处理污染土壤成为该领域研究的热点。随着相关技术研发投入的增多，一些模拟自然恢复的土壤修复技术逐步脱颖而出，研究发现一些生物修复技术成为清除许多土壤污染物最理想的方法[2]。生物修复技术是一种利用自然界的相关生物，即：植物、真菌、细菌等对各种污染物进行降解和无害化处理的方法，目前主要以相关微生物资源的筛选和应用推广为主。由于生物修复技术成本相对较低且技术含量适中，一般公众接受度高，适用范围广等特点，逐步得到大家认可[3-5]。目前对于生物修复过程中所选用的微生物主要以受污染地区的原生境微生物的筛选应用为主，利用其它地区分离筛选出的优良菌株进行发酵培养后也可以用于当地土壤污染物的修复。土壤污染物的降解主要通过微生物的相关代谢过程发生转化或富集，污染物的毒性降低或消除[6]。生物修复的主要过程涉及相关微生物所释放的一些酶类物质对污染物的作用，这些酶类物质通过水解等过程将污染物降解为无毒或低毒化合物[7]。使用地区的环境条件是限制微生物土壤修复剂是否正常发挥作用的关键，只有在适宜微生物生长的环境条件才能最大程度的发挥微生物制剂的作用，实现微生物的快速生长和土壤污染物的高效降解[8]。其中最主要的限制因素有土壤pH值、温度和湿度等，因此在使用微生物修复剂之前常需要对污染土壤进行相应的前处理(表1)。例如，若土壤中酸性较强，则可以通过加入石灰的方法来调节土壤pH值[9]。温度是限制微生物相关生物化学反应速率的关键因子，在一定范围内，温度每升高10℃，部分生物制剂的反应速率增加近一倍[6]。

表1 微生物制剂高效运行的最佳环境条件(Vidali 2001 )

1 土壤中常见污染物来源

土壤污染主要是指对植物生长和动物健康有不利影响的持久性有毒化合物、化学品、盐分、放射性物质或致病化合物在土壤中的累积。垃圾填埋场的渗流、工业废弃物的排放、工农业污水在土壤中的排放、地下油气库的破裂、农药化肥、杀虫剂和除草剂的过量使用、固体废物的渗流、武器弹药的不当安装、爆炸和拆除等是引起土壤污染的主要方式(表2)[1，11-14]。

表2 土壤主要污染物来源

2 生物修复策略

有机污染物的生物修复主要是将其转化为二氧化碳、水和其它一些小分子化合物，一些污染物也可以通过结合腐殖质来进行固定。根据所用微生物制剂的差异，土壤污染物的降解分为好氧条件和厌氧条件[15-17]。对于生物制剂的选择主要基于污染物对生物转化的适应性、污染物对微生物制剂的可及性和生物活性条件的优化。通过对生物制剂加工工艺的选择和生长条件的调整，可以有效强化降解过程，提高降解效率，最终实现处理成本的降低[18-20]。从土壤处理的场地又可以将生物处理技术分为原位处理和异位处理。所谓异位处理技术是指通过挖掘或浇灌的方式，将污染土壤或地下水等从污染源移走；而原位处理技术是指直接在污染土壤或水源区域进行污染物处理的技术。由于相对成本低、干扰少，并且能有效降低污染物在挖掘和运输中费用以及这个过程中对土壤可能造成的二次污染，因此原位处理技术是最常用的选择[6，21]。

2.1 异位修复法

土地耕作被认为是最常见的一种异位土壤修复技术，是一种通过生物降解或降低土壤中有机污染物浓度的地上修复技术。这种技术通常是对污染土壤进行翻耕形成土壤污染物的位移，在地面形成多孔隙的松散土层，随后经过自然通风或添加矿物质、营养物质和水分的方式来刺激土壤内好氧微生物活动，对土壤污染物进行转化或降解，最终实现污染物的清除[22]。由于常见的传统翻耕只能实现对表层污染土壤的处理，翻耕深度为25cm，深翻机械的翻耕深度也仅仅只能达到约40cm左右，无法实现对深层污染土壤的处理。因此，需要现代深耕机械的配合进行定期的翻耕和碾磨，促进好氧微生物的生长[18，23-24]。

堆肥也是一种较为常见的异位生物修复技术，是实现有毒有机化合物降解的一种常见方法，堆肥能够有效减少土壤中有机残留物、生活垃圾和农副产品中金属污染物的毒性[25，26]。堆肥类似于微生物在土壤中分解有机废物的生物反应过程，堆肥过程中的温度通常比土壤温度高，导致污染物的溶解度增加、堆肥中相关微生物代谢活性增强，加快对污染物的降解实现肥力的提高。堆肥中基质含量的高低也是影响污染物降解的重要指标，较高的基质含量可形成微生物与污染物的共代谢，最终实现有机污染物的降解。此外，污染物中常见的较坚硬的金属、塑料、玻璃、石头等固体，也是影响堆肥效果的因素之一。这类物质常需要进行一定的前处理，例如通过研磨、混合和筛除不可降解的材料，为生物处理堆肥材料提供良好条件[27,28]。不仅如此，有机污染物的性质、堆肥的条件和过程、微生物群落结构和堆肥时间都是影响堆肥效果的重要因素[29,30]。

生物堆制法是一种土壤耕作和堆肥相结合的一种方法。这种方法主要是将翻出的土壤与土壤改良剂相混合放置在处理区，并通过强制通风进行生物修复，将污染物转化为二氧化碳和水。基本生物双堆系统包括一个处理床、一个曝气系统、一个灌溉或营养系统和一个渗滤液收集系统。生物堆制的土堆最高可达6m左右，通过覆盖塑料以控制径流、蒸发和挥发，实现加热的目的，提高处理效率[31]。生物堆制法可以为本地适宜的微生物制剂提供良好的好氧或厌氧发酵环境，这是实现污染物清除的关键[30-32]。

生物反应器是利用自然界中存在的具有特殊降解能力的微生物，经分离纯化后接种至液相或固相的反应系统中对污染物进行处理。在这个反应过程中，被污染的土壤会被处理成固体或泥浆相[33,34]。固相生物反应器的原理主要是通过摩擦和强烈混合搅拌对土壤进行机械分解，该过程可以确保污染物、微生物、营养物质、水和空气等进行深层次的接触。泥浆生物反应器被认为是一种三相(固体、液体、气体)混合条件的容器系统，它能够增加土壤的生物修复率和水溶性污染物的降解。相对于其它污染物处理装置，生物反应器所处的环境更易于管理、也更易于控制和预测，它的生物降解速度和程度比原位或固相系统更加高效。然而，生物反应器对预处理的被污染土壤性状要求较高，被污染土壤在放入生物反应器之前通常需要进行必要的预处理，例如土壤清洗或物理提取等[6，35，36]。

2.2 原位修复法

生物通气法是一种较为常见的原位生物处理方法，这种方法的核心是利用本地微生物对非饱和土壤上吸附的有机成分进行生物降解。其原理主要是基于压力增强对土壤污染物进行蒸气提取，人为制造地上地下压力差导致大气空气的流入，氧气浓度增强，作为污染物降解的好氧微生物活力增强，显著增加对汽油、喷气燃料、煤油、柴油等石油产品的降解能力。如果污染物中含有大量的挥发性物质，则需要对萃取出的土壤蒸气使用生物降解活性炭进行处理[17，37-38]。

生物喷注法是利用和激发本地微生物活性实现对饱和土壤中有机污染物降解的一种方法[39]。其主要方式是通过钻孔将空气注入到饱和区域，通过增加氧的溶解来增加土壤中好氧微生物的活性，促进好氧微生物对土壤或地下水中污染物的降解。生物喷注法还能有效促进石油类污染物向土壤毛细管边缘的吸附，促进其挥发，或者将这类污染物移动到地下水位以下或溶解在地下水中。因此，生物喷注法常被用于含有中等重量石油产品污染的地点，如柴油、煤油燃料等。较轻的石油产品往往能通过喷注法利用土壤的毛细管效应迅速挥发，因此土壤的渗透性是影响该技术有效性的关键因素[6,18,39]。

生物强化法是将受污染的本地区或外源微生物制剂添加到污染物中进行土壤修复的一种方法。尽管这种方法能够在短时间内增加微生物制剂的种群数量，但是微生物制剂并不一定适宜所有的土壤污染环境。常见的影响污染物中微生物制剂添加的因素主要有两个方面，一方面是外来微生物制剂的适应性以及与本地微生物种群的竞争作用，另一方面是本地微生物群落中有效微生物物种的筛选和纯化扩繁[6，40，41]。

3 展望

3.1 土壤修复技术选用

相对于传统的物理化学方法，生物修复能够在很大程度上解决它们的不足，是一种“近自然修复过程”[42,43]，也是一种较为安全的土壤修复技术。尽管生物修复在许多领域都被证实是简单有效的土壤修复方式，但是也面临着一些无法解决的问题[44]：例如微生物制剂的选择、储运、施用等，微生物制剂加工和使用通常需要专业的设备和严格的温湿度条件。此外，根据土壤污染的性质和程度、污染土壤修复的便利性等因素，以及污染土壤所处的整个生态系统的稳定性等因素，综合考虑土壤修复的有效性和经济性，最终实现土壤生态系统的稳定。

3.2 微生物制剂的评估

为了加快微生物制剂的应用推广，迫切需要开发快速、可靠和廉价的微生物制剂及相应的评价方法。外来微生物的适应性和本地微生物制剂在群落中的适应性，是未来微生物菌剂使用过程中无法避免的一个问题[45]。对于不同的微生物菌剂需要制定相协调的物理化学方法，协调适应好氧或厌氧微生物的生存以及对污染土壤的修复。一种微生物菌剂从研发到上市推广需要漫长的过程，实验室水平的数据和最终的使用之间可能还会存在较大的差异。外来微生物的引进和本地微生物的筛选培养势必会增加相关微生物在群落中的丰度，相关微生物种群丰度的增加是否会给整个微生物群落或生态系统的稳定性带来不可控的因素尚需进一步深入评估。微生物制剂在土壤修复过程中所产生的部分中间代谢物在一定程度上也是完全不可控的，这个中间体的形成可能会抑制土壤修复过程的顺利进行、亦或导致土壤污染的进一步加剧，这也是对微生物制剂进行筛选的过程中需要关注的重要依据[46,47]。此外，对于生物修复策略的选用和实施，必须能够确定达到目标阈值，而且处理过程中的相关影响因素也可以能够完全被量化。根据污染土壤所处的野外条件的异质性、可变性、大小来测试微生物种群的生存潜力，同时也需要对活体微生物使用的复杂性进行详细评估。需要针对不同的污染物和微生物制剂制定不同的评估标准，以便更好地掌握污染物的清理程度和速度。

3.3 微生物制剂数据库的建立

目前，微生物制剂的种类繁多，除了用于土壤修复的各类微生物制剂外，农作物和草地有害生物的生物防治中也开发出了大量的微生物生防制剂。不同种类的微生物制剂作为活体生物制剂，其扩繁和使用均需要特定的条件和施用范围。因此，基于微生物制剂的相关特征建立一个备案清晰、全面有效、并且开放的数据库十分必要。总之，生物修复技术的进一步发展需要多学科、跨领域之间的通力合作，最终实现污染土壤的高效修复[48-55]。