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他山之石

有机污染土壤的生物修复研究进展
2016-09-09 15:39:37

  土壤是人类赖以生存的物质基础,是人类不可缺少、不可再生的自然资源。随着人类对化学品的依赖程度越来越高,有机物质对环境的污染也越来越严重。据UNEP(联合国环境署)1990年的报告(IRRTC),每年约有3—4亿吨有机物进入环境,其中大部分进入了土壤环境。更为严重的问题是进一步导致地表水、地下水次生污染以及通过农作物进入食物链对人类健康造成不可估量的影响。因此对土壤中有机污染物的去除以修复被污染的土壤成为环境领域的一个研究热点。目前,土壤有机污染物的修复技术主要有化学修复、物理修复、生物修复、电化学修复、化学与生物相结合的修复技术等,由于生物修复具有安全、经济和非破坏性等优点,已成为最具有前途的污染修复技术之一。

  生物修复技术(bio—remediation)是利用生物新陈代谢的方法将土壤、地下水和海洋中的有毒有害污染物吸收、转化或分解,并从环境中去除,减少其对环境的危害。本文在分析该领域最新研究成果的基础上,综述了土壤有机污染生物修复的三种技术,即微生物修复技术、植物修复技术和菌根生物修复技术,并展望了该领域的研究方向。

1 微生物修复技术

1.1 修复机理

  微生物修复技术是在人为优化的条件下,利用自然环境中生息的微生物或人为投加特效微生物的生命代谢活动,来分解土壤中的污染物,以修复受污染的环境。微生物对物质进行各种转化作用的生理学基础是其新陈代谢活动,在这一过程中,有机污染物在土壤微生物的作用下可以直接分解或通过共代谢作用分解为低毒或无毒的代谢产物,也可以是微生物分泌的酶系(胞内酶和胞外酶)对有机物的代谢作用等。为了强化某种有机物的降解作用,今可运用分子生物学、遗传学和基因工程等新理论、新技术分离和选育高效降解菌中和酶系,并增强他们对污染物的降解能力,这是提高土壤微生物修复效果的研究热点。

1.2 治理方法

  1)原位(insitu)生物修复技术。①农耕法(hind fanning):对污染土壤进行耕耙处理,在处理过程中施人肥料进行灌溉,用石灰调节酸度,使微生物得到最适宜的降解条件,保证污染物的降解在土壤的各个层次上都能发生。该方法结合农业措施,经济易行,对于土壤通透性较差、土壤污染较轻、污染物较易降解时可选用。②投菌法(bioangmentation):就是直接向遭受污染的土壤中接入外源的污染物降解菌,并提供这些细菌生长所需的营养物质,如:氮、磷、硫、钾、钙、镁、铁、锰等。③生物培养法(bioculture):就地定期向土壤中投加过氧化氢和营养物以满足污染环境中已经存在的降解菌的需要,提高土著微生物的活性,将污染物完全矿化为二氧化碳和水。研究认为,通过提高受污染土壤中土著微生物的活力比采用外源微生物的方法更可取,但无论选择何种微生物,应首先确定有利于污染物降解菌生长的营养元素的添加率。④生物通气法(biovention):是一种强迫氧化的生物降解方法。在污染的土壤上至少打两口井,安装上鼓风机和抽真空机,将空气强排入土壤,然后抽出,土壤中有毒物质也随之去除。在通入空气时,加入一定量的氨气,为微生物提供氮源增强其活性,其制约因素是土壤结构,不合适的土壤结构会使氧气和营养元素在到达污染区域之前就被消耗,具有多孔结构的土壤可采用此法。⑤有机粘土法(orgnic clay):是一种化学与生物相结合的新方法。带正电荷的有机物、阳离子表面活性剂通过化学键结合到带负电荷的人工合成的有机粘土表面上,有机粘土可扩大土壤和含水层的吸附容量,粘土上的表面活性剂可以将有毒有机物吸附到粘土上富集。⑥原位微生物一植物联合修复(phytoremedying):在污染土壤上栽种对污染物吸收能力高、耐受性强的植物,利用植物的生长吸收以及根区的微生物修复作用,去除土壤中污染物。联合修复的关键是根据土壤污染的实际情况寻找合适的植物一微生物的匹配组合。

  2)异位(exsitu)生物修复技术。① 堆肥法(composing):是传统堆肥和生物治理的结合。它依靠自然界广泛存在的微生物使有机物向稳定的腐殖质转化,是一种有机物高温降解的固相过程。一般是将土壤和一些易降解的有机物如粪肥、稻草、泥炭等混合堆制,同时加石灰调节pH值,经发酵处理,可降解大部分污染物。Lin Jianer等研究了在堆肥式处理装置中投加菌种和其他营养物质的方法,这些菌体和添加剂掺人所埋土壤中,明显提高了微生物降解率。影响堆肥效果的主要因素有水分含量、碳氮比、氧气含量、温度和酸度等。②预制床法(prepared bed):在不泄漏的平台上铺上石子和砂子,将受污染的土壤以15—30cm的厚度在平台上平铺,加营养液和水,必要时加上表面活性剂,定期翻动土壤补充氧气,以满足土壤中微生物生长的需要,将处理过程中渗透的水回灌于土层上,以完全清除污染物。③ 生物反应器法(bioreactor):将污染土壤移到生物反应器中,加3— 9杯水使之成泥浆状,同时加必要的营养物质和表面活性剂,泵入空气充氧,剧烈搅拌使微生物与污染物充分混合,降解完成后,快速过滤脱水。其降解条件较易控制,可满足微生物降解所需最适条件。④厌氧处理法(anaerobic reactor):对一些污染物如三硝基甲苯、多氯联苯,好氧处理不理想,用厌氧处理效果好一些,但由于厌氧处理条件难于控制,并且易产生中间代谢污染物等,其应用少于好氧处理。

2 植物修复技术

  植物修复技术(phytoremediation)是利用植物的独特功能,并可和根际微生物协同作用,从而发挥生物修复的更大功能,进而使有机毒物和无机废物造成的土壤环境污染得以修复和消除。与微生物修复技术相比,植物修复技术更适合用于现场修复。

2.1植物修复机理

  1)植物对有机污染物的直接吸收。植物从土壤中直接吸收有机污染物,然后将无毒性的代谢中间体储存在植物组织中,可去除环境中中等亲水性有机污染物(辛醇一水分配系数为logk。=0.5—3),疏水性有机化合物(1ogk。w>3.0)易于被根表强烈吸附而难以被运输到植物体内。而较易溶于水的(1ogk。 <0.5)有机物不易被根表吸收而易被运输到植物体内。

  有机化合物被植物吸收后有多种去向:植物可将其分解,并通过木质化作用将其成为植物体的组成部分,也可转化成无毒性的中间代谢物,储存在植物体内,或完全被降解并最终被矿化成二氧化碳和水,达到去除有机污染物的目的。

  植物通过根部吸收有机污染物的途径有质外体、共质体和质外体一共质体。质外体是让有机污染物通过凯氏带进入木质部;共质体包括初始进入细胞壁,而后进入表皮、皮层细胞的原生质,有机物滞留在原生质中,然后通过胞问连丝进入内皮层、中柱和韧皮部;质外体一共质体途径与共质体途径基本相同。

  2)植物根部释放的酶可催化降解有机污染物。植物根系释放到土壤中的酶可直接降解有关污染物,致使有机污染物从土壤中的解吸和质量转移成为限速步骤,植物死亡后酶释放到环境中,还可以继续发挥分解作用。

  美国佐治亚州Athens的EPA实验室从淡水的沉积物中鉴定出脱卤酸硝酸还原酶、过氧化物酶、漆酶和腈水解酶等五种酶,这些酶均来自植物。有研究表明,硝酸盐还原酶和漆酶可降解军火废物如TNT(2,4,6一三硝基甲苯),使之成为无毒物质,脱卤酶可降解含氯溶剂如TCE(四氯乙烯),生成CL-1、水和二氧化碳。

  3)根际的生物降解作用。根际是受植物根系活动影响的根一土界面的一个微区,也是植物一土壤一微生物与其环境条件相互作用的场所。在根际,植物和微生物的相互作用是复杂和互惠的,高等植物根际微生物的数量很大程度上取决于植物根分泌物中所含糖类、有机酸、氨基酸等物质的数量和种类,这些分泌物越多,微生物生长越旺盛。根分泌物对根际微生物活性的影响不仅提高已存微生物的数量和活性,而且能选择性地影响微生物生长,使根际不同微生物的相对丰度发生改变,从而有利于根际的有机污染物被降解。

  研究表明植物根际的微生物数量比非根际区高几十倍,乃至几百倍,微生物的代谢活性也比原土体高,从而提高了对环境中有机污染物的降解效率,包括微生物降解和通过共代谢而进行的生物转换过程。赵爱芬曾报道在石油污染的水稻田中分离出的微生物Bacillus sp.仅在有水稻根分泌物情况下才能在石油的残留物中生长。

2.2 植物修复的基本类型

  1)植物提取作用(phytoextraction):即通过对环境污染物有富集作用的植物把有机物从土壤中吸收到植物体内。

  2)植物降解作用(phytodegradation):利用植物的代谢作用及与其共生的微生物活动来降解有机污染物。

  3)植物固定作用(phytostabilization):利用植物根系的吸附作用来减少环境中污染物的生物可获得性,从而降低其对环境的危害。

  4)植物挥发作用(phytovolatilization):通过植物对有机污染物的吸收和转化作用最终将其挥发到空气中。

  须根植物比主根植物有更大的比表面积,且通常处于土壤表层,而土壤表层比下层土壤含有更高的污染物,因此须根吸收污染物的量高于主根。

3 菌根生物修复技术

  菌根是土壤中的真菌菌丝与植物营养根系形成的一种联合体,利用植物一菌根一菌根根际微生物这一复合系统的特异效应降解污染物,外生菌根真菌对不同类型有机污染物降解程度与降解速率取决于真菌的种类、有机污染物的存在状态、土壤的理化条件、植物根际环境、土壤等因素。丛枝菌根真菌的纯培养尚未实现,目前主要通过菌根侵染率、孢子数量、植物生长情况等问接指标来反映。菌根真菌降解有机污染物的可能机制有直接分解作用和共代谢作用。

3.1 直接分解有机污染物

  菌根真菌是异养微生物,它需要分解外源碳得到能量以供生长和繁殖,而有机污染物以碳为主要构成元素,理论上可以作为菌根真菌的外源碳,菌根真菌可能通过特殊途径分解有机污染物来获得能量,并把有机污染物分解为简单的有机物、碳水化合物、水和盐等,在客观上起到将有毒物直接分解为无毒物质的作用。

  植物的根细胞分泌粘液和其他细胞的分泌液构成了植物的渗出物,这些都为根际微生物提供了营养和能源。Chapela等认为菌根真菌的生长,尤其是在未侵染寄主植物的阶段,不仅依赖于它对植物分泌物的分解,同时依赖于土壤中的各种碳源,王曙光等研究发现菌根化植物对农药有很强的耐受性并能将一些有机成分转化为菌根真菌和植株的养分源,降低农药对土壤污染。

  然而对菌根真菌直接降解有机污染物的机理研究很少,从真菌降解有机污染物的研究结果推断菌根真菌能通过酶分泌而直接代谢有机污染物,当真菌接触污染物一定时问后,能产生各种诱导酶进而形成降解功能,同时它们可以利用该污染物作为碳源和能源进行生长和繁殖,陈晓东等)在土壤污染生物修复技术研究进展中指出,植物根系的菌根具有独特的酶系统和代谢途径,可以降解不能被细菌单独降解的有机污染物。看来土壤里只要能促进真菌好氧酶的产生,真菌就能降解土壤中的多种有机物,而菌根真菌用于直接降解土壤有机污染物的物质很可能就是好氧酶类。已有一些研究支持了这种假设,他们认为菌根真菌利用好氧酶把有机污染物转化为正常代谢中容易降解的中问产物,进而矿化为二氧化碳、水和无机盐。

3.2 共代谢降解

  所谓共代谢,是指化合物不能被完全矿化利用,降解菌必须从其它底物获得大部分碳源和能源。在根际土壤中,菌根真菌与植物互为共生关系,这种共生关系可能导致菌根真菌通过从植物获得基本能量和底物,再通过共代谢的方式加速降解土壤中的有机污染物。巩宗强等在真菌对土壤中苯并[a]芘的共代谢降解中发现,镰刀菌自身降解苯并[a]芘的能力较弱,当土壤中有菲或芘存在作为初级底物时,尤其是芘的存在为镰刀菌提供了碳源和能源,则这些底物促进了镰刀菌降解芘的酶的活性,使苯并[a]芘的降解率有较大的提高。但是,到现在为止还没有针对菌根真菌的研究来探讨菌根真菌通过共生代谢降解土壤有机污染物的假设。

4 展望

  综上所述,生物修复研究虽取得了很大进展,但仍然存在许多有待完善之处:①利用表面活性剂提高植物修复效率时,表面活性剂可提高土壤中有机污染物生物可给性,从而提高植物修复效率,但其最佳使用量及如何减少其本身对植物和环境的影响有待进一步研究。②有必要进行对有机污染物污染土壤环境的高效修复:植物一微生物联合体的筛选技术研究。③加强污染物在土壤一植物一微生物共存体系的修复机制研究,特别是根分泌物在植物修复土壤污染中的作用研究。④研究不同菌根菌种对同一污染物以及同一菌根菌种对不同污染物的抗性作用,筛选促进污染物降解的优良菌种。⑤ 加强对持久性有机污染物(POPs)的生物降解性与生物可利用性研究。⑥植物修复研究中,有害污染物若未被生物降解而直接累积存于植物体内,是否对当地的野生动物和人类造成潜在的威胁还需进一步研究。(来源:河北建筑科技学院学报)


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