微生物技术在土壤修复中的应用研究进展

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　　摘要：介绍了土壤污染类型（有机污染、重金属污染、放射性污染）及微生物修复技术;综述了微生物修复技术（投菌法、生物通风法、生物培养法、堆制处理法、预制床法、生物反应器法）在土壤修复中的应用研究;分析了微生物土壤修复技术存在的问题并提出展望。
　　关键词：土壤污染;微生物技术;土壤修复
　　Abstract： The types of soil pollution （organic pollution， heavy metal pollution，radioactive pollution） and microbial remediation technologies  were introduced;The application research of the microbial remediation technologies （bacteria method， biological ventilation method， biological culture method， stacking method， prefabricationbed method， bioreactor method） in soil were summarized; The problems existing in microbial soil remediation technology were analyzed and the prospect was put forward.
　　Key words： soil pollution; microbiological technology; soil remediation
　　中国的土壤污染问题是由长时间的污染积累和多方面因素导致的。2016年，国家环保部门对全国土壤污染状况详细调查发现，重工业、采矿企业周边环境土壤污染物超标严重，镉、汞、铬占比较大[1]。农药的不合理使用也造成中国土地大面积污染， 长江、黄河、松花江、辽河、海河、珠江等主要流域的底泥中农药污染情况十分严重[2]。为了有效地修复土壤、解决土壤污染问题，众多土壤修复方法被采用，但如何针对土壤的污染类型，选择便利的场地和高效且环保的修复手段却颇有难度。本文将主要介绍微生物技术在土壤修复中的应用。
　　1 微生物修复技术
　　土壤修复技术的种类有很多，主要的修复方式有生物修复、物理修复和化学修复，其中生物修复技术又涵盖植物、动物、微生物3种。在学术界，微生物修复技术被普遍认同。微生物种类多、繁殖快、在土壤中生活方式不同等特点让微生物修复技术在土壤修复方面占据优势地位。但微生物的性质又直接影响其对农药的降解与转化。同一物种的不同微生物种类或菌株对同一有机底物或重金属具有不同的清除作用[3]。
　　微生物土壤修复技术是指在适宜的环境中用原始土壤中的微生物或者在目标污染土壤中加入已知特定功能的人工驯化微生物，使微生物主动代谢和污染物反应，降低有毒污染物的活性或将其降解为无毒物质[4]。这种技术有改良土壤品质、处理方式多样化、成本低、对环境影响小、可最大限度减少污染物等优点，因此多用于修复污染土壤。根据修复场地不同，微生物修复技术又有原位和异位修复之分。
　　1.1 原位修复
　　原位微生物修复技术是指不改变土壤自身位置，向土壤中添加养分以及供给氧气，促进微生物自身代谢，降解和剔除土壤中的有害物质，从而保证土壤质量。原位微生物修复技术操作简单、成本较低，但处理速度慢。目前投菌法、生物通风法和生物培养法是3种主要的修复处理方式[5]。
　　1）投菌法。投菌法是指利用微生物降解和代谢能力，直接向遭受污染的土壤接入外源的污染物降解菌，同时提供这些微生物生长所需的营养，包括常量营养元素和微量营养元素。该修复技术的特点是易操作、成本低。由于微生物对生存环境较敏感，直接在土壤中投加生物菌体，会受到部分因素影响。尹盘基等[6]提出将表面活性剂淋洗与投菌法相结合，通过表面活性剂淋洗污染土壤来达到去除部分高浓度氯酚的目的，再加入降解菌，使低浓度氯酚不断降解。蔗糖酯（图1）淋洗与投菌法相结合，可在25 d内使土壤中的2，4，6-TCP从190.4 mg/kg降至3.1 mg/kg，去除98.4%的土壤污染物，从而取得良好的修复效果。
　　2）生物通风法。生物通风法一般用于处理不饱和区域中的有机污染物。具有应用范围较广、成本较低的优点。该工艺在操作过程中耗时较长，毛丽华等[7]利用生物通风法和堆肥法相联合的方法，添加生物有机肥接种并连续通风来修复原油污染的土壤。发现将生物有机肥接种在原油污染的土壤中，通过生物通风堆肥法修复， 效果可观。数据显示，当油污土壤的含油量为7.00×104 mg/kg时，处理40 d后，可去除45%以上的原油。最大生物降解速率常数可达0.033/d，半衰期仅为 20.82 d。
　　3）生物培养法。生物培养法指通过定期向土壤中添加过氧化氢和养分来提高土壤中原有降解菌的活性，并利用降解菌自身的代谢功能，转化土壤中的有害物质。基于微生物本身较强的耐性和活跃性，且环境不会对其造成影响，王晓旭[8]从DDTs-PAHs复合污染土壤中筛选分离出一株高效降解菌DC-1，发现DC-1菌对DDTs、DDE、高环PAHs等均有良好的降解能力。在未来的研究中可以加大该方法的研究力度，增大原土壤中微生物的数量，提升其质量，以此强化土壤修復，保证土壤的性能[6]。
　　1.2 异位修复
　　异位修复主要是挖掘、筛分和搅拌污染土壤，虽然其修复时间短、工程可控性高、效果明显，但不易操作，运行维护困难、修复成本高，会破坏土壤的原始形态结构，在面积比较小的土地及重污染土地作用时效果比较明显。堆制处理法、预制床法和生物反应器法是比较常见的异位修复方法。 　　1）堆制处理法。通过生物处理工艺对石油污染土壤进行针对性强化，对浓度稳定性差的固体有机物效果比较明显，作用时间比较高效。孙东平等[9]通过在两种油污土样的堆制中投加4株高效石油降解菌，发现该复合微生物堆制处理法对原油污染土样中的饱和烃的绝对去除效果十分明显。试验中所添加的高效石油降解菌以利用中低碳数烃类为主，生成无机物质（CO2和H2O），且该法可提高土壤质量、成本低、易操作[10-12]。宋绍富等[13]对油田含油污泥进行微生物堆制法处理，除油率作为指标，研究油污处理的影响因素（菌种类型、接种量、调理剂及堆制时间等），发现随着堆制时间和接种量的增加，除油污效果更好。
　　2）预制床法。该方法构建了一个相对完善的修复系统，既能高效控制降解效果，又能有效收集和回收产生的渗滤液，减轻对周围环境造成的影响。预制床法可以处理防腐油生产区的污染土壤，其中的多环芳烃浓度可以下降700.3 mg/kg（土），去除率达68.4%，比该区域的原位处理效果好很多[14]。邵涛等[15]采用预制床堆制技术处理两个不同井站的油泥（沙），pH为5～7，水分50%～70%，堆温大概保持在16～33 ℃，初始含374 000～462 000 mg/kg原油时，经过2个月的运行，总共可去除96.4%～98.4%的石油，其中去除74.7%～98.5%的烷烃，去除75%～89.4%的沥青质，去除85.5%～99.6%的芳香烃。
　　3）生物反应器法。将目标污染土壤以水土比1∶2和水混合转移至反应器内，投入人工驯化的微生物、营养盐及表面活性剂，维持温度20～25 ℃，并通入空气。该方法方便控制，可以寻求更适合的条件，让处理效果达到更好。在土壤有机污染这一领域内，将物理化学法与生物反应器法相结合的修复技术已成为国内外研究的热点，并取得一定进展。
　　目前国内的异位修复主要包括固定/稳定化、热处理、土壤淋洗、化学/氧化还原、生物堆耦合、气相抽提和水泥窖协同处置等技术[16]。
　　2 不同类型土壤的微生物修复技术研究进展
　　土壤是动植物的栖息地，粮食作物和经济作物生产更是离不开土壤。人类活动产生的污染物进入土壤，不断积累以后，土壤的自净能力慢于污染物的积累速度，形成土壤污染，对人类的生活和生产造成不可逆的伤害。根据土壤污染物的种类，可将土壤污染分为有机污染、重金属污染和放射性污染等。
　　2.1 有机污染
　　2.1.1 有机污染现状 土壤农药和化肥形成的污染具有持久性，通过食物链等途径进入人体，具有累积性。长此以往就会削弱微生物的降解能力，降低土壤肥力，在土壤中形成恶性循环。据统计，中国2019年2月有1 300万～1 600万hm2的农田被农药污染。2.8亿hm2以上的土地施用农药，年施用量50万～60万t。然而，只有少部分农药被利用，10%～20%被植物吸附，50%～60%残留在土壤中[17]。目前，使用的化学农药中杀蟲剂占比最大，主要为有机磷杀虫剂，对环境污染严重。农药造成中国1 600万hm2的土壤被污染，主要农产品的农药残留超标率在16%～18%。
　　2.1.2 研究现状 现今农药多为有机物质，工业生产也会造成有机物污染，因此，有机污染问题复杂，已成为当下土壤污染问题的重点。目前发现的可降解有机污染物质的微生物类型包括真菌和细菌（表1）。
　　2.2 重金属污染
　　2.2.1 重金属污染现状 土壤中的重金属通过食物链进入人体，会引发头痛、失眠、神经错乱、关节疼痛、癌症等一系列症状。全国土壤污染状况调查于2005—2013年进行，2014年4月17日调查结果公布，全国土壤中镉的点位超标率为7%，汞为1.6%，砷为2.7%，铜为2.1%，铅为1.5%，铬为1.1%，锌为0.9%，镍为4.8%。目前中国镉、砷、铬、铅等重金属污染严重。据原农业部的调查发现，全国每年因重金属污染而减产粮食1 000多万 t，重金属污染粮食1 200万 t，导致直接经济损失200多亿元[34]。
　　2.2.2 研究现状 重金属原义是指密度大于4.5    g/cm3的金属，包括金、银、铜、铁、汞、铅、镉等。重金属在人体中累积达到一定程度会造成慢性中毒。20世纪30～60年代发生的“八大公害事件”中的水俣病事件和骨痛病事件都是由重金属污染造成。目前对修复重金属污染土壤具有良好效果的微生物包括真菌、放线菌及细菌。邓平香等[35]从东南景天（Sedum alfredii）中分离纯化得到的荧光假单胞菌R1，ZnO和CdO被菌株R1在生长代谢过程中分泌的苹果酸、琥珀酸、乙酸等多种低分子有机酸溶解，在Zn、Cd污染土壤中接种菌株R1有利于东南景天的生长，增强R1对Zn、Cd吸收。邓秋穗等[36]利用微生物对重金属的钝化作用，选定革兰氏阴性杆菌制作微生物钝化剂。
　　2.3 放射性污染
　　2.3.1 放射性污染现状 中国核技术在工业、医疗、军队、核潜艇等领域高速发展，但同时也造成了一定的核污染。如核爆炸、铀和钍的开采与冶炼，民用核设施（医用X光机、医用加速器等）造成了放射性污染，放射性污染危害了人类健康。20世纪50年代以来，中国铀矿冶工业的发展为国防和核电技术发展作出了卓越贡献，但同时铀尾矿中的放射性核素也对周边土壤环境造成一定程度的威胁。土壤中的铀不仅有害于作物的生长，还会随食物链逐级传递最终危害到人类健康[37]。据调查显示，中国有28个省（市）农用地土壤中放射性核素238U、226Ra、232Th的含量根据地域差异呈现不同的变化规律[38]。
　　2.3.2 研究现状 土壤放射性污染主要由土壤中的放射性物质造成，来源于废水、废气和废渣以及核试验的沉降物。土壤本身难以清除含放射性物质的污染物，只能依靠自然衰变的方式将放射性元素变为稳定元素，从而消除其放射性。张丽娟等[39]在放射性污染土壤中分离纯化得到土著真菌F54（镰刀霉菌属），F54菌体可以吸附Cs+，预示着F54不仅可以在高辐射环境中发挥作用， 在修复重金属离子混合污染的放射性环境方面同样具有较高的潜力。 　　3 微生物技术在修复土壤方面存在的问题
　　在众多污染土壤修复技术中，微生物修复技术凭借其不会对土壤造成二次污染、耗资少、处理效果较好、保护土壤结构的特点占独特优势。节约资源和保护环境日渐重要，微生物技术在今后的土壤污染修复中具有广阔的应用前景。但微生物修复方法受到微生物自身生存环境与反应条件等因素的影响，有局限性，以下几方面问题有待解决。
　　1）多数污染物为非水溶性，不易与微生物混合和接触，影响微生物吸附和吸收。因此，适量的表面活性剂有利于微生物吸收污染物。如果污染物抑制“土著”微生物，可先投加高效降解菌分解污染物或刺激微生物生长的药物，为微生物解除毒性，促进其快速生长，加速分解。
　　2）温度、pH、无机盐浓度等都是影响微生物生长的因素。土壤是一个庞大的系统，同时也相对贫瘠，土壤颗粒的大小、氮源、温度及水分都会对土壤微生物造成一定影响。夏季温度高、湿度大，则适于土壤微生物生长[40]。营养是微生物生长繁殖过程必不可少的，污染土壤基本能够满足微生物的生长所需营养，但相对增加N、P等营养物质能够提高微生物降解污染物速率。
　　4 展望
　　美国超级基金最新公布的修复原则为绿色修复、原位修复和高效修复，代表着未来场地修复技术的发展方向[41]。微生物分布广、数量大、种类多、繁殖较快、代谢能力强且不会对土壤造成二次污染，因此微生物在土壤修复进程中占有越来越重要的地位。根据绿色发展和建设环境友好型社会的宗旨，微生物对土壤的修复在未来的应用中有无限潜力，其不仅存在于土壤修复中，更是无害化处理各种污染物的好帮手。
　　土壤中污染物种类性质不同使土壤修复变得复杂。一种修复技术无法得到最好的结果，需要其他多种技术支持，从而提高修复污染土壤效果。目前，人力资源不足，技术水平不够，修复资金欠缺，政策不完善、不系统，市场不规范，环境监管不力等都是土壤修复技术与产业发展的阻碍[42]。土壤修复技术发展趋势：①微生物修复技术将进一步向绿色环保、快速高效的方向发展;②朝着多项修复技术综合运用发展;③发展多重原位土壤修复技术，基于设备化的快速场地污染土壤修复、构建污染土壤修复决策支持系统也是未来研究的重点[43]。
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