石油污染土壤生物修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀與展望

油氣田開發(fā)過程中的油井泄漏、原油管線以及儲油罐泄漏、海洋溢油等造成石油類物質(zhì)落于地面土壤之上，造成土壤污染，特別是海洋溢油，對海岸線和海洋造成破壞性的影響。

關(guān)于泄漏石油毒性尤其是對土壤環(huán)境的污染，一直是眾多研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注的焦點(diǎn)。眾多研究表明，土壤中含油量對于其中生物如細(xì)菌、蚯蚓和植物均會產(chǎn)生毒害作用，含量為1%時，細(xì)菌的抑制率接近100%;含量2%對于蚯蚓毒害作用可達(dá)10.57%，7d后蚯蚓的死亡率為90%;含油量大于3%的土壤中沒有蚯蚓存活;在含油量為3%的土壤中，植物的萌發(fā)過程受到抑制，玉米和小麥的發(fā)芽抑制率分別為51.3%和48.4%。根系生長也表現(xiàn)出類似的趨勢，即高濃度的石油抑制根系生長。

因此，迫切需要研究有利于環(huán)境的修復(fù)方法以去除土壤中的石油污染物。到目前為止，有多種可用于石油污染土壤的修復(fù)技術(shù)，從應(yīng)用技術(shù)如溶劑萃取、生物修復(fù)，到新興技術(shù)如電動修復(fù)技術(shù)、超聲波修復(fù)技術(shù)。而生物技術(shù)因其投資低、環(huán)境風(fēng)險小、適應(yīng)能力強(qiáng)被認(rèn)為是最有前途的修復(fù)技術(shù)之一。

所謂生物修復(fù)是通過供給細(xì)菌所需的營養(yǎng)、氧氣，并調(diào)控外界條件(如pH、溫度等參數(shù))，以加速土壤中石油烴的降解。

生物修復(fù)油污土壤始于20世紀(jì)40年代，其推廣普及始于生物用于修復(fù)80年代瓦爾迪茲號漏油事件形成的油污土壤。表1顯示了迄今為止在石油污染土壤修復(fù)中的生物修復(fù)研究。目前所應(yīng)用的生物修復(fù)技術(shù)從原理上可分為三類，即生物強(qiáng)化、生物刺激和生物通風(fēng)。

1.1 生物強(qiáng)化

生物強(qiáng)化是指通過添加特定代謝活性基因工程菌以提高微生物種群的性能，增加土壤中原油降解效率。

生物強(qiáng)化關(guān)鍵是選擇生理和代謝能力強(qiáng)的微生物作為工程菌，因此土著微生物就顯得至關(guān)重要。實(shí)際土壤修復(fù)中，如果環(huán)境條件不是限制因素，土著微生物可以完成石油類污染物的自然衰減。在受污染的場地獲取這些微生物，并通過與場地類似的條件富集培養(yǎng)得到的土著微生物，能更好地降解石油污染物，Ｒoy等通過控制環(huán)境條件，利用土著原油降解菌降解土壤中的石油，經(jīng)過24w的測試，在細(xì)菌和營養(yǎng)物質(zhì)共同作用下原油降解率達(dá)到80%(初始污染體積分?jǐn)?shù)為2%)。因此對于生物強(qiáng)化來說，通過篩選土著微生物，經(jīng)過富集培養(yǎng)再進(jìn)行接種是目前常用的修復(fù)技術(shù)。

1.2 生物刺激

前述表明，土著微生物在土壤修復(fù)中有重要作用，因此在條件允許下，如何提高土著微生物菌團(tuán)降解活力亦是油污土壤生物修復(fù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，生物刺激就是基于這一原則進(jìn)行研究。所謂生物刺激是指通過調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)(如添加肥料等營養(yǎng)成分、調(diào)節(jié)pH、添加藥劑改善油和土壤吸附性能等)用于刺激土著石油降解微生物的生長，從而提高現(xiàn)場天然微生物降解速率。

目前生物刺激主要手段包括添加營養(yǎng)鹽和表面活性劑。營養(yǎng)鹽對于土壤中石油污染物生物降解的影響是明顯的，Chaineau等對比施肥和未施肥土壤為期150d的石油類污染物降解效果，添加氮、磷、鉀營養(yǎng)鹽土壤中石油降解率最高為62%，未施肥的土壤降解率僅為47%。Abed等人也通過實(shí)驗(yàn)得到了類似的結(jié)果。

上述原因在于添加營養(yǎng)鹽成功影響生物刺激，溫度升高會進(jìn)一步刺激在沙漠土壤嗜石油降解菌的活性，而未加營養(yǎng)鹽組由于溫度提高導(dǎo)致水分的揮發(fā)致使鹽度升高，則可能造成氧氣和碳?xì)浠衔锏娜芙舛雀淖?，從而減緩細(xì)菌的生長和降解能力。Emami等的研究表明，營養(yǎng)鹽的類型在石油降解中也起到重要作用，不同形態(tài)氮肥(NO3－N和NH4－N)對污染土壤中石油的去除有不同的影響，結(jié)果表明NH4－N具有更好的除油效率，分析其原因在于其能使土壤提高植物發(fā)芽能力和增加植物呼吸值。用于石油降解的肥料種類不限于氮肥，目前的研究還表明，各種生物垃圾包括大豆餅、家禽糞便、油棕櫚果和甘蔗渣、已成功地制作成肥料應(yīng)用于石油污染土壤的生物修復(fù)。               

無毒性和可生物降解性的生物表面活性劑是生物刺激研究的另一個方向，其通過分散石油增加微生物底物的生物利用度，并能增加細(xì)胞表面的疏水性，使疏水底物自由地與細(xì)菌細(xì)胞相互作用，從而加速生物降解能力。目前研究最多的表面活性劑是長效β－環(huán)糊精和鼠李糖脂，Gruiz采用長效β－環(huán)糊精修復(fù)柴油和礦物油濃度分別為46290和47170mg/kg的污染土壤，與空白對比去除率分別提高了2.6%和4.8%。同時研究表明其可以減少土壤毒性并增強(qiáng)植物根系的進(jìn)一步增長，增長長度大約為5～20mm。

1.3 生物通風(fēng)

生物通風(fēng)實(shí)際上是生物刺激的一種，通過在土壤空隙添加氧刺激微生物的生長。氧氣的存在對微生物生存是必要的，因?yàn)橛醒鯒l件可以提高有機(jī)物質(zhì)的代謝，產(chǎn)生更多的能量。Thomé等人采用生物通風(fēng)修復(fù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的柴油燃料污染的土壤，經(jīng)過60d的處理，最大的降解效率為85%，而自然衰減的效率為64%，這表明氧氣流能夠增強(qiáng)微生物活性和增加污染物的降解率。

前述研究表明通過生物強(qiáng)化、生物刺激和生物通風(fēng)等手段，開展油污土壤生物修復(fù)有很高的成功潛力。但也有研究表明，通過添加營養(yǎng)素/外部微生物未必增加除油效率，通過投加水溶性營養(yǎng)素處理特拉華灣岸線上原油，與自然衰減相比，油去除率沒有明顯提高，原因在于該地區(qū)土壤氮含量高，足以支持生物降解石油。因此通過生物修復(fù)土壤三種機(jī)制控制條件分析對比，量身定制生物修復(fù)計劃對于油污土壤修復(fù)是必要的。

石油污染土壤生物修復(fù)的應(yīng)用已被廣泛研究，到目前為止，有許多在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場規(guī)模研究的生物修復(fù)技術(shù)。這些技術(shù)的主要優(yōu)勢在于，可在原位和易地修復(fù)石油污染土壤，降解石油污染物的同時不會留下任何對環(huán)境不利的長期毒素影響。此外，生物修復(fù)方法成本低，對環(huán)境沒有破壞，其美觀和低成本亦被社會廣泛接受。但其缺點(diǎn)亦明顯，一是治理時間長，有些修復(fù)需要持續(xù)長達(dá)幾年的治理，才能獲得令人滿意的去除結(jié)果。二是高濃度的石油污染物影響微生物群落的活動將導(dǎo)致低的去除效率。

Margesin等人報道，當(dāng)土壤中初始柴油污染從2500mg/kg增加到20000mg/kg時，土壤中總石油烴去除率下降60%，降解效率下降的原因在于高含油量導(dǎo)致土壤環(huán)境的高毒性，不利于微生物的活動。另外，生物技術(shù)高度依賴污染土壤參數(shù)和氣候參數(shù)，如溫度、pH、鹽度、污染物成分、濃度和風(fēng)化作用的影響。例如，高溫會影響微生物的濃度，而土壤極端pH值可能對細(xì)菌和/或真菌有毒害作用。石油的風(fēng)化作用也影響生物修復(fù)的效率。            

3.1 高效降解菌劑開發(fā)

生物修復(fù)關(guān)鍵在于適宜的微生物，不同的生物在不同受污染的場地活性并不相同，因此進(jìn)行生物修復(fù)成功的策略是通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)選擇接種的微生物。對于原地作業(yè)，生物修復(fù)前通過篩選微生物進(jìn)行接種能夠增加成功的機(jī)率。目前土壤修復(fù)生物篩選最成功的方法是Kim等提出的DNA診斷———寡核苷酸微陣列方法，其通過原位診斷檢測適合該地點(diǎn)修復(fù)的微生物菌株，用于原位土壤修復(fù)。

從DNA診斷結(jié)果表明，污染土壤的修復(fù)可以成功實(shí)施，通過這種診斷將能夠減少許多試驗(yàn)和錯誤，因?yàn)樗梢源_定生物修復(fù)的候選位點(diǎn)，同時評估生物修復(fù)的進(jìn)展。其次在進(jìn)行生物菌劑修復(fù)同時，開展石油對微生物降解影響的研究，對于菌種篩選也具有重要意義。

研究表明，微生物與油類污染物長期相互作用將改變微生物某些特性，如細(xì)菌與柴油長期接觸后，二者相互作用會產(chǎn)生天然柴油表面活性劑，主要是由于疏水性，與柴油表面活性劑的相互作用后，Zeta電位和脂肪酸發(fā)生顯著變化，從而影響了遺傳修飾編碼基因成分，導(dǎo)致對長期受到石油污染物作用后的細(xì)菌遺傳物質(zhì)產(chǎn)生影響。其次原油也會對微生物生物量、組成和功能產(chǎn)生影響，通過元蛋白質(zhì)組分析來確定石油污染和微生物群落之間的功能和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，能夠加深對生物降解機(jī)理的認(rèn)識，從而從遺傳學(xué)、基因?qū)W等角度篩選合適的菌劑。

3.2 環(huán)保的營養(yǎng)添加劑

無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)的加入，能夠成功地協(xié)助生物修復(fù)，但這些營養(yǎng)物質(zhì)會浸出到地下水或任何水源，會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，對水質(zhì)產(chǎn)生不利的影響。因此尋找這些無機(jī)營養(yǎng)素的替代是研究熱點(diǎn)，目前研究集中在直接加入植物或動物的有機(jī)物質(zhì)代替無機(jī)營養(yǎng)鹽。Horel等研究了植物(互花米草)和魚組織(鯖森的突起部分)作為營養(yǎng)添加劑處理亞熱帶沉積物風(fēng)化的柴油，42d后添加魚組織油降解率提高104%，添加氮磷無機(jī)養(yǎng)分降解率提高了57%，植物有機(jī)質(zhì)降解率提高7%。由此可見，添加動物基有機(jī)材料可以提高烴降解率，因此如何因地制宜地選擇合適的營養(yǎng)添加物對于土壤修復(fù)成功具有一定的意義。

其次各種易降解的、產(chǎn)生較低毒性的、高溫和堿性條件下能保持穩(wěn)定的生物表面活性劑也是研究熱點(diǎn)。目前的研究都集中在尋找新的促進(jìn)石油烴降解的生物表面活性劑，Ayed等已成功地從一株芽孢桿菌分離出生物表面活性劑，對于溫度、pH值、鹽度具有較強(qiáng)適應(yīng)性，同時對柴油的溶解度分別比SDS和吐溫80提高10%，生物降解效率提高30%。這表明生物菌株分離的表面活性劑在石油污染土壤的生物修復(fù)中具有潛在應(yīng)用價值。

3.3 生物修復(fù)新技術(shù)

研究生物修復(fù)的效率受以下參數(shù)影響:石油降解微生物;營養(yǎng)物質(zhì)，如溶解氧、氮和磷等;環(huán)境因素。因此，當(dāng)前石油污染修復(fù)工程著重獲得最佳除油效率的操作參數(shù)，響應(yīng)面法是優(yōu)化生物過程的有效方法，lvarez等通過響應(yīng)面法優(yōu)化南極的石油污染土壤生物修復(fù)參數(shù)，優(yōu)化后C∶N∶P=100∶17.6∶1.73，柴油去除率達(dá)到54.9%，而在未經(jīng)優(yōu)化的C∶N∶P比為100∶10∶1的去除率僅為27.8%，同時通過優(yōu)化能夠減少肥料用量?？梢婍憫?yīng)面法對于生物修復(fù)土壤參數(shù)優(yōu)化具有重要作用，下一步應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化響應(yīng)面法應(yīng)用于優(yōu)化修復(fù)參數(shù)的適應(yīng)性。同時厭氧生物修復(fù)技術(shù)目前也獲得世界各地研究人員的青睞。

厭氧生物修復(fù)技術(shù)是微生物通過利用硝酸鹽、硫酸鹽、鐵和二氧化碳作為電子受體修復(fù)石油污染土壤，相比于好氧生物修復(fù)工程向污染場地提供氧源而造成的高成本，這是一個符合經(jīng)濟(jì)效益的方法。通過對比硫酸鹽、硝酸鹽、甲烷和混合電子受體的條件下柴油(550mg/kg)污染土壤原位生物修復(fù)效率，表明混合電子受體條件下柴油降解效率達(dá)到81%，而單獨(dú)硫酸鹽或者硝酸鹽還原條件時柴油降解效率低于50%。這可能是由于在混合電子受體條件下細(xì)菌含量高所致。而對于不同電子受體混合條件，混合比例以及混合后降解機(jī)理研究相對較少。      

1）生物修復(fù)能夠有效降解石油污染物，并不會留下任何對環(huán)境不利的長期的毒性影響，且其成本低，能夠永久消除污染物并且不破壞環(huán)境;然而，這些技術(shù)需要長達(dá)幾年的持續(xù)時間治理，才能獲得令人滿意的去除結(jié)果。同時，高濃度的石油污染物以及不利環(huán)境條件會降低微生物群落的活性，也會導(dǎo)致低的去除效率。

2）未來的工作應(yīng)在特種微生物和轉(zhuǎn)基因微生物開展研究，通過DNA診斷方法，從遺傳學(xué)、基因?qū)W等角度篩選合適的菌劑開展生物修復(fù)。

3）開發(fā)更環(huán)保的營養(yǎng)添加劑以及更規(guī)范的生物修復(fù)參數(shù)將成為未來研究工作的重點(diǎn)。

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