蔡穎慧

摘 要：持久性有機(jī)污染物（POPs）具有長(zhǎng)期殘留性、生物累計(jì)性、高毒性和半揮發(fā)性，其廣泛使用、長(zhǎng)期積累會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境不斷惡化。作為一種新型的微生物修復(fù)技術(shù)，固定化微生物修復(fù)有機(jī)污染土壤備受關(guān)注。簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前POPs在土壤環(huán)境中的污染現(xiàn)狀，POPs污染土壤的主要修復(fù)技術(shù)，固定化微生物技術(shù)的特點(diǎn)及其在有機(jī)污染土壤修復(fù)方面的研究進(jìn)展等內(nèi)容，并展望其今后的發(fā)展方向，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：持久性有機(jī)污染物；土壤環(huán)境；固定化微生物；生物修復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.001

持久性有機(jī)污染物（Persistent Organic Pollutants，簡(jiǎn)稱“POPs”）是指，人類(lèi)合成的能持久存在于環(huán)境中，會(huì)影響人體健康的一類(lèi)化學(xué)物質(zhì)。根據(jù)國(guó)際《斯德哥爾摩公約》，持久性有機(jī)污染物可分為殺蟲(chóng)劑、工業(yè)化學(xué)品和生產(chǎn)中的副產(chǎn)品3類(lèi)。其中，殺蟲(chóng)劑和工業(yè)化學(xué)品是導(dǎo)致土壤被污染的主要來(lái)源。POPs具有長(zhǎng)期殘留性、生物累積性、高毒性和半揮發(fā)性，通過(guò)生物食物鏈（網(wǎng)）的累積，位于生物鏈頂端的人類(lèi)最終可把這些毒性放大7萬(wàn)倍。隨著土壤中POPs長(zhǎng)期的不斷積累，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了土壤的自凈能力，導(dǎo)致土壤環(huán)境不斷惡化。這是目前相關(guān)部門(mén)和工作人員亟需關(guān)注和解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，尤其是“十二五”以來(lái)，我國(guó)不斷加大對(duì)環(huán)境保護(hù)的力度。2013-09和2015-04，國(guó)家相繼發(fā)布了《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》和《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱“大氣十條”“水十條”）。雖然《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱“土十條”）還未正式公布，但發(fā)布在即。在科技部、環(huán)保部、中國(guó)科學(xué)院等部門(mén)的引領(lǐng)下，我國(guó)污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用正逐步展開(kāi)。

本文將著重介紹近年來(lái)國(guó)內(nèi)外持久性有機(jī)污染物（POPs）污染土壤與固定化微生物修復(fù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并探討我國(guó)POPs污染土壤固定化微生物修復(fù)技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)。

1 POPs在土壤中的環(huán)境行為

1.1 POPs在土壤中的吸附與解吸附

POPs在土壤中的吸附與解吸附是決定土壤中有機(jī)污染物行為的關(guān)鍵過(guò)程，同時(shí)，對(duì)其他過(guò)程也有重要的影響。土壤對(duì)POPs 的吸附、解吸附會(huì)受到各種因素的影響，比如土壤的表面結(jié)構(gòu)特征、土壤pH值、土壤吸附劑化學(xué)組成和土壤離子強(qiáng)度等。一般情況下，POPs分子量越大，在土壤中的大吸附力越大；POPs在水中的溶解度越低，越容易被土壤吸附；土壤中有機(jī)碳含量越高，吸附能力越強(qiáng)。

1.2 POPs在土壤中的遷移

土壤是POPs在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。因?yàn)镻OPs具有半揮發(fā)性，所以，它能夠從土壤、水體揮發(fā)到大氣中，并以蒸汽的形式存在于空氣中或吸附在大氣顆粒物上，隨大氣環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)距離遷移，最終沉降到地面。土壤中的POPs也可以隨著地表水流進(jìn)入水體。殘留在土壤中的POPs可被生物體所吸收。這是其遷移進(jìn)入陸生生態(tài)系統(tǒng)的重要途徑之一。

1.3 POPs在土壤中的降解

POPs在土壤中的降解作用包括微生物降解、化學(xué)降解和土壤自由基降解等。微生物對(duì)POPs的代謝作用是土壤中OPs最主要、最徹底的降解方式，是影響POPs最終是否在土壤中殘留及其殘留量的決定因素。由于土壤環(huán)境和POPs的化學(xué)性質(zhì)、分解難易程度不同，導(dǎo)致不同OPs在土壤中的殘留量也有差異。POPs對(duì)化學(xué)和生物作用的高穩(wěn)定性決定了其污染控制與修復(fù)時(shí)遇到的困難程度，并且土壤介質(zhì)與POPs存在物理、化學(xué)方面的相互作用，所以，進(jìn)一步加大了其治理與修復(fù)的難度。

2 土壤POPs污染控制與修復(fù)

2.1 土壤POPs污染現(xiàn)狀

隨著我國(guó)現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，POPs因其性能優(yōu)良、用途多樣而被大量的生產(chǎn)、使用和排放，并長(zhǎng)期積累于土壤環(huán)境中，導(dǎo)致土壤環(huán)境不斷惡化。目前，我國(guó)土壤中殺蟲(chóng)劑的殘留狀況總體呈現(xiàn)南方大于中原大于北方的空間格局。調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，例如，太湖周邊土壤中總有機(jī)氯殺蟲(chóng)劑平均含量為68.9 μg/kg；對(duì)唐山市部分土壤樣品進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)果表明，DDTs的平均含量為34.65 ng/kg；青藏高原地區(qū)土壤中持久性有機(jī)污染物PCBs的平均含量為185.6 ng/kg，PBDEs的平均含量為11.1 ng/kg。自1960年以來(lái)，殺蟲(chóng)劑的使用、POPs類(lèi)工業(yè)助劑和產(chǎn)品的應(yīng)用，POPs的環(huán)境遷移行為等其他來(lái)源使得這些農(nóng)藥在土地中都有相當(dāng)量的殘留，且許多地區(qū)種植的谷類(lèi)、水果、中草藥等糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物中也都檢測(cè)出了POPs。

2.2 土壤POPs污染修復(fù)技術(shù)

土壤污染治理要比大氣和水污染治理更加復(fù)雜，這與土壤污染治理的復(fù)雜性有很大的關(guān)系，且我國(guó)污染場(chǎng)地修復(fù)剛剛起步，修復(fù)技術(shù)尚處處于研究和摸索階段，缺乏適用于POPs污染土壤修復(fù)的成熟技術(shù)。而發(fā)達(dá)國(guó)家土壤修復(fù)早于我國(guó)幾十年，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種較為成熟的技術(shù)，積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)。目前，國(guó)內(nèi)外POPs污染修復(fù)技術(shù)主要分為物理修復(fù)方法、化學(xué)修復(fù)方法和生物修復(fù)方法。物理修復(fù)方法主要有換土法、通風(fēng)去污法、熱解吸技術(shù)等。它能對(duì)POPs起到濃縮、富集并部分處理的作用，常作為一種預(yù)處理手段與其他處理方法聯(lián)合使用。污染土壤化學(xué)修復(fù)方法主要包括化學(xué)氧化還原法、化學(xué)淋洗法和超臨界萃取法等。POPs污染土壤生物修復(fù)技術(shù)主要包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)和植物-微生物聯(lián)合修復(fù)等技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)以后，生物修復(fù)技術(shù)得到了快速發(fā)展，已經(jīng)成為了綠色環(huán)境修復(fù)的發(fā)展趨勢(shì)和重要技術(shù)之一。其中，微生物修復(fù)主要有2種方式：①添加有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)元素，用強(qiáng)化土著微生物降解、轉(zhuǎn)化土壤中的有毒有害物質(zhì)；②向土壤中投加外源的高效降解菌（或含有高效降解菌的載體），以加快土壤中污染物的降解速度。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往采取兩種方式相結(jié)合的方法，以達(dá)到最佳的修復(fù)效果。固定化微生物技術(shù)就是微生物修復(fù)技術(shù)中的一種，它是利用化學(xué)或物理手段將游離微生物與特定載體相結(jié)合，定位于限定的空間區(qū)域，以提高微生物細(xì)胞的濃度，使其保持較高的生物活性并反復(fù)利用的方法。

3 固定化微生物技術(shù)

3.1 修復(fù)原理

固定化微生物技術(shù)最早始于1959年，HAT-TORI等首次將大腸桿菌固定在樹(shù)脂載體上實(shí)現(xiàn)大腸桿菌的固定化。微生物被固定后，載體可形成一種屏障，為微生物提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的生存環(huán)境。它能在一定程度上減輕土著微生物和其他原生動(dòng)物帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)壓力。載體的種類(lèi)和固定化方式是決定固定化微生物性能的關(guān)鍵因素。固定化載體種類(lèi)繁多，載體的機(jī)械強(qiáng)度、傳質(zhì)性能、彈性、成球難易程度及其在生物毒性等方面的影響也不同。載體優(yōu)良的材料應(yīng)具備以下特點(diǎn)：①機(jī)械強(qiáng)度高、比表面積大、傳質(zhì)迅速等；②生物相容性良好，理化性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒；③價(jià)格低廉、使用壽命長(zhǎng)、容易制備等。就目前情況而言，固定化微生物技術(shù)載體材料主要有4類(lèi)，即天然高分子載體、無(wú)機(jī)載體、人工合成高分子載體和復(fù)合載體。不同微生物固定化載體的優(yōu)缺點(diǎn)比較詳見(jiàn)表1.

由于土壤體系的獨(dú)特性和復(fù)雜性，污染土壤修復(fù)對(duì)載體材料要求的側(cè)重點(diǎn)與其他環(huán)境體系不同。固定化微生物載體進(jìn)入土壤后即成為土壤中的一部分，一般不再考慮載體的回收，所以，污染土壤修復(fù)對(duì)載體材料的環(huán)境友好性要求更加嚴(yán)格，尤其需要考慮載體材料對(duì)土壤污染物的遷移、轉(zhuǎn)化行為的影響。目前，應(yīng)用于土壤修復(fù)方面的載體主要是活性炭、硅藻土、蛭石、海藻酸鈉、生物碳和聚乙烯醇等。

固定化方式也是影響微生物活性、決定固定化微生物性能的重要因素，所以，必須根據(jù)微生物的用途及其應(yīng)用環(huán)境選擇合適的固定方法。吸附法、包埋法、共價(jià)結(jié)合法和交聯(lián)法是最常用的4種微生物固定化方法。其中，交吸附法與包埋法制備簡(jiǎn)單，對(duì)細(xì)胞活性的影響小，是目前應(yīng)用比較廣泛的方法。4種微生物固定方法的特點(diǎn)詳見(jiàn)表2.

3.2 在有機(jī)污染土壤修復(fù)方面的研究現(xiàn)狀

固定化微生物技術(shù)最初主要應(yīng)用于生物反應(yīng)器中，作為生物催化劑或是提高微生物次生代謝的產(chǎn)物，它是在固定化酶的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。到20世紀(jì)80年代，該技術(shù)在處理含酚廢水、含油廢水和味精廠廢水等高濃度有機(jī)廢水時(shí)，取得了良好的效果。目前，固定化微生物技術(shù)的研究和應(yīng)用已趨于成熟，被廣泛應(yīng)用于廢水中重金屬的去除、海水石油污染處理、環(huán)境中有機(jī)污染物降解等方面。但是，固定化微生物技術(shù)在POPs污染土壤修復(fù)方面的研究仍然處于起步階段。

目前，利用固定化微生物技術(shù)降解土壤中的殘留多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴方面的研究報(bào)道相對(duì)較多。Lin等將黃孢原毛平革菌-海藻酸鈣凝膠通過(guò)包埋法制成微生物固定化顆粒，用來(lái)降解五氯酚，其降解能力明顯高于游離菌；Su等人利用吸附法將毛霉（Mucor sp.SF06）和芽孢桿菌（Bacillus sp.SB02）固定在蛭石上，其對(duì)土壤中苯并[a]芘的降解率高達(dá)95.3%，比對(duì)照組提高15.7%；Balfanz等用黏土吸附固定的產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes sp.A7-2）投入反應(yīng)器中，提高了土壤中對(duì)氯苯酚的降解速率；Fan等人采用竹炭吸附蒼白桿菌（Ochrobactrum sp.AHAT-3），并輔以海藻酸鈉包埋，1個(gè)月內(nèi)對(duì)黑土和紅壤中阿特拉津的降解率比對(duì)照試驗(yàn)組高出約10%. 用固定化微生物技術(shù)構(gòu)建起降解POPs的土壤微環(huán)境，不僅能增加微生物細(xì)胞的數(shù)量，增強(qiáng)其活性、穩(wěn)定性、耐環(huán)境沖擊的能力，加快微生物降解土壤中POPs的反應(yīng)啟動(dòng)速度，還能加快POPs的去除效率。另外，固定化材料還可以起到疏松劑的作用，加快氧氣的輸送，加快POPs的礦化速度。

在研究POPs污染土壤固定化微生物技術(shù)時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)妮d體材料，結(jié)合不同的固定技術(shù)制備，擴(kuò)大生物質(zhì)載體材料的篩選范圍是十分重要的。試驗(yàn)證明，生物碳不僅能為真菌提供營(yíng)養(yǎng)，還能作為固定載體，使真菌在土壤中定殖，持久發(fā)揮其功能。Federici等用玉米秸稈顆粒培養(yǎng)虎皮香菇（Lentinus tigrinus CBS 577.79），并修復(fù)多氯聯(lián)苯污染土壤。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種真菌能顯著提高了Aroclor 1260的降解率。胡金星等從長(zhǎng)期受PCBs污染的土壤中分離出能降解氯取代數(shù)小于4的PCBs同系物的飛魚(yú)鞘氨醇菌，以水稻秸稈為載體，構(gòu)建適用于PCBs污染土壤修復(fù)的固定化微生物。Fernndez-Snchez等用黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysospo- rium H-298）-甘蔗渣體系修復(fù)PCBs污染土壤，結(jié)果表明，附著在甘蔗渣上的真菌能加速土壤中PCBs的降解，且可以在土著微生物之間建立協(xié)同關(guān)系，進(jìn)一步促進(jìn)土壤中PCBs的降解。

土壤的溫度、濕度和有機(jī)質(zhì)等含量是影響微生物降解POPs的重要因素。美國(guó)通用電子公司通過(guò)投加微生物并結(jié)合翻耕等技術(shù)實(shí)地修復(fù)PCBs污染土壤，孫國(guó)強(qiáng)等運(yùn)用固定化技術(shù)對(duì)假單胞桿菌（Pseudomonas sp.DNB-S1）進(jìn)行包埋，考察固定化微球?qū)ν寥乐蠨BP的去除效果和生態(tài)修復(fù)效應(yīng)等多方面的修復(fù)效果。28 d后，在固定化微球處理組中，DBP的降解率為78.04%.試驗(yàn)結(jié)果表明，固定化微球能夠有效修復(fù)被DBP污染的土壤，減小DBP對(duì)土壤微生物的危害。王琳等采用改性硅藻土，將施氏假單胞桿菌制成適于撒播的干式固定化微生物，并構(gòu)建土壤微宇宙進(jìn)行PCP農(nóng)藥微生物修復(fù)特性研究。

4 結(jié)論與展望

固定化微生物技術(shù)在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，尤其它在廢水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，其在POPs土壤修復(fù)中的研究剛剛起步，要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，還有許多問(wèn)題需要解決。POPs污染土壤修復(fù)技術(shù)的選擇主要從兩方面考慮，即技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。因而，應(yīng)用固定化微生物修復(fù)POPs污染土壤應(yīng)主要從以下幾方面考慮：①選擇適宜于土壤的固定化載體。比如天然有機(jī)質(zhì)、生物碳類(lèi)的炭質(zhì)材料和農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物等，性能穩(wěn)定、成本低廉、環(huán)境友好、污染物吸附能力強(qiáng)是潛在的載體選擇。②篩選POPs高效降解菌。采用吸附態(tài)POPs作為碳源來(lái)篩選、馴化微生物，更容易獲得能高效利用吸附態(tài)POPs的菌種或菌群。③采用適宜的固定化方法。目前，吸附法和包埋法是應(yīng)用廣泛的固定化方法，但它們都存在一定的缺陷。吸附-包埋聯(lián)合固定化技術(shù)可能是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。④與其他修復(fù)技術(shù)聯(lián)合使用。比如，用表面活性劑促進(jìn)POPs從土壤有機(jī)質(zhì)中解吸出來(lái)，采用微植微生物聯(lián)合、動(dòng)物-微生物聯(lián)合技術(shù)和生物-微生物聯(lián)合技術(shù)修復(fù)。

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〔編輯：白潔〕