多環(huán)芳烴污染土壤的微生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

吳梟雄 王紅旗 劉自力

摘要：多環(huán)芳烴是一種存在于各類環(huán)境介質(zhì)中的持久性有機(jī)污染物，對(duì)環(huán)境以及人類健康生存都有很大的危害。由于其高度疏水性，多環(huán)芳烴在自然界中難以被降解。對(duì)于受多環(huán)芳烴污染土壤的修復(fù)問(wèn)題，微生物修復(fù)技術(shù)因其高效、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。本文論述了微生物降解多環(huán)芳烴的機(jī)理，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀介紹了幾種常見的土壤微生物修復(fù)技術(shù)，展望了微生物修復(fù)多環(huán)芳烴污染土壤的技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：多環(huán)芳烴；土壤污染；土壤微生物修復(fù)技術(shù)；降解機(jī)理

中圖分類號(hào)：X131.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2018）07-0108-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.063

Progress in research on microbial remediation of polycyclic aromatic hydrocarbon contaminated soil

Wu Xiaoxiong， Wang Hongqi， Liu Zili

（ Institute of Water Sciences， Beijing Normal University， Beijing 100875，China）

Abstract： PAHs are persistent organic pollutants that exist in various environmental media and are harmful to the environment and human health. Due to its high hydrophobicity， PAHs are difficult to be degraded in nature. For the restoration of polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soils， microbial remediation technology has received extensive attention due to its high efficiency， economy， and other characteristics. This paper discusses the mechanism of microbial degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons. Combined with the research status at home and abroad， several common soil microbial remediation technologies are introduced. The development direction of the technology for microbial remediation of polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soils is prospected.

Key words： PAHs； Soil pollution； Soil microbial remediation； Degradation mechanism

多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）是有包括兩個(gè)及兩個(gè)以上鑲嵌在一起的芳香環(huán)組成在一起的一大類有機(jī)化合物，已鑒定出的種類有100多種。多環(huán)芳烴可自然形成（如碳化等），但其主要來(lái)源是在石油開采、工業(yè)生產(chǎn)以及進(jìn)行其他人類活動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致有機(jī)物不完全燃燒或者熱裂解，形成PAHs并釋放出來(lái)，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，很難被降解，而且大部分具有致癌性與致突變性，會(huì)對(duì)人類的健康產(chǎn)生巨大的危害。美國(guó)環(huán)保署（US EPA）已經(jīng)將16種多環(huán)芳烴作為優(yōu)先控制污染物。對(duì)多環(huán)芳烴的研究獲得社會(huì)的廣泛關(guān)注。

生物修復(fù)技術(shù)（Bioremediation）是20世紀(jì)80年代以來(lái)出現(xiàn)并發(fā)展的清除和治理環(huán)境污染的生物工程技術(shù)。其主要運(yùn)用了生物代謝、分解污染物質(zhì)的能力，去除環(huán)境中的污染物，達(dá)到清除環(huán)境污染的目的。由于其具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作便捷、低成本高效率等特點(diǎn)，生物修復(fù)技術(shù)近年來(lái)有了迅猛的發(fā)展。而土壤微生物修復(fù)技術(shù)（Soil bioremediation）則是利用土著微生物或者經(jīng)過(guò)人工馴化后具有某種特定功能的微生物，在一定的環(huán)境條件下，通過(guò)代謝作用降解土壤中的有害物質(zhì)或者降低污染物活性，從而達(dá)到修復(fù)受污染土壤的目的。利用微生物修復(fù)技術(shù)治理多環(huán)芳烴污染土壤也成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)之一。

1 微生物降解多環(huán)芳烴的機(jī)制

自然界的微生物多種多樣，具有非常強(qiáng)的分解代謝能力和較高的代謝效率。比較常見的多環(huán)芳烴降解細(xì)菌有鞘氨醇單胞屬、分支桿菌屬芽孢、不動(dòng)桿菌屬、芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、紅球菌菌屬和伯克氏菌屬等[1]，這些高效降解菌大多數(shù)是從被多環(huán)芳烴污染的土壤和沉積物中分離出來(lái)。不同于細(xì)菌，一些真菌也具有降解多環(huán)芳烴的能力，其中，最常見的是白腐真菌[2]。它們通過(guò)分泌胞外酶，如：木質(zhì)素、漆過(guò)氧化物胞外酶，可以將高毒性的多環(huán)芳烴分解。

微生物降解PAHs有兩種方式：（1）以PAHs為唯一碳源和能源；（2）PAHs與其他有機(jī)質(zhì)進(jìn)行共代謝[4]。通常環(huán)數(shù)較低的PAHs（2環(huán)或3環(huán)）能很快被降解，在環(huán)境中存在時(shí)間較短，微生物可以以其為唯一碳源和能源的方式進(jìn)行代謝與降解。而許多4環(huán)或多環(huán)的PAHs難以作為唯一碳源和能源被微生物降解，主要是以共代謝的方式進(jìn)行。研究了苯并[a]芘在以鄰苯二甲酸、琥珀酸鈉作為共代謝底物時(shí)，微生物對(duì)其的降解效果，結(jié)果表明，琥珀酸鈉相對(duì)于鄰苯二甲酸可以更好的加強(qiáng)共代謝作用，并提高苯并[a]芘的微生物降解率。

微生物降解 PAHs 依賴于加氧酶的活性，加氧酶分為單加氧酶和雙加氧酶。真菌一般會(huì)產(chǎn)生單加氧酶，在單加氧酶的作用下把一個(gè)氧原子加到多環(huán)芳烴中，使多環(huán)芳烴開環(huán)并形成芳烴的氧化物，繼而被氧化成為反式雙氫乙醇和酚類。而細(xì)菌主要產(chǎn)生雙加氧酶，使多環(huán)芳烴開環(huán)并氧化成芳烴類過(guò)氧化物，再進(jìn)一步氧化為龍膽酸等中間代謝物，最后苯環(huán)斷開，產(chǎn)生琥珀酸、乙酸、丙酮酸和乙醛。所有這些產(chǎn)物都會(huì)進(jìn)入三羧酸循環(huán)，被微生物用來(lái)合成自身的細(xì)胞蛋白質(zhì)和能量，并最終產(chǎn)生CO2和H2O，達(dá)到降解的目的。

研究了微生物降解萘和菲的機(jī)制，其中萘降解過(guò)程中出現(xiàn)的鄰苯二酚-2，3-雙加氧酶、鄰苯二酚-1，2-雙加氧酶是主要的限速酶。菲降解途徑中限速酶有3，4-雙羥基菲雙加氧酶、1-羥基-2-萘甲醛羥化酶和羥基化雙加氧酶，其中間產(chǎn)物1-羥基-2-萘甲酸在鄰位裂解酶與間位裂解酶的作用下生成萘二酚，之后降解途徑與萘類似，多數(shù)是通過(guò)水楊酸途徑、龍膽酸途徑進(jìn)入TCA循環(huán)。研究Pesudomonas sp.TN301菌降解萘的過(guò)程中時(shí)發(fā)現(xiàn)，龍膽酸及鄰苯二酚在鄰苯二酚-2，3-雙加氧酶和鄰苯二酚-1，2-雙加氧酶等多種酶的作用下經(jīng)一系列連續(xù)降解反應(yīng)并最終進(jìn)入TCA循環(huán)。

2 微生物降解技術(shù)

2.1 原位微生物修復(fù)技術(shù)

2.1.1 土著菌培養(yǎng)法

由于在實(shí)際應(yīng)用中向污染土壤接種的工程菌不易維持其活性，因此需要考慮激活污染土壤地區(qū)的土著菌，同時(shí)對(duì)土著菌進(jìn)行微生物培養(yǎng)，向污染土壤中投加氧源及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等，以滿足土著菌的生存需要，使其迅速繁殖并通過(guò)代謝降解污染物。受污染土壤在這個(gè)過(guò)程中基本不被攪動(dòng)。

而在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，營(yíng)養(yǎng)鹽的缺乏通常是影響微生物活性以及降解效率的主要因素。為了提高其降解效率，可適當(dāng)添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)污染物的降解。目前，外加營(yíng)養(yǎng)鹽主要用于受石油烴化合物污染環(huán)境的生物修復(fù)。例如，添加酵母膏或酵母廢液可以促進(jìn)石油烴化合物的降解。

2.1.2 投菌法

直接向污染土壤接入經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室篩選、培養(yǎng)的降解菌（從自然環(huán)境中定向篩選的微生物，或者是基因工程菌），并提供微生物生長(zhǎng)所需要的N、P等營(yíng)養(yǎng)元素，從而使污染物被降解菌代謝降解。而在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)處理過(guò)程中，投菌法的處理效果往往不盡如人意，其原因主要在于土著微生物與引入的外源微生物之間存在營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題，而營(yíng)養(yǎng)鹽又常是環(huán)境中多環(huán)芳烴降解的限制因子。所以，實(shí)際應(yīng)用時(shí)要綜合考慮由實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)出的降解菌在處理現(xiàn)場(chǎng)的存活率問(wèn)題。

2.1.3 土地耕作法

土地耕作處理是現(xiàn)場(chǎng)處理方法中的主要手段，通過(guò)施肥、灌溉和加石灰等措施，平衡土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的比例、調(diào)節(jié)土壤中的水分和pH值，以優(yōu)化微生物的生長(zhǎng)條件，同時(shí)對(duì)受污染土壤進(jìn)行耕作，翻動(dòng)土壤可以改善土壤的通氣狀況，使土壤充氧，激發(fā)微生物代謝速率，以達(dá)到降解污染物的目的。

2.2 異位微生物修復(fù)技術(shù)

2.2.1 預(yù)制床法

預(yù)制床法是將受污染的土壤平鋪在不滲漏的平臺(tái)上，加上營(yíng)養(yǎng)液和水，定期翻動(dòng)充氧，將處理過(guò)程中的滲透水回灌于土層上，以完全清除污染物。降解過(guò)程多使用土著微生物進(jìn)行降解，但為了提高修復(fù)效果，一般還會(huì)引入實(shí)驗(yàn)室馴化培養(yǎng)的微生物。一般通過(guò)施肥、灌溉以及調(diào)節(jié)pH值等措施，可以使預(yù)制床中的微生物達(dá)到適合降解污染物的最優(yōu)狀態(tài)。在原位修復(fù)技術(shù)中，土壤耕作處理的一大缺陷是污染物可能從處理區(qū)遷移，而預(yù)制床由于其底面為滲透材料多為滲透性低的物質(zhì)（聚乙烯或粘土等），同時(shí)配備有濾液收集和控制排放系統(tǒng)，可以使污染物的遷移量大幅度減少，因此可以將其視為土壤耕作法的一種改良與延續(xù)[3]。

2.2.2 土壤堆肥法

土壤堆肥法是通過(guò)多種微生物（細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物等）的新陳代謝活動(dòng)來(lái)降解污染物的方法，其設(shè)備要求簡(jiǎn)單，并且能夠調(diào)控過(guò)程參數(shù)（溫度、pH等）。在堆肥過(guò)程中，可以控制這些環(huán)境因素，調(diào)節(jié)至微生物最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)繁殖，提高污染物的降解率。除此之外，在微生物降解污染物的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定熱量，升高堆溫，進(jìn)而提高微生物的生長(zhǎng)代謝速率，有利于微生物修復(fù)效果。采用堆肥法對(duì)油污土壤進(jìn)行微生物處理，并通過(guò)檢測(cè)堆制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度、pH、菌數(shù)和總油污含量的變化，來(lái)考察實(shí)驗(yàn)室篩選得到的高效石油降解菌治理現(xiàn)場(chǎng)油污土壤的效果，研究發(fā)現(xiàn)生物去除率可達(dá)42%。

在實(shí)驗(yàn)室尺度和場(chǎng)地尺度兩種條件下對(duì)比研究了堆肥法修復(fù)多環(huán)芳烴污染土壤的效果，研究表明經(jīng)過(guò)180天的修復(fù)，多環(huán)芳烴的總降解率達(dá)到90%，并發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌群落在修復(fù)場(chǎng)地中的變化，其中γ-變形菌菌屬的細(xì)菌持續(xù)存在著，而β-變形菌菌屬的細(xì)菌直到90天后才會(huì)出現(xiàn)，此時(shí)的多環(huán)芳烴濃度足夠低，土壤已無(wú)生態(tài)毒性。

2.2.3 生物反應(yīng)器法

生物反應(yīng)器法是將污染土壤置于一種特殊的反應(yīng)器裝置中進(jìn)行處理，一般可以建在現(xiàn)場(chǎng)或特定的處理區(qū)，通常為臥鼓狀和氣提式。處理時(shí)，將污染土壤轉(zhuǎn)移至反應(yīng)器中，加入足量水充分混合至泥漿狀，并加入各類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并劇烈攪拌使氧氣充足，微生物與污染土壤充分接觸，完成處理過(guò)程。由于反應(yīng)器能夠使土壤與微生物及其他添加物（如營(yíng)養(yǎng)鹽、表面活性劑等）徹底混合均勻，同時(shí)可以控制降解的環(huán)境條件（溫度、pH值等），因而處理速度快，效果好。生物反應(yīng)器已經(jīng)開始應(yīng)用于多環(huán)芳烴污染土壤的處理。

在研究中向連續(xù)攪拌釜內(nèi)加入葡萄球菌和芽孢桿菌，并采用分批培養(yǎng)的方式降解多環(huán)芳烴污染土壤中的菲、芘及苯[a]并蒽，一段時(shí)間后，兩者的降解率均接近100%。發(fā)現(xiàn)向泥漿生物反應(yīng)器中加入有機(jī)廢棄物（2.5%發(fā)酵牛糞和2.5%造紙干粉）可以提高多環(huán)芳烴降解菌的數(shù)量，強(qiáng)化微生物對(duì)多花芳烴污染土壤的修復(fù)。

3 展望

土壤中多環(huán)芳烴污染的治理與修復(fù)問(wèn)題一直都被社會(huì)所關(guān)注，各類土壤微生物修復(fù)技術(shù)日趨成熟，但仍然存在一些方面需要進(jìn)一步研究。（1）加強(qiáng)對(duì)微生物降解多環(huán)芳烴的降解機(jī)理與主要控速步驟的研究，構(gòu)建合理的微生物降解動(dòng)力學(xué)模型。（2）加強(qiáng)對(duì)共代謝機(jī)制的研究，尤其是對(duì)高環(huán)數(shù)的多環(huán)芳烴降解機(jī)制研究，以及在共代謝降解過(guò)程中，不同的多環(huán)芳烴降解會(huì)對(duì)其他多環(huán)芳烴降解產(chǎn)生何種影響。（3）分析研究土壤微生物修復(fù)技術(shù)最適宜的工作條件，包括環(huán)境因素與工藝過(guò)程的參數(shù)等，例如pH、溫度等，因地制宜，從而提高微生物的降解效率。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2018-04-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（NO.41772234）。

作者簡(jiǎn)介：吳梟雄（1995-），男，研究生，研究方向?yàn)槲⑸镄迯?fù)技術(shù)。

通訊作者：王紅旗（1960-），男，博士，教授，研究方向?yàn)槲廴就寥佬迯?fù)機(jī)理與修復(fù)技術(shù)。