夏明 萬何平 曹新華 孫齊英 周世力

摘要?土壤是人類賴以生存的重要資源，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，土壤污染已成為全球性的重要環(huán)境問題。微生物修復(fù)技術(shù)具有其他土壤修復(fù)技術(shù)手段無法比擬的優(yōu)勢(shì)，已成為土壤修復(fù)領(lǐng)域研究的前沿之一。介紹了原位微生物修復(fù)技術(shù)和異位微生物修復(fù)技術(shù)的主要應(yīng)用類型，對(duì)近年來國內(nèi)外在固定微生物技術(shù)、微生物和植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)、高效基因工程菌開發(fā)等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)今后微生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞?微生物;土壤修復(fù);固定微生物技術(shù);微生物和植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

中圖分類號(hào)?X53?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A?文章編號(hào)?0517-6611（2020）14-0013-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.004

Abstract?Soil is an important resource for human survival. Due to the rapid development of industrial and agricultural activities， soil pollution has become one of the biggest global environmental challenges. Microbiological repair technology， having an advantage over other technical means， has become one of the frontiers in soil restoration research. Here we gave an overview of?in situ?and?ex situ?bioremediation， and their main application types. In addition， we reviewed the recent progress of research on the immobilized microorganism technology， the microbe-plant combined remediation technology， and the development of efficient gene engineering bacteria. The future development trends and application prospects of the microbial remediation technology were prospected.

Key words?Microorganism;Soil remediation;Immobilized microorganism technology;Microbe-plant combined remediation technology

隨著人口的迅速增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為了維持和改善生活質(zhì)量，人類需要更多的染料、殺蟲劑以及各種藥物等，盡管這些化學(xué)物質(zhì)中很多都可以被利用或者被降解，但仍然有很多被釋放到空氣、水體和土壤中，我國的土壤污染問題也愈加凸顯出來。工業(yè)化快速發(fā)展及隨之產(chǎn)生的工業(yè)“三廢”的大量排放，城市污染的加劇和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用化肥、農(nóng)藥的增加，導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量日益惡化，對(duì)人類的糧食安全、生存環(huán)境及健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。

土壤污染主要是由工廠活動(dòng)產(chǎn)生的廢物、農(nóng)業(yè)使用的化學(xué)物質(zhì)以及生活廢物處置不當(dāng)引起的。常見的化學(xué)物質(zhì)包含石油烴、多環(huán)芳烴、農(nóng)藥、鉛和其他重金屬元素[2]。直接與已被污染的土壤接觸和由于污染土壤中或土壤下的供應(yīng)水引起的二次污染都可能對(duì)人類健康造成威脅[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國2014年土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，土壤一旦受到污染，將會(huì)進(jìn)一步污染地下水體等自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[4]，甚至影響到糧食和農(nóng)副產(chǎn)品的質(zhì)量，且其治理和恢復(fù)難度相當(dāng)大（環(huán)境保護(hù)部）[5]。全面調(diào)查已被污染的土壤區(qū)域以及隨后對(duì)其實(shí)施凈化措施涉及的領(lǐng)域非常多，有地質(zhì)學(xué)、水文學(xué)、化學(xué)、電腦建模等，還需要充分了解工業(yè)化學(xué)的發(fā)展史，是一項(xiàng)極費(fèi)時(shí)和費(fèi)錢的工程[6]。

對(duì)于污染土壤的修復(fù)，傳統(tǒng)的治理方法有物理修復(fù)法和化學(xué)修復(fù)法，但是通過這2種方法來降低土壤中污染物濃度投資大，且不易操作，不適合大范圍推廣應(yīng)用?；瘜W(xué)修復(fù)法主要通過使用化學(xué)修復(fù)劑，使之與土壤中的污染物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、吸附反應(yīng)、沉淀反應(yīng)和絡(luò)合反應(yīng)等，達(dá)到將土壤中的污染物質(zhì)分離、降解或轉(zhuǎn)化成無毒或低毒的形式去除，但去除污染物的同時(shí)可能會(huì)將化學(xué)成分引入到土壤中，從而造成二次污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。微生物修復(fù)技術(shù)是指利用天然存在的土著微生物群、外源微生物群以及采用遺傳工程手段研究和構(gòu)建的高效降解菌株或人工開發(fā)的基因工程菌，適宜的環(huán)境條件會(huì)加強(qiáng)微生物的代謝作用，從而達(dá)到降低土壤中有毒有害污染物活性，或直接使其降解成為無毒物質(zhì)的目的。微生物個(gè)體小，比表面積大;吸收多，轉(zhuǎn)化快;生長(zhǎng)旺，繁殖快;適應(yīng)強(qiáng)，易變異;分布廣，種類多，同時(shí)，微生物營養(yǎng)類型多樣，大體可以分為四大類型：光能無機(jī)營養(yǎng)型、光能有機(jī)營養(yǎng)型、化能無機(jī)營養(yǎng)型和化能有機(jī)營養(yǎng)型，可以利用多種物質(zhì)作為能量來源。微生物修復(fù)技術(shù)具有其他技術(shù)手段無法比擬的優(yōu)勢(shì)，已成為該領(lǐng)域研究的前沿之一[3]。

1?土壤微生物簡(jiǎn)介

土壤是微生物的大本營，是微生物生長(zhǎng)和繁殖的天然培養(yǎng)基。土壤中微生物具有以下特點(diǎn)：類群豐富，一般包含細(xì)菌、放線菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物五大類;數(shù)量繁多，一般來說，在每克耕作層土壤中，細(xì)菌數(shù)量約為108個(gè)，放線菌（孢子）數(shù)量約為107個(gè)，真菌（孢子）數(shù)量約為106個(gè)，酵母菌數(shù)量約為105個(gè)，藻類數(shù)量約為104個(gè)，原生動(dòng)物約為103個(gè);分布廣泛，由于土壤質(zhì)地、發(fā)育歷史、發(fā)育母質(zhì)、季節(jié)、肥力、作物種植狀況、土壤層次和深度等不同，其所含的微生物種類和數(shù)量會(huì)表現(xiàn)出很大差異，一般在微生物修復(fù)過程中起作用最大的是細(xì)菌，其次是放線菌和真菌類。土壤微生物可以通過固氮、降解無機(jī)磷鉀等改善土壤的物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)并提高肥力，又可促進(jìn)植物光合效應(yīng)、抑制植物病原菌增殖、促進(jìn)作物生長(zhǎng)，還可降解多種重金屬離子實(shí)現(xiàn)對(duì)污染土壤的修復(fù)[5]。

2?污染土壤的微生物修復(fù)技術(shù)

20世紀(jì)70年代以來，隨著微生物處理技術(shù)在石油及重金屬污染治理等方面的廣泛應(yīng)用[7]，在利用微生物來降解有機(jī)污染物和重金屬污染土壤的修復(fù)等方面取得了較好的效果，該法逐漸取代傳統(tǒng)的化學(xué)修復(fù)法和物理修復(fù)法而成為修復(fù)污染土壤的核心技術(shù)。從不同的角度，可以對(duì)土壤污染修復(fù)技術(shù)進(jìn)行不同分類，其中按修復(fù)土壤的位置可以將微生物修復(fù)技術(shù)分為原位修復(fù)技術(shù)和異位修復(fù)技術(shù)。

2.1?原位微生物修復(fù)技術(shù)

原位的意思是指微生物修復(fù)發(fā)生的地理位置就在受污染的位置，所以原位微生物修復(fù)是指不移動(dòng)受污染的土壤或污染物，而是通過直接在其中添加微生物試劑、營養(yǎng)元素等，以提高土著微生物或外源微生物對(duì)土壤有機(jī)污染物的降解作用，直接在發(fā)生污染的場(chǎng)地對(duì)其進(jìn)行原地修復(fù)作用。原位微生物修復(fù)技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于含有碳?xì)浠衔铩⒙然?、硝酸鹽、有毒金屬和其他化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的污染物質(zhì)的生物修復(fù)過程中。原位修復(fù)技術(shù)主要有生物培養(yǎng)法、投菌法和生物通風(fēng)處理法等方法。

2.1.1?生物培養(yǎng)法（bioculture）。

生物培養(yǎng)法利用的是受污染土壤中的土著微生物，這一類微生物有的可以降解土壤中的有機(jī)污染物，故而可以定期向土壤中投加適合且促進(jìn)土著微生物生長(zhǎng)繁殖所需的營養(yǎng)物作為能源，同時(shí)添加氧和過氧化氫作為其正常代謝過程中所需的氫受體（電子受體），在這種適宜條件下，土著微生物可以正常甚至加速新陳代謝和生長(zhǎng)繁殖，整個(gè)過程中可以將土壤中的污染物轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物或直接降解成二氧化碳和水[8]。此法修復(fù)污染土壤的缺點(diǎn)是一般需要時(shí)間較長(zhǎng)。

2.1.2?投菌法（bioaugmentation）。

如果土壤中的土著微生物無法降解該環(huán)境中的污染物質(zhì)，那么可以采取向該環(huán)境中引入外源物種以達(dá)到加速降解土壤中污染物質(zhì)的目的。此法中一般需要加入多種微生物：地衣桿菌（?B.licheniformis）、蘇云金芽孢桿菌（B.thuringiensis）、多粘菌（P.polymyxa）、嗜熱脂肪芽孢桿菌（B.stearothermophilus）、青霉菌（Penicillium?sp.）、曲霉（?Aspergillus?sp.）、黃桿菌（?Flavobacterium）、節(jié)桿菌（Arthrobacter）、假單胞菌（Pseudomonas）、鏈霉菌（Streptomyces）和酵母菌（Saccharomyces）?等，同時(shí)還需要提供這些微生物生長(zhǎng)所需要的營養(yǎng)物，包括N、P、K、S、Ca、Mg、Fe、Mn等，其中N和P是微生物主要的營養(yǎng)元素[9]。有研究表明，在向污染了石油烴的土壤中定期投入混有馬紅球菌、假單胞菌和鞘氨醇單胞菌的混合菌群6個(gè)月后，石油烴的去除率達(dá)54%。

2.1.3?生物通風(fēng)處理法（bioventing）。

生物通風(fēng)法主要用于地下水系統(tǒng)中有機(jī)污染物的生物降解，也常用于由地下油管泄漏造成的輕度污染土壤的生物修復(fù)，該法在提高土著微生物活性的同時(shí)還可以通過在通氣層中通入空氣或氧氣以促進(jìn)原位生物降解能力。在受污染的土壤中，由于微生物生長(zhǎng)繁殖與新陳代謝過程使得其中氧氣濃度降低，能夠發(fā)揮降解污染物的微生物生命活動(dòng)被抑制，從而大大降低土壤中污染物的降解效果，此時(shí)向該土壤中通入空氣或氧氣，可以恢復(fù)土著微生物的活性，從而繼續(xù)達(dá)到降解污染物的目的[8]。

2.2?異位微生物修復(fù)技術(shù)

利用異位微生物修復(fù)技術(shù)處理污染土壤時(shí)，要求將被污染的土壤挖出，搬動(dòng)或輸送到它處集中起來進(jìn)行生物修復(fù)處理[10]，具有高效且便于監(jiān)控的特點(diǎn)，但是由于運(yùn)輸和后期處理過程中存在擴(kuò)散的可能，所以該法也存在一定的局限性，一般用來處理污染濃度高且污染土壤量不大的區(qū)域。異位微生物修復(fù)既可以在土壤受污染之初進(jìn)行處理，又可以通過過程控制器或生物反應(yīng)器產(chǎn)生有利于生物降解的條件。主要方法有土耕法、生物堆制法、土壤堆肥法、生物泥漿法和預(yù)制床法。

2.2.1?土耕法（land farming）。

土耕法是將被污染的土壤或沉積物挖出轉(zhuǎn)移至土耕位點(diǎn)并放置于處理墊上，以防止污染物轉(zhuǎn)移，并進(jìn)行定期翻動(dòng)以達(dá)到往被污染土壤中補(bǔ)充空氣使上部處理帶保持好氧狀態(tài)，該法往往還會(huì)利用黏土來阻擋露出的污染物以防止地下水污染。土耕法費(fèi)用極低，時(shí)間短，通常60～80 d即可，因此可以在多種污染土壤的生物修復(fù)過程中使用，但是其無法處理揮發(fā)性有機(jī)物，因而會(huì)讓這一部分有機(jī)物進(jìn)入大氣造成空氣污染。

2.2.2?生物堆制法（biopile）。

生物堆制法是土耕法的改進(jìn)形式，是一種將受污染的土壤從污染地區(qū)挖掘出來，運(yùn)送到指定地點(diǎn)（提前布置了防止?jié)B漏襯底、通風(fēng)管道等）進(jìn)行生物降解的異位修復(fù)技術(shù)[11]。這種方法包括將受污染的土壤進(jìn)行堆放，依靠通風(fēng)、加入營養(yǎng)物質(zhì)和微量元素以及增加濕度等手段，模擬土壤中的好氧微生物降解過程以去除土壤中吸附的污染物組分[11]。生物堆制處理技術(shù)設(shè)計(jì)和安裝簡(jiǎn)單，修復(fù)需要的時(shí)間短，但是此方法占地面積較大，若土壤中存在一定濃度的重金屬，可能會(huì)抑制生物降解。

2.2.3?土壤堆肥法（composting）。

土壤堆肥法是一種在有氧條件下降解土壤有機(jī)污染物的微生物修復(fù)方法，且經(jīng)過修復(fù)后的有機(jī)物質(zhì)可以重復(fù)利用。與土耕法不同的是，土壤堆肥法還需要額外加入土壤調(diào)理劑，土壤調(diào)理劑主要包括稻草、糞便等，基本需要含有以下4種營養(yǎng)物質(zhì)：碳作為能源物質(zhì);氮用來維持微生物的生長(zhǎng)代謝，同時(shí)有助于其產(chǎn)生能氧化碳的有機(jī)物質(zhì);氧也可以氧化碳從而加快降解污染物的速度;水用來保持微生物活性，且有利于維持有氧環(huán)境。與土耕法或生物堆制法相比，土壤堆肥法雖然處理費(fèi)用略高一點(diǎn)，但可以降低污染土壤的修復(fù)時(shí)間，且其對(duì)去除含高濃度不穩(wěn)定固體的有機(jī)復(fù)合物的效率最高。

2.2.4?生物泥漿法（bioslurry treatment）。

生物泥漿法實(shí)質(zhì)是一種生物反應(yīng)器，將受污染的土壤挖出，去除其中的石塊和碎石之后，與水混合后置于一個(gè)容器中（典型的泥漿中會(huì)包含10%～30%的固體），隨后加入營養(yǎng)物質(zhì)以增強(qiáng)微生物降解污染物質(zhì)的能力，整個(gè)過程中可以通過控制溫度、混合強(qiáng)度和營養(yǎng)物質(zhì)達(dá)到降解最大化。處理后的污染土壤干燥后經(jīng)過檢測(cè)確保污染物質(zhì)已被完全降解后即可再運(yùn)回原地，經(jīng)過改良后更可實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)化。生物泥漿法已被廣泛用于被三硝基甲苯（TNT）污染土壤的生物修復(fù)中。

2.2.5?預(yù)制床法（prepared bed）。

預(yù)制床法是首先在防止?jié)B漏的平臺(tái)鋪上石子和沙子，按10～30 cm的厚度平鋪在處理墊上，以防止污染物轉(zhuǎn)移，并在表面灑上營養(yǎng)物質(zhì)和水，同時(shí)進(jìn)行定期翻動(dòng)，以使受污染土壤與空氣和營養(yǎng)物（有機(jī)營養(yǎng)物和無機(jī)營養(yǎng)物）充分接觸，滿足微生物生長(zhǎng)的需要，處理過程中流出的液體可淋回土壤上，這樣可以使得原土壤中的污染物得到徹底有效降解[8]。但該方法存在著操作復(fù)雜且成本較高的問題。

3?微生物修復(fù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1?固定化微生物技術(shù)

固定化微生物技術(shù)是20世紀(jì)60年代在固定化酶技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種生物修復(fù)技術(shù)，它是利用化學(xué)或物理手段將游離的微生物或酶與特定的載體結(jié)合，固定于限定的空間區(qū)域，以提高微生物細(xì)胞或酶的濃度，使其保持較高的生物活性并可反復(fù)利用的方法[7，12]。固定化微生物技術(shù)主要包括包埋法、吸附法、包絡(luò)法、共價(jià)結(jié)合法以及交聯(lián)法，它們都是將微生物固定在一個(gè)限定空間內(nèi)，只是固定的原理各不相同。包埋法是指將微生物包裹在凝膠格子或聚合物半透膜微膠囊中，吸附法是依據(jù)細(xì)胞表面與載體表面之間的靜電、表面張力和粘附力，使細(xì)胞固定在載體上;包絡(luò)法是利用載體材料的多孔性讓微生物在其表面生成機(jī)械強(qiáng)度較高的生物膜，同時(shí)微生物還會(huì)在材料的內(nèi)孔處形成高密度的群落;共價(jià)結(jié)合法是利用細(xì)胞表面與載體表面形成化學(xué)共價(jià)鍵從而固定微生物的方法;交聯(lián)法是利用微生物菌體相互之間連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而達(dá)到固定的方法。目前，固定化微生物技術(shù)已成為環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)及其相關(guān)學(xué)科的研究重點(diǎn)[13]。

3.2?微生物和植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

微生物和植物聯(lián)合修復(fù)是通過形成土壤-植物-微生物的復(fù)合體系來共同降解污染物，從而清除環(huán)境污染物，提高污染土壤的修復(fù)效率[14]。在這個(gè)復(fù)合體系中，植物根系可以給微生物提供生活場(chǎng)所，而微生物生長(zhǎng)可以促進(jìn)降解土壤中的污染物，從而促使植物更好的生長(zhǎng)[14]，提高植物耐受性，最終通過這種互助作用修復(fù)污染土壤[15]。目前，對(duì)于微生物和植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)主要應(yīng)用在兩個(gè)方面[16-17]：①改善和提高土壤重金屬污染的修復(fù)效果;②在農(nóng)藥污染土壤修復(fù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近年來，利用植物-微生物聯(lián)合修復(fù)取代單一的微生物修復(fù)或單一的植物修復(fù)，已成為農(nóng)藥污染土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

3.3?高效基因工程菌的開發(fā)

利用微生物降解污染土壤中的污染物已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但由于污染物種類繁多，尤其是難降解的污染物的存在很大程度上增大了修復(fù)難度，延長(zhǎng)了修復(fù)周期，阻礙了生物修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。通過基因工程的手段構(gòu)建高效環(huán)境工程菌可以明顯提高微生物對(duì)土壤污染物的降解效率[18]。Plotnikova等[19]成功將一株多環(huán)芳烴降解菌（假單胞菌SN11）中的多環(huán)芳烴降解質(zhì)粒轉(zhuǎn)移到嗜鹽性惡臭假單胞菌BS394中，構(gòu)建出的基因工程菌可以在高鹽濃度的污染土壤中存活且仍具有較高的多環(huán)芳烴類化合物降解能力。

4?展望

生物修復(fù)污染土壤具有高效且低成本的特點(diǎn)，其中微生物修復(fù)技術(shù)更具有降低健康風(fēng)險(xiǎn)、提高生物多樣性以及在天然環(huán)境下修復(fù)污染生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在土壤污染的修復(fù)實(shí)踐中有廣闊的前景和巨大的潛能[20]。雖然已有很多實(shí)例證明利用微生物可以降解大部分土壤中的污染物，但是該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用還需要繼續(xù)深入研究，今后可以重點(diǎn)從以下方面進(jìn)行突破：①由于大量環(huán)境因子對(duì)生物修復(fù)速率和程度的影響還未研究透徹，導(dǎo)致在使用過程中有很多不確定性，同時(shí)，目前很多的野外試驗(yàn)設(shè)計(jì)并不合理科學(xué)，且缺少條件控制、分析不夠合理，未來研究過程中試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)質(zhì)量還有待提高，需要從多角度分析微生物修復(fù)技術(shù)的機(jī)理和工藝流程;②有關(guān)微生物及其在環(huán)境中的地位不同會(huì)對(duì)其應(yīng)用產(chǎn)生影響，所以還需要進(jìn)一步探索具有降解污染物功能的微生物多樣性，探究各類微生物的生理特性，合理運(yùn)用于對(duì)特定污染物的降解;③現(xiàn)有的微生物菌種以及通過各種基因工程改良的菌種已成功運(yùn)用于多類污染土壤的生物修復(fù)過程中，但是還有多種污染物質(zhì)無法得到有效降解，需要探尋可以適應(yīng)更多環(huán)境的，尤其是尋找和開發(fā)極端環(huán)境微生物，以適應(yīng)于不同土壤環(huán)境的污染物降解，同時(shí)需要繼續(xù)篩選、馴化新的高效降解微生物菌種，開發(fā)高效降解基因工程菌;④生物修復(fù)涉及的生物種類繁多，不同種類的生物也有其不同的應(yīng)用條件，且不同方法之間交叉使用可以達(dá)到事半功倍的效果，所以還需要將微生物修復(fù)技術(shù)與植物修復(fù)技術(shù)、電動(dòng)修復(fù)技術(shù)、化學(xué)鈍化技術(shù)、微生物吸附技術(shù)等相結(jié)合，從而提高修復(fù)效果，降低應(yīng)用成本，增加修復(fù)的經(jīng)濟(jì)效益。

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