土壤污染生物修复技术研究进展_陈晓东

收稿日期　2001-05-12・环境与生态・土壤污染生物修复技术研究进展DevelopmentofBioremediationTechnologyofSoilContamination陈晓东　常文越　邵春岩　(沈阳环境科学研究所　沈阳110005)摘要　土壤污染的生物修复技术是环境污染治理技术的一个新领域,同传统的土壤化学、物理处理技术相比具有经济、高效、无二次污染、适用范围广等优点,近年来受到广泛关注。土壤作为大气、水体、固废等环境污染物迁移、滞留和沉积的场所,将成为今后环境治理和生态建设的重要目标。本文就当前土壤生物修复技术的分类和修复方法进行了系统的阐述,就该技术的应用前景和研究方向进行了分析和展望。关键词　土壤　环境污染　生物修复Abstract　Bioremediationtechnologyofsoilcontaminationisanewfieldbeingpaidwideattentionrecently.Comparingtotraditionalchemicalandphysicaltreatmenttechnology,bioremediationtechnologyhasadvantagesoflow-cost,highefficiency,nosecondpollution,wideapplicabilityetc.Soil,actingthesiteofmigrate,rententionandsedimentofenvironmentalpollutantsfromair,waters,solidwaste,willbeanimportantgoalofenvironmentprotectionandecololgyconstruction.Thispaperelaboratestheclassificationofsoilbioremediationtechnologyandremediationmethod,andanalyzesitsapplicationprospectanditsstudyaspectinfuture.Keywords　Soil　Pollution　Bioremediation

1　前言土壤是大气、水体及固体废弃物中污染物在环境中的迁移、滞留和沉积目标,是长期环境污染的承受者。随着社会经济的飞速发展和人口的不断增加,土壤作为人类赖以生息的资源,越来越暴露出不堪重负的迹象。鉴于土壤污染的严重危害及其资源的有限性,近年来,世界各国都非常重视污染土壤修复技术的研究,各发达国家纷纷制定了土壤恢复计划。荷兰、德国、日本、美国等国家都先后投入了大量资金用于土壤污染的恢复研究和应用,德国在1995年用于净化土壤的投资约60亿美元,美国90年代用于土壤修复的投资额超过百亿美元,尤其有关生物修复技术方面的研究更是备受关注。对于土壤污染的修复技术与方法,国外自70年代末80年代初已开始研究。初期一般采用物理和化学的方法进行污染土壤的修复,如热处理法和化学浸出法,但费用昂贵,不适于大面积应用。80年代末和90年代初期,国外开始研究基于物理、化学过程的微生物、植物分解代谢土壤污染的生物修复方法,近几年发展非常迅速,不仅较物理、化学方法经济,同时也不易产生二次污染,更适于大面积土壤的修复。目前,生物修复技术已开始成为土壤污染修复的主要处理技术,可以预见,生物修复技术在污染土壤、污泥和地下水修复中将扮演越来越重要的角色。2　土壤生物修复技术分类目前为止,污染土壤的生物修复技术主要有两类:原位生物处理技术(insitu或on-situbiologicaltreatment)和地上处理技术(above-ground或ex・situbiologicaltreatment)或称异位处理技术。原位生物修复不需将土壤挖走,其优点是费用较低但较难严格控制。原位生物处理通常是向污染区域投放氮、磷营养物质和供氧,促进土壤中依靠有机物作为碳源的微生物的生长繁殖,或接种经驯化培养的高效微生物等,利用其代谢作用达到消耗某些有机污染物的目的。许多国家应用这种技术处理被石油污染的土壤,取得了较好的成效,如:美国犹他洲某空军基地对航空发动机油污染的土壤采用原位生物降解的方法,处理过程是:喷湿土壤,使土壤湿度保持在8%～12%范围内,同时添加N、P等营养物质,并在污染区打竖井抽风,以促进空气流动,增加氧气的供应。经过13个月后,土壤中平均油含量下降了90%。在原位修复技术上也有通过种植特种植被针对性地吸收和富集某些重金属污染物的研究报道。地上生物处理法则要求把污染的土壤挖出,集中起来进行生物降解。可以设计和安装各种过程控制器或生物反应器以产生生物降解的理想条件,这样的处理方法包括。土耕法(landfarming)、土壤堆肥法(composting)和生物泥

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土壤污染生物修复技术研究进展　陈晓东浆法(bioslurrytreatment)。但地上生物处理法一般适合污染物含量极高,面积较小的地块,成本也相对较高。3　生物修复技术方法研究与应用现状3.1　以土壤微生物降解为主的修复技术微生物降解有机化合物的巨大自然容量是生物修复的基础。土壤中的微生物具有范围很宽的代谢活性,因此消除污染物的一个简单方法就是将污染物或含有这些污染物的物质加到土壤中去,依靠土壤中的土著微生物群落降解。反过来,对于被污染的土壤,也可以通过提高土壤微生物的代谢条件,人为增加有效微生物的生物量和代谢活性或添加针对性的高效微生物来加速土壤中污染物的降解过程。生物修复中可以用来接种的微生物从其来源可分为土著微生物、外来微生物和基因工程菌,从其微生物物种类型可分为细菌和真菌。通常土著微生物与外来微生物相比,在种群协调性,环境适应性等方面都具有较大的竞争优势,因而常作为首选菌种。国外在特定污染土壤中进行针对性土著降解菌的筛选和应用已经进行了多年,特别是在油田及石油类污染土壤的微生物降解技术的研究与应用方面取得了很大进展。如海湾战争期间,科威特被破坏的油田流出的原油造成500多hm2油污染土壤,使20%的国土受到了污染。日本大林组公司1994年开始赴科威特,与该国科研人员一起进行生物净化修复的应用实验。主要技术为:通过向含油(TPH)2%～40%的土壤中添加氮、磷等微生物营养要素及木屑等添加物,并通过¹土地耕耘,º大面积翻地,»大面积强制通风等措施,同时适当管理土壤的水分和氧气,并且每月进行一次化学及微生物监测并进行调整。经过15个月的处理,取得了良好效果,采用耕耘法,可使土壤中所含油分(TPH)分解85%,其它两种方法也可分解75%。国内林力等人从被石油污染的包气带土层中,分离出159株烃降解细菌和真菌,其中17株可以不同程度地分别利用烷烃(nC9～nC18)和芳烃(酚、萘、甲苯和二甲苯)作为唯一碳源生长。在最适氮源和磷源的条件下,假单胞细菌52在7d内可利用石蜡作为碳源,生物量连续增加;3d内可将初始浓度为500/mg・L-1机油降解99%。投加选育的混合菌株,进行原油污染的土壤的模拟降解实验,25d内,可将油污的矿化作用提高一倍。如同时补充氮、磷营养可使石油降解效果大幅度提高。陈晓东等人利用从石油污染土壤中分离得到的有效土著菌,通过增加,调整土壤有效微生物含量,添加氮、磷等营养物质,30d内使其土壤中石油污染浓度下降了70%。目前利用微生物处理污染土壤的研究方向主要集中在如下几个方面:高效降解菌株的筛选和基因工程菌的开发;营养物质及添加因子的影响;同生菌群的强化作用;拟降解对象的生物可降解性研究;吸附与扩散机制对生物降解过程的影响等。3.2　以植物降解和富集为主的修复技术在土壤污染的植物修复方面,以往的研究多在重金属的植物忍耐性和超量积累性上。一些植物能吸收累积大量的重金属,通过人工栽培可用于重金属污染土壤的治理。比如,羊齿类铁角蕨属植物及富镉苋科植物(特别是野生苋)和十字花科遏蓝菜属等,对土壤的镉的吸收能力很强,后者体内的含镉量可高达5000～7000/mg・kg-1;香蒲植物,绿马植物无叶紫花苕子对铅锌具有较强的忍耐和吸收能力,可用于净化铅锌矿废水污染的土壤。目前,在植物的重金属治理方面的主要研究有植物萃取技术:利用能积累或超积累重金属的植物将土壤中的重金属萃取出来,富集并搬运到植物可收割的部分和植物地上的枝条部分;植物固化技术:利用某些植物根系的生物活性,如活跃的酶系统或微生物系统来改变某些重金属的化合价,降低其可溶性和生物毒性,从而降低重金属的活性,以减少重金属被淋滤进入地下水或通过空气进一步扩散污染环境的可能性。植物对有机污染土壤的生物修复作用主要表现在植物对有机污染物的直接吸收,植物释放的各种分泌物或酶类促进了有机污染物生物降解及强化有机污染物在根际微域的矿化作用等方面。植物根对有机物的吸收近乎直接与有机物的相对亲脂性有关。在有机质很少的砂质土壤中,利用根吸收和收获进行植物修复的计划证明是可行的。如利用胡萝卜吸收二氯二苯基—三氯乙烷,然后收获胡萝卜,集中处理。在这个过程中,亲脂性污染物离开土壤基质进入脂含量高的胡萝卜中。一些有机污染物被植物或与之有关的微生物降解甚至矿化,植物的根和茎有相当的代谢活性,即使在植物根以外或根际,其中一些代谢酶在植物修复过程中也发挥重要作用。如在根际,某些杀虫剂成分,如三氯乙烯和石油醚等已能在根际快速降解,但在土体中降解过程的总体速度和数量都相对较慢。最近已有关于利用硝基还原菌降解TNT,利用脱卤素酶和漆酶来降解含氯有机物等的报道。在植物修复促进技术方面,目前主要侧重在如下两个方面的研究应用。综合促进技术的采用:采用土壤改良剂及其它农业措施有利于更好地利用植物修复环境污染。如通过降低pH值,添加螯合剂,适用合适的化肥,改变土壤离子的组成来增加生物有效性,促进植物吸收。基因工程技术的应用:通过育种和基因工程改良植物性状,使之更适用于进行植物修复。如改进植物根结构的特性,增加植物降解酶数量,提高超积累植物的生长速度和生物量等。上述研究目前多处在实验室阶段,实际应用尚不多见。3.3　菌根修复技术由于近年来菌根技术研究的进展,应用菌根技术进行土壤的生物修复已成为一热门研究方向。在自然界中植物与真菌共生是一种普遍的现象,真菌与植物共生形成的共生体称为菌根(mycorrbiza)。菌根可以通过根外菌丝的形成去扩大宿主植物根系的吸收面积。增加宿主植物对磷和其它营养的吸收,尤其在贫瘠的土壤中,由于菌根真菌的活动改善了根际周围的微生态环境,从而使宿主植物的抗逆性得到增强。在矿山生态环境综合整治中应用菌根技术,可以提高复垦造林成活率。有研究表明,植物根区的菌根具有独特的酶系统和代谢途径,可以降解不能被细菌单独降解的有机污染物。目前对细菌与真菌在土壤石油类污染物的降解性研究也表明,真菌要优于细菌。因此,筛选针对性的土壤真菌袍子,选择合适的共生作物,接种形成有效的菌根是降解土壤有机污染的重要研究领域。其优点是扩大了微生物与土壤的接触面积和作用时间,同时也增强了植物根系的吸收作用,特别是有利于对难降解有机物的分解。