土壤污染生物修复的影响因素

1、土壤污染生物修复的影响因素安 淼，周 琪，李 晖同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092摘要：从污染物特征、微生物的降解能力和环境因子三个方面对土壤污染生物修复技术中的主要影响因素进行了综合评述，重点分析了修复过程中涉及的物理、化学及生物作用机理，并介绍了消除影响的对策和目前的研究进展。 关键词：影响因素；生物修复；土壤；污染 中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1008-181X（2002）04-0397-04随着我国工农业的迅速发展，各种农药及化学品的数量、种类剧增，其不合理的使用、处置或突发性泄漏，往往造成严重的土壤污染。被污染的土壤通过对地表水和地下水造

2、成二次污染或经土壤-植物系统由食物链进入人体，危害人体健康。因此，土壤污染治理技术的研究和应用已经引起人们普遍的关注。近年来开发的污染土壤治理方法主要有物理法、化学法和生物修复技术（Bioremediation）。其中生物修复技术具有成本低、处理效果好、环境影响小、无二次污染等优点，被认为最有发展前景。但在另一方面，由于污染物质的种类繁多、土壤生态系统的复杂性以及环境条件的千变万化，使得生物修复技术的应用受到极大的限制。往往在一个地点有效的修复技术在另一个地点不起作用。因此这些影响因素的确定和消除成为决定生物修复技术效果的关键。目前，国外在生物修复技术的应用及影响因素方面开展了广泛的研究并取得

3、了一些进展。我国在这方面的研究尚处于起步阶段。因此本文从污染物的特征、微生物的降解能力和环境因子三个方面对影响生物修复的主要因素及其作用机理进行综合评述，以便推动该技术在我国土壤污染治理中的应用。1 污染物特征1.1 污染物的化学结构不同的污染物具有不同的化学结构。污染物的化学结构包括其分子排列、空间结构、功能团、分子间的吸引和排斥等特征，并由此决定其生物降解性。一般来讲，结构简单的污染物比结构复杂的容易降解，分子量小的污染物比分子量大的容易降解。这是因为聚合物和高分子化合物难以通过微生物的细胞膜而进入细胞内，微生物的胞内酶不能对其发生作用，同时也因其分子较大，微生物的胞外酶也不能靠近并破坏化

4、合物分子内部敏感的反应键。以石油烃为例，许多研究表明，微生物能够降解石油中的饱和烃和轻质芳香烃组分，而其中的高分子重质芳香烃、树脂等则难以降解1。通常情况下芳香族化合物的生物降解性较脂肪族差，而且化合物所含苯环数目越多，稳定性越强，可生物降解性越差。Zappi等学者2的研究表明：受污染土壤中的单环烷烃和和链烷烃能够被微生物氧化利用而被去除，但芳香烃和环烷烃由于难以降解而常常滞留在土壤中。化学官能团的类型和取代位置对污染物的降解性能也有很大的影响。部分官能团如羟基、氨基等的取代作用能够提高芳香烃的可降解性，但氯取代基、硝基的取代作用却会产生相反的影响。在氯代芳香化合物生物降解方面的研究发现35：

5、高电负性的氯原子强烈吸附苯环上的电子，使苯环成为一个疏电子环而难以被微生物氧化。氯取代基数量越多，氯代芳香化合物的生物降解性越差。取代基的相对位置也可造成生物降解性能的差异。在三种二氯苯中，存在邻位间位对位的关系。受污土壤中有机污染物大多数是人工合成的外源性物质(xenobiotics)，由于本身化学结构的复杂性和生物陌生性，通常不易被生物降解。迄今为止，众多学者对于外源性物质的降解性评价、降解机理、降解菌株分离等方面进行了大量研究，并取得了许多有益的成果2, 6。1.2 污染物的生物可利用性 它指的是土壤环境中的污染物能够被微生物利用或降解部分的数量大小。 生物可利用性大小的不同可以产生以下

6、三种情况。（1）污染物的生物可利用性太小会导致微生物不能获得足够物质和能量供应而无法维持代谢的需求，这时生物降解就不会发生。（2）当存在一个较低的可利用的污染物浓度时，微生物能够维持自身的生存。这时会出现污染物被降解的情况，但是由于没有新细胞的产生而使降解速率受到限制。（3）当有足够可利用的污染物时，微生物不断增殖，可以使降解速率达到最大。这是生物修复中所希望出现的最佳情况。由于污染物的生物可利用性决定了生物降解进行的速率，因此被认为是影响生物修复最重要的因素之一7, 8。污染物的疏水性，土壤颗粒的吸附以及微孔排斥作用都会影响污染物的生物可利用性。低水溶性的物质形成独立的非水相，微生物不能直接

7、利用，而且这种非水相容易产生生物毒害。疏水性的污染物还容易被土壤颗粒吸附。目前的研究表明：被吸附的污染物通常难以被微生物利用9。因此当解吸所需的时间超过生物降解所需的时间时，解吸速率便成为整个反应的限速步骤。许多研究者发现土壤被污染的时间越长，越难以被修复10, 11。这是因为随着污染时间的延长，污染物逐渐扩散到一些极小的土壤微孔中，这些微孔的内空隙比一般土壤微生物的体积长度要小，阻挡了微生物的进入，因而降低了污染物的生物可利用性。这就是所谓的微孔排斥作用。影响生物可利用性的因素还有污染物的分布特性、初始污染物浓度、土壤颗粒分布状况及有机质含量等。 由于表面活性剂能够改善疏水性污染物的溶解性从

8、而增加污染物生物可利用性，因此在土壤污染的生物修复中得到广泛的应用。常用的表面活性剂可分为人工合成的表面活性剂和生物表面活性剂两大类。生物表面活性剂是由微生物等产生的天然表面活性剂，因其具有临界胶束浓度（CMC）低、易降解等优点而倍受青睐。Oberbremer等人12的研究表明：通过向泥浆反应器中加入制备的生物表面活性剂可以提高烃类物质的降解速率，并增加可降解的烃的种类。Herman13通过向实验土柱中投加鼠李糖脂研究对十六烷降解的影响，结果表明十六烷的去除率和鼠李糖脂的浓度呈正相关性。2 微生物的降解能力和活性2.1 微生物的降解能力污染土壤生物修复中的主要作用者是具有污染物降解能力的微生物

9、，部分真菌和植物。土壤中的微生物种类繁多、数量巨大，很多受污地点本身就存在具有降解能力的微生物种群。或者在长时间和污染物接触后，土著微生物能够适应环境的改变而进行选择性并发和遗传改变产生降解作用。土著微生物对当地环境适应性好，且具有巨大的降解潜力，目前在大多数生物修复工程得到应用，但是土著微生物存在着生长速度慢，代谢活性低的弱点。在一些受高浓度生物外源性物质污染的场所或当地条件不适于降解菌大量产生时，需要接种高效降解菌。一种方法是直接从污染场地分离筛选降解菌，经富集强化后使用；另外还可以利用分子遗传工程手段构建高效的基因工程菌（genetic engineering microorganism

10、, GEM）14。接种的外来降解菌，一方面要经受当地环境的考验，另一方面还受到土著微生物的竞争，因此需用大量的接种微生物形成优势，以便迅速启动生物降解的过程。2.2 微生物的活性在实施生物修复中希望提高微生物的代谢活性以使生物降解的速度和程度都达到最大。但是土壤是一个相对贫瘠的环境，许多微生物生长代谢所要求的条件难以具备，需要采取措施加以消除。这些限制因素包括：、氮源、磷源营养物、电子受体等。微生物的生长繁殖和代谢过程需要碳源，N、P和多种无机盐类。有机污染物中含有大量的碳和氢，同时土壤中存在各种无机盐，基本可以满足降解过程中微生物的营养需求。N、P营养物是常见的微生物生长的限制条件，适量添加

11、可以提高微生物活性促进降解反应的进行。目前在石油污染治理上的大量研究表明，补充N、P营养能够显著提高降解菌的数量和活性，缩短污染物去除所需要的时间15。电子受体的缺乏常常成为影响生物活性的重要因子，因此需要进行补充以增强微生物的呼吸速率。对于好氧降解，常用的补充氧的方法包括：土壤深耕，富氧水加注，气泵充氧或注入H2O2以释放游离氧。H2O2在水中的溶解度约为氧的7倍，每分解1摩尔能产生0.5摩尔氧气，具有较好的充氧效果，相关研究和应用的报道较多16。在缺氧条件下，可以投加硝酸盐和碳酸盐作为替代的电子受体，比氧更有效地提高降解菌的生物活性。也有研究者应用一种固体产氧剂提供游离氧，发现微生物的数量

12、增加了10100倍，其活性也有了很大的增强17。微生物在受污染土壤中的存活和和性能是决定生物修复成败的关键。除了营养物外，生长限制因素还包括原生动物的捕食，与其它微生物的竞争，场地条件等。在实验室中培养出来的微生物，在自然环境中的存活对其能否实际应用于田间极其重要。3 环境因子3.1 温度温度不但直接影响微生物的代谢和生长，而且通过改变污染物的物理化学性质来影响整个生物降解的进程。目前绝大多数生物修复都是在中温条件（约20 40 ）下进行的，该温度最适宜微生物的代谢和生长。在低温条件下微生物生长缓慢，代谢活性差。有报道显示18：当温度低于10 时，石油烃类的降解速率明显下降。在寒冷地区，可以通

13、过覆盖塑料薄膜，抽取地下水加热后回灌等方法提高土壤温度以利于生物降解的进行。目前在寒冷和高温等极端环境中生物修复研究的一个热点是寻找合适的降解菌，例如Sorkop等从沙漠样品中分离出一株嗜热菌，该菌在60下仍具有原油降解能力19。在石油污染治理的研究中发现，低温下石油粘度增加，短链有毒烷烃的挥发作用减弱而水溶性增加，于是延缓了生物降解作用的开始；当温度偏高时，烃类的毒性增加，也会对微生物产生抑制，最佳温度范围为30 40 20。3.2 pH值 由于绝大部分细菌生长pH值范围界于68之间，中性最为适宜，生物修复的研究和应用也集中在这个范围。但是在实际土壤环境中，偏酸性或偏碱性的情况并不少见，通过

14、调整土壤的pH值可以明显提高生物降解的速率，常用的方法有添加酸碱缓冲液或中性调节剂等。在酸性土壤的治理中，价格低廉的石灰常常被用于提高pH值，但要使用时要注意防止影响N、P等元素的生物可得性。3.3 土壤类型 在生物修复技术的应用中，土壤类型是一个重要但往往被忽视的影响因子。总的来讲，粘性小的砂质土适于实施生物修复，而粘性大、易形成土壤团块的粘质土则不适合。土壤的渗透性的好坏是决定生物修复是否成功的另一个关键。因为在渗透性好的土壤中营养物和电子受体的传质速度快，有利于生物降解反应的进行。在渗透性差的土壤中情况则相反。3.4 土壤含水率 土壤微生物需要水以维持其基本的代谢活动。含水率低的土壤，不

15、但营养物质和污染物的传质速度低，生物可利用性差，而且对依赖水流作用力进行迁移的单细胞微生物的活性造成不利影响21。含水率过高又会妨碍氧的传递。一般认为土壤含水率为50%时有利于生物修复的实施。4 结语生物修复技术应用于受污土壤的治理，通常就是对环境速率限制因子的消除，从而使微生物对任何可降解的污染物都具有最大的降解速率。因此，今后的研究将向以下几个方向发展：（1）污染物在土壤中迁移转化规律及生物降解机理；（2）高效降解菌的筛选培养及其活性的增强；（3）向土壤中接种微生物以及注入营养物和电子受体的有效方式。参考文献：1 LEAHY J G, COLWEL R R. Microbial degra

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