石油污染土壤的植物-微生物联合修复

石油污染土壤的植物-微生物联合修复 摘要: 由于土壤石油污染的日益严重, 其治理技术受到了世界各国的普遍关注, 而生物修复技术具有无二次污染、高效、费用较低等特点,是最具应用前景的土壤修复技术之一。本文着重介绍植物-微生物联合修复技术的研究进展, 并对该领域今后的研究重点进行了展望。 关键词: 石油污染土壤, 生物修复, 植物-微生物联合修复 近年来, 随着石油的勘探开发和区域经济不断发展, 我国石油污染问题日益凸显, 土壤污染日趋严重。在石油的大规模开采、冶炼、运输、使用和处理过程中, 不可避免地造成石油废弃物对土壤的污染, 这些污染物从各个层面上威胁着生态环境、食品安全和人类健康: 引起土壤理化性质的变化, 导致土壤微生物 群落、微生物区系的变化, 进而破坏土壤生态系统; 影响植物生长发育, 导致粮食减产, 长期食用生长于农业土地上的植物及其产品还会影响人类的健康; 土壤吸附的石油会随着雨水、灌溉用水慢慢下渗到地下含水层中, 从而污染地下水, 进而构成对人类生存的不良胁迫。因此, 石油污染土壤的治理势在必行。 1 石油污染土壤的修复技术 石油污染土壤的修复技术主要有物理法、化学法和生物法3 种方法, 物理法和化学法虽可以产生一定实效, 但因存在消极处置、费用昂贵或者二次污染严重等明显缺陷, 现在一般仅作为生物治理方法的辅助手段[ 1]; 而生物法修复以其处理费用低、效果好又可避免二次污染等优势逐渐被人们所重视。 2 石油污染土壤的生物修复技术 生物修复( bioremediat io n) 是利用生物对环境污染物的吸收、代谢、降解等功能, 在环境中对污染物的降解起催化的作用, 即加速去除环境污染物的过程, 可以消除或减弱环境污染物的毒性, 可以减少污染物对人类的健康和生态系统的风险[ 2]。根据修复使用对象不同, 生物修复主要分为植物修复、微生物修复和植物- 微生物联合修复3 种类型。 2. 1 植物修复 植物修复是利用植物与环境之间的相互作用,对环境污染物质进行吸附、吸收、转移、降解、固定、挥发等, 最终使土壤环境得到恢复。植物修复的方式[ 3] : ( 1) 植物提取, 植物吸收积累污染物, 待收获后进行处理, 主要包括热处理、微生物处理和化学处理; ( 2) 植物降解, 植物及其相关微生物区系将污染物转化为无毒物质; ( 3) 植物稳定化, 植物在与土壤的共同作用下将污染物固定, 以减少其对生物与环境的危害。 2.2微生物修复 微生物修复技术是利用土壤中的土著菌或向污染土壤中接种选育的高效降解菌, 在优化的环境条件下, 加速石油污染物的降解。微生物修复是研究最多、应用也最为广泛的一种生物修复方法, 由此产生一系列生物修复技术如土耕法、生物通气法、预制床法、堆肥法、生物反应器等。 2. 3 植物- 微生物联合修复 植物- 微生物修复实际上是利用由土壤、植物、微生物组成的复合体系来共同降解污染物的[ 4] 。该系统在植物修复的同时, 还通过光合作用以及植物 脱落物( 其中含有糖、醇、蛋白质和有机酸等) 为微生物提供氧气和养料, 促进微生物的生长代谢, 加速了其降解污染物的速率。联合修复技术是土壤过滤器、 植物净化器和微生物反应器的有效结合, 提高降解率的同时, 改善了土壤肥力, 绿化了油田周边环境。 3 植物- 微生物联合修复技术研究进展 对于石油污染土壤的植物修复和微生物修复研究已经日趋成熟, 并且有些成果已经应用到实际, 而对于植物-微生物联合修复的研究已经成为石油污染土壤领域中的热点[ 5] 。 3. 1 植物与微生物的互利作用 该技术可以将植物修复与微生物修复两种方法的优点相结合, 而且两者之 间的互利作用强化了根际有机污染物的降解。植物为微生物提供了生存场所, 并可转移氧气使根区的好氧作用能够正常进行;根分泌物、脱落物可为微生物提供大量营养, 刺激根际各种菌群的生长繁殖, 增强细菌的联合降解作用;某些情况下, 植物根分泌物可作为微生物天然的共代谢底物促进污染物的降解; 根区形成的有机碳可阻止有机化合物向地下水转移, 也可增加微生物对污染物的矿化作用。某些情况下, 植物根分泌物也可作为天然的共代谢底物促进污染物的降解。此外, 植物根系可以伸展到不同层次的土壤中, 故无须混合土壤即可使降解菌分散在土壤中。另一方面, 微生物使污染物转换成植物可以吸收利用的状态,减轻了污染物对植物的毒性, 提高了植物的耐受性。通过两者的互利作用, 弥补了单一修复方式下的种种不足: 植物修复可以针对较广范围的污染浓度, 在加上其可以大面积种植的优点, 非常利于户外的生产实践; 微生物修复可以充分利用植物带来的养料和氧气, 与植物根系形成新陈代谢的良性循环,使投加菌在良性环境中活性提高, 利于超低浓度污染的降解。 3.2 联合作用机理 修复作用通常发生于根际而非植物体内, 因此,石油污染物的根际调控研究是建立根际修复技术的关键[ 6 ]。Guenther 等了根际石油污染物快速消解的可能机理包括: ( 1) 根系生长改善了土壤理化性状; ( 2) 从整体上增加微生物种 群数量及多样性,或者选择性地富集石油污染物降解特异菌群; ( 3) 根系分泌物 及脱落物为石油污染物提供共代谢降解底物; ( 4) 根系释放酶催化降解石油污染物; ( 5) 加速石油污染物的腐殖化进程; ( 6) 提高石油污染物的土壤吸附、植物吸收及迁移转化能力等。其研究与桑伟莲等对联合系统修复PAHs 污染物机制的结果相似: ( 1) 植物根区的菌根真菌与植物形成共生作用并有着独特的酶途径用以降解不能被细菌单独转化的有机物; ( 2) 植物根区分泌物刺激了细菌的转化作用; ( 3) 植物还可为微生物提供生存场所并可转移氧化使根区的好氧转化作用能够正常进行[ 7 ]。尽管植物- 微生物联合修复在石油污染物降解中的重要性已经被充分认识, 但是由于植物根际环境的微域性、动态性和复杂性等特点, 目前对石油污染物植物-微生物联合修复的机理研究还存在一定的困难, 现阶段只是一些猜想和构思而已。 3. 3 研究进展 利用苜蓿草与微生物修复PA Hs 和矿物油污染土壤的研究表明, 在植物生长条件下, 土壤微生物降解功能明显增强[ 8 ] ; Leigh 等通过实验室和温室根箱实验证实, 从树根释放的芳香类化合物可作为多氯联苯降解菌的底物, 激发它们的生长; Jo siah 等研究表明, 向在植物修复的土壤中投加被生物刺激物激励过的生物菌剂可以提高污染物的降解率; 常慧萍利用实验室驯化培养分离到一组能 以中原原油为碳源的快速生长的石油烃降解菌与不同植物进行联合强化修复污染土壤, 实验数据显示此方法对强化土壤中污染物的降解是很有效地[9 ] ; 李春 荣等研究发现节细菌( Dx9) 的施加显著加快了玉米、向日葵修复的速度, 石油降解率提高了71 3% 和64 6%[10]。赵爱芬等在石油污染的水稻田中分离出的微生物Bacillussp. 仅在有水稻根分泌物的情况下才能在石油的残留物中生长[ 11] , 表明水稻根分泌物促进了特定微生物消除石油残留物; 研究表明, 在用苜蓿草修复矿物油污染土壤时, 投加特性降解真菌可不同程度的提高土壤PA Hs 的降解率, 但真菌与细菌的降解提高对象不同; Jennifer 等从植物影响微生物角度出发, 不同组合下生物量的不同导致了降解率的不同; 刘继朝等对微生物与四种植物组合进行了研究, 发现降解顺序有差别[ 12] , 与程国玲研究结果一样: 不同的微生物-植物组合的降解效率不同[ 13]。可见, 植物与微生物的协同作用可以加速石油污染物的降解, 同时, 由于个体差异会导致降解效果的不同。所以在植物-微生物联合修复体系中, 为了达到高效降解污染的目的, 需要选择合适的植物, 培养高效菌种, 以及对污染物微生物植物之间的相互关系进行深入研究, 筛选出合适的降解组合。在植物-微生物联合修复技术研究的过程中, 结合影响降解因素, 开发出一套新的修复方法多技术植物修复系统( MPPS) 。这种系统是利用微生物植物机械联合修复, 去除炼油厂含油淤泥中总石油烃含量从5%降到5% , 去除率达90% , 比单独植物修复高出35 个百分点。这种多技术包括土地耕作, 加入植物生长菌和特性降解菌, 种植耐污染植物的联合。植物生长菌具有固氮; 合成铁载体,溶解土壤中的铁, 并提供给物细胞; 合成植物激素( 生长素) ; 自制酶, 调节植物生长和发育等作用植物生长菌的加入可以解决植物在石油烃污染土壤中生物量小、降解率不高等局限。这种修复系统不仅能有效去除低分子量饱和烃, 而且对于大分子量,高疏水性石油烃化合物也有较高的去除效果。 4 展望 目前, 我国石油污染土壤的生物修复研究仍处在实验室阶段, 而植物-微生物联合修复技术由于其适用范围广的特点将会使生物修复投入实际应用变为现实。但此技术的研究尚处于起步阶段, 需要在实践中不断完善和改进, 以期获得更好的处理效果,具有更大的实用价值。 ( 1) 植物- 微生物联合修复技术可以成为一种很有发展前途的新型生物修复技术, 但由于降解微生物的群落组成和变化动态的了解甚少, 为降解机理的阐明带来了困难, 所以其理论体系、修复机制和修复技术需进一步完善; ( 2) 在基础研究方面, 除了筛选耐受性高的植物和高效微生物以外, 如何通过遗传学、分子生物学、基因等手段进一步提高生物的活性和环境适应性, 也是今后研究的重点; ( 3) 由于植物- 微生物联合修复技术是两种单一生物修复技术的结合, 所以影响因素的复杂性要求还需对因素实现可行性操控以及优化。 参考文献: [ 1] 齐永强, 王红旗, 刘敬奇. 土壤中石油污染物微生物降解及其降解去向[ J] . 中国工程科学, 2003, 5( 8) [ 2] 李法云, 曲向荣, 吴龙华. 污染土壤生物修复理论基础与技术[ M] . 北京: 化学工业出版社, 2006. [ 3] 张从, 夏立江. 污染土壤生物修复技术[ M] . 北京: 中国环境科学出版社, 2000. [ 4] 程国玲, 李培军, 王凤友, 等. 多环芳烃污染土壤的植物与微生物修复研究进展[ J] . 环境污染治理技术与设备, 2003, 4( 6) : [ 5] 魏树和, 周启星, 张凯松, 等. 根际圈在污染土壤修复中的作用 与机理[ J] . 应用生态学报, 2003, 14( 1) [ 6 ] 刘鹏, 李大平, 王晓梅, 等. 石油污染土壤的生物修复技术研[ 7 ] 桑伟莲, 孔繁翔. 植物修复研究进展[ J ] . 环境科学进展, 1999, 7( 3) [ 8 ] 宋玉芳, 许华夏, 任丽萍, 等. 土壤中石油及难降解组分菲、芘的植物修复调控研究[ J] . 应用生态学报, 2000, 11( 增刊) [ 9 ] 常慧萍. 石油烃污染土壤的生物修复[ J] . 生物学杂志, 2008, 25( 1) [ 10] 李春荣, 王文科, 曹玉清, 等. 石油污染土壤的生态效应及修复技术研究[ J] . 环境科学与技术, 2007, 30( 9) [ 11] 赵爱芬, 赵雪, 常学礼. 植物对污染土壤修复作用的研究进展[ J] . 土壤通报, 2000, 31( 1) [ 12] 刘继朝, 崔岩山, 张燕平, 等. 植物与微生物对石油污染土壤修复的影响[ J] . 生态与农村环境学报, 2009, 25( 2) : [ 13] 程国玲. 矿物油污染土壤的菌根生物修复研究[ D] . 哈尔滨: 东北林业大学, 2004.