生物修复概述及国内外研究进展

辽宁大学学报 自然科学版第30卷　第4期　2003年JOURNAL OF LIAONING UNIV ERSITY Natural Sciences Edition V ol.30　N o.4　2003生物修复概述及国内外研究进展罗　义1Ξ　毛大庆2(1.辽宁大学环境科学系,辽宁沈阳110036;2.比利时鲁文大学农业与应用生物科学系,比利时)摘　要:重点从微生物与植物的角度阐述了生物修复的概念与类型,分析了微生物、植物在生物修复中所起的作用及近年来来国内外在生物修复研究方面所取得的进展,评价了生物修复特别是植物修复所具有的优势,也指出了生物修复的缺点与不足.关键词:生物修复;植物修复.中图分类号:X171.4 文献标识码:A 文章编号:100025846(2003)0420298205 生物修复(biormediation)又称生物改良(bioreclamation),目前比较被大家共同接受的基本定义为[4,21]:生物修复是生物特别是微生物催化降解有机污染物,从而修复被污染环境或消除环境中的污染物的一个受控或自发进行的过程,这是狭义的定义.生物修复还有更广泛的定义[21,29],除了微生物修复外,还包括植物修复和动物修复,也就是说,生物修复是指利用细菌、真菌、水生藻类、陆生植物等的代谢活性降解减轻有机污染物的毒性,改变重金属的活性或在土壤中的结合态,通过改变污染物的化学或物理特性而影响它们在环境中的迁移、转化和降解速率.生物修复技术与传统的物理、化学修复方法相比,具有投入低、治理效果好以及基本不产生副作用等优点,近年来在国内外引起广泛的关注[10,24].例如,荷兰在20世纪80年代花费15亿美元进行污染土壤修复,德国在1995年投资60亿美元净化土壤,美国在20世纪90年代以来也在土壤恢复方面进行了数百亿美元的投资[1].1　微生物修复技术微生物修复技术是在人为强化的条件下,用自然环境中的土著微生物或人为投加外源微生物的代谢活动,对环境中的污染物进行转化、降解与去除的方法.1.1　国内外研究概况目前,利用微生物治理环境有机污染的研究正受到世界各国的普遍重视,发展非常迅速,相关研究十分活跃.如M onhn(2001)等[17]研究了北极冻原油滴污染土壤,现场接种抗寒微生物混合菌种进行生物修复处理,一年后,土壤中油浓度降到初处理浓度的二十分之一.Whiteley(2001)等[23]进行了酚污染的生物修复中P seudomonad细菌的生态学和生理学研究.陈勇(2000)[5]研究了在堆肥过程中,加入经过驯化的降解菌,结果表明,降解菌对堆肥中的多环芳烃有明显的降解作用.徐向阳(1999)[26]等以生物修复方法研究受酚污染地表水.有关石油烃类污染的生物修复等方面的研究,还有张旭(2000)[32]做的石油烃污染土层生物修复模拟实验研究,郭楚玲(2000)[9]关于多环芳烃的微生物降解与生物修复研究,宋玉芳等(2001)[20]进行了土壤中石油烃及多环芳烃生物修复调控的研究,以及李丽(2001)[13]就石油烃类化合物降解菌进行了研究.杨国栋、丁克强、张海荣[7,27,30]则分别进行了石油污染土壤生物修复技术的微生物研究.这些研究表明,用微生物进行生Ξ作者简介:罗　义(19712),女,抚顺人,南京大学在职博士生,从事环境毒理学方面的研究　收稿日期:2003201201物修复不但完全可能,而且在这一领域已取得了相当可观的成就.1.2　微生物修复技术分类微生物修复技术主要分为两类,即原位微生物修复(on2situ bioremediation)和异位生物修复(ex2 situ bioremediation)[21].原位微生物修复不需将土挖走,主要是向污染区投放氮、磷等营养物质和供氧,促进土壤中土著微生物的代谢活性.为了提高处理效果,也可以接种经驯化培养的高效微生物菌株,利用其代谢作用降解污染物.原位微生物修复技术又包括:生物通风法(bioventing)生物搅拌法(biosparing)和泵处理法(pum p and T reat)[21].异位微生物修复(ex2situ bioremediation)要求把污染的土挖出,集中进行生物降解.包括:预制床法(Prepared bed)土壤耕作法(land farming),土地填埋法(land filling)和生物泥浆反应器法(bio2 slurry)[21].1.3　环境影响因子及其调控微生物降解有机污染物的生物修复与许多环境因子密切相关,如温度、pH、可溶性氧、土壤湿度、氧化2还原电位和营养状况等.选择最佳的环境条件将有助于提高微生物修复的效率.这方面的研究,如Z appi等(2000)[28]研究了H2O2作为一种氧源补给在饱和含土水层的生物修复中所起的作用,向土层中注入H2O2以释放游离氧,可作为土壤中生物氧化的电子受体,但H2O2对那些不具有H2O2酶的微生物来说,具毒害作用,如果将H2O2作为氧源,应测试具生物降解能力的微生物种群的H2O2酶活性.在缺氧的条件下,可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[14].肖羽堂(2001)[25]研究了天然水体环境温度对生物修复工艺除NH+42 N效果影响分析,在采用弹性填料微孔曝气生物修复法净化受污染的饮用水源,发现水体温度对生物修复工艺除NH+42N效果影响很大,水温越高,生物修复工艺除NH+42N效果越好,尤其在较低的水温下,水体温度对生物修复工艺除NH+42N 效果影响最大.章危华(2002)[31]进行包气带土层中石油污染物的微生物降解过程研究中发现营养物水平(N、P)是重要的限制性因素,提高土层中N、P等营养元素的含量将大大提高污染物的降解率;研究还表明翻耕供养大大强化了生物降解过程.丁克强(2001)[6]研究了通气对石油污染土壤生物修复的影响,结果表明,通气可为石油烃污染土壤中的微生物提供充足的电子受体,可保持土壤pH稳定,从而促进了微生物的生物活性,强化了对石油污染物的氧化降解作用.M onhn(2001)等[17]首次解决了在高寒的极地地区进行微生物修复的可能,用经过筛选和驯化的耐寒微生物混合菌种现场处理受油滴污染的冻原土壤,并已取得了良好的处理效果;该研究还表明,环境因子虽然是影响微生物修复的限制性因子,但如果能通过人为的方法,并借助现代生物学和分子遗传学的手段,重新获得适应特殊环境下的优良遗传性状,如质粒转移工程菌等.1.4　展望根据微生物的需要,合理地改善环境因子,使微生物的代谢处于最佳状态,以期更好地发挥微生物的降解功能是关键,运用分子生物学技术手段和基因工程理论,重新组建微生物的遗传性状,筛选具有降解多种污染物且降解效率更高的优良菌株及酶系,是提高生物修复效果的研究热点.目前,利用微生物修复污染土壤的研究方向主要集中在:高效降解菌株的筛选和基因工程菌的开发;微生物降解污染物的环境条件的人工优化;通过遗传工程创造积累型转基因植物[23,34].2　植物修复技术植物修复技术(Phytoremediation)是一种利用自然生长植物或者遗传工程培育植物修复污染土壤特别是金属污染土壤的环境技术总称[21,33].它通过植物系统及其根际微生物来吸收、移去、挥发或稳定土壤环境污染物.2.1　概述近年来,重金属污染的环境问题,有其在土壤系统中具有的隐蔽性、长期性和不可逆性等特点,正在日益受到广泛的关注,土壤中重金属的污染与治理一直是国际上的难点与热点研究课题.目前采用的物理化学常规方法,不仅昂贵,难以大规模改良,而且常导致土壤结构破坏,土壤板结和土壤肥力下降,降低土地的使用功能和应用价值.992 第4期 罗　义,等:生物修复概述及国内外研究进展如前所述,土壤中的微生物在修复有机污染物方面发挥着巨大的作用,因此近年来的相关研究也十分活跃,并已取得了很好的效果.但少有微生物修复重金属的实例报道.原因是微生物不能降解重金属,只能通过代谢作用来改变一些重金属的化合价态,从而改变其与其它化合物的螯合态来修复污染.由于微生物的生物量小且难于收集,吸收在体内的重金属有可能经过代谢或死亡而又释放回环境中,因而微生物修复在处理重金属污染方面发展有限.考虑传统的微生物修复技术难以满足环境污染的治理要求,而新发展起来的微生物基因工程技术又往往由成本高而限制了重金属的治理工作.因而,寻求一种低投入,又可维持土壤肥力的新方法和替代方法是当务之急.经多年的模索,科学家们提出了一种既能实现上述目标又能产生良好生态效应并具经济开发价值的植物修复方法.植物修复与常规理化方法比,以其成本低,效率高,适于处理大面积污染等特点,与微生物相比植物具有生物量大且易于后处理等优势,因此,植物修复技术正在受到国际上的普遍关注.2.2　植物修复技术类型与机理目前已发现有400多种植物能超量累积某些特定的重金属,其中以超量累积镍的居多.按其作用机理,植物对重金属的修复有3种主要方式:植物稳定(Phytostabilization)、植物挥发(Phytov olatil2 ization)和植物抽提(Phytoextraction).2.2.1　植物稳定植物通过根系过滤、固定和钝化使重金属吸附于土壤表面,从而降低重金属在土壤中的生物有效态,达到减轻重金属污染的效果.植物的根际微环境在降解污染物中发挥重要作用.目前的研究重点放在植物根圈的理化环境如酸碱条件,氧化2还原电位,有机和无机配体以及腐植酸等和生物可利用性的研究以及影响这一过程的生物学、化学参数的改善,以及根际微生物和一些真菌在这一过程中所起的作用[12].植物稳定与植物钝化技术相结合将会显示出更大的应用潜力[22].2.2.2　植物挥发利用植物的吸取、积累、挥发作用而减少重金属在土壤中的富集,挥发出土壤表面和植物的过程.目前在这方面研究较多的是汞、铅、镉.Naka2 mura等(1999)[18]研究了在汞污染的Minamata海湾的沉积物中,在细菌的作用下,汞的挥发率提高到62.9～75.1%,该研究还表明,甲基汞从土壤中的去除率也有很大提高.目前,利用植物去除汞的研究目标是利用转基因植物降解生物毒性汞,即运用现代分子生物学手段将细菌体内汞的抗性基因转导到植物体内,可使该植物具有在通常能使生物中毒的汞浓度下正常生长的能力,并能从土壤中吸收汞并还原成挥的性的单质汞[11].Rugh等已成功地将细菌的Hg2+还原酶基因导入拟南芥植株,形成的转基因植株能耐汞并向环境中挥发汞[8].Bizily[2](2000)成功地将细菌体内的基因merA和merB转移到Arabidopsis thaliana植物体内,结果表明,转接有merB基因的Arabidopsis thaliana植株体内富集甲基汞的浓度是自然生长植株的10倍,而同时转接有merB和merA基因的植株体内富集甲基汞的能力是自然植株的50倍.所以,可以,看出细菌体内这两种基因在利用植物富集土壤中的汞并挥发到环境中从而使土壤得到净化的巨大作用.植物挥发为土壤及水体中汞的去除提供了潜在的可能[2,34].另一些植物可将环境中的硒转化为可挥发的气态形式,从而降低硒对土壤生态系统的毒性[8].另有研究表明,根际细菌不仅能增强植物对硒的吸收,而且还能提高硒的挥发率[3].植物挥发有其一定的局限性,污染物与气体形态挥发到大气环境中造成气体环境的二次污染问题不容忽视.2.2.3　植物抽提利用一些专性植物根系对特定污染物(有机物和重金属)的吸收特性,将污染物吸收并在植物地上部分积累,再通过收获地上部分而减少污染物.专性植物,一般指超累积植物,其中一些超累积植物能同时吸收积累多种重金属元素,重金属被植物吸收后,输送并储存在植物的地上部分,通过收获和移去植物体可达到去除重金属的目的.某些芥类植物可积累Ni、Zn、Cu和Pb等,目前研究较多的植物进行超累积实验的是十字花科遏蓝菜属植物(Thlaspi carulescens),可富集Zn、Pb、Cd 和Ni等金属元素.超累积植物的研究是目前欧美国家进行植物修复的研究热点[15].003辽宁大学学报 自然科学版 2003年 2.3　植物修复技术优势与传统的理化方法相比,植物修复具有其独特的优点:1)成本低;2)实现绿色净化,不易带来二次污染;3)通过对植物地上部分的集中收集处理还可达到回收环境中的某些贵重金属的目的;4)处理与利用相结合,土壤中的过量营养元素N、P等被植物吸收后,可促进植物生长,实现废物的资源化;5)比较适合大面积的污染治理,效果明显.3　生物修复技术的不足尽管生物修复技术已经取得很大的发展,但由于受到生物特性的限制,还存在着许多局限性[16,33]:1)微生物不能降解污染环境中所有的污染物,污染物的难生物降解性和不溶性都是影响生物修复的因素;2)当土壤中的污染物浓度过低,不足以满足微生物降解的底物要求时,就无法发挥其正常的降解功能;3)应用植物修复,植物的生物量小,无法满足大面积污染的植物修复要求.参考文献:[1]　Barcelona M J,White DC,Macnaughton S J.M icrobial char2acterization of a J P-4fuel-contaminated site using acombined lipid biomarkerΠpolymerase chain reaction-de2naturing gradient gel electrophoresis(PCR-DGGE)-based approach[J].Environ M icrobiol,1999,1(3):231-241.[2]　Bizily SP.Phytodetoxification of hazardous organomercuri2als by geetically engineered plants[J].Nat Biotechnol,2000,18(2):213-217.[3]　Carvalho K M.G CΠMS analysis of v olatile organic seleniunspecies produced during phytoremediation[J].J EnvironSci Health Part A T ox Hazard Subst Environ Eng,2001,36(7):1403-1049.[4]　Chen J(陈坚).Environmental Biotechnique[M].Beijing:China Light Industry Press.(in Chinese),2000.[5]　Chen Y(陈勇)Zheng X-Q(郑向群),Zhang C(张从).降解菌对堆肥中多环芳烃降解作用的初步研究[J].Agro-Environmental Protection(农业环境保护),2000,19(1):53—55.[6]　Ding K-X(丁克强).通气对石油污染土壤生物修复的影响[J].S oil(土壤),2001,4:185-188.[7]　Ding K-Q(丁克强),Luo Y-M(骆永明).Bioremedi2ation of contaminated s oils by oils[J].S oil(土壤),2001, 4:179-196.[8]　Frankenberger WT,Engberg R.Environmental Chemistry ofSelenium[J].Marcel Dekker,1998,633-656.[9]　G uo C-L(郭楚玲).海洋微生物对多环芳烃的降解[J].T aiwan Channel(台湾海峡),2001,1(20):43-47.[10]　Harrow M,Wickham H.The water quality of the RiverK ennet:initial observations on a lowland chalk streamim pacted by sewage inputs and phosphorus remediation[J].Sci T otal Environ,2000,5(251-252):477-495.[11]　Heaton ACP[J].Journal of S oil C ontamination.1998,7:497-509.[12]　K amnev AA,Van er Lelie D.Chemical and biological pa2rameters as tools to evaluate and im prove heavy metalphytoremediation[J].Biosci Rep,2000,20(4):239-258.[13]　Li L(李丽).石油烃类化合物降解菌的研究概况[J].M icrobiological Bulletin(微生物学通报).2001,28(5):89-92.[14]　Liu H-J(刘惠君),Liu W-P(刘维屏).Bioremedi2ation techniques of contaminated s oils by pesticides[J].T echniques and Equioment for Environmental P ollutionC ontrol(环境污染治理技术与设备).2001,2(2):74-80.[15]　Lombi E.Phytoremediation of heavy metal-contaminateds oils:natural hyperaccumulation versus chemically en2hanced phytoextraction[J].J Environ Qual.,2001,30(6):1919-1926.[16]　Ma W-Y(马文漪),Y ang L-Y(杨柳燕).Environ2mental M icrological Engineering[M].Nanjing:NanjingUniversity Press,1998,250-267.[17]　M ohn WW,Radziminski CZ,F ortin MC.On site bioreme2diation of hydrocarbon-contaminated Arctic tundra s oilsin inoculated biopiles[J].Appl M icrobiol Biotechnol,2001,57(1-2):242-247.[18]　Nakamura K.Rem oval of mercury from mercury-cont2aminated sediments using a combined method of chemicalleaching and v olatilization of mercury by bacteria[J].Biodegradation,1999,10(6):443-447.[19]　Sem ple K T,Reid B J,Ferm or TR.Im pact of com postingstrategies in the treatement of s oils contaminated with or2ganic pollutants[J].Environ P ollut,2001,112(2):269-283.[20]　S ong Y-F(宋玉芳),Xu H-X(许华夏),Ren L-P(任丽萍).Bioremediation of contaminated s oils by min2103 第4期 罗　义,等:生物修复概述及国内外研究进展eral oils and PAHs under tw o-plant conditions[J].Jour2nal of Applied Ecology(应用生态学报),2001,12(1):108-113.[21]　Sun T-H(孙铁珩),Zhou Q-X(周启星),Li P-J(李培军).P ollution Ecology[M].Beijing:Press.(inChinese),2001.[22]　Vangronsveld J[C].Proceeding of extended abstracts of5th International C on ference on the Bilgeochemistry of2T race E lements,1999,1:16-17.[23]　Whiteley AS,WilesS.Lilley AK.Ecological and physilogi2cal analyses of P seudomonad species within a phenol re2mediation system[J].J M icrobiol Methods,2001,44(1):79-88.[24]　Whiteley AS,Bailey M J.Bacterial community structureand physiological state within an industrial phenol biore2mediation system[J].Appl.Environ.M icrobiol.,2000,66(6):2400-2407.[25]　X iao Y-T(肖羽堂).天然水体环境温度对生物修复工艺除NH+42N效果影响分析[J].Research on En2 vironmental Sciences(环境科学研究),2001,5(14):33-36.[26]　Xu X-Y(徐向阳),Y u X-E(俞秀娥),Zheng P(郑平).受酚污染地表水生物修复技术的基础研究[J].Journal of Zhejiang University,Edition of Agricul2ture and Life Science(浙江大学学报,农业与生命科学版),1999,25(4):409—413.[27]　Y nag G-D(杨国栋).污染土壤生物修复技术主要研究内容和方法[J].Agro-Environmental Protection(农业环境保护),2001,20(4):286-288.[28]　Z appi M,White K,H wang H M.The fate of hydrogen per2oxide as an oxygen s ource for bioremediation activitieswithin saturated aquifer systems[J].J Air Waste Man As2s oc.2000,50(10):1818-1830.[29]　Zhang C(张从),X ia L-J(夏立江).BioremediationT echnology of C ontaminated S oils[M].Beijing:ChinaEnvironmental Science Press.(in Chinese)2001. [30]　Zhang H-R(张海荣).四种石油污染土壤生物修复技术研究[J].Agro-Environmental Protection(农业环境保护),2001,20(2):78-80.[31]　Zhang W-H(章危华).包气带土层中石油污染物的微生物降解过程研究[J].Research on Environ2mental Sciences(环境科学研究),2002,2(15):60—62.[32]　Zhang X(张旭).石油烃污染土层生物修复模拟实验研究[J].清华大学学报(自然科学版),2000,11(40):106-108.[33]　Zhou Q-X(周启星).T echnological reforger and pros2pect of contaminated s oil remediation[J].T echniques andEquioment for Environmental P ollution C ontrol(环境污染治理技术与设备),3(8):36-40.[34]　Zhou Q-X(周启星),S ong Y-F(宋玉芳).T echno2logical im plications of phytoremediation and its applicationin environmental protection[J].Journal of Safety and En2vironment(安全与环境学报),1(3):48-53.Biological R emediation of Contaminated E nvironment and its ProgressLUO Y i1,MAO Da2qing2(1.The Department o f Environmental Sciences,Liaoning Univer sity,Shenyang110036,China;2.The Faculty o f Agricultural and Applied Biological Sciences,Leuven Univer sity,Belgium)Abstract:　The concept and types of bioremediation were elaborated from the microbial and botanic angle. Rloes,which plants and microorganisms play in bioremediation,were analyzed.The achievements in bioremediation were als o elaborated in details.The advantage for bioremediation especially for the technique of phytoremediation was evaluated.The disadvantage for bioremediation were pointed out.K ey words:　bioremediation;phytoremediation.(责任编辑　崔久满) 203辽宁大学学报 自然科学版 2003年 。