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。

微生物修复

微生物修复技术是利用土壤中的土着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 等总结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( Dx??9) 的施加显着加快了玉米、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