污染土壤的微生物修复机理及研究进展_曹启民

第１２卷第１期华南热带农业大学学报２００６年３月Ｖｏｌ．１２Ｎｏ．１ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＣＨＩＮＡＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＲＯＰＩＣＡＬＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＥＭａｒ．２００６
目前由于有机物和重金属引起的土壤污染问题相当严重。

在我国现有的约１×１０８ｈｍ２耕地中，约近１／５受到不同程度的污染，每年造成粮食减产达２．５×１０９ｋｇ，农业总损失每年达１×１０１１元以上［１］。

同时，土壤污染引起作物中污染物含量超标，并通过食物链富集到人体和动物中，危害人畜健康，引发人类癌症和其它疾病等。

另外，土壤受到污染后，含污染物质浓度较高的污染表土容易在风力和水力作用下分别进入到大气和水体中，导致大气污染、地表水和地下水污染以及生态系统退化等其它次生生态环境问题［２］。

１微生物修复的概念
随着人们生活水平的提高，生态和环境保护日趋受到重视，国家每年都投入大量人力物力进行污染土壤的修复［３］。

对土壤污染物的去除以修复被污染的土地，成为土壤环境研究领域里一个非常重要的课题。

与物理修复、化学修复相比在污染土壤修复中，生物修复所具有的安全性、非破坏性和经济性的优点，使其成为最具有前途的修复技术。

生物修复（Ｂｉｏｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ）是指利用生物的生命代谢活动减少土壤环境中有毒有害物的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的土壤环境能够部分地或完全地恢复到原初状态的过程［４］。

广义的生物修复包括植物修复、动物修复和微生物修复。

本文所说的生物修复实际上是一个狭义的概念，它主要是指利用微生物的作用对进入土壤环境中的难降解物质如大分子有机污染物、重金属等进行治理。

通常把这种狭义的微生物修复技术称为土壤的生物修复。

生物修复是较为理想的一种治理污染的途径，具有处理费用低、对环境影响小、效率高等优点［５］。

首次记录实际使用生物修复是在１９７２年，于美国宾夕法尼亚州的Ａｍｂｌｅｒ清除管线泄露的汽油。

１９８９年，美国阿拉斯加海域受到大面积石油污染以后才首次大规模应用生物修复技术［６］。

除美国外，欧洲各国、加拿大等在生物修复方面也有很大的发展［７］。

２可用于生物修复的微生物类群
根据来源不同可以把起作用的微生物分为３类：土著微生物，外来微生物和基因工程菌（ＧＥＭ）［８］。

目前在实际的生物修复工程中应用的大多是土著微生物，土著微生物无论在数量上还是在降解潜力上都是巨大的。

当土著微生物由于种种原因不能用来作为修复污染土壤菌种时，就需要在污染的土壤中接种一些高效的外来微生物。

实验表明，在实验室条件下，３０℃时每克土壤接种１０６个ＰＣＰ降解菌，可以使ＰＣＰ的半衰期（Ｔ１／２）从２周降到１天。

近年来，由于生物工程技术的飞速发展，构建更高效的修复污染土壤的基因工程菌引起了人们极大的兴趣。

目前生物修复正朝着构建能够快速降解某些特定污染物的工程菌的方向发展，科学家利用基因工
污染土壤的微生物修复机理及研究进展＊
曹启民１王华２郑良永１夏炜林１桑爱云１
（１中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所海南儋州５７１７３７
２华南热带农业大学农学院海南儋州５７１７３７）
摘要就微生物修复的概念，微生物修复的机理和技术及特点等进行综述，并对微生物修复的研究方向和发展前景进行展望。

关键词污染土壤微生物生物修复
中图分类号Ｘ５３
＊国家科技部科技基础性工作和社会公益研究专项项目，项目编号：２００４ＤＩＢ３Ｊ０７３。

华南热带农业大学学报第１２卷
程把不同的降解基因移植到同一菌株中，创造出了具有多种降解功能的超级微生物［９］。

３微生物修复的机理
微生物修复污染的土壤必须具备２个方面的条件：一是土壤中存在着多种多样的微生物，这些微生物能够适应变化了的环境，具有或产生酶，具备代谢功能，能够转化或降解土壤中难降解的有机化合物，能够转化或固定土壤中的重金属；二是进入土壤的有机化合物大部分具有可生物降解性，即在微生物的作用下由大分子化合物转变为简单小分子化合物的可能性，进入土壤的重金属具有微生物转化或固定的可能性［８］。

只有具备了上述２方面的条件，微生物修复才有实现的可能。

受污染的土壤中有机物和重金属除小部分是通过物理、化学作用被稀释、扩散、挥发及氧化、还原、中和而迁移转化外，主要是通过微生物的作用将其降解转化和固定的。

因此，在生物修复中首先应考虑适宜微生物的来源。

其次，微生物的代谢活动需在适宜的环境条件下才能进行，而受有机物和重金属污染土壤的条件往往较为恶劣，因此我们必须人为提供合适的环境条件以强化微生物对污染土壤的修复作用。

３．１微生物起作用的环境条件
３．１．１营养微生物的生长需要维持一定量的Ｃ∶Ｎ∶Ｐ比例，需要多种营养物质及某些微量营养元素。

许多研究者［１０，１１］对微生物修复的最佳生态条件建议指出，Ｃ∶Ｎ∶Ｐ最佳比值为１００∶１０∶１。

在环境胁迫下，微生物维持生存可能需要更多的能量。

如重金属可引起脱氢酶活性下降，脱氢酶活性与土壤有机碳之比可作为确定向重金属污染的土壤中添加营养的重要参考指标。

３．１．２电子受体微生物氧化还原反应的最终电子受体包括溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根（如硫酸根、硝酸根和碳酸根等）。

土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类和浓度极大地影响微生物作用的速度和程度。

研究表明，好氧条件有利于大多数有机物和重金属污染物的微生物降解和转化。

充分的氧气供给是微生物修复重要的一环［１２］。

受污染的土壤中的溶解氧（ＤＯ）往往会消耗殆尽，造成缺氧环境，而不利于好氧微生物的降解和转化作用。

许多研究者［１２～１４］对微生物修复的最佳生态条件建议指出：在单因子实验条件下，氧代谢最适水平为溶解氧＞０．２ｍｇ／Ｌ和１０％最低空气填充孔
隙空间，厌氧代谢最适水平包括Ｏ２的体积百分数＜１％。

３．１．３共代谢基质微生物不能依靠某种有机物生长不一定意味着这种污染物能够抵抗微生物的攻击，因此当存在其他底物时，这种污染物就会通过共代谢（Ｃｏｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ）作用而生物降解。

所谓共代谢是指某些难降解的有机化合物，通过微生物的作用能被改变化学结构，但并不能被用作碳源和能源，微生物必须从其他底物获取大部或全部的碳源和能源。

许多微生物都有共代谢的能力，各种各样的底物都可能被利用，其降解反应可能涉及除氧化作用外的各种反应。

资料表明［１０］，在厌氧条件下，
ＤＤＴ的降解过程也经受了共代谢作用过程，其共代谢转化产物可被好氧微生物降解。

３．２微生物对有机物污染土壤的修复机理
微生物是自然界中的分解者，在好氧条件下，它能将有机污染物彻底氧化，分解成ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＳＯ
４
２－、ＰＯ４３－、ＮＯ２－、ＮＯ３－等无机物。

在厌氧条件下，能将有机物降解，转化成小分子有机酸、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、
ＣＨ
４
等。

因此，微生物是生物修复中有机污染物降解的主力军［１５］。

微生物对有机污染物的降解主要是通过微生物酶的作用。

参与污染有机物生物降解的各种微生物酶，可分为组成酶和诱导酶，又可分为胞内酶和胞外酶。

微生物对某些污染物有去毒作用，所谓去毒作用（Ｄｅｔｏｘｉｃａｔｉｏｎ）是指微生物使污染物的分子结构发生改变，从而降低或去除其对敏感物的有害性［７］。

去毒作用导致钝化作用，即在毒理学上具有活性的物质转化为无活性的物质。

例如，有毒性的杀草剂醚草通在微生物的作用下脱氨形成对植物无毒害的产物。

３．３微生物对重金属污染土壤的修复机理
微生物对重金属污染土壤生物修复作用主要通过微生物对重金属的溶解，转化与固定作用来实现的。

微生物对重金属的溶解主要是通过各种代谢活
３０
第１期
动直接或间接地进行的。

土壤微生物的代谢作用能产生多种低分子量的有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等。

Ｓｉｅｇｅｌ等［１６］报道，真菌可以通过分泌氨基酸、有机酸以及其他代谢产物溶解重金属及含重金属的矿物。

Ｃｈａｎｍｕｇａｔｈａｓ和Ｂｏｌｌａｇ［１７］比较了在不同碳源条件下微生物对重金属的溶解，发现以土壤有机质或土壤有机质加麦秆作为微生物的碳源时，微生物并不促进铅、镉、锌、铜等重金属的溶解；如果在淋洗液中加入土壤有机质和麦秆的同时还加入容易被微生物利用的葡萄糖作为碳源，经过一段时间后，不灭菌处理的淋洗液中重金属离子的浓度显著高于灭菌处理。

一些微生物可对重金属进行生物转化，其主要作用机理是微生物能够通过氧化、还原、甲基化和脱甲基化作用转化重金属，改变其毒性，从而形成某些微生物对重金属的解毒机制［１８，１９］。

自养细菌如硫－铁杆菌类（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓｆｅｒｒｏｂａｃｉｌｌｕｓ）能氧化Ａｓ３＋、Ｃｕ＋、Ｍｏ４＋、Ｆｅ２＋等。

假单孢杆菌（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ）能使Ａｓ３＋、Ｆｅ２＋、Ｍｎ２＋等发生氧化。

微生物的氧化作用能使这些重金属元素的活性降低。

微生物可以通过对阴离子的氧化，释放与之结合的重金属离子。

如氧化铁－硫杆菌（Ｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ）能氧化硫铁矿、硫锌矿中的负二价硫，使元素Ｆｅ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ａｕ等以离子的形式释放出来。

微生物对重金属的生物固定作用主要表现在胞外络合作用、胞外沉淀作用以及胞内积累３种作用方式上。

由于微生物对重金属具有很强的亲合吸附性能，有毒金属离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上，或被轻度鳌合在可溶性或不溶性生物多聚物上。

一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类，能够产生胞外聚合物如多糖、糖蛋白等具有大量的阴离子基团，与重金属离子形成络合物［１８，１９］。

Ｗａｌｋｅｒ等［２０］报道，在含有５．０ｍｍｏｌ／ＬＣｕ２＋、Ｈｇ２＋、Ｎｉ２＋、Ｐｂ２＋、Ｚｎ２＋、Ｃｒ２＋的硝酸盐溶液中，各种粘土矿物和细菌细胞组成吸附上述重金属离子的能力依次为：细胞壁＞细胞外膜＞蒙脱石＞高岭石。

粘土矿物和细菌细胞的复合体吸附这些重金属离子的能力依下列顺序降低：细胞壁－蒙脱石＞细胞壁－高岭石＞细胞外膜－蒙脱石＞细胞外膜－高岭石。

４微生物修复的技术和特点
污染土壤的微生物修复技术主要有３类：生物反应器（Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ）、原位生物处理技术（Ｉｎ－ｓｉｔｕ）和地上处理技术（Ａｂｏｖｅ－ｇｒｏｕｎｄ）或称异位生物处理技术［２１］。

４．１生物反应器处理技术
这种方式是将受污染的土壤挖掘起来，和水混合后，在接种了微生物的生物反应器装置内进行处理，其类似污水的生物处理方法，处理后的土壤与水分离后，脱水处理再运回原地。

这种反应器可分为连续式与间歇式２种，但以间歇式居多［２２］。

这种处理技术是污染土壤生物修复技术中最有效的处理技术。

但它对高分子量ＰＡＨｓ的修复效果不理想且运行费用较高，目前仅作为实验室内研究生物降解速率及影响因素的生物修复模型使用。

４．２原位生物处理技术
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。

在这种技术中经常采用一些工程化措施强化处理效果，这些措施主要包括：泵处理，也叫Ｐ／Ｔ（Ｐｕｍｐ／Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）技术、生物通气（Ｂｉｏｖｅｎｔｉｎｇ）、渗滤（Ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ）、空气扩散等形式。

如：美国犹他州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％［２３］。

４．３异位生物处理技术
异位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（Ｌａｎｄ－ｆａｒｍｉｎｇ）、土壤堆肥法（Ｃｏｍｐｏｓｔｉｎｇ）和生物泥浆法（Ｂｉｏ－ｓｌｕｒｒｙｔｒｅａｔｍｅｎｔ）。

但异位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。

４．４特点
曹启民等：污染土壤的微生物修复机理及研究进展３１
华南热带农业大学学报第１２卷
微生物修复技术与其他修复技术相比有以下优点：（１）不破坏植物生长所需的土壤环境；（２）不会形成二次污染或导致污染物的转移，遗留问题少；（３）可最大限度地降低污染物浓度，并且污染物可在原地被降解清除；（４）费用低，是现有环境工程技术，如传统的化学、物理修复经费的３０％～５０％；（５）操作简便，操作人员可以避免受污染物直接影响；（６）修复时间短，对周围环境干扰少。

微生物修复技术虽然比一些常规技术具有优点，但也存在不足之处。

如微生物不能降解所有进入土壤的污染物；有些污染物在降解的过程中会转化成有毒的代谢产物；物理因子（如低温）引起的低反应速率；一些有毒物质对微生物降解有抑制作用等。

５结语与展望
随着微生物修复技术的日臻完善，其在污染土壤修复中将扮演越来越重要的角色。

虽然我国对重金属污染土壤、有机污染土壤的微生物修复技术进行了初步研究，但与欧美等发达国家相比，研究相对滞后［２４～２６］。

随着生物技术的发展，转基因手段的成熟，利用微生物修复来治理土壤污染前景广阔。

尽管微生物修复技术已经取得了一定的成果，但仍需要进一步的发展与完善。

（１）要彻底查清土壤污染的现状。

彻底摸清受污染土壤的污染物类型和受污染的程度，才能采取有针对性的微生物修复措施对受污染的土壤进行彻底的修复。

（２）培养筛选专一或广谱性的微生物种群（类），使之能专一修复某种或某一类化合物或重金属，以及分解污染物过程中不会有毒性代谢物的产生。

微生物修复效果的好坏，关键在于起作用的微生物，培养筛选专一和广谱性的微生物种群（类），对于缺乏有效降解或转化有机污染物或重金属菌种的受污染土壤具有极其重要的意义。

微生物修复过程中，如果有毒性代谢物的产生，就会造成土壤的二次污染，微生物修复不但失去了意义，而且会造成更加严重的后果。

所以，更加深入地研究微生物分解污染物的代谢过程尤其重要。

（３）创造良好的土壤环境，协调好土著微生物和外来微生物的关系，使微生物的修复效果达到最佳。

微生物修复的实质就是微生物生长繁殖的过程，要想微生物修复效果达到最佳，就必需为其创造良好的生长环境。

土壤的营养物、温度、湿度、ｐＨ值、通气状况等因素都会对微生物的生长繁殖产生重要的影响，任一因素不符合微生物的需求，微生物修复就不能进行。

（４）微生物修复效果的监测与评价指标体系的建立。

监测微生物修复的效果，建立修复效果评价指标体系，对于指导不同地区的微生物修复实践以及对于微生物修复技术的发展与完善都具有重要的意义。

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