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

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