多氯联苯污染土壤的生物修复研究进展

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耕作与栽培
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2007 年 第 4 期
经进行了大量有关多氯 联苯生物降解的研 究。自 A hmed 和 Focht 于 1973 年首先发现了 可以降 解单 氯和双 氯联 苯的两 种无色菌以来, 至今已筛选到上百 种多氯联苯 的降解菌。绝 大部分的好氧细菌都以共代谢过程降解 PCBs, 而且只能将 5 个氯以下的低氯含量的 PCBs 氧 化为氯 代苯甲 酸, 厌氧细菌 则能将 6 个氯以上的 PCBs 转化为 低氯代 的 PCBs。 除了细 菌, 对各类真菌降解 PCBs 的能力 也进行 了大量 的研究。真 菌可比细菌降解更宽范围的 P CBs 同系 物, 但是它 只能降解 低浓度的 PCBs, 而且 降解 效率相 对较 低。与微 生物修 复相 比, 利用植物的吸收、降解和固定作用进行 PCBs 污染土壤的 修复也是近年来研究的热点。主要包括两 种策略: 直接植物 修复与体外植物修复。 直接 植物修 复是 通过植 物对 土壤中 PCBs 进行直接吸收, 体 外植 物修复 则是 指植物 可释 放一些 酶等物质到土壤 中, 以利于 降解 PCBs。在 微生 物修复 和植 物修复的 研 究 基 础 上, 微 生 物 植 物 的 联 合 修 复已 经 成 为 PO Ps 污染土壤生 物修 复技 术发 展的 潮流。微 生物 植 物联 合修复目前主要包括植 物与 专性降 解菌 的联合 修复 和植物 与菌根真菌的联合修复 两个方 面( 骆永 明等, 2002; 程国玲 等, 2004) , 并 对 PA Hs 污 染 土 壤 的 修 复 起 到 了良 好 效 果 ( L ey val C, et al. , 1998; 桑 伟 莲 等, 1999; 王 曙 光 等, 2001) 。但在 P CBs 污染土壤修 复方面 研究国 内外仅 见零星 报道。Donnelly and F lecher ( 1995) 研 究结 果表 明 菌根 真菌 对 PCBs 污染土壤也具 有较好的 修复效 果, 尤其对 低氯代化 合物。T esema Chekola 等( 2004) 在 A ro clor 1248 污 染土壤 上比较了紫花苜蓿等 8 种植物的修复效果 , 结果 显示种植植 物明显提高了土壤中 P CBs 的降 解能力, 其 中豆科 植物紫花 苜蓿的降解能 力最 强, 这 可能 与豆 科 植物 和根 瘤 菌共 生有 关。以上结果提示 我们, 不 仅菌 根真 菌 植物 的联 合作 用可 以降解土壤中 PCBs, 而 且根 瘤菌与 宿主 豆科植 物的 共生关 系也可能具有降解 PCBs 或强化 PCBs 污染土壤的修复。
由于 P CBs 的巨大潜在危害性, PCBs 污染土壤的修复越 来越引起全球范围内的高度重视。目前有关 PCBs 污染土壤 的修复方法大致 可分 为: 生物 修复 ( 郑海 龙等, 2004) , 化学 修复, 物理工程措施及物理修复( 如热分解和 紫外光解) 等方 法。物理修复和物理 工程措 施如 安全 填埋、去除 表层土、高 温焚 烧等适合于高污染土壤, 尽管这两 种方法均 有一定的修 复效果, 但它们对土壤物理、化学、生物 学性质具 极大的破坏 性, 而且往往耗资巨大, 运行成本也相对较 高, 再 加上存在二 恶英污染的风险, 其广泛应用受到 了很大的限 制。而化学修 复方 法则易造成二次污染, 通常必须考 虑外加化 学修复剂的 潜在环境风险。当然在 实际场 地的 化学 修复和 生物 修复中 也要配合一定的物理工程 措施; ∃ Pump and T reat% 等 国外土 壤修复的传统化学方 法也存 在工 艺复杂、效 率低、成 本高及 引入二次污染的问题, 从 当前的 研究 来看, 以生 物功 能体为 基础的生物修复( 包括 微生 物修复 和植 物修 复) 技术 因具有 成本低、无二次污染、可 大面积 推广 应用 等独特 优点 而越来 越深 受国内外环境部门和科学界的关注, 是目前 最具潜力的 土壤修复技术之一。因此, 生物 修复是 PCBs 污染土 壤治理 最有 前景的方法。目前在实验室及模拟自 然条件下, 国外已
g/ kg ( 李清波, 2004) 。如 扩大 土 壤环 境质 量 检测 面积, 这 一类 似现象可能在其它局域地区也同样 存在。因此, 受多氯 联苯( P CBs) 污染农田土壤的 治理与 修复已 成为我国 经济快 速发达地区土壤环境领域不可忽视的重要现实问题之一。
2 多氯联苯污染土壤的生物修复研究进展 及微生物 植物联合修复的思考
复方面研究。
尽管于 70 年代 末已经 停止 生产 ( 毕 新慧 等, 2000) 。但 随着 工业 化、城市化、农业高度集约化进程的加 速, 这 类具高亲脂 性、化学稳定性及内分泌 干扰活 性的 PCBs 仍通过大 气干湿 沉降、污灌及不合理农业利用等途 径进入农田。 土壤作为这 类化 合物的重要汇和中转站, 这类化合 物可通过 食物链传递 及放大作用, 对生态和人体健康会 造成严重的 潜在危害。龚 钟明等( 2001) 分析 了江 苏无锡 鼋头 渚夜 鹭卵中 多氯 联苯同 系物的残留状况, 结 果表 明 该样 品中 检出 6 种 PCB 同 系物 ( 28、52、101、138、153、180) , 其 中高 氯取 代的 PCB153、138、 180 占所测 PCBs 总量的 85% 以 上。研究 结果表 明, 长三角 某典 型污染区因较长历史的露天拆卸废旧 变压器、电子洋垃 圾及焚烧废弃电缆电 线, 该地区 农田 土壤中 仅 18 种 多氯联 苯组分的总量达 581 g / kg , 其中六氯联苯 ( P CB141) 的含量 高达 398 g / kg , 并 且 在蚕 豆 的可 食 物部 分 出 现了 积 累( 达 194 g/ kg) 。中科院常熟实验站菜地表层土壤中 18 种 P CBs 的总含量达 122 g / kg , 该市 白 茆镇 的 水稻 土中 则 高达 125
在 1966 # 1975 年间我国共生 产 P CBs 产 品约 1 万 t, 主 要用 于 电 力 电 容 器 的 绝 缘 油、载 热 油 和 油 漆 添 加 剂 等。
收稿日期: 2007 06 07 基金项目: 贵州省自然科学基金资助课题( 黔科合 J 字[ 2006] 2097) 第一作者: 杨光梅( 1976 ) , 女, 研究生, 讲师, 从事环境 生态与生物修
根际 土壤中菌根真菌 豆科植物以及根瘤菌 豆科植物互为两 对共 生关系, 菌根真菌和根瘤菌均可从 豆科植物 获得基本的 碳源, 同时它们也为 植物 提供了 矿质 养分, 促进 植物 的生长 发育 , 从而加速了豆科植物 对 PCBs 的 直接吸 收和降 解; ( 2) 豆科植物 菌根真菌 根瘤菌三 位一体 的特 殊共生 体, 是否增 强了植物体内脱卤酶、硝酸还原酶、过氧化 物酶、漆酶等酶类 活性。同时也可能会增 加菌根 真菌 体内 酶活性 ( 磷酸酶、漆 酶及过氧化物酶等) 和根瘤菌的固 氮酶活性? 从 而促进了三 大有机相对 PCBs 的降解。有关豆科植 物 菌根真 菌 根瘤菌 共生体的酶系统对土壤 有机物 污染 物的 降解过 程和 机理方 面研 究, 至今尚属空白; ( 3) 豆科植物根 际分泌物 的种类和数 量发生变化, 提高了 土壤 各种酶 活性, 加 快土壤 生物 化学酶 促反应, 促进土壤中 PCBs 降解; ( 4) 菌根真 菌和根瘤 菌双接 种改变了豆科植物根 际微生 物多 样性、群落 结构 和组成, 可 能增 加了降解微生物 类群。上 述假 说尚 需进行 科学 实验和 验证。
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多氯联苯污染土壤的生物修复研究进展
杨光梅1 , 何腾兵1 , 韩 凌2, 田儒万3
( 1. 贵州大学生命科学院, 贵州 贵阳 550025; 2 铜仁市坝黄镇农推站; 3. 铜仁市川硐农推站)
摘 要: 生 物修复是多氯联苯 ( PCBs) 污染 土壤最 具前景的 环境友好治理方法, 越来越受到国内 外土壤环境 技术领域的 广泛关注。 关键词: 多氯联苯; 污染土壤; 生物修复; 联合修复
1 多氯联苯的生态环境风险
多氯联 苯( Polychlo rinated Bipheny ls, P CBs) 是 一 类以 联苯为原料在 金属 催化 剂 作用 下, 高 温氯 化生 成 的氯 代芳 烃, 分子 式为 ( Cl2 H 10 ) nC1n, 它存 在 209 种 同 类 物 ( Co ng e ner) 。这类化合物目 前 已 经 是国 际 上 斯 德哥 尔 摩 国 际公 约! 共同关注的 12 种优控持久性有机污染 物之一, 也被称为 二噁英( Diox ins) 类似化合 物。多氯 联苯 由于具 有优 良的热 稳定性和绝缘性能, 曾经作为一种工 业产品大量 生产并广泛 应用于电力、化工等领域。但是, 多氯联苯 的高毒性、在环境 中的高持留性以及对生态系统造成负面影 响, 使 发达国家在 上世纪 70 年代就已经禁止其生产 和使用。由于 在过去几十 年中的广泛使用和多氯联苯化学结构的稳 定性; 而且目前在 PV C 等生产过程中, P CBs 作为副产物仍不断释放进入环境; 加之还有一些源如底 泥不断 释放, 以 及全球 迁移 等因 素, 使 得直到 今天 多氯 联苯 仍然 广泛 存在 于大 气、水体、土壤、飘 尘, 甚至房屋和 工厂的 表面。在 鱼体、野生 动物 人体 脂肪组 织、母乳、血清中也都已经发现了 多氯联苯 的存在 。作为斯 德哥尔摩公约首批优先控制的 l2 种持久性有 机污染物( P er sistent Or ganic P ollutant s, PO Ps) 之一, 多氯联苯引起的环境 问题已受到极大关注。许多研究表明, 多氯联苯 能够对实验 动物和哺乳动物细胞造成不利影响, 其中 包括诱 导 I 相和 ∀ 相酶, 导致胸腺萎缩和免疫毒性, 神经和发 育毒性, 肝脏毒性 和致癌性, 以 及受 试动 物 行为 学的 改 变和 认知 功 能的 变化 等。如果母亲摄入受多 氯联 苯污染 的鱼 肉也可 能对 其所生 育的孩子的学习能力 造成 缺陷。许 多由 多氯联 苯诱 导的毒 性反应与 2, 3, 7, 8. 四氯代二苯并二嗯哄( 2, 3, 7, 8 tetr achlo r odibenzo p diox in, 2, 3, 7, 8 T CDD) 的 毒性 相似, 即 介导 于 A h 受体发生作用。一些不与 A h 受体结合的 邻位取代同 系物也同样显示出神经毒性等负面健康影响 。
众所周知, 微 生物 植 物的 共生 关系 是自 然生 态系 统中 普遍存在的现象, 是微 生物 植 物相 互作 用的 主要 表现 形式 之一。如根瘤菌和相 应的 豆科植 物共 生, 结 瘤固 氮, 通过其 固氮酶的作用, 将空气 中的 N2 还原为 可被植 物吸收 利用的 铵态氮, 对植物有 明显 的增产 效果 ( Smith S. , 1997) 。自然 界丛枝菌根( A rbuscular myco rr hiza, A M ) 真菌分布广 泛, 它 可存在于约 80% 的陆生 植物中, 大多数农 作物、木本植物和 野生草本植物均能与 A M 真菌共生, 形成丛 枝菌根。A M 真 菌的一个重要功能是通 过其 共生体 中大 量的菌 丝增 加植物 对土壤中营养元素 P 和水分的吸收, 从而提高植 物的磷素营 养和抗旱能力, 及污染环境的自净力( 冯固等, 2000; Feng G et al. , 2003; 刘 世亮等, 2004) 。据 国内 外文 献报 道( Paula et al. , 1992; 郑伟文等, 2000) , 利用 A M 真菌与 固氮微生物 共接种, A M 菌根真 菌可 促进 植物生 长, 增加 根瘤 菌的 结瘤 数、鲜瘤重, 并提高固氮酶活性, 对农 业的可持续 发展和环境 保护有着重要意义。那么, 菌根真菌 一豆科植物 一根瘤菌三 位一体的特殊共生体系是否在 环境修 复方面 ( 如 P CBs 污染 土壤) 也有积极的 作用 呢? 研究 结果 发现, 菌根 真菌 和根瘤 菌双接种提高了紫花苜蓿根 际降解 土壤中 PCBs 的能 力, 其 降解率高达 22. 9% 。菌根真 菌和根 瘤菌互作 如何促 进紫花 苜蓿对土壤中 PCBs 污染物的降解呢? 其可能的机理有: ( 1)