石油污染土壤生物修複技術現狀與展望

油氣田開發過程中的油井洩漏、原油管線以及儲(chǔ)油罐洩漏、海洋溢油等造成石油類物質落於(yú)地面土壤之上，造成土壤污染，特别是海洋溢油，對海岸線和海洋造成破壞性的影響。

關於洩漏石油毒性尤其是對土壤環境的污染，一直是衆多研究團隊關注的焦點。衆多研究表明，土壤中含油量對於其中生物如細菌、蚯蚓和植物均會産生毒害作用，含量爲1%時，細菌的抑制率接近100%;含量2%對於蚯蚓毒害作用可達10.57%，7d後蚯蚓的死亡率爲90%;含油量大於3%的土壤中沒有蚯蚓存活;在含油量爲3%的土壤中，植物的萌發過程受到抑制，玉米和小麥的發芽抑制率分别爲51.3%和48.4%。根系生長也表現出類似的趨勢，即高濃度的石油抑制根系生長。

因此，迫切需要研究有利於(yú)環境的修複方法以去除土壤中的石油污染物。到目前爲止，有多種可用於(yú)石油污染土壤的修複技術，從(cóng)應用技術如溶劑萃取、生物修複，到新興技術如電動修複技術、超聲波修複技術。而生物技術因其投資低、環境風險小、适應能力強被認爲是最有前途的修複技術之一。

所謂生物修複是通過供給細菌所需的營養、氧氣，並調控外界條件(如pH、溫度等參數)，以加速土壤中石油烴的降解。

生物修複油污土壤始於20世紀40年代，其推廣普及始於生物用於修複80年代瓦爾迪茲号漏油事件形成的油污土壤。表1顯示瞭迄今爲止在石油污染土壤修複中的生物修複研究。目前所應用的生物修複技術從原理上可分爲三類，即生物強化、生物刺激和生物通風。

1.1 生物強化

生物強(qiáng)化是指通過(guò)添加特定代謝活性基因工程菌以提高微生物種群的性能，增加土壤中原油降解效率。

生物強化關鍵是選擇生理和代謝能力強的微生物作爲工程菌，因此土著微生物就顯得至關重要。實際土壤修複中，如果環境條件不是限制因素，土著微生物可以完成石油類污染物的自然衰減。在受污染的場地獲取這些微生物，並通過與場地類似的條件富集培養得到的土著微生物，能更好地降解石油污染物，Ｒoy等通過控制環境條件，利用土著原油降解菌降解土壤中的石油，經過24w的測試，在細菌和營養物質共同作用下原油降解率達到80%(初始污染體積分數爲2%)。因此對於生物強化來說，通過篩選土著微生物，經過富集培養再進行接種是目前常用的修複技術。

1.2 生物刺激

前述表明，土著微生物在土壤修複中有重要作用，因此在條件允許下，如何提高土著微生物菌團降解活力亦是油污土壤生物修複的一項關鍵技術，生物刺激就是基於這一原則進行研究。所謂生物刺激是指通過調節環境參數(如添加肥料等營養成分、調節pH、添加藥劑改善油和土壤吸附性能等)用於刺激土著石油降解微生物的生長，從而提高現場天然微生物降解速率。

目前生物刺激主要手段包括添加營養鹽和表面活性劑。營養鹽對於土壤中石油污染物生物降解的影響是明顯的，Chaineau等對比施肥和未施肥土壤爲期150d的石油類污染物降解效果，添加氮、磷、鉀營養鹽土壤中石油降解率最高爲62%，未施肥的土壤降解率僅爲47%。Abed等人也通過實驗得到瞭類似的結果。

上述原因在於添加營養鹽成功影響生物刺激，溫度升高會進一步刺激在沙漠土壤嗜石油降解菌的活性，而未加營養鹽組由於溫度提高導緻水分的揮發緻使鹽度升高，則可能造成氧氣和碳氫化合物的溶解度改變，從而減緩細菌的生長和降解能力。Emami等的研究表明，營養鹽的類型在石油降解中也起到重要作用，不同形态氮肥(NO3－N和NH4－N)對污染土壤中石油的去除有不同的影響，結果表明NH4－N具有更好的除油效率，分析其原因在於其能使土壤提高植物發芽能力和增加植物呼吸值。用於石油降解的肥料種類不限於氮肥，目前的研究還表明，各種生物垃圾包括大豆餅、家禽糞便、油棕榈果和甘蔗渣、已成功地制作成肥料應用於石油污染土壤的生物修複。               

無毒性和可生物降解性的生物表面活性劑是生物刺激研究的另一個方向，其通過分散石油增加微生物底物的生物利用度，並能增加細胞表面的疏水性，使疏水底物自由地與細菌細胞相互作用，從而加速生物降解能力。目前研究最多的表面活性劑是長效β－環糊精和鼠李糖脂，Gruiz採用長效β－環糊精修複柴油和礦物油濃度分别爲46290和47170mg/kg的污染土壤，與空白對比去除率分别提高瞭2.6%和4.8%。同時研究表明其可以減少土壤毒性並增強植物根系的進一步增長，增長長度大約爲5～20mm。

1.3 生物通風

生物通風實際上是生物刺激的一種，通過在土壤空隙添加氧刺激微生物的生長。氧氣的存在對微生物生存是必要的，因爲有氧條件可以提高有機物質的代謝，産生更多的能量。Thomé等人採用生物通風修複質量分數爲4%的柴油燃料污染的土壤，經過60d的處理，最大的降解效率爲85%，而自然衰減的效率爲64%，這表明氧氣流能夠增強微生物活性和增加污染物的降解率。

前述研究表明通過生物強化、生物刺激和生物通風等手段，開展油污土壤生物修複有很高的成功潛力。但也有研究表明，通過添加營養素/外部微生物未必增加除油效率，通過投加水溶性營養素處理特拉華灣岸線上原油，與自然衰減相比，油去除率沒有明顯提高，原因在於該地區土壤氮含量高，足以支持生物降解石油。因此通過生物修複土壤三種機制控制條件分析對比，量身定制生物修複計劃對於油污土壤修複是必要的。

石油污染土壤生物修複的應用已被廣泛研究，到目前爲止，有許多在實驗室和現場(chǎng)規模研究的生物修複技術。這些技術的主要優勢在於(yú)，可在原位和易地修複石油污染土壤，降解石油污染物的同時不會留下任何對環境不利的長期毒素影響。此外，生物修複方法成本低，對環境沒有破壞，其美觀和低成本亦被社會廣泛接受。但其缺點亦明顯，一是治理時間長，有些修複需要持續長達幾年的治理，才能獲得令人滿意的去除結果。二是高濃度的石油污染物影響微生物群落的活動将導緻低的去除效率。

Margesin等人報道，當土壤中初始柴油污染從2500mg/kg增加到20000mg/kg時，土壤中總石油烴去除率下降60%，降解效率下降的原因在於高含油量導緻土壤環境的高毒性，不利於微生物的活動。另外，生物技術高度依賴污染土壤參數和氣候參數，如溫度、pH、鹽度、污染物成分、濃度和風化作用的影響。例如，高溫會影響微生物的濃度，而土壤極端pH值可能對細菌和/或真菌有毒害作用。石油的風化作用也影響生物修複的效率。            

3.1 高效降解菌劑開發

生物修複關鍵在於适宜的微生物，不同的生物在不同受污染的場地活性並不相同，因此進行生物修複成功的策略是通過實驗室試驗選擇接種的微生物。對於原地作業，生物修複前通過篩選微生物進行接種能夠增加成功的機率。目前土壤修複生物篩選最成功的方法是Kim等提出的DNA診斷———寡核苷酸微陣列方法，其通過原位診斷檢測适合該地點修複的微生物菌株，用於原位土壤修複。

從DNA診斷結果表明，污染土壤的修複可以成功實施，通過這種診斷将能夠減少許多試驗和錯誤，因爲它可以確定生物修複的候選位點，同時評估生物修複的進展。其次在進行生物菌劑修複同時，開展石油對微生物降解影響的研究，對於菌種篩選也具有重要意義。

研究表明，微生物與油類污染物長期相互作用将改變微生物某些特性，如細菌與柴油長期接觸後，二者相互作用會産生天然柴油表面活性劑，主要是由於疏水性，與柴油表面活性劑的相互作用後，Zeta電位和脂肪酸發生顯著變化，從而影響瞭遺傳修飾編碼基因成分，導緻對長期受到石油污染物作用後的細菌遺傳物質産生影響。其次原油也會對微生物生物量、組成和功能産生影響，通過元蛋白質組分析來確定石油污染和微生物群落之間的功能和系統發育關系，能夠加深對生物降解機理的認識，從而從遺傳學、基因學等角度篩選合适的菌劑。

3.2 環保的營養添加劑

無機營養物質的加入，能夠成功地協助生物修複，但這些營養物質會浸出到地下水或任何水源，會導緻水體富營養化，對水質産生不利的影響。因此尋找這些無機營養素的替代是研究熱點，目前研究集中在直接加入植物或動物的有機物質代替無機營養鹽。Horel等研究瞭植物(互花米草)和魚組織(鲭森的突起部分)作爲營養添加劑處理亞熱帶沉積物風化的柴油，42d後添加魚組織油降解率提高104%，添加氮磷無機養分降解率提高瞭57%，植物有機質降解率提高7%。由此可見，添加動物基有機材料可以提高烴降解率，因此如何因地制宜地選擇合适的營養添加物對於土壤修複成功具有一定的意義。

其次各種易降解的、産生較低毒性的、高溫和堿性條件下能保持穩定的生物表面活性劑也是研究熱點。目前的研究都集中在尋找新的促進石油烴降解的生物表面活性劑，Ayed等已成功地從一株芽孢杆菌分離出生物表面活性劑，對於溫度、pH值、鹽度具有較強适應性，同時對柴油的溶解度分别比SDS和吐溫80提高10%，生物降解效率提高30%。這表明生物菌株分離的表面活性劑在石油污染土壤的生物修複中具有潛在應用價值。

3.3 生物修複新技術

研究生物修複的效率受以下參數影響:石油降解微生物;營養物質，如溶解氧、氮和磷等;環境因素。因此，當前石油污染修複工程著重獲得最佳除油效率的操作參數，響應面法是優化生物過程的有效方法，lvarez等通過響應面法優化南極的石油污染土壤生物修複參數，優化後C∶N∶P=100∶17.6∶1.73，柴油去除率達到54.9%，而在未經優化的C∶N∶P比爲100∶10∶1的去除率僅爲27.8%，同時通過優化能夠減少肥料用量。可見響應面法對於生物修複土壤參數優化具有重要作用，下一步應該進一步優化響應面法應用於優化修複參數的适應性。同時厭氧生物修複技術目前也獲得世界各地研究人員的青睐。

厭氧生物修複技術是微生物通過利用硝酸鹽、硫酸鹽、鐵和二氧化碳作爲電子受體修複石油污染土壤，相比於好氧生物修複工程向污染場地提供氧源而造成的高成本，這是一個符合經濟效益的方法。通過對比硫酸鹽、硝酸鹽、甲烷和混合電子受體的條件下柴油(550mg/kg)污染土壤原位生物修複效率，表明混合電子受體條件下柴油降解效率達到81%，而單獨硫酸鹽或者硝酸鹽還原條件時柴油降解效率低於50%。這可能是由於在混合電子受體條件下細菌含量高所緻。而對於不同電子受體混合條件，混合比例以及混合後降解機理研究相對較少。      

1）生物修複能夠有效降解石油污染物，並不會留下任何對環境不利的長期的毒性影響，且其成本低，能夠永久消除污染物並且不破壞環境;然而，這些技術需要長達幾年的持續時間治理，才能獲得令人滿意的去除結果。同時，高濃度的石油污染物以及不利環境條件會降低微生物群落的活性，也會導緻低的去除效率。

2）未來的工作應在特種微生物和轉基因微生物開展研究，通過DNA診斷方法，從遺傳學、基因學等角度篩選合适的菌劑開展生物修複。

3）開發更環保的營養添加劑以及更規範的生物修複參數将成爲未來研究工作的重點。

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