石油及石化污染場地生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)展與展望

　　摘　要：石油資源為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供源源不斷動力的同時，也產(chǎn)生了大面積的石油及石化污染場地，對場地環(huán)境造成日益嚴(yán)重的污染。生物修復(fù)技術(shù)由于其綠色、環(huán)境友好、無二次污染等優(yōu)點引起人們廣泛關(guān)注。概述了石油及石化污染場地基于微生物和植物修復(fù)的生物修復(fù)技術(shù)的研究概況和目前進(jìn)展，分析了生物修復(fù)技術(shù)的局限性并對其未來研究重點進(jìn)行了展望，旨在為石油及石化污染場地的生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展及全方位應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：石油及石化污染場地;土壤污染;生物修復(fù);微生物修復(fù);植物修復(fù)

　　在過去幾十年中，由于工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，中國等經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的國家面臨著日益嚴(yán)重的土壤污染問題[1]。有機(jī)污染物如有機(jī)氯農(nóng)藥(organochlorinepesticides，OCPs)、多氯聯(lián)苯(polychlorinatedbiphenyls，PCBs)、鄰苯二甲酸酯(phthalate ester，PAEs)和多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)等具有高毒性、持久性和在環(huán)境中生物富集等特點[2]，其在土壤中的污染引起了越來越多的公眾關(guān)注。土壤作為有機(jī)污染物的重要儲存庫，同時也是空氣和水污染的排放源[3-4]。

　　在正常生態(tài)條件下，土壤中的大多數(shù)有機(jī)污染物很難生物降解，其在土壤中殘留可通過動物、植物和微生物等進(jìn)入食物鏈，并最終通過營養(yǎng)轉(zhuǎn)移對人類健康構(gòu)成潛在風(fēng)險[5]。石油被稱為“工業(yè)的血液”，是工業(yè)社會發(fā)展重要的動力燃料，石油及石油產(chǎn)品不僅是民生必需品，更是現(xiàn)代化的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防的重要物資。早在20世紀(jì)早期，世界各國就開始石油開采與資源掠奪的競賽，石油在開采過程中由于管理不善、設(shè)備缺陷、高壓作用會產(chǎn)生井噴，管道破裂與儲罐漏油等事故以及各階段產(chǎn)生的落地原油、油泥和廢棄泥漿等，必然會產(chǎn)生大面積的石油污染場地[6]。石油污染場地土壤中的石油污染物主要包括C15~C36的烷烴、PAHs、烯烴、苯系物和酚類等有機(jī)污染物[7]。

　　石油污染物引起土壤理化性質(zhì)的重大變化，影響土壤pH、滲透率、堆積密度、氧氣、礦物質(zhì)和養(yǎng)分含量，導(dǎo)致土壤滲透性降低，從而阻礙水、氧、礦物質(zhì)和養(yǎng)分的運輸，使土壤肥力下降，阻礙植物生長發(fā)育[8]。目前，對石油污染場地的修復(fù)方法主要分為生物修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、物理修復(fù)和物理化學(xué)修復(fù)等幾大類，主要包括植物修復(fù)[9]、微生物修復(fù)[10]、化學(xué)氧化[11]、光催化降解[12]、電動修復(fù)(electrokineticremediation，ER)[13]、焚化[14]、熱脫附[15]、溶劑萃取[16]、蒸汽提取[17]和生物電化學(xué)修復(fù)[18]等技術(shù)。其中，生物修復(fù)因其綠色、實用、成本低、易于原位修復(fù)、無二次污染等優(yōu)點受到了廣泛研究，是一種環(huán)境友好的修復(fù)方法[19]。因為單一的生物修復(fù)在實際修復(fù)過程中具有一定的局限性，所以，基于微生物和植物修復(fù)的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)逐漸成為生物修復(fù)技術(shù)研究的重點。

　　1基于微生物的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

　　石油的微生物修復(fù)從上世紀(jì)40年代就開始使用，到80年代�？松�·瓦爾迪茲號油輪泄漏事件后開始普及[20]。石油污染物降解微生物利用碳化合物作為能量來源生長、繁殖，利用選定的微生物降解石油烴的微生物修復(fù)引起廣泛研究。

　　一些最常見的石油烴降解菌如假單胞菌、紅球菌、產(chǎn)堿桿菌、青枯菌、不動桿菌、諾卡氏菌、弧菌和無色桿菌等，均能有效將石油烴降解為更簡單的化合物[1,21]。此外，真菌種類如青霉屬、鐮刀菌屬和根霉菌屬已被分離并用于石油烴污染土壤和沉積物的生物修復(fù)[1,21-22]。目前研究表明，細(xì)菌、真菌、放線菌、酵母菌和霉菌中100屬的200多種微生物都能有效地降解石油烴類污染物[23]。經(jīng)過多年研究，結(jié)合污染場地的實際情況，基于微生物的修復(fù)技術(shù)逐漸發(fā)展起來并日趨完善。

　　1.1 降解微生物協(xié)同組合技術(shù)

　　由于單一微生物沒有足夠的代謝能力來高效降解所有的石油組分，因此針對石油污染土壤的修復(fù)，人們傾向于關(guān)注各種類型的細(xì)菌和真菌等微生物的組合降解技術(shù)。利用多種微生物的協(xié)同作用，即多種微生物相互促進(jìn)、相互強(qiáng)化、共同作用，從而提高對石油污染場地的修復(fù)效率。Varjani等[24]在印度石油開發(fā)污染場地，現(xiàn)場試驗了由6種細(xì)菌組成的烴利用菌群原位協(xié)同降解石油烴污染物，在75 d的時間內(nèi)達(dá)到了83.7%的去除效率。Covino等[25]通過利用石油烴污染土壤中的本地真菌并添加假單胞菌屬sp強(qiáng)化來降解被石油烴污染的黏土土壤，在60 d后達(dá)到79.7%的去除效率。

　　Ramadass等[26]引入降解石油烴污染物的細(xì)菌菌株惡臭假單胞菌TPHK-1或銅綠假單胞菌TPHK-4處理南澳大利亞油污染場地土壤，結(jié)果表明2種細(xì)菌具有明顯的生物協(xié)同效應(yīng)。屈撐囤等[27]從油泥中分別篩選出高效降解菌銅綠假單胞和無色桿菌,對其獨立使用和組合使用對原油的降解規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明：微生物協(xié)同作用對土壤石油污染的降解率高于單獨使用時的降解率�？梢�，多種降解微生物的協(xié)同組合大大提高了石油污染土壤的生物修復(fù)效率，彌補(bǔ)了單一降解微生物普遍適用性差、降解效率低、污染物選擇性差等缺點。

　　1.2 微生物-物理組合技術(shù)

　　物理修復(fù)是一種廣泛使用的土壤修復(fù)技術(shù)[1]，使用單一或混合溶劑從土壤中萃取去除污染物，萃取的有效性取決于土壤和溶劑混合物之間的密切接觸。研究表明，從土壤中去除石油的溶劑包括多種有機(jī)溶劑、表面活性劑輔助水溶液、超臨界和亞臨界流體[28]。

　　物理萃取的主要缺點包括運行成本較高、所用溶劑會帶來二次污染。采用微生物和物理修復(fù)技術(shù)組合不僅可以提高修復(fù)效率，還有效降低了二次污染的風(fēng)險。Wu等[29]評估了溶劑萃取和微生物降解組合技術(shù)用于修復(fù)石油污染土壤的效率和可持續(xù)性，表明溶劑萃取預(yù)處理降低了土壤中TPH的濃度和毒性，從而為微生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用提供了更有利的環(huán)境。溶劑萃取15 min后，去除了大約90%的污染物。經(jīng)過132 d的后續(xù)生物修復(fù)，石油污染物進(jìn)一步降低至97%。因此，這種組合方法具有高效率和可持續(xù)性，在高濃度風(fēng)化烴修復(fù)方面顯示出良好的性能。

　　Yan等[30]對4種土壤沖洗方法(水沖洗、表面活性劑沖洗(Tween80)、生物修復(fù)+水沖洗以及生物修復(fù)+表面活性劑沖洗)對石油污染場地中石油污染物的去除效率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)表面活性劑促進(jìn)了微生物的運輸和遞送，提高了污染物的生物利用度，從而提高了生物修復(fù)效率�？傮w而言，表面活性劑沖洗與微生物修復(fù)相結(jié)合是一種對石油污染場地有前途的修復(fù)策略。此外，開發(fā)環(huán)保溶劑、使用生物表面活性劑或非離子表面活性劑，是微生物-物理組合技術(shù)的發(fā)展趨勢。生物表面活性劑是引起生物安全的一種綠色溶劑，由于毒性低，很容易從可再生資源中提取，并有可能通過再生再利用。

　　1.3 降解微生物-化學(xué)強(qiáng)化技術(shù)

　　微生物修復(fù)具有綠色、安全、可持續(xù)、無二次污染等優(yōu)點，但其處理效率低、處理周期長，在實際應(yīng)用中具有一定的局限性。采用微生物修復(fù)并加以化學(xué)技術(shù)強(qiáng)化，不僅可減少二次污染還能提高修復(fù)效率，是石油污染場地修復(fù)中常用的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。Lu等[31]研究了通過類Fenton預(yù)處理后，采用微生物降解從土壤中去除石油的方法。結(jié)果表明，當(dāng)H2O2∶Fe3+的最佳體積配比為300∶1時，類Fenton處理廢水的去除率可達(dá)67.3%。

　　經(jīng)過10 w的微生物處理，去除了50.6%的污染物，該聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的總除油效率約為83.5%。使用化學(xué)氧化方法進(jìn)行預(yù)處理，不僅破壞了目標(biāo)化合物，還降低了污染物在后期生物降解過程中對微生物的總體毒性。Kim等[32]研究表明，添加H2O2不會損害生物降解過程，并且這項組合技術(shù)可有效地從受污染的現(xiàn)場去除污染物。Gong等[33]首先對石油污染場地進(jìn)行微生物降解，以修復(fù)風(fēng)化的原油污染土壤，使用額外的養(yǎng)分和花生殼作為填充劑進(jìn)行微生物修復(fù)長達(dá)8 w，然后進(jìn)行改良的Fenton氧化技術(shù)進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化，將H2O2直接添加到土壤中進(jìn)行氧化。在生物修復(fù)階段的污染物去除顯示出38.6%的去除效率，隨后通過添加H2O2去除率增加到88.9%。

　　1.4 降解微生物-電化學(xué)強(qiáng)化技術(shù)

　　微生物修復(fù)因其廉價、方便，是最常用的污染土壤修復(fù)技術(shù)。但是，微生物修復(fù)存在一些局限性，包括生態(tài)條件、電子受體和營養(yǎng)物質(zhì)、污染物的性質(zhì)以及微生物和新陳代謝的增長等[34];電動技術(shù)可解決這些限制并提高處理效率，即可通過電滲、電泳和電遷移過程轉(zhuǎn)移污染物、營養(yǎng)物以及微生物[35]。近年來，電動沖洗生物修復(fù)技術(shù)(electrokinetic soil flushing –bioremediation，EKSF-Bio)，即電動沖洗和微生物修復(fù)的結(jié)合，得到了許多研究人員的關(guān)注。這一技術(shù)主要采用電動技術(shù)增加土壤孔隙中微生物的生物降解率，配合使用增溶劑如表面活性劑，可改善生物降解過程。

　　例如，Prakash等[36]研究表明，枯草芽孢桿菌AS2、地衣芽孢桿菌AS3和芽孢桿菌AS4對原油的電動生物降解效率分別為88%、92%和97%。將生物表面活性劑添加到原油中會使它們?nèi)芙�，這使細(xì)菌菌株更容易分解它們。EKSF-Bio和表面活性劑的聯(lián)合修復(fù)可用于以生態(tài)友好的方式修復(fù)受原油污染的土壤。近年來，本課題組還率先開發(fā)了一種新的節(jié)能生物修復(fù)工藝，稱為生物電化學(xué)系統(tǒng)(bioelectrochemicalsystem，BES)，也稱為微生物電化學(xué)系統(tǒng)，用于增強(qiáng)和加速對石油污染土壤的修復(fù)[18]。

　　BES提供兩種氧化還原反應(yīng)(氧化和還原)，從而形成集成的微生物-電化學(xué)去除機(jī)制，即使對于復(fù)雜的污染物，也有較高的去除效率[37-38]。Lu等[39]研究表明，BES在50 L中試規(guī)模反應(yīng)器中的應(yīng)用可修復(fù)柴油污染土壤，去除效率最高可達(dá)89.7%。目前，生物電化學(xué)系統(tǒng)修復(fù)石油污染場地仍處于探索階段，由于該技術(shù)的復(fù)雜性和多樣性，將其應(yīng)用于石油污染土壤的原位修復(fù)，還需要進(jìn)行更多的工藝開發(fā)[40]。

　　2基于綠色植物的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

　　石油污染場地的植物修復(fù)是一種很有前途的生物修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)利用植物及其根系相關(guān)微生物固定、降解土壤中的石油污染物，從而達(dá)到土壤修復(fù)的作用[1,40]。植物修復(fù)用于石油污染場地的修復(fù)具有諸多優(yōu)點，主要包括綠色安全、無二次污染、易于現(xiàn)場修復(fù)、維護(hù)成本低等。目前，許多植物被用于石油污染場地的修復(fù)，如關(guān)節(jié)菜、大麥、高羊矛、紫丁香樹、鹽草、野鳶尾和馬藺等[40-45]。傳統(tǒng)的植物修復(fù)技術(shù)其修復(fù)效率低、環(huán)境適用性差等缺點，因而綠色植物與其他修復(fù)技術(shù)的組合技術(shù)逐漸成為研究的方向和重點。

　　2.1 綠色修復(fù)植物組合技術(shù)

　　綠色植物修復(fù)是一種潛在的綠色技術(shù)解決方案[46]，但由于污染土壤的多樣性和復(fù)雜性，單一的綠色植物修復(fù)可能具有挑戰(zhàn)性。通過利用不同植物獨特的修復(fù)功能，多種修復(fù)植物組合對各種污染土壤修復(fù)具有可能性并可以提高土壤修復(fù)效率。Brereton等[45]研究表明，2種植物共同耕種相比于單一植物耕種，根際相關(guān)細(xì)菌物種更豐富，這些細(xì)菌共同促進(jìn)了降解植物的生長發(fā)育，從而提高共種植物的修復(fù)效率。

　　DaCunha等[47]研究了Salix Rubens和Salix Triandra2種植物種共同種植修復(fù)石油污染土壤，在2種植物種植的污染土壤中，總碳?xì)浠�合物濃度降低了�?8%，PAHs含量也顯著降低。Desjardins等[48]也證明了多種植物共同栽培使它們生物學(xué)特性互補(bǔ)，從而帶來更高的植物修復(fù)效率。

　　2.2 綠色修復(fù)植物-降解微生物協(xié)同組合技術(shù)

　　綠色植物與細(xì)菌、真菌等微生物協(xié)同修復(fù)污染土壤在一定程度上促進(jìn)了植物對污染物的吸收，這也是目前植物修復(fù)領(lǐng)域中最為重要的研究方向之一[1,40,49]。微生物的加入不僅可以直接降解石油污染物，而且還可以通過自身代謝促進(jìn)綠色植物的生長、改善土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤pH，使土壤形成利于污染物降解的環(huán)境條件等，與綠色植物聯(lián)合處理石油污染場地具有很好的應(yīng)用前景。

　　周啟星等[46,50]為了研究綠色植物與巨大芽孢桿菌BB-1的協(xié)同降解修復(fù)作用，通過對比研究將該菌株加入到種植紫茉莉的Benzo[a]pyrene(B[a]P)污染土壤中，在未加入BB-1的污染土壤中，紫茉莉在開花期和成熟期對B[a]P的降解率分別為(27.42±1.99)%和(51.31±3.06)%;在加入BB-1的污染土壤中，B[a]P降解率分別提高到(68.22±1.21)%和(77.16±0.62)%。

　　可見，加入BB-1能顯著提高紫茉莉?qū)ν寥乐蠦[a]P降解效率。尚瓊瓊等[51]研究表明，秸稈與微生物固定化的修復(fù)方式對石油污染土壤的協(xié)同修復(fù)效果較好，既加速了秸稈的腐解，又提高了微生物的活性，從而提高了降解效率。唐景春等[52]發(fā)明了一種黑麥草-高效微生物修復(fù)石油污染鹽堿土壤的技術(shù)，微生物與黑麥草聯(lián)合處理可起到良好的協(xié)同效應(yīng)，提高石油烴的降解效果，經(jīng)5 個月的生長石油烴的降解率可達(dá)到57%。近年來，向土壤中添加促進(jìn)植物生長的植物根際細(xì)菌(plant growth promotingrhinoacteria，PGPR)引起了人們極大興趣，PGPR可幫助促進(jìn)植物生長，減輕環(huán)境壓力并增強(qiáng)現(xiàn)有PGPR的降解能力。此外，PGPR還可提高植物抵御石油污染物毒性的能力[53]。

　　3展　望

　　由于石油仍是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要能源，大量的石油勘探、開采、生產(chǎn)勢必會產(chǎn)生大面積的石油及石化污染場地，污染場地的修復(fù)成為我國乃至世界土壤修復(fù)領(lǐng)域的難題。因此，迫切需要開發(fā)低成本、高效、可持續(xù)和生態(tài)友好的修復(fù)技術(shù)來應(yīng)對更多的石油污染場地。由于傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)存在缺陷以及環(huán)境效益差，生物修復(fù)技術(shù)比物理和化學(xué)方法更具優(yōu)勢，是一種環(huán)境安全和可持續(xù)的方法，引起了人們的廣泛興趣。國內(nèi)外對石油污染場地的生物修復(fù)的研究已取得一系列的顯著成果，這些成果為推進(jìn)生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)支持和技術(shù)支撐。

　　但是，生物修復(fù)技術(shù)在實際的石油烴污染場地的修復(fù)過程中存在一些局限性，如不同的微生物、植物種類只能降解一種或幾種特定污染物，普遍適用性不強(qiáng);對污染物降解不徹底，礦化率不高，一些中間產(chǎn)物的毒性甚至超過母體;場地條件和環(huán)境因素對生物修復(fù)的微生物、植物生存以及修復(fù)效率影響較大等。因此，生物修復(fù)技術(shù)的研究與應(yīng)用還需要更深入的探討來克服生物技術(shù)的局限性，達(dá)到更好的修復(fù)效果�；�于目前生物修復(fù)技術(shù)的進(jìn)展[1,40,70-71]，結(jié)合實際應(yīng)用的修復(fù)背景和需要提出以下幾點建議：

　　(1)提高聯(lián)合修復(fù)的水平將成為今后研究的重點。一方面，提高微生物修復(fù)和植物修復(fù)的微生物-植物聯(lián)合修復(fù)水平，不斷完善生物修復(fù)技術(shù)，使其體系更加系統(tǒng)、成熟;另一方面，如何將生物修復(fù)技術(shù)與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)有效結(jié)合以提高石油污染場地的修復(fù)效率仍然是研究的重點，生物修復(fù)技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)取長補(bǔ)短，保持生物修復(fù)技術(shù)綠色、環(huán)境友好的特點，引入傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)的高效、對污染物普遍適用性等優(yōu)點，使兩者達(dá)到有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢、共同提高石油污染土壤的修復(fù)效率。

　　(2)生物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵在于培養(yǎng)和篩選具有降解石油污染物的植物或微生物，在實際應(yīng)用過程中應(yīng)以污染場地的本土植物和微生物為研究重點，通過生物修復(fù)的手段和機(jī)制，開發(fā)它們的生物修復(fù)潛力;當(dāng)需要外源植物和外源微生物強(qiáng)化生物修復(fù)效果時，應(yīng)考慮對當(dāng)?shù)仄渌�生物群落和土壤健康的影響，避免對�?dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)帶來系統(tǒng)性的破壞。

　　(3)應(yīng)用基因組學(xué)技術(shù)更好地了解植物及其根際微生物群落之間的相互作用，可以幫助我們了解復(fù)雜的有機(jī)化合物(如石油烴、苯系物等)是如何在土壤系統(tǒng)中協(xié)同代謝降解的，有助于建立新的和高效的生物修復(fù)系統(tǒng)。

　　參考文獻(xiàn)：

　　周啟星，宋玉芳，等. 污染土壤修復(fù)原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

　　[ 1 ]SUN J，PAN L，ZHAN Y，etal. Contamination ofphthalate esters，organochlorine pesticides andpolybrominated diphenyl ethers in agricultural soils fromthe Yangtze River Delta of China[J].Science of theTotal Environment，2016，544: 670-674.

　　[ 2 ]ZHONG Y，ZHU L. Distribution，input pathway andsoil–air exchange of polycyclic aromatic hydrocarbons inBanshan Industry Park，China[J].Science of the TotalEnvironment，2013，444: 177-182.

　　[ 3 ]ANA C，JORDI D，CLAUDIA M，etal. Factorsinfluencing the soil-air partitioning and the strength of soilsas a secondary source of polychlorinated biphenyls to theatmosphere[J].Environmental Science and Technology，2011，45(11): 4785.

　　作者：周啟星， 展海銀

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jzlw/29104.html