本文摘要：摘 要：石油資源為經濟社會發展提供源源不斷動力的同時，也產生了大面積的石油及石化污染場地，對場地環境造成日益嚴重的污染。生物修復技術由于其綠色、環境友好、無二次污染等優點引起人們廣泛關注。概述了石油及石化污染場地基于微生物和植物修復的生物修復技術的研
摘 要：石油資源為經濟社會發展提供源源不斷動力的同時，也產生了大面積的石油及石化污染場地，對場地環境造成日益嚴重的污染。生物修復技術由于其綠色、環境友好、無二次污染等優點引起人們廣泛關注。概述了石油及石化污染場地基于微生物和植物修復的生物修復技術的研究概況和目前進展，分析了生物修復技術的局限性并對其未來研究重點進行了展望，旨在為石油及石化污染場地的生物修復技術的發展及全方位應用提供科學依據。
關鍵詞：石油及石化污染場地;土壤污染;生物修復;微生物修復;植物修復
在過去幾十年中，由于工業化和城市化進程的加快，中國等經濟快速發展的國家面臨著日益嚴重的土壤污染問題[1]。有機污染物如有機氯農藥(organochlorinepesticides，OCPs)、多氯聯苯(polychlorinatedbiphenyls，PCBs)、鄰苯二甲酸酯(phthalate ester，PAEs)和多環芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)等具有高毒性、持久性和在環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注。土壤作為有機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]。
在正常生態條件下，土壤中的大多數有機污染物很難生物降解，其在土壤中殘留可通過動物、植物和微生物等進入食物鏈，并最終通過營養轉移對人類健康構成潛在風險[5]。石油被稱為“工業的血液”，是工業社會發展重要的動力燃料，石油及石油產品不僅是民生必需品，更是現代化的工業、農業和國防的重要物資。早在20世紀早期，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、設備缺陷、高壓作用會產生井噴，管道破裂與儲罐漏油等事故以及各階段產生的落地原油、油泥和廢棄泥漿等，必然會產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污染物[7]。
石油污染物引起土壤理化性質的重大變化，影響土壤pH、滲透率、堆積密度、氧氣、礦物質和養分含量，導致土壤滲透性降低，從而阻礙水、氧、礦物質和養分的運輸，使土壤肥力下降，阻礙植物生長發育[8]。目前，對石油污染場地的修復方法主要分為生物修復、化學修復、物理修復和物理化學修復等幾大類，主要包括植物修復[9]、微生物修復[10]、化學氧化[11]、光催化降解[12]、電動修復(electrokineticremediation，ER)[13]、焚化[14]、熱脫附[15]、溶劑萃取[16]、蒸汽提取[17]和生物電化學修復[18]等技術。其中，生物修復因其綠色、實用、成本低、易于原位修復、無二次污染等優點受到了廣泛研究，是一種環境友好的修復方法[19]。因為單一的生物修復在實際修復過程中具有一定的局限性，所以，基于微生物和植物修復的聯合修復技術逐漸成為生物修復技術研究的重點。
1基于微生物的聯合修復技術
石油的微生物修復從上世紀40年代就開始使用，到80年代埃克森·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[1,21-22]。目前研究表明，細菌、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]。經過多年研究，結合污染場地的實際情況，基于微生物的修復技術逐漸發展起來并日趨完善。
1.1 降解微生物協同組合技術
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，人們傾向于關注各種類型的細菌和真菌等微生物的組合降解技術。利用多種微生物的協同作用，即多種微生物相互促進、相互強化、共同作用，從而提高對石油污染場地的修復效率。Varjani等[24]在印度石油開發污染場地，現場試驗了由6種細菌組成的烴利用菌群原位協同降解石油烴污染物，在75 d的時間內達到了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強化來降解被石油烴污染的黏土土壤，在60 d后達到79.7%的去除效率。
Ramadass等[26]引入降解石油烴污染物的細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，結果表明2種細菌具有明顯的生物協同效應。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律進行研究，結果表明：微生物協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。可見，多種降解微生物的協同組合大大提高了石油污染土壤的生物修復效率，彌補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
物理修復是一種廣泛使用的土壤修復技術[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技術組合不僅可以提高修復效率，還有效降低了二次污染的風險。Wu等[29]評估了溶劑萃取和微生物降解組合技術用于修復石油污染土壤的效率和可持續性，表明溶劑萃取預處理降低了土壤中TPH的濃度和毒性，從而為微生物修復技術應用提供了更有利的環境。溶劑萃取15 min后，去除了大約90%的污染物。經過132 d的后續生物修復，石油污染物進一步降低至97%。因此，這種組合方法具有高效率和可持續性，在高濃度風化烴修復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+水沖洗以及生物修復+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行了研究，發現表面活性劑促進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效率。總體而言，表面活性劑沖洗與微生物修復相結合是一種對石油污染場地有前途的修復策略。此外，開發環保溶劑、使用生物表面活性劑或非離子表面活性劑，是微生物-物理組合技術的發展趨勢。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-化學強化技術
微生物修復具有綠色、安全、可持續、無二次污染等優點，但其處理效率低、處理周期長，在實際應用中具有一定的局限性。采用微生物修復并加以化學技術強化，不僅可減少二次污染還能提高修復效率，是石油污染場地修復中常用的聯合修復技術。Lu等[31]研究了通過類Fenton預處理后，采用微生物降解從土壤中去除石油的方法。結果表明，當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67.3%。
經過10 w的微生物處理，去除了50.6%的污染物，該聯合修復技術的總除油效率約為83.5%。使用化學氧化方法進行預處理，不僅破壞了目標化合物，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，并且這項組合技術可有效地從受污染的現場去除污染物。Gong等[33]首先對石油污染場地進行微生物降解，以修復風化的原油污染土壤，使用額外的養分和花生殼作為填充劑進行微生物修復長達8 w，然后進行改良的Fenton氧化技術進行化學強化，將H2O2直接添加到土壤中進行氧化。在生物修復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-電化學強化技術
微生物修復因其廉價、方便，是最常用的污染土壤修復技術。但是，微生物修復存在一些局限性，包括生態條件、電子受體和營養物質、污染物的性質以及微生物和新陳代謝的增長等[34];電動技術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移污染物、營養物以及微生物[35]。近年來，電動沖洗生物修復技術(electrokinetic soil flushing –bioremediation，EKSF-Bio)，即電動沖洗和微生物修復的結合，得到了許多研究人員的關注。這一技術主要采用電動技術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溶解，這使細菌菌株更容易分解它們。EKSF-Bio和表面活性劑的聯合修復可用于以生態友好的方式修復受原油污染的土壤。近年來，本課題組還率先開發了一種新的節能生物修復工藝，稱為生物電化學系統(bioelectrochemicalsystem，BES)，也稱為微生物電化學系統，用于增強和加速對石油污染土壤的修復[18]。
BES提供兩種氧化還原反應(氧化和還原)，從而形成集成的微生物-電化學去除機制，即使對于復雜的污染物，也有較高的去除效率[37-38]。Lu等[39]研究表明，BES在50 L中試規模反應器中的應用可修復柴油污染土壤，去除效率最高可達89.7%。目前，生物電化學系統修復石油污染場地仍處于探索階段，由于該技術的復雜性和多樣性，將其應用于石油污染土壤的原位修復，還需要進行更多的工藝開發[40]。
2基于綠色植物的聯合修復技術
石油污染場地的植物修復是一種很有前途的生物修復技術。該技術利用植物及其根系相關微生物固定、降解土壤中的石油污染物，從而達到土壤修復的作用[1,40]。植物修復用于石油污染場地的修復具有諸多優點，主要包括綠色安全、無二次污染、易于現場修復、維護成本低等。目前，許多植物被用于石油污染場地的修復，如關節菜、大麥、高羊矛、紫丁香樹、鹽草、野鳶尾和馬藺等[40-45]。傳統的植物修復技術其修復效率低、環境適用性差等缺點，因而綠色植物與其他修復技術的組合技術逐漸成為研究的方向和重點。
2.1 綠色修復植物組合技術
綠色植物修復是一種潛在的綠色技術解決方案[46]，但由于污染土壤的多樣性和復雜性，單一的綠色植物修復可能具有挑戰性。通過利用不同植物獨特的修復功能，多種修復植物組合對各種污染土壤修復具有可能性并可以提高土壤修復效率。Brereton等[45]研究表明，2種植物共同耕種相比于單一植物耕種，根際相關細菌物種更豐富，這些細菌共同促進了降解植物的生長發育，從而提高共種植物的修復效率。
DaCunha等[47]研究了Salix Rubens和Salix Triandra2種植物種共同種植修復石油污染土壤，在2種植物種植的污染土壤中，總碳氫化合物濃度降低了近98%，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特性互補，從而帶來更高的植物修復效率。
2.2 綠色修復植物-降解微生物協同組合技術
綠色植物與細菌、真菌等微生物協同修復污染土壤在一定程度上促進了植物對污染物的吸收，這也是目前植物修復領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綠色植物的生長、改善土壤結構、降低土壤pH，使土壤形成利于污染物降解的環境條件等，與綠色植物聯合處理石油污染場地具有很好的應用前景。
周啟星等[46,50]為了研究綠色植物與巨大芽孢桿菌BB-1的協同降解修復作用，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能顯著提高紫茉莉對土壤中B[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方式對石油污染土壤的協同修復效果較好，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]發明了一種黑麥草-高效微生物修復石油污染鹽堿土壤的技術，微生物與黑麥草聯合處理可起到良好的協同效應，提高石油烴的降解效果，經5 個月的生長石油烴的降解率可達到57%。近年來，向土壤中添加促進植物生長的植物根際細菌(plant growth promotingrhinoacteria，PGPR)引起了人們極大興趣，PGPR可幫助促進植物生長，減輕環境壓力并增強現有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
由于石油仍是經濟社會發展的主要能源，大量的石油勘探、開采、生產勢必會產生大面積的石油及石化污染場地，污染場地的修復成為我國乃至世界土壤修復領域的難題。因此，迫切需要開發低成本、高效、可持續和生態友好的修復技術來應對更多的石油污染場地。由于傳統的修復技術存在缺陷以及環境效益差，生物修復技術比物理和化學方法更具優勢，是一種環境安全和可持續的方法，引起了人們的廣泛興趣。國內外對石油污染場地的生物修復的研究已取得一系列的顯著成果，這些成果為推進生物修復技術的發展提供了理論基礎、數據支持和技術支撐。
但是，生物修復技術在實際的石油烴污染場地的修復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;對污染物降解不徹底，礦化率不高，一些中間產物的毒性甚至超過母體;場地條件和環境因素對生物修復的微生物、植物生存以及修復效率影響較大等。因此，生物修復技術的研究與應用還需要更深入的探討來克服生物技術的局限性，達到更好的修復效果。基于目前生物修復技術的進展[1,40,70-71]，結合實際應用的修復背景和需要提出以下幾點建議：
(1)提高聯合修復的水平將成為今后研究的重點。一方面，提高微生物修復和植物修復的微生物-植物聯合修復水平，不斷完善生物修復技術，使其體系更加系統、成熟;另一方面，如何將生物修復技術與傳統的物理、化學修復技術有效結合以提高石油污染場地的修復效率仍然是研究的重點，生物修復技術與傳統技術取長補短，保持生物修復技術綠色、環境友好的特點，引入傳統修復技術的高效、對污染物普遍適用性等優點，使兩者達到有機結合，發揮各自優勢、共同提高石油污染土壤的修復效率。
(2)生物修復技術的關鍵在于培養和篩選具有降解石油污染物的植物或微生物，在實際應用過程中應以污染場地的本土植物和微生物為研究重點，通過生物修復的手段和機制，開發它們的生物修復潛力;當需要外源植物和外源微生物強化生物修復效果時，應考慮對當地其他生物群落和土壤健康的影響，避免對當地生態系統帶來系統性的破壞。
(3)應用基因組學技術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雜的有機化合物(如石油烴、苯系物等)是如何在土壤系統中協同代謝降解的，有助于建立新的和高效的生物修復系統。
參考文獻：
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作者：周啟星， 展海銀
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