土壤有机污染物生物修复技术研究进展_周际海.docx
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1、 生态环境学报 2015, 24(2): 343-351 Ecology and Environmental Sciences http:/ E-mail: 土壤有机污染物生物修复技术研究进展 周际海 1S: , 袁颖红 朱 志 保 姚 春 阳 张 谷 雨 高 琪 2 1.南昌工程学院生态与环境科学研究所 .江西南昌 330099; 2.常州大学环境与安全工程学院,江苏常州 213164 摘要: 现代农业的发展改变了自然界的原有状况,为追求高产而大量使用的化肥、农药导致土壤有机物污染日趋严重。此外, 工业生产、石油开采、交通运输、畜禽养殖及居民生活等也产生了大量有机污染物,使土壤有机物污染进
2、一步加剧,土壤有 机物污染的修复日益迫切。土壤污染修复是指通过物理的、化学的和生物的方法,吸收、降解、转移和转化土壤中的污染物, 使污染物浓度降低到可以接受的水平,或将有毒有害的污染物转化为无害物 质的过程。包括污染土壤的物理修复技术、化学 修复技术以及生物修复技术 3 种方式。在污染土壤修复技术中,生物修复技术因其安全,无二次污染及修复成本低等优点而 受到越来越多的关注。因污染物修复主体的不同,有机污染物污染土壤生物修复技术可分为植物修复技术,动物修复技术, 微生物修复技术及其联合修复技术。污染土壤微生物修复技术是土壤污染生物修复的重要技术之一 .是最具应用和发展前景 的生物修复环保技术。文
3、章重点阐述了国内外有机污染物污染土壤的生物修复技术及其原理、取得的研究进展及存在的优缺 点,并对污染土壤的动物修复技术研究进行了初步展望,可为土壤有机污染物的生物修复研究提供参考。 关键词 :土壤污染;有机污染物;生物修复;研究进展 DOI: 10.16258/ki. 1674-5906.2015.02.025 中图分类号: X53 文献标志码 : A 文章编号: 1674-5906 ( 2015 02-0343-09 引用格式: 周际海,袁颖红,朱志保,姚春阳,张谷雨,高琪 .土壤有机污染物生物修复技术研究进展 J.生态环境学报 ,2015, 24(2): 343-351. ZHOU Jih
4、ai, YUAN Yinghong, ZHU Zhibao, YAO Chunyang, ZHANG Guyu, GAO Qi. A Review on Bioremediation Technologies of Organic Pollutants Contaminated Soils J. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(2): 343-351. 土壤是人类赖以生存的主要自然资源,是人类 农业生产活动的物质基础之一,是难以再生的自然 资源,其使用的好坏决定着 农业生产的前景和人类 文明的发展。现代农业的出现改变了自然界原有状 况,
5、为追求高产优质,导致水肥和化学农药的大量 使用,使土壤污染成为全球性的主要环境问题之一 (骆永明等 ,2005;杨勇等 , 2012)。除此之外,在 工业生产、石油开采、交通运输、畜禽养殖及居民 生活等工农业生产生活过程中也会排出大量有机 污染物,如多环芳烃( PAHs)、 多氯联苯 ( PCBs) 及抗生素 ( ATBs )等,使土壤污染进一步加剧 ( Song 等 , 2013;高园园和周启星 , 2013;李伟明等 , 2012; 肖文丹等 , 2012;张杏丽和周启 星 , 2013;邹威等 , 2014)。因此,开展污染土壤修复活动,促进土壤 的保护和可持续利用,对实现社会经济可持续
6、发展 具有重要作用和意义。本文就目前国内外土壤污染 的生物修复技术及机理进行了详细综述,并对污染 土壤的动物修复技术研究进行了初步展望。 1 土壤污染的修复 土壤污染修复的研究起始于 20 世纪 70 年代后 期,在过去的近 40 年时间里,欧、美、日、澳等 国制定了大量的土壤污染修复计划,投资研制了很 多土壤污染修复相关的技术及设备,积累了大量污 染现场修复技术及工程应用经验,成立了众多的土 壤污染修复公司与组织,使土壤污染修复技术研究 与应用得到了快速发展。我国的土壤污染修复技术 研究起步较晚,直到 “ 十五 ” 期间才受到足够重视 , 并列人国家高技术研究发展计划领域(骆永明, 2008
7、 ),研究水平与应用经验同美、英、德、荷等 国有很大差距。为了顺应土壤保护和土壤环境科学 发 展的需求,国家自然科学基金委员会等国家相关 部委有计划地设置了一些土壤污染修复研究计划 与专题,极大地促进与带动了国内土壤污染控制与 土壤污染修复技术的研发。此间,以土壤污染修复 为主题的国内系列学术活动也为我国土壤污染修 复技术的研发起到了很好的引领与推动作用,土壤 基金项目:国家自然科学基金项目 ( 31460149); 土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放基金项目 ( 0812201236);黄土高原土壤侵蚀与旱 地农业国家重点实验室开放基金项目 ( K318009902-1414; K318
8、009902-1320);常州市基础研究计划项目 ( CJ20120026) 作者简介:周际海 ( 1973 年生),男,博士,主要从事环境污染修复研究。 E-mail: *通信作者 收稿日期: 2014-11-22 344 生态环境学报第 24 卷第 2 期 ( 2015 年 2 月) 污染修复理论与技术成为土壤科学、环境科学研究 的新内容(骆永明等, 2005 )。 土壤污染修复是指通过物理的、化学的和生物 的方法,吸收、降解、转移和转化土壤中的污染物, 使污染物浓度降低到可以接受的水平,或将有毒有 害的污染物转化为无害物质的过程(李方敏等, 2012;刘娜等, 2012;刘少卿等, 2
9、011;殷甫祥等 , 2011)。同物理修复和化学修复方法相比,生物修 复具有可基本保持土壤理化性质、污染物降解彻 底、处理费用较低和应用广泛、不易产生二次污染、 适应于大面积土壤污染的修复等特点。生物修复由 于具有低耗、高效、环境安全及纯生态过程等的显 著优点,成为土壤环境修复的最活跃的研究 领域 (Jayanthy 等, 2014; Mitton 等,2012; Wise 等, 2000;李培军等, 2006 )。根据土壤受污染的类型, 可以将污染土壤的生物修复分为无机污染 ( 如重金 属等)土壤和有机污染 ( 如农药、石油、抗生素等) 土壤的生物修复两大类。其中,有机污染土壤的生 物修复
10、是目前污染修复研究的热点领域,本文重点 介绍有机污染土壤生物修复的研究进展及相关修 复机理。 2 有机污染土壤生物修复技术 生物修复技术 ( Bioremediation )的研究始于 20世纪 80 年代中期,到 20 世纪 90 年代开始有了 成功应用的实例 ( Wilson 和 Jones, 1993)。广义的 土壤污染生物修复是指通过土壤生物(包括植物、 动物及微生物单独作用或联合作用 ) 吸收、降解和 转化土壤中的污染物,使土壤污染物含量降低或将 有毒有害物质转化为无害物质的过程(陈坚, 2000; 王翔等, 2012)。生物修复分为微生物修复、植物 修复和动物修复 3种,并以微生物
11、修复及植物修复 的研究和应用最为广泛。狭义的土壤污染生物修复 特指微生物修复,即通过微生物将土壤有机污染物 作为碳源和能源,将其 分解为C02 和 H20 或其他无 害物质的过程 ( 黄艺等, 2009;张从和夏立江, 2000 ) 2.1 有机污染土壤的植物修复技术 2.1.1 土壤污染植物修复研究进展 自 20 世纪 80 年代问世以来,植物修复技术研 究迅速发展 ( Arthur 等, 2005; Jayanthy 等, 2014; Mitton 等, 2012;李廷强等, 2011;骆永明, 1999)。 植物修复 ( Phytoremediation )是指通过利用植物忍 耐或超量吸
12、收积累某种或某些化学元素的特性,或 利用植物及其根际微生物将污染物降解转化为无 毒物质的功能,利用植物在生长过程中对环境中的 某些污染物的吸收、降解、过滤和固定等特性来净 化环境污染的技术。包括利用植物积累 /超积累功能 的植物吸取修复 ( Ma 等, 2001; Whicker 等, 2004 )、 利用植物根系控制污染扩散及恢复生态功能的植 物稳定修复 ( Mendez 和 Maier, 2008)、利用植物 代谢功能的植物降解修复 ( Newman 和 Reynolds, 2004 )、利用植物转化功能的植物挥发修复(骆永 明, 1999 )、利用植物根系吸附功能的植物过滤修 复 ( 骆
13、永明,1999 )等。能利用 植物修复的污染物 有重金属、农药、石油和持久性有机污染物、炸药、 放射性核素等 ( Ma 等, 2001; Sun 等, 2011; Whicker 等, 2004; Zhang等, 2012),并形成了包括络合诱 导强化修复 ( Roy 等,2005 )、不同植物套作联合修 复、修复后植物处理处置的成套技术(骆永明, 2008 )以及纳米 -植物联合修复技术 ( 高园园和周启 星, 2014)等。该技术的关键在于选择具有高产及 高去污能力的植物,弄清植物生长对土壤及其生态 环境的适应性 ( Cunningham, 1997; Jayanthy 等 , 2014;
14、 Mitton 等, 2012;杨红军等,2012;张弛等 , 2012 ) 2.1.2 有机污染土壤植物修复原理 在有机污染物的植物修复中,有机污染物的理 化性质、环境条件、植物种类等都影响着修复效果。 植物对土壤有机污染物的修复原理有 3 种 (Hathaway, 1989; Whicker 等, 2004;桑伟莲和孔 繁翔, 1999 )。 (1 )植物对有机污染物的直接吸收分解与蒸腾 作用:一般来讲,植物从土壤中直接吸收有机污染 物,将其代谢分解,并经过木质化作用使其成为植 物的 一部分,如木质素等,储藏于植物细胞的不同 位点 ;或通过矿化作用使其彻底分解为 C02和 H20; 也可以
15、利用植物的挥发作用去除土壤中有机污染 物 ( Schnoor 等,1995 );还有的可以通过植物叶子 的蒸腾作用释放到大气中去。研究表明,污染物经 根直接吸收取决于其在土壤中的浓度和植物的吸 收率和蒸腾率,而蒸腾作用是决定植物修复中吸收 速率的关系变量,它又与植物的种类、叶面积、养 分、土壤水分和风力条件以及相对湿度有关。土壤 中有机污染物的种类、浓度,植物种类、叶面积、 根结构、土壤养分、水分、风力、相对湿度等 均影 响着土壤中有机污染物的直接吸收( 桑伟莲和孔繁 翔, 1999)。 (2 )植物根系分泌物(包括一些酶类)到土壤 中,加速土壤的生化反应,促进有机污染物的修复: 植物根系能分
16、泌一些营养物质,如糖类、醇、蛋白 质等,供土壤微生物生存;植物根系还能分泌一些 特殊的化学物质,如有机酸等,可以改变土壤的 pH 等,从而有利于污染物的分解。研究表明,根系(根 须)发达的植物能促进根际微生物对除草剂等有机 周际海等:土壤有机污染物生物修复技术研究进展 345 污染物的吸附、降解,植物根系释放到土壤中的酶 也可以直接降解有机污染物。此外,植物死亡后释 放到环境中的酶也可继续发挥分解作用。已有科研 工作者利用植物根系中的硝基还原酶对含硝基的 有机污染物进行降解的报道 ( Macek 等, 2000), 相似的研究也发现了植物根系中的脱卤素酶和漆 酶,可被用来降解含氯有机污染物。虽
17、然植物酶在 各种杀虫剂等外来有机物在植物细胞内降解过程 中起很重要的作用( Macek 等, 2000),但植物修 复还是需要依靠整个植物系统来完成,植物的生长 可以中和土壤 pH,吸着或螯合重金属,酶被保 护 在植物体内或吸附在植物表面,不至于受到损伤, 因而能较长时间保持降解土壤中有机污染物的活 性。美国 EPA 实验室从淡水沉积物中鉴定出来自 植物的 5种可以分解相关有机污染物的酶:脱卤 酶、硝酸还原酶、过氧化物酶、漆酶和腈水解酶。 因此,在筛选新的降解植物或研究有机污染物降 解机理的时候需要关注这些酶系,并且注意发现 新酶系。 (3 )根际 -微生物的联合代谢作用:植物是一个 有效的土
18、壤污染处理系统,它同其根际微生物共同 利用其生理代谢特性担负着分解、富集和稳定污染 物的作用。根际是植物根系直接影响的土壤范围, 是指在植物根系分泌的有机物作用下,与其 pH、 EH、 微生物等组成的一个特殊的微生物环境,根系 分泌物与根际微生物间存在着复杂的相互关系。 Moser 等 ( 1983 )研究认为,植物每年释放到土壤 中的物质可达植物总光合作用产物的 10%20%, 它们与脱落的根冠细胞等一起为根际微生物提供 重要的营养物质,促进了根际微生物的生长与繁 殖。由于根系生长的穿插作用,使根际的通气状况、 水分含量和温度均比根际外的土壤更利于微生物 的生长;另一方面,植物将大气中的氧气
19、经叶、茎 输送到根系中,扩散到根际周围缺氧的土壤中 ,形 成了富氧的微环境,刺激好氧微生物的活性和生长 繁殖 ( 程树培, 1994 )。研究表明,植物根际土壤 微生物明显比非根际土壤中的微生物活性、数量和 种类多,一 般提尚约 10 倍,有的尚达 100 倍,其 中 假 单 孢 菌 属 ( sp.) 、黄杆菌属 (Flavobacterium sp. ) 产减菌属 ( sp.) 和土壤杆菌属 sp.)的根际效应非常 明显 ( Anderson 等, 1993 )。研究发现,植物根际 是一个能降解土壤中污染物的生物活跃区,根际可 以加速许多农药以及三氯乙烯的降解 ( Henner 等, 199
20、7 )。研 究者还针对植物宿主的正确选择、必要 的植根方式和有关的微生物群落进行了综合研究, 发现植物根际 -微生物系统的相互促进作用将是提 高 污 染 土 壤 植 物 修 复 能 力 的 一 个 活 跃 领 域 (Anderson 和 Walton, 1992)。植物根系分泌物在增 强根际微生物活性的同时,微生物的活动也促进了 根系分泌物的释放,两者相互作用共同加速了根际 有机污染物的降解,植物根际微生物的降解作用被 认为是植物修复土壤有机污染物的主要途径 (Afzal 等,2011; Glick, 2010; Liu 等, 2014)。 污染土壤的植物修复与 其他修复技术相比,有 着许多优
21、点,如成本低、对环境影响小、能使地表 长期稳定,清除土壤污染的同时可清除污染土壤周 围的大气和水体中的污染物,这样有利于改善生态 环境(唐世荣等, 1996)。但由于该技术仍处于起 步阶段,在理论体系、修复机理及技术上还有待进 一 步研究( Bauddh 等, 2012; Hou 等, 2013; Liu 等, 2011;杨卫东等, 2014),包括对植物的生理 特性、栽培特性、遗传学及分子生物学特性进行研 究,以筛选能超量积累污染物的植物并改善植物吸 收性能;对植物分解、富集和稳定化污染物的机制 展开研究,确定污染物在植物体系中的迁移转化规 律以及植物 -微生物体系的作用规律等。此外,利用
22、基因工程技术,构建高效去除污染物的植物,是目 前研究的热点之一。 2.2 有机污染土壤的微生物修复技术 微生物是土壤生态系统的重要生命体,它不仅 可以指示污染土壤的生态系统稳定性,而且还有巨 大的潜在的环境污染修复功能。微生物能以有机污 染物为唯一碳源和能源或与其他有机物进行共代 谢而将其降解。在此基础上,便出现了污染土壤的 微生物修复理论及技术。微生物修复是指利用天然 存在的或所培养的功能微生物(主要有土著微生 物、外来微生物和基因工程菌 ), 在人为优化的适 宜条件下,促进微生物代谢功能,从而达到降低有 毒污染物活性或将其降解成无毒物质而达到修复 受污染环境的技术。 通常一种微生物能降解多
23、种有机污染物,如假 单胞杆菌可降解 DDT、 艾氏剂、毒杀酚和敌敌畏等。 此外,微生物可通过改变土壤的理化性质而降低有 机污染物的有效性,从而间接起到修复污染土壤的 目的。在我国,已构建了有机污染物高效降解菌筛 选技术、微生物修复剂制备技术和有机污染物残留 微生物降解田间应用技术(陈志丹等, 2012;顾平 等, 2010;花莉等, 2013;骆永明, 2008;彭素芬 等, 2010;钱林波等, 2012;周际海等, 2013)。 如:刘宪华等 ( 2003 )用假单胞菌 AEBL3 降解土 壤呋喃丹,结果表明,未加菌土壤呋喃丹在 07 cm 土层中质量分数已达 90 mg.kg_1,加菌土
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