四川师范大学化学与材料科学学院 梁小龙

土壤修复中的微生物技术

四川师范大学化学与材料科学学院 梁小龙

随着工农业生产的发展，土壤污染已成为全球性的重要环境问题。农业活动中农药与化肥的不合理施用、农业资源的不合理开发，都使得土壤结构遭到破坏，导致肥力下降、土壤环境衰退。因此，在这种形势下，发展污染土壤的治理与修复技术已成为必然趋势。目前，已有的土壤修复与改良技术主要包括物理技术、化学技术以及生物技术。土壤微生物作为土壤生态系统中的重要生命体，不仅具有可以指示污染土壤生态系统稳定性的作用，同时还具有潜在的环境修复功能。因此，生物技术当中的污染土壤微生物修复技术显得尤为重要。

一、土壤修复中的微生物技术原理

土壤当中的大部分有机污染物可以被微生物降解与转化，降低或消灭污染物的毒害性。微生物修复技术具体指的是利用天然存在的或经由培养的功能微生物群，在适宜的条件中使微生物代谢功能得到促进或强化，最终降低有毒污染物的活性，或直接使其降解成为无毒物质。微生物降解有机污染物主要包括两种作用方式：一种是经由微生物所分泌的胞外酶进行降解作用；另一种是污染物经由微生物吸收至其细胞内之后，由胞内酶进行降解作用。微生物从胞外环境中吸收摄取物质主要通过主动运输、被动扩散、胞饮作用、促进扩散以及基团转位等方式进行。

微生物降解与转化土壤中有机污染物的基本反应模式主要包括氧化作用，醛、醇、甲基的氧化，硫醚氧化，氧化去烷基化，过氧化，芳环裂解，苯环羟基化，环氧化以及杂环裂解等反应形式；还原作用，醇、乙烯基的还原，以及芳环羟基化等反应形式；基团转移作用，脱卤作用、脱羧作用以及脱烃作用等；水解作用，以及包括酯化、氨化、缩合、乙酰化以及双键断裂等其他反应类型。

二、土壤污染的微生物修复技术的研究应用

1. 原位微生物修复。原位微生物修复技术不破坏土壤的基本结构，不需将土壤搬离现场，主要用于修复被有机污染物污染的土壤。通常直接向污染土壤中供应营养盐、氧源以及外源微生物等，以促进土壤中特异功能微生物和土著微生物的代谢活性，提高生物降解能力。原位修复技术主要有生物培养法、投菌法和生物通气法等方法。生物培养法指的是定期向土壤中投加营养物以及在代谢过程中作为电子受体的过氧化氢，以满足土壤中微生物的代谢活动，污染物被彻底矿化成为CO2与H2O。投菌法采用的是直接向受污染土壤中接入外源污染物降解菌，再投加营养物质的方式。生物通气法指的是进行鼓风机和抽真空机的安装，在污染土壤中打上深井，将空气强行排入后再抽出，去除土壤中的挥发性有机物质。可加入一定量的氨气提供氟源，以提升微生物活性、提高去除效率。

2. 异位微生物修复。用异位微生物修复技术处理污染土壤时，需要挖出污染土壤，以进行集中的生物降解，主要技术包括预制床技术、厌氧处理法、土壤堆积法、堆肥法以及生物反应器技术等。预制床技术是在不泄漏的平台铺上石子与砂子，将遭受污染的土壤平铺其上（15～30cm），加入营养液和水，必要时，加入表面活化剂，定期翻动供氧，使土壤中微生物生长的要求得到满足。达到消除污染的最终目的。过程中流出的渗滤液必须及时处理，回灌至土层上以彻底清除。

3.生物反应器技术。把污染的土壤转移至微生物反应器，加水混合搅拌成泥浆，调节pH至适宜状态，加入营养物质与表面活性剂，并在提供氧气的同时，使微生物与污染物得到充分的接触，以加速降解污染物，降解完成后进行过滤脱水再运回原地。此法的处理速度快，效果较好，但仅适用于小范围的污染治理工作。

4.厌氧处理技术。适用于包括三硝基甲苯、PCB等的高维度有机污染的土壤处理，但处理条件难以得到有效的控制，并容易产生中间代谢污染物，因此也较少应用。

5.土壤堆积法、堆肥法处理。在污染土壤中直接掺入树枝、稻草、粪肥、泥炭等可以提高处理效果的易堆腐物质作为支撑材料，使用机械或压气系统进行充氧，加入石灰调节pH至适宜范围，进行高温降解有机物的固相反应过程。

三、微生物修复技术的主要内容

1. 生物转化与降解。研究方法为动态淋溶法，即在存在和缺乏微生物活性的条件下，进行一维和二维淋溶试验以达到稳定化金属污染物的目的。研究结果被用于建立地质化学模型，模拟被固定金属的稳定性，同时也适用于非生物以及微生物增强淋溶的动力学研究。

2. 分子生物学工程。研究重点体现于生物修复的分子生物学和结构生物学两个方面。通过增强对于生物修复技术的理解以及强化改善生物修复微生物效能的研究，筛选与鉴定全新的修复基因或者基因产品。

3. 团体动力学和微生态学。主要研究的是生态系统中非生命与生命成分两者间的相互作用以及生态动力学过程，以便了解与掌握此作用过程对于混合污染物的可移动性、降解持久性以及毒性的具体影响。

4. 生物修复技术评价。研究内容为底层微生物代谢活性的定量确定；具有代谢活性的微生物生物量、硫酸盐、Fe(Ⅲ)等还原活性的原位测定；电子给予体与电子受体、抑制剂等浓度与组合的选择和优化。

5. 生物地球化学动力学。研究水力学、地质学、原位地球化学以及微生物学动态过程间的关系。通过研究地球化学与酶反应过程，探索微生物诱导放射性核素以及有毒金属的还原作用。

6. 微生物修复技术的系统工程化。描述参数化评价模型和复台地质系统中生物修复方法的开发应用，以充当微生物修复技术的集成、预测以及优化的生物学工具。

7. 细菌运移。重点研究微生物以及营养物质的流动与运移，用于加速与优化生物修复速率的开发。目前主要用于异质性和生长对于饱和多孔介质微生物运移的影响，好氧和厌氧环境条件中增强细菌运移和对于金属氧化物化学异质性的效果评估等方面的研究。

四、土壤修复微生物技术的发展趋势

微生物修复是目前最具发展与应用前景的生物修复技术，但随着不断拓展的微生物修复范畴及内涵，尤其是对于污染土壤的生态系统，每种微生物修复技术在克服自身不足的基础上，还需进一步认识和解决所产生的新问题，包括新微生物资源的评价、新型污染物类型的发现、修复技术的高效应用和复合机制等方面。因此，今后我们将从污染土壤的修复过程与生态风险评估、微生物资源及其生物降解途径、微生物修复技术的污染场地应用、微生物修复的复合化或组合式修复技术研发等方面展开深入的研究。