朱菁菁,任曉雅,湯 琳,范長征,劉雅妮,曾光明

(1.湖南大學 環(huán)境科學與工程學院，長沙 410082； 2.環(huán)境生物學與污染控制教育部重點實驗室(湖南大學)，長沙 410082)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)和農(nóng)業(yè)活動頻繁，大量有機化學物質(zhì)積聚在土壤中[1-5].這些污染物通常具有“三致”效應(yīng)，可能對人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害，因此，對有機污染土壤的治理成為當前面臨的重要環(huán)境問題[6-13].微生物降解是有機污染物去除的重要途徑[14-15].然而，生物降解速率通常受污染物低生物可利用性的限制[16].因此，探究土壤修復過程中有機污染生物可利用性的變化至關(guān)重要.

土壤改良劑，例如生物炭、堆肥腐殖質(zhì)、表面活性劑等，既能改善土壤質(zhì)地，提高土壤肥力，調(diào)節(jié)土壤酸堿度，又可促進污染物吸附或降解，在土壤修復中得到了廣泛的應(yīng)用[17-24].雖然已有研究證明，施用改良劑會改變土壤中有機污染物生物可利用性，但其作用機理尚不明確，沒有統(tǒng)一的結(jié)論.本文總結(jié)了3種常用土壤改良劑對有機污染物生物可利用性的影響機理，包括生物炭、堆肥產(chǎn)物和表面活性劑，并為探究高效土壤改良劑提供一定參考方向.

1 生物可利用性

2003年，美國國家研究委員會報告中將生物可利用性過程定義為影響生物暴露在含化學物質(zhì)土壤或沉淀中發(fā)生的物理、化學和生物作用[25].目前，關(guān)于生物可利用性的定義尚不明確，統(tǒng)一認可的說法是污染物在土壤中的生物可利用性涉及到吸附和解吸，污染物運輸和微生物的攝取這幾個過程[26].因此，影響污染物水相濃度和微生物特征的因素將影響污染物生物可利用性[27].

土壤對有機污染物的吸附通常限制了其生物可利用性[28].隨著時間的增加，土壤與有機污染物形成更強的結(jié)合力，導致其生物可利用性下降，該過程被稱為老化.老化過程導致污染物解吸呈現(xiàn)3種形式：快速、緩慢和非常緩慢.可快速解吸的污染物通常是表面吸附在土壤顆粒上且可和孔隙水互換，因此，容易被微生物利用.而對于解吸緩慢和非常緩慢的部分，其被土壤強力吸附或進入到土壤微孔中，不易被微生物利用[29].有研究表明，某些微生物可以利用吸附態(tài)污染物，但對大多數(shù)微生物來說溶解態(tài)污染物更容易被利用[30].因此，有機污染物在土壤中的吸附和解吸是影響其生物有效性的關(guān)鍵過程.此外，當污染物處于低生物可利用性條件時，例如污染物溶解度較低，污染物與土壤強結(jié)合，吸附在土壤納米孔徑內(nèi)部等，微生物特征顯得尤為重要[15].通過污染物或微生物主動或被動地遷移，吸附態(tài)污染物生物可利用性得到提高.土壤改良劑通過作用于污染物在土壤中吸附和解吸，污染物和微生物之間傳質(zhì)以及土壤微生物豐度和活性，影響有機污染物生物可利用性.

2 土壤改良劑作用下有機污染物生物可利用性

2.1 生物炭

生物炭是生物質(zhì)材料在無氧或厭氧條件下熱解產(chǎn)生的高度芳香化富含碳素的固態(tài)顆粒物.生物炭由于其穩(wěn)定性高，原料來源廣泛，價格低廉，且具有較強的固碳能力，常被用作土壤改良劑使農(nóng)作物增產(chǎn)[18,31-33].近年來，生物炭對污染物的吸附能力引起廣泛關(guān)注，常用于污染土壤修復[34-35].

生物炭具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積，以及豐富的表面官能團，對大部分污染物都有較強的吸附能力[36].據(jù)報道[37]，土壤中加入1%生物炭對敵草隆的吸附能力是未添加生物炭土壤的7～80倍.生物炭的吸附作用可降低有機污染物的生態(tài)毒性，達到固定污染物的目的，同時，會導致水相溶液中有機污染物濃度的降低，抑制微生物對有機污染物的降解 (如圖1(a)所示).Marchal等[38]通過實驗觀察和建模結(jié)果證明吸附動力學是限制菲生物降解的主要因素.Zhu 等[39]也報道在沉淀中加入5%碳質(zhì)材料后四溴聯(lián)苯醚的微生物脫溴效率降低了92.8%～98.2%.

有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭吸附作用并不總是抑制有機污染物的生物降解.某些微生物可通過直接附著或形成生物膜的方式，直接利用吸附態(tài)污染物.Xia 等[40]利用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)黑炭孔徑中存在Agrobacterium細菌.Rhodes等[41]也發(fā)現(xiàn)生物炭吸附態(tài)菲比用化學提取法得到的菲更容易被微生物利用.生物炭中大量的營養(yǎng)元素、有效水、完善的孔道結(jié)構(gòu)和較大的比表面積為微生物提供了良好的棲息場所.此外，生物炭孔徑可保護微生物免受捕食者或競爭者的影響，改善土壤理化性質(zhì)，尤其是增加土壤持水能力，改變土壤體積密度從而促進氣體運輸，這些改變可能會提高微生物活性[36](如圖1(b)所示).Cheng等[42]發(fā)現(xiàn)加入生物炭后降低了土豆對苯醚甲環(huán)唑植物吸收，但增加了土壤中微生物對其的降解.添加生物炭會增加土壤細菌群體中Sphingomonadaceae和Pseudomonadaceae的相對豐度，促進土壤微生物對污染物的降解.Kong等[43]發(fā)現(xiàn)在添加生物炭后，土壤中細菌群體多樣性略有下降，但PAHs降解菌的豐度增加，促進PAHs生物降解.

此外，生物炭由于含有表面氧化還原活性官能團或?qū)щ娛Y(jié)構(gòu)，具有電子介導能力，促進電子從電活性微生物(例如ShewanellaoneidensisMR-1、Geobactersulfurreducens)轉(zhuǎn)移到有機污染物，加快污染物降解[44](如圖1(c)所示).Tong等[45]的報道中，生物炭添加到土壤中后，作為電子介體加速土壤有機質(zhì)到細菌之間的電子轉(zhuǎn)移，刺激了脫氯菌和鐵還原菌的活性，增加了土壤微生物群體中脫氯菌和鐵還原菌微生物豐度，從而加快五氯酚還原脫氯.同時，添加生物炭可以促進Fe(Ⅲ)還原，生成的Fe(Ⅱ)作為還原劑加快五氯酚化學轉(zhuǎn)化.Chen等[26]也發(fā)現(xiàn)生物炭在促進沉淀中四溴聯(lián)苯醚微生物脫溴中起到3個作用.首先，生物炭促進有機鹵化物呼吸菌生長，改變了微生物群體組成，增加了鐵還原菌、硫還原菌和脫鹵菌微生物的豐度.其次，生物炭作為電子介體加速脫氯微生物到2,2′,4,4′-四溴聯(lián)苯醚電子轉(zhuǎn)移.最后，添加生物炭促進Fe(Ⅱ)生成，促進四溴聯(lián)苯醚非生物轉(zhuǎn)化.

圖1 生物炭影響有機污染物生物可利用性機理

總體來說，生物炭可以通過對有機污染物的吸附作用、對微生物的促進作用以及本身電子介導作用影響有機污染物生物可利用性.生物炭對有機污染物降解的促進或抑制取決于哪種作用占主導.目前，關(guān)于此方面的研究仍停留在定性解釋階段，很少有定量分析在某個環(huán)境下生物炭各個作用對有機污染物生物可利用性影響的貢獻率.不同制備條件下獲得的生物炭可能產(chǎn)生不同的影響.隨著生物炭熱解溫度增加，其比表面積和芳香性增加，但表面官能團含量降低.一般來說，高溫生物炭由于具有較高的比表面積和芳香性，對于疏水性有機污染物有較高的吸附能力[46].低溫生物炭含更多易被微生物利用的有機質(zhì)，因此，對微生物生長有更明顯的促進作用[47-48].同時，對于生物炭電子特性，中溫和高溫生物炭具有較高的電子轉(zhuǎn)移能力[48].目前，大部分研究都是針對生物炭熱解溫度對某一作用的影響，沒有將三者綜合考慮.此外，在土壤修復中，生物炭對有機污染物生物降解的影響既取決于生物炭本身結(jié)構(gòu)特征，例如生物炭比表面積、表面官能團、芳香碳結(jié)構(gòu)等，也受生物炭劑量、老化時間和微生物特征等因素的影響[7,49-51].Song等[50]發(fā)現(xiàn)加入0.1%生物炭對六氯碳微生物降解沒有影響，但加入5%生物炭后，在前一個月促進了六氯苯還原脫氯，之后產(chǎn)生抑制作用.促進作用可能是由生物炭氧化還原活性造成的.但隨著時間的延長，生物炭顆粒發(fā)生老化，其氧化還原活性部位被掩蓋.抑制作用可能是由于生物炭的吸附作用導致生物可利用性降低.同理，對比Zhu等[7]和Chen等[51]的實驗，生物炭對四溴聯(lián)苯醚脫溴呈現(xiàn)不同效果.這是因為Zhu等[7]發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時間長，老化作用占主導地位，而Chen等[51]的實驗中添加生物炭后污染物的沉淀被迅速用于降解實驗，且在前者的實驗中用的是降解菌株，而后者使用的是完整的本土微生物群體.因此，在具體研究某種生物炭對有機污染物生物降解的影響時，要綜合考慮多方面因素.

2.2 堆肥添加劑

堆肥添加劑是有機廢物堆肥化過程的產(chǎn)物，由于其經(jīng)濟性和可持續(xù)性，在農(nóng)業(yè)施肥中被廣泛應(yīng)用[52-53].有研究表明[19,21,54]，堆肥添加劑在污染土壤修復過程中也起到重要的作用.

Bastida等[55]研究發(fā)現(xiàn)在自然土壤中碳氫化合物的降解并不明顯，而加入堆肥產(chǎn)物后其降解率在50 d后達到了88%.這可能是由于堆肥添加劑能夠提高土壤微生物的數(shù)量和活性.Wallisch等[56]研究發(fā)現(xiàn)加入堆肥產(chǎn)物可以促進烷烴降解菌的生長，從而提高烷烴降解效率.Baldantoni等[57]也報道加入堆肥產(chǎn)物后PAHs的降解速率和過氧化物酶活性增高.堆肥產(chǎn)物中富含大量活性有機質(zhì)和營養(yǎng)元素，可被微生物利用，從而增加了微生物豐度 (如圖2(a)所示).同時，由于堆肥材料具有較高的持水能力，且能提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增加土壤通透性，也有利于微生物生長.

圖2 堆肥添加劑影響有機污染物生物可利用性機理

Fig.2 Effect of compost on the bioavailability of organic pollutants

堆肥添加劑對有機污染物生物可利用性的影響是多方面的[58].Puglisi等[59]報道，排除微生物作用后，堆肥產(chǎn)物中的大量有機質(zhì)增強了土壤對菲的吸附作用，導致其生物可利用性降低 (如圖2(b)所示).堆肥基質(zhì)中的木質(zhì)素/纖維素殘留物對PAHs的固定起到重要的作用[60].然而，考慮微生物的作用，堆肥添加劑提高了本土微生物活性，同時也引入菲降解微生物，因此促進了菲降解[59].Sigmund等[61]發(fā)現(xiàn)加入10%堆肥產(chǎn)物后，即使PAHs吸附系數(shù)增加了10倍，其降解速率也增加了2倍.這可能是由于微生物活性的提高和外源微生物群體的引入對PAHs降解有促進作用，且此實驗中堆肥有機質(zhì)對PAHs的吸附是可逆的，對微生物降解沒有顯著抑制作用.不同于生物炭，堆肥有機質(zhì)富含溶解性有機物，對污染物的固定和釋放有多重作用.有研究報道堆肥產(chǎn)物中的水分可提取態(tài)有機物質(zhì)能增加PAHs表觀溶解度，且易吸附在細胞表面，使得和水分可提取態(tài)有機物質(zhì)相互作用的污染物更容易被微生物吸收和降解[62].Wu等[60]報道，反應(yīng)初始，在柴油污染土壤中加入堆肥產(chǎn)物后由于強吸附作用使得PAHs去除量降低89%，但隨著時間的推移，PAHs去除量比未添加土壤增加了2倍，其中30%是由于解吸程度提高.堆肥產(chǎn)物中的腐殖酸類化合物的作用類似生物表面活性劑，它可以降低表面張力，并通過形成膠束促進PAHs的解吸[60](如圖2(c)所示).土壤中的非水相液體，例如焦油，是有機污染物遷移的主要阻力.堆肥產(chǎn)物與土壤混合后，形成一個適合傳質(zhì)的微環(huán)境，破壞該非水相液體界面的表面阻力，從而促進有機污染物遷移[19].因此，堆肥有機質(zhì)對有機污染物生物可利用影響也是多方面的.

總的來說，堆肥添加劑對有機污染生物可利用性有3個方面的作用.一方面，堆肥產(chǎn)物中富含營養(yǎng)元素和有機質(zhì)，促進本土微生物活性，同時也引入一些活性降解菌，促進污染物降解；另一方面，引入有機質(zhì)加強了土壤對有機污染物的吸附；此外，堆肥產(chǎn)物中的溶解性有機質(zhì)能提高污染物溶解性，促進污染物解吸，從而有利于微生物對有機污染物的吸收.堆肥產(chǎn)物的特征(營養(yǎng)元素、有機質(zhì)特征和微生物)主要受堆肥原料、堆肥溫度和腐熟時間等因素的影響.這些因素也會影響堆肥產(chǎn)物對有機污染物生物可利用性作用效果.例如,Plaza等[63]研究了不同堆肥階段有機質(zhì)提取的腐殖酸對PAHs吸附作用力.與土壤腐殖酸相比，堆肥初始階段腐殖酸對PAHs有更大的吸附作用力，加入土壤后促進了PAHs吸附.隨著堆肥的進行,腐殖酸結(jié)構(gòu)和化學組成發(fā)生了顯著變化，芳香性和極性增加，因此，對PAHs的吸附作用力減弱，其性質(zhì)類似于土壤腐殖酸，有利于PAHs被微生物降解.目前關(guān)于堆肥產(chǎn)物特征對有機污染物生物修復影響的研究很少，需要更多的研究.

2.3 表面活性劑

表面活性劑是一類同時含有親水性和疏水性結(jié)構(gòu)的兩親性化學物質(zhì)，其獨特的分子結(jié)構(gòu)可增加污染物表觀溶解度，尤其是疏水性有機污染物.大量研究表明，表面活性劑能促進土壤中有機污染物生物降解[6,64-67].辛烷質(zhì)量分數(shù)分別為700和70 000 mg/kg時，向土壤中添加表面活性劑使得辛烷降解效率分別增加57.4%和38.8%[66].Bezza 和Chirwa[6]也發(fā)現(xiàn)加入生物表面活性劑后土壤中PAHs降解達86.5%，而不添加情況下降解率只有57%.表面活性劑通過影響污染物在溶液中分散或微生物表面特征，從而增加污染物生物可利用性[68-70].

表面活性劑對污染物增溶作用是其增加有機污染物生物可利用性最重要的途徑.當表面活性劑濃度高于臨界膠束濃度，膠束疏水性核形成微觀疏水環(huán)境，為有機污染物提供額外吸附位點，而親水性尾部允許膠束溶于水相，從而增加了污染物水相濃度[64](如圖3(a)所示).Singh等[71]證明添加表面活性劑使得毒死蜱水相溶解度增加超過10倍，且其生物降解提高了30%.

圖3 表面活性劑影響有機污染物生物可利用性機理

除了膠束增溶作用，表面活性劑可能改變污染物基質(zhì)，這通常發(fā)生在表面活性劑濃度低于臨界膠束濃度的情況.相對疏水的非離子型表面活性劑可吸附在土壤中的非水相液體區(qū)域(煤焦油、雜酚油和石油等)，使其有利于污染物解吸或微生物與污染物接觸[72](如圖3(b)所示).在Yeom等[73]的實驗中，表面活性劑促進PAHs解吸主要通過增加基質(zhì)的擴散性，而膠束溶解作用是次要的.表面活性劑具有兩親性質(zhì)，容易在表面和界面處聚集，從而降低表面和界面的張力，增加污染物移動性[74].Cecotti 等[75]也報道，在傳統(tǒng)生物處理后的土壤中，加入低于臨界膠束濃度的表面活性劑同樣促進了PAHs解吸，而該情況下膠束溶解作用可以忽略，因此，這種促進作用可能是通過增加PAHs在基質(zhì)中擴散性.

除了和污染物以及污染介質(zhì)發(fā)生相互作用，表面活性劑可能影響土壤微生物，通過增加微生物和目標污染物的接觸，從而提高生物可利用性 (如圖3(c)所示).Lanzon和Brown[76]證明非離子表面活性劑Brij 30可吸附在細菌細胞表面形成半膠團，使細菌表面吸附態(tài)菲增加2倍.表面活性劑對微生物表面特征的影響主要體現(xiàn)在細胞界面疏水性和細胞膜流動性.表面活性劑吸附在細胞表面，改變細胞表面疏水性，而細胞表面疏水性影響細菌聚集狀態(tài)和生物膜的形成[77].微生物對疏水性基質(zhì)的黏附性也取決于細胞表面疏水性.Zhang和Zhu[78]的實驗中，微生物細胞表面主要是親水性，表面活性劑占據(jù)細胞親水性位點，其疏水性尾部存在于環(huán)境中，導致細胞表面疏水性位點增加，從而促進了KlebsiellaoxytocaPYR-1和芘之間的吸附.同時，Li和Zhu[79]也報道土壤中添加50 mg/L吐溫80或十二烷基苯磺酸鈉后，細胞表面疏水性增加了19.8%～25.2%，菲生物降解率增加了8.9%～17.2%.這是由于表面活性劑洗滌特征和其對膜表面脂多糖溶解作用促進了細胞表面脂多糖釋放，使得細胞外膜暴露在水相，導致細胞表面疏水性增加，促進PAHs被微生物吸收.此外，表面活性劑也可增加細胞膜流動性.Li和Zhu[80]研究發(fā)現(xiàn)，添加表面活性劑后菲降解菌細胞膜脂肪酸組成發(fā)生改變，不飽和脂肪酸量增加，膜流動性增強，促進菲從胞外基質(zhì)分配到細胞表面.Li等[81]進一步研究基因水平上表面活性劑對生物降解過程的提高.表面活性劑可以降低細胞膜中脂磷壁酸的含量，通過調(diào)節(jié)相關(guān)酶基因表達水平來增加細胞疏水性和膜流動性，從而增加了不飽和脂肪酸含量，進一步促進菲分配和跨膜遷移.除了對微生物活性產(chǎn)生影響，表面活性劑還可能改變土壤微生物群體組成[75]，但這種變化對污染物降解的影響機理尚不清楚，需要進一步研究.

因此，表面活性劑能增加有機污染物表觀溶解度，提高基質(zhì)擴散性，改變微生物細胞表面疏水性和膜通透性，從而增加有機污染物生物可利用性.表面活性劑作用效果受表面活性劑種類和濃度、參與的微生物種類的影響.Patel等[82]發(fā)現(xiàn)在非離子表面活性劑Tween 80存在下，菲的降解率由86%提高到100%，但在十二烷基硫酸鈉和十六烷基三甲基溴化銨存在下，菲的降解率分別降低到45%和19%，這種抑制作用可能是由于該表面活性劑對微生物生長的抑制.也有研究發(fā)現(xiàn)十二烷基硫酸鈉抑制Pseudoxanthomonassp.DMVP2對菲生物降解，接近64%，但促進了混合菌株 DAK11對菲的降解，接近88.79%[83-84].由此可見，不同種類的微生物在同一表面活性劑作用下對有機污染物的去除效果不同.之前的研究也發(fā)現(xiàn)[85]，鼠李糖脂的溶解作用增加了十六烷對P.aeruginosa生物可利用性，但降低了對P.putida生物可利用性.PseudomonasputidaCICC 20575為非鼠李糖脂分泌菌，鼠李糖脂-十六烷無法被細胞膜吸收，為了進入核中的十六烷，必須先破壞外層表面活性劑，因此，鼠李糖脂的存在抑制了生物可利用性.表面活性劑對微生物的毒性效應(yīng)，微生物優(yōu)先利用表面活性劑而非目標污染物，或者表面活性劑阻礙溶解于膠束內(nèi)的有機污染物和微生物接觸等，都可能抑制有機污染物生物降解.在利用表面活性劑作為土壤修復時，要考慮到表面活性劑生物毒性、環(huán)境持久性以及合適的添加濃度，使其能最大限度地提高有機污染物生物可利用性，促進有機污染物生物降解.

3 結(jié) 論

低生物可利用性是限制有機污染物生物降解的主要因素，因此，探究生物修復方法對生物可利用性影響是很重要的.土壤改良劑對生物可利用性影響主要包括以下幾個方面：影響污染物在土壤中吸附和解吸，污染物和微生物之間傳質(zhì)以及微生物豐度和活性.理解土壤改良劑對有機污染物生物可利用性的影響機理有利于尋找合適的土壤改良劑.目前，關(guān)于該3種土壤改良劑對有機污染物生物可利用性的作用機理研究多停留在定性描述階段，很少有定量分析，有待于進一步研究，具體表現(xiàn)為：

1)生物炭對有機污染物生物可利用性影響機理多是現(xiàn)象描述，關(guān)于生物炭3種作用機制對有機污染物生物可利用性影響的貢獻率少有研究.此外，生物炭作用效果受其本身結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)用條件的影響，但這些影響因素對有機污染物生物可利用性影響缺乏全面系統(tǒng)的研究，建議后續(xù)研究可以從生物炭對有機污染物吸附作用、對微生物促進作用以及本身電子介導作用變化這3個方面進行分析.

2)通過堆肥過程控制可調(diào)控堆肥產(chǎn)物的特征，但目前少有研究堆肥產(chǎn)物不同特征是否對土壤有機污染物生物可利用性產(chǎn)生不同影響.

3)表面活性劑用于土壤修復的目的是增加有機污染物生物可利用性，但受表面活性劑種類和濃度、參與的微生物種類等因素影響，表面活性劑可能降低有機污染物生物可利用性.