趙宇通

（陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；自然資源部退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075）

由于人類對(duì)于化石燃料的過(guò)渡依賴，每年有超過(guò)15億噸的石油被運(yùn)送到世界各地。吸入、攝入甚至皮膚接觸到原油、石油凝析油、汽油、柴油、煤油或其他碳?xì)浠衔锼M成的混合物，都會(huì)對(duì)人類和野生動(dòng)物造成傷害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)滤馈?/p>

從20世紀(jì)開(kāi)始，生物修復(fù)就被認(rèn)為是一個(gè)有效、低成本并且對(duì)環(huán)境友好的方法被用來(lái)降解石油污染環(huán)境中的石油烴。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)使用微生物及其產(chǎn)物來(lái)降解土壤中的污染物。相比正常環(huán)境，污染地點(diǎn)的微生物群體的整體數(shù)量和豐度都有著顯著的變化。因此，評(píng)估土地微生物的石油烴降解能力和石油烴對(duì)污染場(chǎng)地微生物種群的影響在生物修復(fù)過(guò)程中非常重要。

如圖1所示，根據(jù)illumina對(duì)石油污染土壤中微生物群落分布測(cè)序，假單胞菌（Pseudomonasspp.）是最具優(yōu)勢(shì)的菌屬。Firmicutes、Chloroflexi、γ-proteobacteria和δ-proteobacteria等微生物群體則是石油污染土壤中占優(yōu)勢(shì)的門類。同時(shí)，超過(guò)85%的石油污染土壤中的菌種來(lái)自于革蘭氏陰性菌[1]。

圖1 由Illumina測(cè)序得到的石油污染土壤中相對(duì)豐富的細(xì)菌門類

1 生物修復(fù)技術(shù)

按照實(shí)行生物修復(fù)地點(diǎn)的不同，生物修復(fù)被分為兩種，分別是原位修復(fù)和異位修復(fù)。當(dāng)修復(fù)的地點(diǎn)就在原始的污染環(huán)境中時(shí)，被稱為原位修復(fù)。當(dāng)生物修復(fù)發(fā)生在污染地點(diǎn)之外的設(shè)施如實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用于挖掘的污染土壤中時(shí)，被稱為異位修復(fù)。

1.1 原位生物修復(fù)

原位生物修復(fù)不需要挖掘土壤，通過(guò)污染的土壤中循環(huán)水來(lái)提供氧氣和養(yǎng)分，以刺激天然存在的細(xì)菌降解有機(jī)污染物。通常，這種技術(shù)適用的情況是擁有足夠營(yíng)養(yǎng)物和氧氣或者其他電子受體的地下水滲透進(jìn)污染的土壤。大多數(shù)情況下，原位生物修復(fù)適用于飽和土壤和地下水中污染物的降解。

1.2 異位生物修復(fù)

這項(xiàng)技術(shù)通常是從污染場(chǎng)地挖掘污染物，將污染物運(yùn)送到另一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行處理。選擇異位生物修復(fù)經(jīng)常是基于污染場(chǎng)地的處理成本、污染深度、污染物類型、污染程度、地理位置還有地質(zhì)這些因素來(lái)考慮的。異位生物修復(fù)主要包括生物堆、料堆、生物反應(yīng)器和土地耕作等方法。

1.2.1 生物堆法

生物堆（Biopile）法通過(guò)對(duì)污染土壤的挖掘并堆積于地上，調(diào)整土壤的養(yǎng)分，還會(huì)增加土壤的微生物活性來(lái)加強(qiáng)生物修復(fù)。這項(xiàng)技術(shù)包括的步驟有通風(fēng)、灌溉、營(yíng)養(yǎng)和滲濾液收集[2]。由于這項(xiàng)技術(shù)可以有效節(jié)約成本，還同時(shí)能在營(yíng)養(yǎng)、溫度和通氣得到充分控制的條件下實(shí)現(xiàn)有效的生物降解，因此被越來(lái)越多的污染土地降解策略中使用[3]。將生物堆應(yīng)用于污染場(chǎng)地有助于限制低分子量（LMW）污染物的揮發(fā)，還可以有效地用于受污染極端環(huán)境的修復(fù)，如非常寒冷的地區(qū)[4]。

1.2.2 料堆法

作為異位生物修復(fù)技術(shù)之一，料堆法（Windrow）依靠周期性堆積污染土壤，通過(guò)增加污染土壤中存在的碳?xì)浠衔锛?xì)菌的降解活動(dòng)來(lái)增強(qiáng)生物修復(fù)。同時(shí)周期性地調(diào)整污染土壤的水含量，增加通氣，均勻分布污染物、養(yǎng)分和微生物，從而加快生物修復(fù)速度。料堆法的原理是通過(guò)同化、生物轉(zhuǎn)化和礦化來(lái)實(shí)現(xiàn)生物修復(fù)[5]。在以往的研究中，與生物堆法相比，在較松軟的土壤類型中，料堆法具有更高的石油烴去除率[6]。

1.2.3 生物反應(yīng)器法

生物反應(yīng)器（Bioreactor）使用一種儀器來(lái)將原材料通過(guò)一系列反應(yīng)后轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟óa(chǎn)物。生物反應(yīng)器有不同的操作模式，包括批量、補(bǔ)料分批、序批、連續(xù)和多階段。運(yùn)營(yíng)模式的選擇主要取決于成本支出。生物反應(yīng)器中的條件通過(guò)模擬和維持其自然環(huán)境來(lái)提供最佳生長(zhǎng)條件，支持細(xì)胞的自然過(guò)程[6]。污染的樣品可以作為干物質(zhì)或漿液進(jìn)料到生物反應(yīng)器中；在任何一種情況下，與其他非原位生物修復(fù)技術(shù)相比，使用生物反應(yīng)器處理污染土壤具有優(yōu)勢(shì)。對(duì)生物過(guò)程參數(shù)（溫度、pH、攪拌和通氣速率、底物和接種物濃度）的控制是基于生物反應(yīng)器的生物修復(fù)的主要優(yōu)點(diǎn)之一[7]。在生物反應(yīng)器中控制和操縱過(guò)程參數(shù)的能力意味著可以增強(qiáng)其中的生物反應(yīng)，有效減少生物修復(fù)時(shí)間。重要的是，可以在生物反應(yīng)器中有效地建立受控的生物強(qiáng)化、營(yíng)養(yǎng)物添加、增加污染物生物利用度和傳質(zhì)（污染物和微生物之間的接觸），使得基于生物反應(yīng)器的生物修復(fù)更有效[8]。

2 生物修復(fù)前景

微生物在生物修復(fù)中起著至關(guān)重要的作用，其在污染環(huán)境中的多樣性、豐度和群落結(jié)構(gòu)為生物修復(fù)技術(shù)成功實(shí)施提供了可能性。分子技術(shù)如基因?qū)W、微生物代謝學(xué)、蛋白質(zhì)學(xué)和轉(zhuǎn)錄學(xué)有助于更好地理解微生物鑒定、功能和分解代謝途徑，從而克服與微生物培養(yǎng)相關(guān)方法的局限性。營(yíng)養(yǎng)限制、低微生物數(shù)量或缺乏具有降解能力的微生物和低污染物生物利用度可能阻礙生物修復(fù)的成功。

3 結(jié)語(yǔ)

石油污染物因反應(yīng)性較低而具有抗降解的能力，相比于傳統(tǒng)的物理化學(xué)土地修復(fù)方法，被劃分為優(yōu)先級(jí)較高的污染物通過(guò)生物修復(fù)具有高效率、低成本和多重功能等優(yōu)點(diǎn)。為了控制環(huán)境污染，生物修復(fù)可利用單個(gè)種群或多種群聯(lián)合親油性微生物降解土地中的石油烴。為了良好地設(shè)計(jì)修復(fù)策略，應(yīng)重視氧氣濃度、還原反應(yīng)潛力、土壤營(yíng)養(yǎng)、pH值、濕度和溫度等可對(duì)生物修復(fù)產(chǎn)生影響的因素。此外，通過(guò)研究生物降解中涉及的石油烴代謝途徑，可以更好地設(shè)計(jì)出有效的石油污染生物修復(fù)策略。