1、微生物修復(fù)多環(huán)芳烴污染土壤的研究進(jìn)展摘要：多環(huán)芳烴是一類具有致癌、致畸、致突變性質(zhì)的持久性有機(jī)污染物，主要來源于煤、石油等燃料的不完全燃燒，易吸附于固體顆粒表面和有機(jī)腐殖質(zhì)，化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能長期存在于自然環(huán)境，給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來很大的危害。微生物對多環(huán)芳烴的降解是去除土壤中多環(huán)芳烴的主要途徑，其降解機(jī)理為：土壤微生物在代謝活動過程中能夠產(chǎn)生酶來實現(xiàn)對土壤中多環(huán)芳烴的降解，細(xì)菌主要通過產(chǎn)生雙加氧酶來催化多環(huán)芳烴的加氧反應(yīng)，而真菌可以通過分泌木質(zhì)素降解酶系或單加氧酶來氧化多環(huán)芳烴，兩種途徑均是首先通過降低多環(huán)芳烴的穩(wěn)定性，使之容易被進(jìn)一步降解。文章簡要介紹了降解多環(huán)芳烴的微生物，對多環(huán)芳烴的

2、微生物降解機(jī)制進(jìn)行了綜述，討論了影響微生物修復(fù)過程的因素，列舉了常見的微生物修復(fù)技術(shù)，展望了今后的研究趨勢。關(guān)鍵詞：多環(huán)芳烴；土壤污染；微生物降解；降解機(jī)理；微生物修復(fù)1引言 多環(huán)芳烴( Polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs) 是指由2 個或2 個以上的苯環(huán)按一定順序排列組成的碳?xì)浠衔铮哂袕?qiáng)烈致癌、致畸和致突變特性。土壤中的PAHs以4 6 環(huán)的PAHs 為主1。化石燃料的燃燒是PAHs 的主要來源。由于人類對化石產(chǎn)品的不斷開發(fā)利用，PAHs 持續(xù)向環(huán)境中排放，高溫過程形成的PAHs 大都排放到大氣中，隨著大氣環(huán)流、大洋環(huán)流等循環(huán)而不斷擴(kuò)散，空氣、土壤

3、及水體甚至南極、高山冰川等都受到PAHs 的污染。PAHs 和其他固體顆粒物等結(jié)合在一起，通過干、濕沉降轉(zhuǎn)入湖泊、海洋，最終主要在沉積物、有機(jī)物質(zhì)和生物體中累積，對人類健康和整個生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅2。 我國是一個PAHs 污染特別嚴(yán)重的國家，也是PAHs 排放量大的國家。據(jù)估算，中國PAHs 的年排放總量超過25 000 t，城市平均排放密度為158 kg·km-2，局部鄉(xiāng)村地區(qū)排放密度高達(dá)479 kg·km-23。由于長期存在高PAHs 的排放量，因而環(huán)境中PAHs 的含量也不斷上升。上海市土壤中26PAHs 的平均濃度達(dá)2 420 ng·g-1，16PAHs 的

4、平均濃度達(dá)1 970 ng·g-14；沈陽某灌溉農(nóng)田土壤中PAHs總量甚至高達(dá)610.9 6 362.8 g·kg-1（表層土0 20cm）、404.6 4 318.5 g·kg-1（表層土20 40 cm）5。人們?nèi)糸L期暴露于含PAHs的環(huán)境中，對身體健康造成極大的傷害。農(nóng)作物在含PAHs 的環(huán)境中生長，會吸收PAHs，然后通過生物放大間接給人類帶來危害。因此，如何降解環(huán)境中的PAHs，減少環(huán)境風(fēng)險，已越來越受到人們的重視。2降解多環(huán)芳烴的微生物微生物降解是一種可以將高毒、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)榈投净驘o毒、結(jié)構(gòu)簡單的化合物的污染復(fù)技術(shù)，并具有高效、低成本、污染少

5、等優(yōu)點。微生物降解已成為最主要的多環(huán)芳烴污染土壤的修復(fù)技術(shù)。降解多環(huán)芳烴的微生物主要為細(xì)菌和真菌。自然界中具有 PAHs 降解能力的細(xì)菌眾多，對PAHs 的遷移和轉(zhuǎn)化具有重要的貢獻(xiàn)，如芽胞桿菌屬（Bacillus）、分枝桿菌（Mycobacterium）、假單胞菌屬（Pseudomonas）等6。Zeng 等7從PAHs 污染的農(nóng)田土壤中分離出NJS-1 和NJS-P兩種分支桿菌菌株，研究它們在瓊脂板上對PAHs的降解時發(fā)現(xiàn)：上述兩菌株均能夠?qū)拧⒎?、熒蒽、蒽及苯并a芘進(jìn)行降解。Balachandran 等8從印度某地受PAHs 污染的土壤中分離出鏈霉菌（Streptomycetaceae），

6、并研究其對石油和PAHs 的降解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鏈霉菌在7 d 內(nèi)（303 K）對柴油、萘、菲去除率分別達(dá)到98.25%、99.14%、17.5%。相較于細(xì)菌而言，真菌能降解 PAHs 的種類并不多，但降解PAHs 的效率通常高于細(xì)菌，特別是在降解高環(huán)多環(huán)芳烴方面表現(xiàn)突出。很多研究表明，一些絲狀真菌（filamentous fungi）、擔(dān)子菌（basidiomycetes）、白腐菌（white-rot fungi）和半知菌（deuteromycetes）對四環(huán)或者更高環(huán)數(shù)PAHs 的降解具有一定的優(yōu)勢。其中白腐菌（white-rot fungi）可分泌由過氧化物酶和漆酶等組成的胞外木質(zhì)素降解酶系，

7、形成具有高效PAHs 降解體系，對芘、苯a并芘等的降解效果明顯9。3微生物降解PAHs 機(jī)理3.1好氧降解好氧生物降解過程也稱為有氧呼吸，指微生物在有氧的情況下對污染物質(zhì)的降解過程，是目前最主要的微生物修復(fù)技術(shù)。圖1 以菲為代表列出了好養(yǎng)細(xì)菌降解多環(huán)芳烴的一般途徑10。好養(yǎng)細(xì)菌降解多環(huán)芳烴主要是通過產(chǎn)生雙加氧酶作用于苯環(huán)，在芳環(huán)上加入兩個氧原子，然后再經(jīng)過氧化形成順式二氫二羥基化菲，順式二氫二羥基化菲繼續(xù)脫氫形成單純二羥基化的中間體，而后被進(jìn)一步代謝為鄰苯二甲酸等其他中間產(chǎn)物，有望最終降解為水和二氧化碳。 真菌對多環(huán)芳烴的降解可分為兩種不同的機(jī)制：一是木質(zhì)素降解酶系體系11，二是單加氧酶降解體

8、系12。木質(zhì)素降解酶系包括木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶，這些酶對底物的作用不具有特異性，能夠氧化很多不同種類的有機(jī)物。如圖2所示，真菌通過向胞外分泌木質(zhì)素降解酶可將PAHs（菲）氧化成醌，然后經(jīng)過加氫、脫水等作用使PAHs 得到降解。單加氧酶對PAHs 的降解機(jī)制是在細(xì)胞色素P-450 單加氧酶的催化作用下向PAHs（菲）苯環(huán)上加氧形成芳香環(huán)氧化物，然后經(jīng)環(huán)氧化物水解酶催化水合形成反式二氫二羥基化中間體；催化加氧反應(yīng)得到的有些芳香環(huán)氧化合物不穩(wěn)定，將繼續(xù)反應(yīng)生成酚的衍生物，并與硫酸鹽、葡萄糖、木糖或葡糖醛酸結(jié)合進(jìn)行重排，得到高水溶性、低毒性的降解中間產(chǎn)物，其更容易被進(jìn)一步降解?？傮w而言

9、，無論是細(xì)菌還是真菌，多環(huán)芳烴的好氧降解的第一步均是向苯環(huán)上加入氧原子，加氧的快慢決定微生物對 PAHs 降解的效率。3.2厭氧降解厭氧微生物可以利用硝酸鹽、硫酸鹽、鐵、錳和二氧化碳等作為其電子受體，將有機(jī)化合物分解成更小的組分，往往以二氧化碳和甲烷作為最終產(chǎn)物。與好氧降解相比，PAHs 的厭氧降解進(jìn)程較慢。當(dāng)PAHs 濃度偏高時，PAHs 的厭氧降解明顯被抑制。相關(guān)的文獻(xiàn)關(guān)于多環(huán)芳烴厭氧降解機(jī)制的報道以萘居多，而有關(guān)微生物厭氧降解高環(huán)數(shù)多環(huán)芳烴的報道很少。有研究表明，厭氧降解萘的第一步是羧化作用，苯環(huán)上的H 被羧基取代分別形成2-萘甲酸和菲羧酸，萘經(jīng)羧化形成2-萘甲酸后激活了苯環(huán)的水解活性，

10、然后2-萘甲酸經(jīng)過逐級的氫化作用轉(zhuǎn)化為十氫-2-萘甲酸13（圖3）。4 影響生物修復(fù)的因素4.1 PAHs 的性質(zhì)PAHs 的性質(zhì)主要指PAHs 的可生物利用性，是影響微生物修復(fù)的重要因素之一。PAHs 是憎水性物質(zhì)。隨著環(huán)數(shù)的增加，PAHs 的憎水性增強(qiáng)，揮發(fā)性也減小，易吸附于固體顆粒表面和有機(jī)腐殖質(zhì)。有研究表明，PAHs 吸附在土壤中的時間越久越不易被生物利用14。為此，人們常通過增加表面活性劑、溶解性有機(jī)質(zhì)、有機(jī)酸等以便將PAHs 從固體顆粒表面和有機(jī)腐殖質(zhì)中解吸出來，從而提高微生物的可利用性。劉魏魏等15研究了生物表面活性對微生物修復(fù)多環(huán)芳烴污染土壤的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加鼠李糖脂和接種多

11、環(huán)芳烴專性降解菌能明顯促進(jìn)土壤中PAHs 總量和各組分PAHs 的降解。4.2 氧 無論是真菌還是細(xì)菌在好氧代謝多環(huán)芳烴時，氧是微生物進(jìn)行好氧代謝的重要物質(zhì)條件。目前生物修復(fù)技術(shù)中的氧源主要有O2和H2O2等。Boyd 等16測定了溶解氧對淡水河口底泥中PAHs 生物降解的影響，當(dāng)溶解氧高于70%時，PAHs 的礦化率呈指數(shù)型增長，而溶解氧低于40%時，PAHs 的礦化受到抑制，因此環(huán)境中氧的含量充足與否對多環(huán)芳烴的好氧降解有著重要的影響。在以H2O2 作為氧源的生物修復(fù)技術(shù)中，適當(dāng)增加H2O2 能夠增強(qiáng)PAHs的氧化效率，但濃度過高會對微生物細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，在實際操作過程中應(yīng)當(dāng)把握好H2O

12、2 的用量，從而使H2O2 毒性最小化，提高PAHs 氧化率。4.3 溫度溫度是土壤中微生物活性的重要影響因素，土壤中細(xì)菌和真菌的最適生長溫度298303 K17。在不同溫度條件下微生物對PAHs 的降解有著明顯的差異，低溫條件下微生物活性會受到抑制，致使微生物對 PAHs 的降解能力下降；高溫條件下酶會因結(jié)構(gòu)被破壞而失去活性、微生物存活率降低，也會使微生物對PAHs 的降解能力下降。 溫度除了影響微生物活性之外，還會引起土壤中氧的含量和PAHs 性質(zhì)的變化，間接對PAHs的降解產(chǎn)生影響。Maliszewska-Kordybach18的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中PAHs 濃度隨著溫度升高而減少。4.4

13、pH 土壤微生物對pH 值的變化敏感，當(dāng)pH 降低，土壤微生物多樣性下降；當(dāng)pH值小于5.0 時，生物活性受阻，因而微生物對PAHs的降解能力會受到周圍環(huán)境pH的影響。Zhao 等19在上海某煉油廠區(qū)域分離出施氏假單胞菌(Pseudomonas stutzeri)ZP2，研究其對菲的降解發(fā)現(xiàn)最適pH 為8.0。有些微生物則對環(huán)境中pH 的變化并不是很敏感，例如Kästner 等20發(fā)現(xiàn)一株少動鞘氨醇單胞菌(Sphingomonaspaucimobilis)BP9 在pH 值為5.2 和7.0 的條件下對芘的降解效果基本相同。對于某些嗜極性菌種，在極性pH 條件下也能降解PAHs21。

14、4.5 營養(yǎng)物質(zhì)碳源、氮源以及無機(jī)鹽是微生物生長所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，然而微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的量要求不盡相同，如少動鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas paucimobilis)EPA505 能夠利用熒蒽（C16H10）作為唯一碳源和能源進(jìn)行生長。給微生物提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)可以提高微生物修復(fù)性能22。5 PAHs 的生物修復(fù)技術(shù)土壤微生物修復(fù)技術(shù)是指利用PAHs 降解菌在適宜的條件下，通過自身的代謝活動對土壤中PAHs進(jìn)行轉(zhuǎn)化、降解與去除的方法。以下介紹3 種常用的PAHs 生物修復(fù)技術(shù)：原位處理法、堆肥法、生物反應(yīng)器法。5.1 原位處理法 原位處理指在現(xiàn)場以土壤作為處理系統(tǒng)通過微生物的自然代謝

15、方式來完成對污染土壤修復(fù)的技術(shù)。一般可在土壤中加入營養(yǎng)鹽、水和氧來刺激土著微生物對PAHs 的代謝，必要時還可以引入微生物、添加表面活性劑來提高微生物降解能力。此方法適用于處理污染面積大，污染深度高的土壤。Mahmoudi 等23在路易斯安那州鹽澤地，研究了土著微生物群對該地深水平線下石油污染土壤的處理狀況；在石油污染的區(qū)域在深度為3 m 的范圍內(nèi)，未溶解的復(fù)雜混合物濃度為26 46550 380mg·kg-1；烷烴濃度為1 3036 987 mg·kg-1；PAHs濃度為16.299.4 mg·kg-1；經(jīng)過11 個月的微生物處理，污染物濃度去除了80%90%，

16、18 個月后污染物濃度基本得到去除。5.2 堆肥法 又稱生物堆制法、堆腐法，是將受污染的土壤挖掘出來，運輸?shù)教幚韴龅?，加入干草、樹葉、木屑、麥稈、草炭、鋸屑及肥料等土壤調(diào)理劑以提供微生物生長的營養(yǎng)，并且用石灰調(diào)節(jié)其pH，為微生物的生長代謝提供良好的環(huán)境以促進(jìn)污染物的降解。生物堆處理污染土壤時有較高的效率。毛麗華等24應(yīng)用生物堆肥法修復(fù)油田污染土壤， 40d 后原油去除率達(dá)45%。生物堆肥法可提高土壤的滲透性，改善土壤質(zhì)量，縮短污染土壤的修復(fù)時間。5.3 生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器是一種特定設(shè)計制作的容器，可將污染土壤置于其中，利用微生物的代謝作用可實現(xiàn)對污染物的降解。生物反應(yīng)器能夠使微生物和土壤均勻

17、混合，極大地增加微生物與污染物的接觸率，從而提高修復(fù)效率。Moscoso 等25在連續(xù)攪拌釜內(nèi)加入葡萄球菌和芽孢桿菌，采用補(bǔ)料-分批培養(yǎng)的方式降解含菲、芘及苯a并蒽的土壤，經(jīng)過培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)菲、芘和苯a并蒽的降解率都接近100%。Wang 等26對兩-液-相反應(yīng)器中土著微生物群修復(fù)PAHs 污染土壤的性能做了研究，以硅油作為有機(jī)相增加PAHs 的可生物利用性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)萘、芴、菲、蒽、熒蒽、芘在4 50 d 可以被生物完全地降解；高環(huán)PAHs 在經(jīng)過幾個延滯期后也迅速的得到降解。另外，向生物反應(yīng)器中加入有機(jī)廢棄物可以強(qiáng)化微生物對PAHs 污染土壤的修復(fù)。6 展望 土壤多環(huán)芳烴的污染和修復(fù)一直是人們關(guān)注

18、的熱點，雖然多環(huán)芳烴的修復(fù)研究已取得一定成果，但還有很多方面需要進(jìn)一步深入探索。例如：1）篩選或培育出具有更高 PAHs 降解能力的微生物，并能夠?qū)ν寥乐懈攮h(huán)數(shù)PAHs 實現(xiàn)高效去除；2）深入研究3環(huán)以上PAHs 的微生物厭氧降解機(jī)制；3）分析微生物降解PAHs 的最適環(huán)境因素和工藝過程參數(shù)，進(jìn)行中試試驗評估技術(shù)可行性，優(yōu)化修復(fù)技術(shù)體系，以便將其應(yīng)用到實際工程項目，提高修復(fù)效率。 參考文獻(xiàn)：1 曹云者, 柳曉娟, 謝云峰 et al. 我國主要地區(qū)表層土壤中多環(huán)芳烴組成及含量特征分析J. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報. 2012, (01): 197-203.2 Zhang YX, Tao S, Shen H

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