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北極星環境修復網訊:摘要:石油汙染土壤的生物修復技術具有成本低、簡便高效、對環境影響小等優點，正逐步成為石油汙染治理研究的熱點領域，具有廣闊的發展前景。介紹了我國的石油汙染概況及物修復技術在石油汙染治理中的應用，重點對石油汙染土壤的微生物修復、植物修復、植物．微生物聯合修復技術的研究進展及各自的優點、局限性進行了綜述，並提出了石油汙染土壤生物修復技術研究的重點領域。
關鍵詞:石油 汙染土壤 微生物修復 植物修復
石油汙染已成為當今世界性公害之一。據統計，僅石油汙染一項每年全世界就有800萬t進入環境。石油汙染泛指原油和石油初加工產品(包括汽油、煤油、柴油、重油和潤滑油等)及各類油的分解產物所引起的汙染。石油中的許多成分如苯、甲苯、乙苯、菲、苯並[a]芘等都被列為美國環保局(EPA)優先汙染物範圍，這些汙染物具有潛在的致突變性和致癌性，可通過直接或間接方式對環境和人體健康帶來嚴重損害。
1 我國的石油汙染概況
我國作為石油生產、消費大國，由於生產條件、環保技術等方面相對落後，石油汙染問題相當突出。據統計，我國有機汙染土壤面積約為0.2億hm2，其中石油汙染佔相當比例。我國自1978年原油年產量突破1億t大關而成為世界十大產油國之一以來，目前勘探開發的油氣田和油氣藏已有400多個，年產石油汙染土壤近10萬t，累計堆放量近50萬t。以油田為例，每口油井汙染的土地面積為200～500 m2，全國共有油井20萬口，由此造成的土壤汙染可達8000萬m2，這一數值每年還在增長中。據統計，我國每年有60萬t石油經跑、冒、滴、漏途徑進入環境，對土壤、地下水、地表水造成汙染。此外：汙灌也是造成土壤石油汙染的原因之一，如瀋撫灌區汙灌面積達0.87萬hm2，全國類似農田有10萬hm2，致使農作物中汙染物嚴重超標，農產品質量低下，同時也造成了嚴重的地下水汙染。隨著石油開採和使用量的增加，大量的石油及其產品進入環境，不可避免地對環境造成了汙染，給生物和人類帶來了嚴重危害。
2生物修復技術在石油汙染治理中的應用
與化學、物理方法相比，生物修復對人和環境造成的影響小，且修復費用僅為傳統物理、化學修復的30％～50％。，是一種高效、經濟和環境友好的清潔技術。目前生物修復技術主要用於土壤、地下水和海洋的汙染治理，並主要以原位修復為主。
1972年美國清除賓夕法尼亞州的Ambler管線洩漏的汽油是史料所記載的生物修復技術的首次應用，初期規模很小，直到1989年，美國阿拉斯加海域受到大面積石油汙染以後，才首次大規模應用生物修復技術，可以說阿拉斯加海灘溢油的生物修復是生物修復發展的裡程碑H。目前，石油汙染的海面和海灘通常採用以下3種方式進行生物修復：①投加表面活性劑，增加石油與海水中微生物的接觸面積；②投加高效降解石油的微生物，增加微生物的種群數量；③投加N、P等營養源，促進土著微生物對石油的降解。其中投加營養鹽進行生物修復的應用相對較多。
在石油汙染土壤的生物修複方面也有比較成功的例子。1992年10月，在阿根廷Puerto Rosales集散地，通過施用肥料，靠土著微生物清除了700 t油罐的洩漏；科威特曾因石油洩漏汙染了大片土地，科學家採用微生物技術成功地進行了降解。海灣戰爭期間，科威特被破壞的油田流出的原油造成500 hm2土壤汙染，1994年日本大林組公司與該國科研人員一起進行生物修復實驗，通過向含油(TPH)2％～40％的土壤中添加氮、磷營養素及木屑等，並通過土地耕耘、強制通風等措施處理，15個月後TPH分解75％～85％。生物修復技術的發展為石油汙染的治理提供了一個經濟有效的方法，被認為具有廣闊的發展前景。
3石油汙染土壤的生物修復研究進展
隨著研究的不斷深入，石油汙染土壤的治理方法已由最初的細菌修復拓展到真菌修復、植物修復及微生物．植物聯合修復。
3.1 微生物修復
微生物修復是研究最多、應用也最為廣泛的一種生物修複方法。由此產生一系列生物修復技術如土耕法、生物通氣法、預製床法、堆肥法、生物反應器等。微生物修復技術是利用土壤中的土著菌或向汙染土壤中接種選育的高效降解菌，在優化的環境條件下，加速石油汙染物的降解。國內外許多研究者對石油汙染土壤的微生物降解原理、影響因素、降解菌篩選等方面進行了大量研究。在應用高效降解菌修復汙染土壤時，修復的效果主要取決於微生物在不同汙染生態系統中的存活與性能，其生長限制因子包括與其他微生物的競爭、土壤環境條件等。
在石油組分中飽和烴最易降解，其次是低分子量芳香烴，高分子量芳香烴、膠質和瀝青質則極難降解。不少研究表明，利用特定細菌對石油類物質的共代謝作用可以有效去除某些難降解有機物。Bertrand等發現，難降解的瀝青和樹脂可以通過共氧化作用進行降解。Rontani等也發現了瀝青質的共氧化作用，同時報導了瀝青質的生物降解依賴於烷烴的存在。通過改善土壤環境條件可以提高微生物活性、加速石油的生物降解。鍾毅等選用原油汙染土壤進行了投加除油菌、調節氮磷營養含量和水分含量的強化修複試驗，180 d後油去除率達70．6％，石油半衰期由自然條件下的929 d減少為103 d。張旭等發現在翻耕和調節土壤含水率的條件下，微生物的降解速率大大加快，石油半衰期由對照的173 d減少到90 d，在綜合生物治理的條件下，石油半衰期可縮短至42 d。此外，添加表面活性劑Ⅲ、木屑和蛭石等調理劑、提供電子受體等措施也有很好的強化效果。影響微生物降解速率的因素主要有土壤pH值、溫度、溼度、氧氣含量、各種營養物質及微量元素含量等。石油類物質微生物降解的適宜條件為pH 6～8，溫度15—30℃，溼度70％～80％，養分比例(m)C：N：P=25：1：0．5嵋。藉助現代生物學手段獲得的適應極端條件的優良菌株為特殊地區的石油汙染生物修復創造了條件。
目前石油汙染土壤微生物修復研究主要集中於以下領域：(1)營養物質的添加及量的配比；(2)選擇適當的電子受體；(3)同生菌群的強化作用；(4)基因工程菌的開發；(5)石油烴生物可降解性研究；(6)表面活性劑對生物降解的強化作用；(7)吸附與擴散機制對生物降解過程的影響。
3．2植物修復
植物對有機汙染土壤的生物修復作用主要表現在植物對有機汙染物的直接吸收、植物釋放的各種分泌物或酶類促進有機汙染物生物降解及強化根際微生物的礦化作用等方面。此外，植被也可以有效改善土壤條件、增強土壤透氣性，從而提高降解效率。如Maninezz等B列用cyperw Z。並¨s處理石油汙染土壤已進人中試階段，他們認為在一定濃度範圍內植物修復能取得很好效果，但如果濃度過高，就必須進行預處理。Reilley等研究了酥油草、苜蓿、蘇丹草和三葉草對石油汙染土壤中PAHs的降解，發現在種植植物時蒽和芘的降解率有顯著提高，他們認為一方面是由於根際效應增加了根際微生物的數量，另一方面是因為根系分泌的有機物為微生物提供了共代謝底物。
在受汙染土壤上種植對石油類物質有耐受性的植被，並施用肥料，可大大加速土壤中石油類物質的降解，這是一種簡便經濟的治理方法，其關鍵是要針對不同的汙染土壤選擇適當的植物和肥料。有研究表明，有機肥比無機肥能更有效地改良石油汙染土壤的物理、化學和生物性能。該方法主要適用於表層土壤受到汙染時的治理，如採油井場的治理等。常見的適宜治理採油井場的植物有：虎尾草、輪藻、綿蓬、駱駝篙、豬毛菜、羊矛、蒺藜、旋花、蒼耳、蘆葦、蒙古冰草、防風和賴草等。對於汙染的農田土壤，可選擇種植一些對石油烴耐受性強又具有一定經濟價值的綠化苗木、花卉及經濟作物如蓖麻等，以提高治理過程的經濟效益。
植物修復的效果首先取決於植物對汙染物的同化或積累能力，而影響植物同化(積累)能力的因素除了取決於植物的遺傳特性外，植物年齡、生物量、根系發育狀況(如根毛多少、根瘤的有無)也對同化能力產生重要影響。已有研究表明，具有發達根系(根須)的植物能夠促進根際菌群對除草劑、殺蟲劑、表面活性劑和石油產品等有機汙染物的吸附、降解。此外，修復植物應具備生長快、抗性強等特點。
植物修復技術被稱為廉價的綠色修復技術，具有安全、生態效益顯著等獨特優點，如使用得當，還可帶來一定的經濟效益。植物覆蓋在土壤表面，既阻止了汙染物向大氣的釋放，也減少了汙染物的表面徑流和地下滲漏；某些植物還具有同時修復多種汙染的功能，如柳樹不僅能吸收土壤中的有機物，而且能吸收土壤中的鎘。植物修復受到汙染物濃度的限制，因此特別適合於修復大面積、低濃度的石油汙染土壤。當然，如能通過轉基因技術提高植物的適應性和降解能力，並與其他方法聯合使用，就會在土壤修復中發揮更重要的作用，其發展和應用前景已被世人矚目。
3.3 植物微生物聯合修復
植物與特殊的菌根真菌或根際菌群協同作用，增加對汙染物的吸收和降解是一個很有價值的研究方向。目前這方面研究較少。
在植物生長條件下，土壤微生物降解功能明顯增強。而一項以水稻為供試植物修復溼地土壤中礦物油和PAHs的研究表明，真菌和細菌接種量在不同汙染水平上與礦物油和多環芳烴降解率存在最佳配比關係。Carman等利用柳樹修復威斯康星州一塊被24柴油汙染的土壤，主要是利用樹木根部的根際微生物促進石油烴的生物降解，24周後，40％～90％的柴油被降解。劉鵬等舊副利用高效石油降解菌結合種植大豆、鹼草等植物對石油汙染土壤進行聯合修復，135 d後石油烴的降解率達63．65％一83．26％，同時發現根際土壤的石油烴含量明顯低於非根際土壤，研究表明，植物可以促進根際微生物的繁殖及對汙染物的分解轉化，進而提高修復效率。
菌根生物修復技術的發展為石油組分中難降解有機物的生物修復帶來了希望。很多經過篩選的外生菌根真菌能夠轉化降解持久性有機汙染物(POPs)如多氯聯苯、殺蟲劑、甲苯、PAHs等植物與菌根真菌可以形成互利的共生體——菌根，而菌根的存在可以顯著提高植物的修復效率H。
我們曾對篩選出的4種外生菌根真菌進行了純培養條件下的柴油降解實驗，結果表明，這4種外生菌根真菌都具有很強的降解柴油的能力，同時，以有機氮作為氮源及提供少量葡萄糖作為啟動碳源可大大提高其生物量及礦物油降解率，結果為應用菌根技術修復礦物油汙染土壤及優化降解條件提供了依據。
以上研究表明，通過選擇適當的植物與微生物協同作用，可實現汙染土壤的快速修復。但要達到預期效果，需要對汙染物．植物．微生物相互之間的作用關係有深入的了解，以便進行有效調控。植物一微生物聯合修復同樣受土壤溫度、溼度、養分狀況等環境條件的影響，成本相對較高，目前許多研究仍處在實驗階段。可以相信，微生物與植物修復技術的綜合運用，將是今後汙染土壤治理的一個頗有潛力的發展方向。
4展望
生物修復技術一般適於治理中、低濃度土壤石油汙染，對於高濃度石油汙染則需要與物理、化學處理方法聯合使用，作為土壤修復的最後一個步驟，以減少成本和其他修復技術對環境的影響。目前，我國在該領域的研究主要集中於微生物修復，而植物修復和植物一微生物聯合修複方面的研究還很少，特別對植物．微生物聯合修復體系的協同修復機理及控制因素等還需進一步深入研究。在基礎研究方面，除了篩選優良的修復植物或微生物品種外，如何通過遺傳學、分子生物學手段進一步提高生物的降解性能和環境適應性，是目前面臨的重要課題之一。生物修復技術雖取得了一定成功，但目前仍存在很多問題，制約著生物修復的效果，要使生物修復技術發展成為一項成熟的實用修復技術，至少還應在以下方面進行深入研究：(1)環境因子的選擇和調控，這是獲得高效處理效果的保證；(2)汙染物降解過程監測及生物修復運行周期的確定；(3)優良生物品種的選育及其活性的保持；(4)汙染物及其代謝產物的生物毒性監測與評價；(5)應用轉基因技術的安全性；(6)建立生物修復技術的統一評價程序和標準；(7)根據汙染土壤的具體狀況制定有針對性的治理方案，將生物修復技術與物理、化學處理方法有機組合，構建高效的修復技術體系，以達到科學性、合理性和可行性的統一。
原標題:石油汙染土壤的植物與微生物修復技術
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