微生物修復(fù)受石油污染土壤的研究進(jìn)展

1、微生物修復(fù)受石油污染土壤的研究進(jìn)展曾憲軍1, 劉登魁2(1. 湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖南長沙410127;2. 湖南省農(nóng)業(yè)廳, 湖南長沙410005摘要:石油污染土壤的微生物修復(fù)技術(shù)是利用微生物來降解土壤中的石油烴類污染物。綜述了國內(nèi)外這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,主要包括微生物修復(fù)技術(shù)中的好氧、厭氧降解, 共代謝機(jī)理和影響微生物降解的因素以及提高降解效率的措施。關(guān)鍵詞:石油污染土壤; 微生物修復(fù); 影響因素中圖分類號(hào):S53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-060X (2006 02-0036-03Bioremediation Technology of Soil Contaminated by

2、 PetroleumZEN G X ian -jun 1, LI U Dong -kui 2(11Hunan Biological and Electromechanical pdytechnic , Changsha 410127, PRC; 2. Hunan Agricultural Department , 410005, PRC Abstract :Using microorganism to degrade petroleum hydrocarbon is important technology dis 2posing the s oil contaminated by petro

3、leum. This paper discusses the m the mechanism of aerobic , anaerobic degradation , cometabolism in the process of the biodegradation and methods used to im 2prove degradation efficiency.K ey w ords :S oil contaminated by fluencing factor, , 分散土粒, 氮、磷結(jié)合并限制硝化作用和脫磷酸作用, 從而使土壤有效氮、磷的含量減少。其中的多環(huán)芳烴等, 因具有“三致

4、”效應(yīng)和通過食物鏈在生物體內(nèi)富集, 故其在土壤中的累積更具危害性1。石油污染土壤的治理技術(shù)主要有熱處理、物理化學(xué)處理和生物處理2。熱處理雖能破壞大部分污染物, 但會(huì)破壞土壤有機(jī)質(zhì)、降低土壤肥力, 且常常因?yàn)橘M(fèi)用太昂貴而難以實(shí)施; 物理化學(xué)法也可以獲得較好的除油效果, 但所采用化學(xué)試劑的二次污染問題限制了它的應(yīng)用; 石油污染土壤的微生物修復(fù)是利用微生物將存在于土壤的石油烴類污染物降解成二氧化碳或轉(zhuǎn)化成為無害物質(zhì)的工程技術(shù)系統(tǒng)。與前兩種方法相比, 微生物修復(fù)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):成本低, 不破壞土壤環(huán)境, 污染物氧化完全, 沒有二次污染, 可原位處理, 操作相對(duì)簡單3。因此, 生物修復(fù)技術(shù)倍受重視,

5、具有廣闊的應(yīng)用前景。收稿日期:2005-09-14基金項(xiàng)目:湖南省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣項(xiàng)目(05030作者簡介:曾憲軍(1971- , 女, 湖南邵東縣人, 助理研究員,主要從事土壤肥料教學(xué)與研究工作.1微生物降解石油烴污染物的機(jī)理按對(duì)氧氣的需求情況來分, 微生物主要以兩種方式降解污染物, 即好氧降解與厭氧降解。按利用污染物的情況來分, 微生物主要以兩種方式進(jìn)行代謝:以污染物作為唯一的碳源和能源; 污染物與其它有機(jī)質(zhì)進(jìn)行共降解。微生物通過不同方式最終將污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無毒的終產(chǎn)物如水、C O 2、簡單醇或酸及微生物自身的生物量4。1. 1好氧與厭氧降解好氧微生物降解一直是石油污染物的主要處理方式,

6、對(duì)其已有較深的研究。在好氧微生物細(xì)胞內(nèi), 稠環(huán)芳香烴的第一步往往是由加氧酶啟動(dòng)的, 例如單氧酶和雙氧酶。單氧酶將一個(gè)氧原子引入PAHs (多環(huán)芳烴 , 產(chǎn)生環(huán)氧化合物中間體, 然后通過水分子的加成形成反式-二醇和酚類; 雙氧酶將氧分子引入PAHs , 產(chǎn)生二氧化合物中間體, 繼而氧化為順式-二醇, 而后轉(zhuǎn)化為二羥基化合物, 接著苯環(huán)斷開生成羧酸。降解中的產(chǎn)物被微生物用來合成自身的生物量, 同時(shí)產(chǎn)生水和C O 23。近年來, 對(duì)石油污染的厭氧處理開始引起國內(nèi)外研究者的關(guān)注。與好氧處理相比, 厭氧處理有優(yōu) 湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)2006, (2 :3638,39Hunan Agricultural Scie

7、nces 點(diǎn)也有缺點(diǎn)。在好氧條件下, 低環(huán)芳烴會(huì)被好氧微生物降解, 但四環(huán)以上的多環(huán)芳烴卻無明顯降解效果。厭氧微生物在NO 3-、S O 42-、Fe 3+等作為電子受體的條件下, 能降解部分好氧處理不能降解的物質(zhì)。但厭氧菌的培養(yǎng)速度和對(duì)污染物的降解速度卻比好氧處理慢得多5。研究表明6, 石油污染物在自然條件下的厭氧處理能否進(jìn)行的關(guān)鍵在于厭氧微生物所處環(huán)境受石油污染的時(shí)間長短, 這是由于土壤微生物需要對(duì)環(huán)境有一個(gè)適應(yīng)的過程, 污染時(shí)間越長, 土壤微生物就越能適應(yīng), 從而能產(chǎn)生出相應(yīng)的降解酶。另外, 電子受體對(duì)厭氧降解的影響也很大。研究表明, 在有混合電子受體的條件下, 更有利于石油烴的降解,

8、故可通過加混合電子受體的方式加強(qiáng)修復(fù)7。但必須注意電子受體的添加量, 當(dāng)硝酸鹽過多未被微生物利用完全時(shí), 就可能會(huì)產(chǎn)生次生污染; 硫酸鹽還原后還會(huì)產(chǎn)生H 2S , 產(chǎn)生惡臭和毒害。1. 2共代謝在降解有機(jī)污染物工程中, 在著多種關(guān)系。其中, 用(cometabolism 種微生物所代謝, 8。在微生物共代謝反應(yīng)中產(chǎn)生的既能代謝轉(zhuǎn)化生長基質(zhì)又能代謝轉(zhuǎn)化目標(biāo)污染物的非專一性的酶, 是微生物共代謝反應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵, 因此這種酶也被稱為關(guān)鍵酶。真菌分泌的單氧酶和細(xì)菌分泌的雙氧酶是目前好氧共降解中主要的關(guān)鍵酶。關(guān)鍵酶通常處在反應(yīng)的前端或末端, 它的數(shù)量和活性是決定整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行速度和程度的關(guān)鍵。研究表明9,

9、 在沒有生長基的條件下, 關(guān)鍵酶消失的速度比微生物細(xì)胞數(shù)量減少的速度要快的多, 可影響整個(gè)降解速率。關(guān)鍵酶的一個(gè)重要特點(diǎn)是具有可誘導(dǎo)性, 即微生物以一定濃度的目標(biāo)污染物的類似物作為生長基質(zhì)時(shí), 能合成并釋放關(guān)鍵酶。同時(shí), 在選擇誘導(dǎo)物的時(shí)候, 要考慮其成本、毒性、與非生長基對(duì)關(guān)鍵酶的競爭等方面的因素。雖然高濃度的生長基能夠增加微生物的數(shù)量和提高關(guān)鍵酶的濃度, 但同時(shí)也會(huì)與目標(biāo)污染物在共代謝的過程中競爭關(guān)鍵酶上有限的活性位置, 反而限制了目標(biāo)污染物的降解。但在沒有誘導(dǎo)物存在的情況下, 條件很難控制, 關(guān)鍵酶減少的速度相當(dāng)快10。油污土壤中含有多種多環(huán)芳烴, 如果能在實(shí)驗(yàn)室中模擬具體污染區(qū)中的各種

10、多環(huán)芳烴的比例, 選擇并培養(yǎng)馴化相應(yīng)的微生物對(duì)污染物進(jìn)行共代謝, 就能避免投加誘導(dǎo)物, 避免外加的其它污染。2影響石油烴微生物降解的因素2. 1微生物因素影響有機(jī)物降解的生物體因素主要是微生物的種類和數(shù)量。石油烴類化合物種類很多, 其中PAHs 等難降解的有機(jī)物, 其降解過程一般較長, 而且會(huì)有中間產(chǎn)物產(chǎn)生。因此, 系統(tǒng)中必須有具備分解各種成分的酶的微生物, 即要求有各種微生物共存的微生物群體。土壤生態(tài)系統(tǒng)中, 石油烴降解菌雖然普遍存在, 但一般只占細(xì)菌總數(shù)的0. 13%0. 50%, 而且對(duì)污染物的降解速率很低。因此, 。LI 等曾嘗試11, 效果有明顯提, 它是一種可在胞外產(chǎn)生過氧化氫酶的

11、微生物。過氧化氫酶可以產(chǎn)生過氧化氫。如果能考慮將其與其它土著菌種結(jié)合起來進(jìn)行共代謝, 可能會(huì)有很好的降解效果。2. 2污染物本身的因素石油分為原油和精煉油兩大類。精煉油由原油精煉得到。原油可分為烴類、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)三部分, 其分子量從16到約100000。其中, 支鏈烴中姥鮫烷(C 19 和植烷(C 20 濃度最高。常見的精煉油有石油醚、汽油、煤油、重燃料等。首先, 生物降解率與烴類化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般來說, 微生物對(duì)烴類降解率由大到小為:鏈烴>環(huán)烴>雜環(huán)烴>芳香烴; 單環(huán)烴>多環(huán)烴; 在C 12以下, 長鏈烷烴>短鏈烷烴,C 12以上的情況比較復(fù)雜; 不飽和

12、烴>飽和烴; 支鏈數(shù)量少>支鏈數(shù)量多等。其次, 生物降解率與石油污染物的生物可達(dá)性有關(guān)。許多土壤系統(tǒng)中, 由于油的疏水性、土壤膠體對(duì)油的吸附性、油的揮發(fā)性或不能溶解到土壤有機(jī)物中等原因, 使微生物不能與之充分接觸, 影響了降解效果12。此外, 土壤中油的濃度也影響微生物的活性。少量烴類進(jìn)入土壤時(shí), 不但不會(huì)影響土壤的通氣性, 同時(shí)還作為土壤有機(jī)質(zhì)促進(jìn)土壤微生物活性, 有利于污染物的降解。但進(jìn)入土壤的油濃度過高時(shí), 土73第2期曾憲軍等:微生物修復(fù)受石油污染土壤的研究進(jìn)展 壤孔隙就會(huì)被堵塞, 影響通氣性, 對(duì)微生物造成不利影響, 而且大量土壤結(jié)構(gòu)的活性表面會(huì)被油類包裹, 使微生物失去

13、良好的活動(dòng)場所, 微生物的活性受到抑制, 其降解能力下降。2. 3土壤環(huán)境條件2. 3. 1土壤結(jié)構(gòu)土壤的結(jié)構(gòu)影響其透氣性、過濾速度及對(duì)廢物的吸附能力等。當(dāng)土壤透氣性好時(shí), 有利于氣體的交換, 有利于微生物降解。但若土壤的孔隙率過大, 水分在當(dāng)中的下滲速度太快, 油類就會(huì)隨之深入下層土壤, 污染地下水。而在粘性很強(qiáng)的土壤中, 不但沒有足夠的氧氣供微生物降解, 還會(huì)因?yàn)橥寥滥z體對(duì)污染物的吸附, 使其無法與微生物充分接觸而阻礙了降解。2. 3. 2土壤內(nèi)環(huán)境在油污土壤中, 溫度能影響微生物降解效率。研究表明13, 在一定溫度以下, 隨著溫度的升高, 烴的代謝率增加, 一般在3040時(shí)達(dá)到最大。溫度

14、繼續(xù)升高, 烴的膜毒性增大。而在低溫時(shí), 油粘度增加, 有毒短鏈烷烴揮發(fā)性下降, 生物起動(dòng)滯后。石油烴生物降解的最適溫度為30。點(diǎn)、; 另一方面, 空氣補(bǔ)充了土壤中的氧氣, 為沸點(diǎn)高、分子量大的組分的微生物降解提供了電子受體14。目前, H 2O 2也廣泛用于補(bǔ)充氧源。H 2O 2不僅能分解補(bǔ)充微生物降解消耗掉的氧氣, 還能直接氧化土壤中少量的污染物。而且在H 2O 2存在的情況下, 處理系統(tǒng)的pH 值能夠維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài), 有利于保持微生物活性。加入H 2O 2后, 微生物有足夠的電子受體將反應(yīng)進(jìn)行下去15。雖然H 2O 2對(duì)油污土壤的微生物氧化環(huán)境有很大的改善作用, 但由于它是很強(qiáng)

15、的氧化劑, 當(dāng)它在土壤中的濃度超過一定值時(shí), 就會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生殺滅作用。H 2O 2濃度以100mg/L 以內(nèi)比較合適16。土壤養(yǎng)分和土壤含水量也是影響微生物處理效果的重要因素。在油污土壤中, 有機(jī)碳含量很高, 碳已不是限制條件。但由于石油烴富含的反應(yīng)基能限制硝化、脫磷作用, 使得土壤有效氮、磷含量很少。只有在碳氮磷比例適合時(shí), 土壤微生物才能正常生長。一般認(rèn)為, 土壤碳氮磷和微生物的物質(zhì)組成越接近越有利于提高降解能力。土壤濕度過低時(shí), 微生物活動(dòng)就會(huì)因?yàn)榈貌坏匠渥愕乃止?yīng)而被抑制; 若土壤水含量過高, 其孔隙就會(huì)被堵塞, 氧氣供應(yīng)就會(huì)受到阻礙17。除了上述因素外, 鹽度也是影響油污土壤微生

16、物降解的一個(gè)因素。研究表明13, 土壤中油的降解率隨著鹽度的增加而降低, 這并不是因?yàn)辂}使微生物數(shù)量減少, 而是因?yàn)辂}降低了微生物的活性。3展望受石油污染土壤的微生物修復(fù)于20世紀(jì)中后期提出后, 到目前為止, 對(duì)于這方面的研究已有了很大的進(jìn)展18、19。最初研究較多的主要是微生物對(duì)有機(jī)污染物的好氧降解, 但由于一般的好氧降解對(duì)四環(huán)以上PAHs 的降解效果不顯著, 部分研究者提出了微生物的厭氧降解和共代謝處理等修復(fù)方法, 這些方法較一般好, 有望得到推廣和。, , 研究了減少影響提高降。但由于微生物修復(fù)受石油污染土壤是一個(gè)復(fù)雜的過程, 對(duì)其中許多的機(jī)理和過程尚未完全明確, 而且由于各種環(huán)境條件的

17、復(fù)雜性, 該領(lǐng)域的研究還需進(jìn)一步的拓寬和深入。參考文獻(xiàn):1丁克強(qiáng), 孫鐵珩, 李培軍, 石油污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)J1生態(tài)學(xué)雜志,2000,19(2 :50-5512何良菊, 魏德州, 張維慶1土壤微生物處理石油污染的研究J1環(huán)境科學(xué)進(jìn)展,19997(3 :110-11513丁克強(qiáng), 駱永明1生物修復(fù)石油污染土壤J1土壤,2001, (4 :179-184, 19614張金麗, 鄭天凌1多環(huán)芳烴污染環(huán)境的控制與生物修復(fù)研究進(jìn)展J1福建環(huán)境,2002,19(2 :26-2915G rishchekov V G, T ownsend R T , M cD onald T J , et al. De

18、gradationof petroleum hydrocarbons by facultative anaerobic bacteria under aero 2bic and anaerobic conditions J.Process Biochemistry , 2000, 35:889-89616Lory A Hayes , K elly P Nevin , Derek R Lovley 1R ole of prior exposureon anaerobic degradation of naphthalene and phenanthrene in marine harbor se

19、dimentsJ.Organic G eochemistry , 1999, 30:937-94517Boopathy L. , Use of anaerobic s oil slurry reactors for the rem oval ofpetroleum hydrocarbons in s oil. International Biodeterioration and Biodegradation , 2003, 52:161-166.8張錫輝1高等環(huán)境化學(xué)與微生物學(xué)原理及應(yīng)用M, 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,200119Chang H L , Alvarez -cohen L , M o

20、del for the cometabolic biogradationof chlorinated organicJ.Enviro. Sci. T echnol. , 1995, 29:2356-2367.10 Chang H L ,Alvarez -cohen L ,T w o -stage methanotrophic bioreactor83湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)第2期層次分析法在耕地地力評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定中的應(yīng)用危向峰1, 段建南2, 胡振琪1, 王建峰1(1. 中國礦業(yè)大學(xué)資源與安全工程學(xué)院, 北京100083;2. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 長沙410128摘要:以寧鄉(xiāng)縣為例, 根據(jù)耕地資

21、源特點(diǎn)及耕地地力評(píng)價(jià)的原理, 采用層次分析法確定耕地地力評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。研究表明,該方法較好地適用于評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定, 使耕地地力評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)定性與定量相結(jié)合, 應(yīng)用該方法得到的最終結(jié)果與該縣的實(shí)際情況比較符合。關(guān)鍵詞:耕地地力; 層次分析法; 權(quán)重中圖分類號(hào):S114文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-060X (2006 02-0039-04Applying Analytic H ierarchy Process to Determining F armlandProductivity Evaluation F actors WeightWEI X iang -feng 1,DUAN Jian

22、 -nan 2,HU qi 1feng 1(1. Institute o f Resource &Safety Engineering , China Univer sity 100083, PRC;2. College o f Resources and Environment , Hunan , Changsha 410128, PRC Abstract :T aking Ningxiang county , , , according to the principles of land evaluation , the methodof Analytical Hierarchy

23、study to obtain the weight of evaluating factors. Results show that AHP adapt to judge and intergraded to quantificational and qualitative in evaluation of farmland pro 2ductivity. The county s real instance.K ey w ords :productivity ; analysis hierarchy process (AHP ; weight耕地質(zhì)量方面, 據(jù)粗略估計(jì), 高產(chǎn)農(nóng)田僅占總量的

24、40%50%, 低產(chǎn)田占30%左右1。因此, 評(píng)價(jià)耕地地力對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展相當(dāng)重要。耕地地力評(píng)價(jià)因子較多, 主要包括氣候、地形部位、地面坡度、成土母質(zhì)、剖面構(gòu)型等。在以往的評(píng)價(jià)中, 人收稿日期:2005-10-30作者簡介:危向峰(1981- , 男, 湖南常德市人, 碩士, 主要從事土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究。們多根據(jù)實(shí)際需要采用土壤性質(zhì)或環(huán)境因素與作物產(chǎn)量的關(guān)系表示耕地地力的關(guān)系, 很少有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)2。本文以寧鄉(xiāng)縣為研究對(duì)象, 運(yùn)用層次分析法(AHP 確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重, 試圖為耕地地力評(píng)價(jià)的定量化、高效化、標(biāo)準(zhǔn)化提供依據(jù)。1評(píng)價(jià)區(qū)概況寧鄉(xiāng)縣位于湘中偏北、洞庭湖南緣,111°5311