土壤污染的生物修复
1 生物修复的概念 生物修复是指利用生物的生命代谢活动减少土壤环境中有毒有害物的浓度或使其完全无害化, 从而使污染了的土壤环境能够部分地或完全地恢复到原初状态的过程。相同的表达有生物恢复、生物清除或生物再生。相近的概念是生物净化, 但生物净化是指自然生态系统中生物对外源污染物进行的自发清除过程, 而生物修复则强调人为控制条件下生物技术的应用。我们通常所说的生物修复实际上乃是一个狭义的概念, 它主要是指利用生物技术对进入土壤环境中的难降解物质如大分子有机污染物、重金属等进行治理。按照生物技术的难易程度可将生物修复分为高、中、低三个层 次 。 高层次是指利用以基因工程为主导的现代生物技术, 构建高效降解的微生物一般通过两种方式对有机物进行代谢, 一是以有机污染物作为唯一的碳源和能源, 其二是将有机物与其它物质一起进行共代谢( 或共氧化) 。研究证实, 许多微生物能以土壤中低分子量的多环芳烃化合物 PAHs( 双环或三环) 作为唯一的碳源和能源, 并将其完全无机化, 但是共氧化更能促进四环或多环高分子量的PHAs 的降解 有机污染物的生物可利用性是影响生物修复的第二个因素。污染物的物理化学特点决定其生物可利用性。如低水溶性物质形成独立的非水相, 该相因毒性太大, 不能直接被微生物降解。疏水的污染物如PAHs、PCBs 和某些疏水性较强的化合物极易吸引于土壤固相表面, 降低了可利用性。利用表面活化剂可促进有机物的解吸与溶解。如辛苯环氧树脂能够促进水土悬浮液中 PAHs 的解吸, 提高其生物可利用性 。表面活化剂太高时不仅成本昂贵, 而且还可能导致微生物活性的下降或者作为一种母体底物先于污染物而被利用。现有研究表明, 有些 微生物能够自身产生生物表面活化剂, 这样便可降低其成本 。 影响生物可利用性的因子还有污染物的分布特性、初始污染物的数量、腐殖质类物质的存在、土壤的松散程度等。 微生物的活性也强烈地影响生物修复效果。许多情况下, 微生物会逐渐适应污染区的特定条件。为了缩短适应的期限, 提高有机污染物的降解速率, 常常从受污染土壤中分离并培育降解速率最大的微生物菌系, 然后再把它们用于土壤的生物修复。也有把对某区域适应性特强的微生物种类培养后, 再引入到受同类污染物污染的土壤。据报道用后一种方法治理石油污染土壤, 烃的去除率可提高22% 。 影响微生物活性的外界因素有土壤性质与环境条件(表1) 。其中土壤pH 值、养分比例可通过加入石灰、营养盐类肥料来调节。许多生物修复的设计中采用土壤耕耙直接充氧, 或强制通风提供充足的氧气, 使微生物能完全矿化有机污染物, 但其成本较高。有的设计中采用 H2 O2 和固体产氧剂(如过碳酸钠) 。 适于微生物降解的温度一般难以控制, 尤其是在原位修复中。 表1 影响土壤有机物降解的外界因素. 保持微生物活力所需的条件土壤温度 15℃~35℃ 土壤湿度 25%~85%的持水量土壤pH 值 5. 5~8. 5 氧化还原电位 好氧( 或兼性) : 〉50mv; 厌氧〈50mv 氧气含量好氧时占空降体积 10%以上; 厌氧时1%以下 养分比例 C: N: P= 120: 10: 1 2. 生物修复的类型 2. 1 微生物对重金属污染的修复 对于某些重金属污染的土壤, 可以利用微生物来降低重金属的毒性。研究表明, 细菌产生的特殊酶能还原重金属, 且对Cd、Co、Ni、Mn、 Zn、Pb 和Cu 等有亲合力。如Ci trobacter sp 产生的酶能使Cd 形成难溶性磷酸盐。L. Barton 等选用从 10mmol/ L Cr 6+ 、Zn、Pb 的土壤中分 出来的菌种能够将硒酸盐和亚硒酸盐还原为 胶态的Se, 能将Pb 2+ 转化为 Pb, 胶态 Se 与胶 态Pb 不具毒性, 且结构稳定 。 2. 2 植物对重金属污染的修复 植物对土壤重金属污染的修复多为原位生物修复, 其机理包括植物的萃取、根际的过滤以及植物的固化作用。植物萃取是利用植物的积累或超积累功能将土壤中的重金属萃取出来, 富集并搬运到植物可收获部分。根际过滤作用则是利用超积累植物或耐重金属植物从土壤溶液中吸收沉淀和富集有毒重金属。植物固化是利用植物降低重金属的活性, 从而减少其二次污染( 随径流污染地表水, 随渗流污染地下水) 。 至于植物的耐重金属原因可能包括回避、 吸收排除、细胞壁作用、重金属进入细胞质、重 金属与各种有机酸络合、酶适应、渗透调节等机制 。影响植物修复的首要因素是土壤重金属的特性。重金属在土壤中一般以多种形态赋存, 不同的化学形态对植物的有效性( 或可利用 性) 是不同的。其次是植物本身, 包括植物的抗逆能力、植物的耐重金属能力。当然影响植物生长的土壤与环境条件如有机质、酸碱度、 CEC、水分、土壤肥力等都将影响植物对重金属污染的修复。 2. 3 植物--微生物的联合修复 高等植物一方面可以提供土壤微生物生长的碳源和能源, 同时又可将大气中的氧气经叶、 茎传输到根部, 扩散到周围缺氧的底质中, 形成了氧化的微环境, 刺激了好氧微生物对有机污 染物的分解作用 。另外, 高等植物根际渗出液的存在, 也可提高降解微生物的活性。 运用植物和细菌共同组成的生态系统有效地 去除了土壤中的 PAHs、三氯乙稀等有机污染 物 。 3 生物修复的技术方法 3. 1 原位生物修复技术 3. 1. 1 投菌法 直接向遭受污染的土壤接入外源的污染降解菌, 同时提供这些细菌生长所需营养。 Cutright 等使用 3 种 补充的营养液与 Mycobacterium sp. 一起注入土壤中, 已取得了良好的效果 。 3. 1. 2 生物培养法 定期向土壤投加 H2 O2 和营养, 以满足污染环境中已经存在的降解菌的需要, 以便使土壤微生物通过代谢将污染物彻底矿化成 CO2 和H2O Kaempfer 向石油污染的土壤连续注入适量的氮、磷营养和NO - 3 、O2 及H2 O2 等电子受体, 经过 2 天后便可采集到大量的土壤菌株样品, 其中大多为烃降解细菌 。 3. 1. 3 生物通气法这是一种强迫氧化的生物降解方法。在污染的土壤上打至少2 口井, 安装鼓风机和抽真空机, 将空气强排入土壤中, 然后抽出, 土壤中的挥发性有机毒物也随之去除。在通入空气时, 加入一定量的氨 气, 可以为土壤中的降解菌提供氮素营养, 促进 其降解活力的提高 。另外还有一种生物通气法, 即将空气加压后注射到污染地下水的下部, 气流加速地下水和土壤中有机物的挥发和降解, 有人称之为生物注射法。生物通气法生物修复系统的主要制约因素是土壤结构, 不适的土壤结构会使氧气和营养物在到达污染区域之前就已被消耗, 因此它要求土壤具有多孔结构 。 3. 1. 4 农耕法对污染土壤进行耕耙处理, 在处理进程中施入肥料, 进行灌溉, 加入石灰, 从而尽可能地为微生物降解提供一个良好的环境, 使其有充足的营养, 水分和适宜的pH 值, 保证污染物降解在土壤的各个层次上都能发生。这种方法 的最大缺陷是污染物可能从污染地迁移, 但由于该法简易经济, 因此在土壤渗透性较差, 土壤 污染较浅, 污染物又较易降解时可以选用。 3. 1. 5 植物修复 在污染的土壤上栽种对污染物吸收力高、 耐受性强的植物, 应用植物的生长吸收以及根 区修复机理( 植物- 微生物的联合作用) 从土壤 中去除污染物或将污染物予以固定。我国野生 植物资源丰富, 生长在天然的污染环境中的野生超积累植物和耐重金属植物不计其数, 因此 开发与利用这些野生植物资源对植物修复的意义十分重大。 3. 2 异位生物修复技术 3. 2. 1 预制床法 在不泄漏的平台上, 铺上石子与砂子, 将遭受污染的土壤以15cm- 30cm的厚度平铺其上, 并加入营养液和水, 必要时加入表面活化剂, 定期翻动充氧, 以满足土壤中微生物生长的需要。处理过程中流出的渗滤液, 回灌于该土层上, 以便彻底清除污染物。对预制床处理技术进行了深入研究, 内容涉及pH 值控制、翻动操作、湿度调节及营养要求等。预制床处理是农耕法的延续, 但它可以使污染物的迁移量减至最低 。 3. 2. 2 堆肥式处理与预制床处理不同的是, 土壤中直接掺入了能提高处理效果的支撑材料, 如树枝、稻草、 粪肥、泥炭等易堆腐物质, 使用机械或压气系统充氧, 同时加石灰以调节pH 值。经过一段时间的发酵处理, 大部分污染物被降解, 标志着堆肥的完成, 经处理消除污染后的土壤可返回原地或用于农业生产。堆肥法包括风道式、好气静态式和机械式等三种, 其中以机械式( 在密封的容器中进行) 最易控制, 可以间歇或连续运行 。 在堆肥式处理装置中投加菌种和营养的方法。将降解菌和菌体生长所需营养包埋于PVA 胶囊中或用聚氨基甲酸乙酯固定, 掺入所处理的土壤中, 避免流失, 明显提高了微生物降解速率 。 3. 2. 3 生物反应器把污染土壤移到生物反应器中, 加入3~9 倍的水混合使其呈泥浆状, 同时加入必要的营养物和表面活化剂, 鼓入空气充氧, 剧烈搅拌使微生物与底物充分接触, 完成代谢过程, 而后在快速过滤池中脱水。这种反应器可分为连续式与间歇式两种, 但以间歇式居多。 由于生物反应器内微生物降解的条件很容易控制与满足, 因此其处理速度与效果优于其它处理方法。但它对高分子量PAHs 的修复效果不理想, 且运行费用较高, 目前仅作为实验室内研究生物降解速率及影响因素的生物修复模型使用。 3. 2. 4 厌氧处理 大量研究工作表明, 厌氧处理对某些污染物如三硝基甲苯、PCB等的降解比好氧处理更为有效, 现已有厌氧生物反应器之类的厌氧生物修复技术, 但由于其厌氧条件难于控制, 并且易产生中间代谢污染物等, 故其应用比好氧处理少 。 3. 3 原位- 异位联合修复技术 3. 3. 1 水洗- 生物反应器法 用水冲流土壤中的污染物, 并将含有该污染物的废水经回收系统引入附近的生物及反应器中, 通过连续供应营养, 氧气和接种降解菌将污染物去除 。 3. 3. 2 土壤通气- 堆肥法 先对污染土壤进行生物通气,去除易挥发的有机污染物,然后再进行堆肥式处理,去除难挥发的有机污染物 。 4. 土壤污染的生物修复工程设计 一个完整的土壤污染生物修复工程应按图 1 程序进行。 Y N 应用目的否达到修复效果评价修复技术的设计与运行可行性论证场地信息收集图1土壤污染的生物修复工程 4. 1 场地信息的收集 首先要收集场地具有的物理、化学和微生 物特点, 如土壤结构、pH 值、可利用的营养、竞 争性碳源、土壤孔隙度、渗透性、容重、有机物、 溶解氧、氧化还原电位、重金属、地下水位、微生物种群总量、降解菌数量、耐性和超积累性植物资源等。 其次要收集土壤污染物的理化性质如所有组分的深度、溶解度、化学形态、剖面分布特征, 及其生物或非生物的降解速率、迁移速率等。 4. 2 可行性论证 可行性论证包括生物可行性和技术可行性分析。生物可行性分析是获得包括污染物降解菌在内的全部微生物群体数据、了解污染地发生的微生物降解植物吸收作用及其促进条件等方面的数据的必要手段, 这些数据与场地信息一起构成生物修复工程的决策依据。 技术可行性研究旨在通过实验室所进行的试验研究提供生物修复设计的重要参数, 并用取得的数据预测污染物去除率, 达到清除标准所需的生物修复时间及经费。 4. 3 修复技术的设计与运行 根据可行性论证报告, 选择具体的生物修复技术方法, 设计具体的修复方案( 包括工艺流 程与工艺参数) , 然后在人为控制条件下运行。 4. 4 修复效果的评价 在修复方案运行终止时, 要测定土壤中的残存污染物, 计算原生污染物的去除率、次生污染物的增加率以及污染物毒性下降等以便综合评定生物修复的效果。 原生污染物的去除率= 原有浓度- 现存浓度 原有浓度 ×100% 次生污染物的增加率= 现存浓度- 原有浓度原有浓度 ×100% 污染物毒性下降率= 原有毒性水平- 现有毒性水平原有毒性水平 ×100% 5 发展前景土壤污染的生物修复技术虽然已取得很大成功, 但仍存在某些问题, 主要是有时处理后的污染物含量仍不能符合指标要求的浓度。目前还需要对以下几个方面的问题进行深入的研 究。 (1) 共存物质(如重金属)对微生物降解的抑制效应及外源物质(如表面活化剂)对微生物降解的促进效应 。 (2) 高分子有机污染物降解过程中的共代谢机理 。 (3) 通过遗传工程构建高效降解的微生物菌株, 创造超积累型转基因植物 。 (4) 植物根区修复作用的原理及其促进机制 。 (5) 重金属超常环境中植物- 土壤- 微生 物- 重金属之间的关系, 以及正常环境中野生植物的根际微生物和土壤酶活性 。 (6) 开发研究修复效率高, 运行费用低的新型生物修复技术。 (7) 生物降解潜力的指标与生物修复水平的评价 。 通过对以上内容的深入研究, 必将促进生物修复技术从实验室走向大田生产应用。
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