污染土壤生物修复技术的进展与工程应用现状

污染土壤生物修复技术的进展与工程应用现状

刘奎信

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摘要：在工业、农业等生产活动中一些污染物通过各种途径进入土壤，造成了土壤污染。据报道，我国有16.1%的土壤受到污染，22.1%的耕地存在污染混合物；欧洲有280万个地点可能受到土壤污染，美国有45万块棕地存在潜在或已知的危险物质。农业土壤退化和由此造成的作物产量损失也尤其令人担忧。土壤污染物经受污染的农作物、土壤灰尘、大气粉尘等进入人体后，会严重损害人的身体健康。土壤拥有最大的陆地碳库，估计储存了4.1万亿吨，几乎是大气碳估计总量的五倍。受污染的土壤可能无法发挥其在碳循环中的作用。

关键词：污染土壤；生物修复技术；应用

引言

随着我国城市化进程的不断推进，导致我国土壤污染问题日趋严重，造成了严重的生态问题，影响了耕地质量，进而对食品安全和人类健康造成影响[1]。总体来说，我国当前土壤污染问题非常严重，尤其是国民经济水平较高的地区，土壤污染问题突出。现阶段我国农业态势良好，但是农业生产中造成的土壤污染问题也相当严重，数据显示，我国农业内源性污染问题比较严重，化肥和农药的利用率都比较低，农膜回收率也不到2/3，化肥使用量不断增加，化肥中含有多种重金属元素，对于土壤环境质量和环境安全都造成相当大的影响。在各种因素的影响下，我国土壤污染当前呈现出混合型和综合型的特点。土壤污染范围在不断扩大，污染面积不断扩大，呈现出由农村向城市、由局部到整体的趋势，对农作物质量和人体健康造成威胁。

1.土壤污染物类型及生物修复技术

1.1生物转化秸秆类废弃物

在废弃生物质中，秸秆是一类来源广泛、储量丰富、价格低廉的可再生资源，我国年产作物类秸秆约9亿吨。秸秆的干物质一般由灰分、粗蛋白和非氮化合物组成，粗蛋白包括蛋白质和其他含氮化合物，非氮化合物包括纤维素、半纤维素、木聚糖醛酸和木质素等，其中纤维素（30%~35%）、半纤维素（20%~30%）、木质素（20%~25%）所占比重较大，是秸秆的主要支撑组织，很难被微生物分解。秸秆转化的本质为借助微生物的酶解作用高效分解纤维素、半纤维素、木质素的过程。秸秆助腐菌能够进化出不同降解纤维素，半纤维素和木质素的功能，从而达到降解秸秆的目的，目前采用秸秆助腐菌主要包括细菌、真菌和放线菌三类，其中真菌分泌的酶系降解秸秆的能力最强。真菌通过分泌到胞外的游离纤维素酶系水解和氧化降解纤维素；细菌通过纤维素多酶复合体如纤维小体更加彻底的降解纤维素。纤维素的水解主要是通过内切纤维素酶、外切纤维素酶和β-1,4-葡聚糖苷酶的协同作用实现的。纤维素酶的纤维连接区（CBD）与纤维素结合，然后利用催化域水解纤维素。半纤维素是木聚糖、甘露糖等单体形成的多糖，以木聚糖为主，降解机理与纤维素类似。β-1,4-内切木聚糖酶、β-1,4-外切木聚糖酶和β-木糖苷酶分别作用于木聚糖的内部非还原性末端和低聚糖，前两者以木聚糖为最小的水解单位，降解为低聚糖，后者将低聚糖进一步降解为单糖。微生物通过降解秸秆中的纤维素和半纤维素产生还原性糖，来维持自身的生长繁殖。微生物降解木质素的过程主要依靠胞外酶进行。已发现的木质素降解酶主要有木质素过氧化物酶（LiP）、锰过氧化物酶（MnP）和漆酶（Laccase）。木质素在木质素降解酶的作用下发生侧链氧化，解聚为低分子化合物，并生成大量的木质素基本结构单元。木质素单体多为甲氧基芳香族分子，甲氧基的存在限制了木质素的后续降解效果。在木质素单体的进一步降解之前，微生物分泌相关的酶使木质素单体去甲基化后，形成的愈创木酚、丁香酚等酚类化合物，是典型的生物质腐殖酸的主要成分，对于提高土壤肥力、抑制土壤钝化具有重要作用。付丹妮等从常年水稻种植土壤中筛选出一株能高效降解秸秆的黑曲霉CKB，在常温正常土壤条件下，秸秆经该菌降解35天后，失重率可达49%。

1.2联合修复技术

联合修复技术，是将若干单项土壤修复技术相互组合，形成的一种复合型的土壤修复技术，在联合吸附技术中，各种单项土壤修复技术发挥各自优势，从而提高土壤的修复效果和效率。常见的联合修复技术包括，生物联合修复技术、基因工程联合修复技术以及物理-化学联合修复技术等。在当前的技术条件下，对于多环芳烃污染土壤的修复，生物联合修复技术具有广泛应用，可以起到良好的效果；在动植物联合修复技术中，蚯蚓修复技术的研究最多，蚯蚓体内可以携带多种微生物，蚯蚓在土壤中活动还能够提高微生物活性，从而提高修复效果；植物-微生物修复技术利用了植物和根际微生物之间的共生关系，通过发挥这两种技术手段的优势，能够提高修复效果。物理-化学联合修复技术，基于污染物的特性来实现污染物的分离、固化，从而对污染土壤进行修复。单项物理、化学修复技术的缺点明显，不仅技术成本高，而且还容易造成发生次生污染，对土壤结构造成破坏，因此应用受到限制。

2.生物修复技术研究进展

2.1生物修复过程强化技术

土壤结构密实性和空间不均一性和吸附性能限制了外源微生物在土壤中的迁移，导致微生物不能充分接触污染物，制约生物修复效果。生物刺激是通过土壤中添加营养物质、电子受体等促进污染物降解微生物的生长，通过添加生物表面活性剂或生物质等提高污染物的生物可利用性。所采用生物表面活性剂包括鼠李糖脂、皂角苷、烷基多苷、槐糖脂、海藻寡糖等。生物强化是通过向污染土壤中加入降解微生物来提高土壤修复速率，如张坤等人采用土壤中添加麦秸和微生物制剂的方法，破坏污染土壤毛细结构从而抑制返盐并富集石油烃污染物，通过添加石油烃降解微生物加速修复，并通过场地实验室证实了该方法的实用性。在实际应用中常将生物刺激技术和生物强化技术结合起来加速生物修复的过程，

2.2原位土壤修复趋势

在传统的土壤修复技术中，常采用将污染土壤挖掘出来，转移到其它地方净化的方式，即离场异位修复，这种修复技术的成本较高，而且只能够对表层土壤进行修复，在深层土壤修复中的应用效果较差。因此，未来原位土壤修复技术将是重要的方向，通过原位土壤修复技术，包括稳定化技术、生物修复技术等，实现对污染土壤的修复，不需要进行土壤的转移，成本更低。

结束语

对污染土壤进行治理已经迫在眉睫。当前，工程修复技术、物理-化学修复技术和生物修复技术，还有兼具各单项修复技术的联合修复技术，在污染土壤修复中取得了一定的效果。为了达到更好的污染土壤修复效果，还需要继续加强土壤修复技术的研究，提高土壤污染修复效率，更大程度上避免次生污染，降低污染修复成本。

参考文献

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