土壤污染微生物修复原理及技术进展

土壤污染微生物修复原理及技术进展

李劲彬

1. 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075; 2. 陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075; 3. 自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西 西安 710075; 4. 陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安 710075; 5. 自然资源部土地工程技术创新中心，陕西 西安 710075

摘  要：近年来随着我国工农业的快速发展，土壤污染问题也越来越突出，关于污染土壤的修复治理也成为越来越受到学者的研究热点。文章介绍了有机污染土壤和重金属污染土壤的微生物修复原理及相关技术和应用，分析了现阶段存在的问题并提出展望。

关键词：土壤污染；微生物修复；重金属；有机污染

1.引言

土壤是人类生存与发展的最基本环境要素，与人类生产生活密切相关。近四十年来，随着我国工农业的迅速发展，工业、农业生产以及生活垃圾中各种污染物直接或间接进入土壤，超过土壤的自净能力，造成土壤污染[1]。土壤污染会直接污染地下水和影响植物生长进而导致环境和农副产品问题越来越严重，危害人类身体健康。为保障人类获得充足且安全的食品和生活环境，高效经济环境友好型的土壤污染修复技术已成为当今农业、生态和环境科学领域研究的热点[2]。微生物修复技术因具有环保、高效以及对环境影响较小等优势而被广泛应用且具有广阔的前景[3]。本文对我国主要土壤污染类型的微生物修复原理和技术进展进行综述，为以后更深入的应用提供参考。

2.污染土壤微生物修复原理

2.1有机污染土壤的微生物修复

土壤有机污染物具有庞大的衍生体系，在土壤中长期滞留而不被分解，且具有潜在的致癌性和致畸性，按有机物种类主要划分为多环芳烃（PAHs）和多氯联苯（PCBs）两类有机污染物。土壤中大部分的有机污染物可以被微生物降解、转化，从而达到修复的目的。

常见的降解有机污染物的微生物细菌主要有假单胞菌、芽胞杆菌、黄杆菌、产碱菌、不动杆菌等；真菌主要有曲霉菌、青霉菌、根霉菌、木霉菌等；放线菌主要有诺卡氏菌、链霉菌等[4]。土壤中大部分有机污染物通过微生物分解的胞外酶或通过被微生物吸收至细胞内由胞内酶降解。有机污染物被微生物降解转化途径主要有氧化作用、还原作用、水解作用和基团转移作用等。

2.2重金属污染土壤的微生物修复

土壤中的重金属污染物有一定的毒性和致癌性，直接或间接威胁人类身体健康。土壤中微生物可固定或转化土壤中重金属，改变其在土壤中的环境化学形态，从而降低土壤重金属污染，作用方式主要包括生物吸附富集、氧化还原、沉淀及矿化等。（1）生物吸附富集。大部分微生物表面带有很多带负电荷的基 团，例如-SH、-OH、-NH等可以与带正电荷的金属离子通过离子交换、络合、螯合、静电吸附 和共价吸附等作用，将重金属聚集在微生物的表面或者内部。例如一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸盐还原菌以及某些藻类，能够产生多糖、糖蛋白等具有大量阴离子基团的聚合物、吸附土壤环境中的带正电荷的重金属离子形成络合物。（2）氧化还原作用。金属离子中铜、砷、汞、铬、硒等，常通过氧化还原反应改变其在土壤中价态、毒性、溶解性和流动性等，变为无毒性或低毒性的离子，从而降低重金属污染的危害。例如Se6+可在硫化物或羟胺或生物化学还原剂的作用下被还原为Se；Hg2+可以在汞还原酶或者异化还原细菌作用下还原为Hg，Hg可以通过挥发减少其在土壤中的含量。（3）溶解与沉淀。通过各种代谢活动，微生物可以将土壤中的营养物质和能量转化为有机酸，在有机酸的作用下，加速土壤中重金属的络合与溶解。

3.微生物土壤修复技术与应用

近年来，土壤微生物修复技术因其绿色且环境友好的特点，在全世界范围受重视程度逐渐增高，发展态势较好，具有广阔的发展前景。土壤微生物修复技术是一种利用微生物来修复受到污染或破坏的土壤的技术，该技术通过引入适当的微生物群落，以其代谢作用来促进土壤中污染物的降解、转化或固定，从而恢复土壤的健康和功能。根据修复场地，可划分为原位微生物修复和异位微生物修复。

3.1原位微生物修复

原位微生物修复技术是指污染修复在原地点进行，不需要挖出或者抽取污染土壤，在原地投放营养物质和供氧加强土著微生物或特异功能微生物的代谢活性，从而更有效地降解污染物，主要方法有投菌法、生物通风法和生物培养法等。生物培养法，定期向污染环境投放H2O2和营养物质，满足土著降解菌的需要，将污染物彻底矿化为CO2和H2O；投菌法，直接向微生物投放高效降解菌，并提供其生长所需的营养物质，通过微生物代谢来降解污染物。

3.2异位微生物修复

异位生物修复是转移污染土壤至临近地点或者反应器内进行集中治理修复的方法。主要包括堆制法、预制床法和生物反应器法等。堆制法是指将受污染土壤挖去转移至合适地点，投放树叶、割草、麦杆、干草或有机肥等作为调理剂或物质来满足微生物生长过程需要的营养物质，加入石灰调节PH，使用机械或压气系统通风，为微生物降解污染物提供良好的环境，从而达到土壤修复的一种生物修复方法。预制床法是土地耕作法的延续，土耕法的最大缺陷是容易造成污染物的迁移，而预制床法有单独的滤液收集和控制排放系统，使污染物的迁移量减至最小。

4.问题与展望

微生物修复技术因具有环保、高效、低成本以及对环境影响较小等优势而被广泛关注和应用，在我国受重视程度在逐渐升高，具有广阔的前景。在过去微生物修复技术的研究主要集中在多环芳烃、原油等有机土壤的修复，近年来土壤重金属微生物修复研究正在增多，技术也在不断发展。但是还有许多问题亟待解决：

（1）由于微生物自身局限性，对环境因素要求较高，在实际应用中由于污染场地环境更加复杂多样导致微生物发挥作用受限，效果不理想。因此我们应加强对多功能高效降解菌株的分离筛选方面的研究，培养出适应性强、作用效果好且可控的多功能高效降解菌株；加强对功能菌群的研究，与单一菌株相比，混合菌群对环境的扰动较少，能够执行更复杂的修复任务并在更多变的环境中生存。

（2）微生物固定化技术具有成本低、效果好、可重复利用等优势，目前主要在实验 室进行，应加强现场修复工艺的研究，尽快将研究成果应用在实际项目中。

（3）在实际污染场地的修复中，多为复合型污染，一种修复手段往往不能彻底解决污染问题，需要与其他修复技术或者其他学科交叉融合以达到彻底修复。目前微生物联合修复技术主要有微生物-植物联合、微生物-动物联合，微生物-电动联合、微生物-化学联合等修复技术，联合修复技术比单一修复技术效果更好、时效更短，是目前的研究热点，也是未来的一个发展趋势。

参考文献

[1] 范聪，肖炜，张仕颖. 微生物修复污染土壤的应用研究进展[J].贵州农业科学,2017,45(08):53-58.

[2] 仝婧婧，郭荣欣，邹德勋，等. 土壤污染微生物修复领域文献计量分析[J]. 土壤通报, 2021, 52(3): 736 − 746

[3] 滕应，骆永明，李振高. 污染土壤的微生物修复原理与技术进展[J]. 土壤, 2007, 39(004):497-502.

[4] 刘志培，刘双江. 我国污染土壤生物修复技术的发展及现状[J].生物工程学报,2015,31(06):901-916.DOI:10.13345/j.cjb.150089.

基金项目：陕西省土地工程建设集团内部科研资助项目（DJNY2022-27，DJNY-ZD-2023-2)