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土壤污染生物修復的影響因素
土壤污染生物修復的影響因素
隨著我國工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，各種農(nóng)藥及化學品的數(shù)量、種類劇增，其不合理的使用、處置或突發(fā)性泄漏，往往造成嚴重的土壤污染。被污染的土壤通過對地表水和地下水造成二次污染或經(jīng)土壤-植物系統(tǒng)由食物鏈進入人體，危害人體健康。因此，土壤污染治理技術(shù)的研究和應用已經(jīng)引起人們普遍的關(guān)注。
近年來開發(fā)的污染土壤治理方法主要有物理法、化學法和生物修復技術(shù)（Bioremediation）。其中生物修復技術(shù)具有成本低、處理效果好、環(huán)境影響小、無二次污染等優(yōu)點，被認為最有發(fā)展前景。但在另一方面，由于污染物質(zhì)的種類繁多、土壤生態(tài)系統(tǒng)的復雜性以及環(huán)境條件的千變?nèi)f化，使得生物修復技術(shù)的應用受到極大的限制。往往在一個地點有效的修復技術(shù)在另一個地點不起作用。因此這些影響因素的確定和消除成為決定生物修復技術(shù)效果的關(guān)鍵。目前，國外在生物修復技術(shù)的應用及影響因素方面開展了廣泛的研究并取得了一些進展。我國在這方面的研究尚處于起步階段。因此本文從污染物的特征、微生物的降解能力和環(huán)境因子三個方面對影響生物修復的主要因素及其作用機理進行綜合評述，以便推動該技術(shù)在我國土壤污染治理中的應用。
降解。這是因為聚合物和高分子化合物難以通過微生物的細胞膜而進入細胞內(nèi)，微生物的胞內(nèi)酶不能對其發(fā)生作用，同時也因其分子較大，微生物的胞外酶也不能靠近并破壞化合物分子內(nèi)部敏感的反應鍵。以石油烴為例，許多研究表明，微生物能夠降解石油中的飽和烴和輕質(zhì)芳香烴組分，而其中的高分子重質(zhì)芳香烴、樹脂等則難以降解[1]。
通常情況下芳香族化合物的生物降解性較脂肪族差，而且化合物所含苯環(huán)數(shù)目越多，穩(wěn)定性越強，可生物降解性越差。Zappi等學者[2]的研究表明：受污染土壤中的單環(huán)烷烴和和鏈烷烴能夠被微生物氧化利用而被去除，但芳香烴和環(huán)烷烴由于難以降解而常常滯留在土壤中。
化學官能團的類型和取代位置對污染物的降解性能也有很大的影響。部分官能團如羥基、氨基等的取代作用能夠提高芳香烴的可降解性，但氯取代基、硝基的取代作用卻會產(chǎn)生相反的影響。在氯代芳香化合物生物降解方面的研究發(fā)現(xiàn)[3~5]：高電負性的氯原子強烈吸附苯環(huán)上的電子，使苯環(huán)成為一個疏電子環(huán)而難以被微生物氧化。氯取代基數(shù)量越多，氯代芳香化合物的生物降解性越差。取代基的相對位置也可造成生物降解性能的差異。在三種二氯苯中，存在鄰位＞間位＞對位的關(guān)系。
受污土壤中有機污染物大多數(shù)是人工合成的外源性物質(zhì)(xenobiotics)，由于本身化學結(jié)構(gòu)的復雜性和生物陌生性，通常不易被生物降解。迄今為止，眾多學者對于外源性物質(zhì)的降解性評價、降解機理、降解菌株分離等方面進行了大量研究，并取得了許多有益的成果[2,6]。
1污染物特征
1.1污染物的化學結(jié)構(gòu)
不同的污染物具有不同的化學結(jié)構(gòu)。污染物的化學結(jié)構(gòu)包括其分子排列、空間結(jié)構(gòu)、功能團、分子間的吸引和排斥等特征，并由此決定其生物降解性。
一般來講，結(jié)構(gòu)簡單的污染物比結(jié)構(gòu)復雜的容易降解，分子量小的污染物比分子量大的容易。
1.2污染物的生物可利用性
它指的是土壤環(huán)境中的污染物能夠被微生物利用或降解部分的數(shù)量大小。
生物可利用性大小的不同可以產(chǎn)生以下三種情況。（1）污染物的生物可利用性太小會導致微生物不能獲得足夠物質(zhì)和能量供應而無法維持代謝的需求，這時生物降解就不會發(fā)生。（2）當存在一個較低的可利用的污染物濃度時，微生物能夠維持自身的生存。這時會出現(xiàn)污染物被降解的情況，但是由于沒有新細胞的產(chǎn)生而使降解速率受到限制。（3）當有足夠可利用的污染物時，微生物不斷增殖，可以使降解速率達到最大。這是生物修復中所希望出現(xiàn)的最佳情況。由于污染物的生物可利用性決定了生物降解進行的速率，因此被認為是影響生物修復最重要的因素之一[7,8]。
污染物的疏水性，土壤顆粒的吸附以及微孔排斥作用都會影響污染物的生物可利用性。低水溶性的物質(zhì)形成獨立的非水相，微生物不能直接利用，而且這種非水相容易產(chǎn)生生物毒害。疏水性的污染物還容易被土壤顆粒吸附。目前的研究表明：被吸附的污染物通常難以被微生物利用[9]。因此當解吸所需的時間超過生物降解所需的時間時，解吸速率便成為整個反應的限速步驟。許多研究者發(fā)現(xiàn)土壤被污染的時間越長，越難以被修復[10,11]。這是因為隨著污染時間的延長，污染物逐漸擴散到一些極小的土壤微孔中，這些微孔的內(nèi)空隙比一般土壤微生物的體積長度要小，阻擋了微生物的進入，因而降低了污染物的生物可利用性。這就是所謂的微孔排斥作用。影響生物可利用性的因素還有污染物的分布特性、初始污染物濃度、土壤顆粒分布狀況及有機質(zhì)含量等。由于表面活性劑能夠改善疏水性污染物的溶解性從而增加污染物生物可利用性，因此在土壤污染的生物修復中得到廣泛的應用。常用的表面活性劑可分為人工合成的表面活性劑和生物表面活性劑兩大類。生物表面活性劑是由微生物等產(chǎn)生的天然表面活性劑，因其具有臨界膠束濃度（CMC）低、易降解等優(yōu)點而倍受青睞。Oberbremer等人[12]的研究表明：通過向泥漿反應器中加入制備的生物表面活性劑可以提高烴類物質(zhì)的降解速率，并增加可降解的烴的種類。Herman[13]通過向?qū)嶒炌林型都邮罄钐侵芯繉κ榻到獾挠绊懀Y(jié)果表明十六烷的去除率
2微生物的降解能力和活性
2.1微生物的降解能力
污染土壤生物修復中的主要作用者是具有污染物降解能力的微生物，部分真菌和植物。
土壤中的微生物種類繁多、數(shù)量巨大，很多受污地點本身就存在具有降解能力的微生物種群�；蛘咴陂L時間和污染物接觸后，土著微生物能夠適應環(huán)境的改變而進行選擇性并發(fā)和遺傳改變產(chǎn)生降解作用。土著微生物對當?shù)丨h(huán)境適應性好，且具有巨大的降解潛力，目前在大多數(shù)生物修復工程得到應用，但是土著微生物存在著生長速度慢，代謝活性低的弱點。在一些受高濃度生物外源性物質(zhì)污染的場所或當?shù)貤l件不適于降解菌大量產(chǎn)生時，需要接種高效降解菌。一種方法是直接從污染場地分離篩選降解菌，經(jīng)富集強化后使用；另外還可以利用分子遺傳工程手段構(gòu)建高效的基因工程菌（geneticengineeringmicroor-ganism,GEM）[14]。接種的外來降解菌，一方面要經(jīng)受當?shù)丨h(huán)境的考驗，另一方面還受到土著微生物的競爭，因此需用大量的接種微生物形成優(yōu)勢，以便迅速啟動生物降解的過程。2.2微生物的活性
在實施生物修復中希望提高微生物的代謝活性以使生物降解的速度和程度都達到最大。但是土壤是一個相對貧瘠的環(huán)境，許多微生物生長代謝所要求的條件難以具備，需要采取措施加以消除。這些限制因素包括：、氮源、磷源營養(yǎng)物、電子受體等。
微生物的生長繁殖和代謝過程需要碳源，N、P和多種無機鹽類。有機污染物中含有大量的碳和氫，同時土壤中存在各種無機鹽，基本可以滿足降解過程中微生物的營養(yǎng)需求。N、P營養(yǎng)物是常見的微生物生長的限制條件，適量添加可以提高微生物活性促進降解反應的進行。目前在石油污染治理上的大量研究表明，補充N、P營養(yǎng)能夠顯著提高降解菌的數(shù)量和活性，縮短污染物去除所需要的時間[15]。
電子受體的缺乏常常成為影響生物活性的重要因子，因此需要進行補充以增強微生物的呼吸速率。對于好氧降解，常用的補充氧的方法包括：土壤深耕，富氧水加注，氣泵充氧或注入H2O2以釋放游離氧。H2O2在水中的溶解度約為氧的7
倍，每分解1摩爾能產(chǎn)生0.5摩爾氧氣，具有較好的充氧效果，相關(guān)研究和應用的報道較多[16]。在缺氧條件下，可以投加硝酸鹽和碳酸鹽作為替代的電子受體，比氧更有效地提高降解菌的生物活性。也有研究者應用一種固體產(chǎn)氧劑提供游離氧，發(fā)現(xiàn)微生物的數(shù)量增加了10~100倍，其活性也有了很大的增強[17]。
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