土壤污染的生物修復(fù)
1 生物修復(fù)的概念 生物修復(fù)是指利用生物的生命代謝活動(dòng)減少土壤環(huán)境中有毒有害物的濃度或使其完全無(wú)害化, 從而使污染了的土壤環(huán)境能夠部分地或完全地恢復(fù)到原初狀態(tài)的過(guò)程。相同的表達(dá)有生物恢復(fù)、生物清除或生物再生。相近的概念是生物凈化, 但生物凈化是指自然生態(tài)系統(tǒng)中生物對(duì)外源污染物進(jìn)行的自發(fā)清除過(guò)程, 而生物修復(fù)則強(qiáng)調(diào)人為控制條件下生物技術(shù)的應(yīng)用。我們通常所說(shuō)的生物修復(fù)實(shí)際上乃是一個(gè)狹義的概念, 它主要是指利用生物技術(shù)對(duì)進(jìn)入土壤環(huán)境中的難降解物質(zhì)如大分子有機(jī)污染物、重金屬等進(jìn)行治理。按照生物技術(shù)的難易程度可將生物修復(fù)分為高、中、低三個(gè)層 次 。
高層次是指利用以基因工程為主導(dǎo)的現(xiàn)代生物技術(shù), 構(gòu)建高效降解的微生物一般通過(guò)兩種方式對(duì)有機(jī)物進(jìn)行代謝, 一是以有機(jī)污染物作為唯一的碳源和能源, 其二是將有機(jī)物與其它物質(zhì)一起進(jìn)行共代謝( 或共氧化) 。研究證實(shí), 許多微生物能以土壤中低分子量的多環(huán)芳烴化合物 PAHs( 雙環(huán)或三環(huán)) 作為唯一的碳源和能源, 并將其完全無(wú)機(jī)化, 但是共氧化更能促進(jìn)四環(huán)或多環(huán)高分子量的PHAs 的降解 有機(jī)污染物的生物可利用性是影響生物修復(fù)的第二個(gè)因素。污染物的物理化學(xué)特點(diǎn)決定其生物可利用性。如低水溶性物質(zhì)形成獨(dú)立的非水相, 該相因毒性太大, 不能直接被微生物降解。疏水的污染物如PAHs、PCBs 和某些疏水性較強(qiáng)的化合物極易吸引于土壤固相表面, 降低了可利用性。利用表面活化劑可促進(jìn)有機(jī)物的解吸與溶解。如辛苯環(huán)氧樹脂能夠促進(jìn)水土懸浮液中 PAHs 的解吸, 提高其生物可利用性 。表面活化劑太高時(shí)不僅成本昂貴, 而且還可能導(dǎo)致微生物活性的下降或者作為一種母體底物先于污染物而被利用。現(xiàn)有研究表明, 有些 微生物能夠自身產(chǎn)生生物表面活化劑, 這樣便可降低其成本 。
影響生物可利用性的因子還有污染物的分布特性、初始污染物的數(shù)量、腐殖質(zhì)類物質(zhì)的存在、土壤的松散程度等。 微生物的活性也強(qiáng)烈地影響生物修復(fù)效果。許多情況下, 微生物會(huì)逐漸適應(yīng)污染區(qū)的特定條件。為了縮短適應(yīng)的期限, 提高有機(jī)污染物的降解速率, 常常從受污染土壤中分離并培育降解速率最大的微生物菌系, 然后再把它們用于土壤的生物修復(fù)。也有把對(duì)某區(qū)域適應(yīng)性特強(qiáng)的微生物種類培養(yǎng)后, 再引入到受同類污染物污染的土壤。據(jù)報(bào)道用后一種方法治理石油污染土壤, 烴的去除率可提高22% 。 影響微生物活性的外界因素有土壤性質(zhì)與環(huán)境條件(表1) 。其中土壤pH 值、養(yǎng)分比例可通過(guò)加入石灰、營(yíng)養(yǎng)鹽類肥料來(lái)調(diào)節(jié)。許多生物修復(fù)的設(shè)計(jì)中采用土壤耕耙直接充氧, 或強(qiáng)制通風(fēng)提供充足的氧氣, 使微生物能完全礦化有機(jī)污染物, 但其成本較高。有的設(shè)計(jì)中采用 H2 O2 和固體產(chǎn)氧劑(如過(guò)碳酸鈉) 。
適于微生物降解的溫度一般難以控制, 尤其是在原位修復(fù)中。 表1 影響土壤有機(jī)物降解的外界因素. 保持微生物活力所需的條件土壤溫度 15℃~35℃ 土壤濕度 25%~85%的持水量土壤pH 值 5. 5~8. 5 氧化還原電位 好氧( 或兼性) : 〉50mv; 厭氧〈50mv 氧氣含量好氧時(shí)占空降體積 10%以上; 厭氧時(shí)1%以下 養(yǎng)分比例 C: N: P= 120: 10: 1
2. 生物修復(fù)的類型
2. 1 微生物對(duì)重金屬污染的修復(fù)
對(duì)于某些重金屬污染的土壤, 可以利用微生物來(lái)降低重金屬的毒性。研究表明, 細(xì)菌產(chǎn)生的特殊酶能還原重金屬, 且對(duì)Cd、Co、Ni、Mn、 Zn、Pb 和Cu 等有親合力。如Ci trobacter sp 產(chǎn)生的酶能使Cd 形成難溶性磷酸鹽。L. Barton 等選用從 10mmol/ L Cr 6+ 、Zn、Pb 的土壤中分 出來(lái)的菌種能夠?qū)⑽猁}和亞硒酸鹽還原為 膠態(tài)的Se, 能將Pb 2+ 轉(zhuǎn)化為 Pb, 膠態(tài) Se 與膠 態(tài)Pb 不具毒性, 且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 。
2. 2 植物對(duì)重金屬污染的修復(fù)
植物對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)多為原位生物修復(fù), 其機(jī)理包括植物的萃取、根際的過(guò)濾以及植物的固化作用。植物萃取是利用植物的積累或超積累功能將土壤中的重金屬萃取出來(lái), 富集并搬運(yùn)到植物可收獲部分。根際過(guò)濾作用則是利用超積累植物或耐重金屬植物從土壤溶液中吸收沉淀和富集有毒重金屬。植物固化是利用植物降低重金屬的活性, 從而減少其二次污染( 隨徑流污染地表水, 隨滲流污染地下水) 。 至于植物的耐重金屬原因可能包括回避、 吸收排除、細(xì)胞壁作用、重金屬進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)、重 金屬與各種有機(jī)酸絡(luò)合、酶適應(yīng)、滲透調(diào)節(jié)等機(jī)制 。影響植物修復(fù)的首要因素是土壤重金屬的特性。重金屬在土壤中一般以多種形態(tài)賦存, 不同的化學(xué)形態(tài)對(duì)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、植物的耐重金屬能力。當(dāng)然影響植物生長(zhǎng)的土壤與環(huán)境條件如有機(jī)質(zhì)、酸堿度、 CEC、水分、土壤肥力等都將影響植物對(duì)重金屬污染的修復(fù)。
2. 3 植物--微生物的聯(lián)合修復(fù)
高等植物一方面可以提供土壤微生物生長(zhǎng)的碳源和能源, 同時(shí)又可將大氣中的氧氣經(jīng)葉、 莖傳輸?shù)礁? 擴(kuò)散到周圍缺氧的底質(zhì)中, 形成了氧化的微環(huán)境, 刺激了好氧微生物對(duì)有機(jī)污 染物的分解作用 。另外, 高等植物根際滲出液的存在, 也可提高降解微生物的活性。 運(yùn)用植物和細(xì)菌共同組成的生態(tài)系統(tǒng)有效地 去除了土壤中的 PAHs、三氯乙稀等有機(jī)污染 物 。
3 生物修復(fù)的技術(shù)方法
3. 1 原位生物修復(fù)技術(shù)
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, 同時(shí)提供這些細(xì)菌生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)。 Cutright 等使用 3 種 補(bǔ)充的營(yíng)養(yǎng)液與 Mycobacterium sp. 一起注入土壤中, 已取得了良好的效果 。
3. 1. 2 生物培養(yǎng)法
定期向土壤投加 H2 O2 和營(yíng)養(yǎng), 以滿足污染環(huán)境中已經(jīng)存在的降解菌的需要, 以便使土壤微生物通過(guò)代謝將污染物徹底礦化成 CO2 和H2O Kaempfer 向石油污染的土壤連續(xù)注入適量的氮、磷營(yíng)養(yǎng)和NO - 3 、O2 及H2 O2 等電子受體, 經(jīng)過(guò) 2 天后便可采集到大量的土壤菌株樣品, 其中大多為烴降解細(xì)菌 。
3. 1. 3 生物通氣法這是一種強(qiáng)迫氧化的生物降解方法。在污染的土壤上打至少2 口井, 安裝鼓風(fēng)機(jī)和抽真空機(jī), 將空氣強(qiáng)排入土壤中, 然后抽出, 土壤中的揮發(fā)性有機(jī)毒物也隨之去除。在通入空氣時(shí), 加入一定量的氨 氣, 可以為土壤中的降解菌提供氮素營(yíng)養(yǎng), 促進(jìn) 其降解活力的提高 。另外還有一種生物通氣法, 即將空氣加壓后注射到污染地下水的下部, 氣流加速地下水和土壤中有機(jī)物的揮發(fā)和降解, 有人稱之為生物注射法。生物通氣法生物修復(fù)系統(tǒng)的主要制約因素是土壤結(jié)構(gòu), 不適的土壤結(jié)構(gòu)會(huì)使氧氣和營(yíng)養(yǎng)物在到達(dá)污染區(qū)域之前就已被消耗, 因此它要求土壤具有多孔結(jié)構(gòu) 。
3. 1. 4 農(nóng)耕法對(duì)污染土壤進(jìn)行耕耙處理, 在處理進(jìn)程中施入肥料, 進(jìn)行灌溉, 加入石灰, 從而盡可能地為微生物降解提供一個(gè)良好的環(huán)境, 使其有充足的營(yíng)養(yǎng), 水分和適宜的pH 值, 保證污染物降解在土壤的各個(gè)層次上都能發(fā)生。這種方法 的最大缺陷是污染物可能從污染地遷移, 但由于該法簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì), 因此在土壤滲透性較差, 土壤 污染較淺, 污染物又較易降解時(shí)可以選用。
3. 1. 5 植物修復(fù)
在污染的土壤上栽種對(duì)污染物吸收力高、 耐受性強(qiáng)的植物, 應(yīng)用植物的生長(zhǎng)吸收以及根 區(qū)修復(fù)機(jī)理( 植物- 微生物的聯(lián)合作用) 從土壤 中去除污染物或?qū)⑽廴疚镉枰怨潭?。我?guó)野生 植物資源豐富, 生長(zhǎng)在天然的污染環(huán)境中的野生超積累植物和耐重金屬植物不計(jì)其數(shù), 因此 開(kāi)發(fā)與利用這些野生植物資源對(duì)植物修復(fù)的意義十分重大。
3. 2 異位生物修復(fù)技術(shù)
3. 2. 1 預(yù)制床法
在不泄漏的平臺(tái)上, 鋪上石子與砂子, 將遭受污染的土壤以15cm- 30cm的厚度平鋪其上, 并加入營(yíng)養(yǎng)液和水, 必要時(shí)加入表面活化劑, 定期翻動(dòng)充氧, 以滿足土壤中微生物生長(zhǎng)的需要。處理過(guò)程中流出的滲濾液, 回灌于該土層上, 以便徹底清除污染物。對(duì)預(yù)制床處理技術(shù)進(jìn)行了深入研究, 內(nèi)容涉及pH 值控制、翻動(dòng)操作、濕度調(diào)節(jié)及營(yíng)養(yǎng)要求等。預(yù)制床處理是農(nóng)耕法的延續(xù), 但它可以使污染物的遷移量減至最低 。 3. 2. 2 堆肥式處理與預(yù)制床處理不同的是, 土壤中直接摻入了能提高處理效果的支撐材料, 如樹枝、稻草、 糞肥、泥炭等易堆腐物質(zhì), 使用機(jī)械或壓氣系統(tǒng)充氧, 同時(shí)加石灰以調(diào)節(jié)pH 值。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)酵處理, 大部分污染物被降解, 標(biāo)志著堆肥的完成, 經(jīng)處理消除污染后的土壤可返回原地或用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。堆肥法包括風(fēng)道式、好氣靜態(tài)式和機(jī)械式等三種, 其中以機(jī)械式( 在密封的容器中進(jìn)行) 最易控制, 可以間歇或連續(xù)運(yùn)行 。 在堆肥式處理裝置中投加菌種和營(yíng)養(yǎng)的方法。將降解菌和菌體生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)包埋于PVA 膠囊中或用聚氨基甲酸乙酯固定, 摻入所處理的土壤中, 避免流失, 明顯提高了微生物降解速率 。
3. 2. 3 生物反應(yīng)器把污染土壤移到生物反應(yīng)器中, 加入3~9 倍的水混合使其呈泥漿狀, 同時(shí)加入必要的營(yíng)養(yǎng)物和表面活化劑, 鼓入空氣充氧, 劇烈攪拌使微生物與底物充分接觸, 完成代謝過(guò)程, 而后在快速過(guò)濾池中脫水。這種反應(yīng)器可分為連續(xù)式與間歇式兩種, 但以間歇式居多。 由于生物反應(yīng)器內(nèi)微生物降解的條件很容易控制與滿足, 因此其處理速度與效果優(yōu)于其它處理方法。但它對(duì)高分子量PAHs 的修復(fù)效果不理想, 且運(yùn)行費(fèi)用較高, 目前僅作為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究生物降解速率及影響因素的生物修復(fù)模型使用。
3. 2. 4 厭氧處理
大量研究工作表明, 厭氧處理對(duì)某些污染物如三硝基甲苯、PCB等的降解比好氧處理更為有效, 現(xiàn)已有厭氧生物反應(yīng)器之類的厭氧生物修復(fù)技術(shù), 但由于其厭氧條件難于控制, 并且易產(chǎn)生中間代謝污染物等, 故其應(yīng)用比好氧處理少 。
3. 3 原位- 異位聯(lián)合修復(fù)技術(shù)
3. 3. 1 水洗- 生物反應(yīng)器法
用水沖流土壤中的污染物, 并將含有該污染物的廢水經(jīng)回收系統(tǒng)引入附近的生物及反應(yīng)器中, 通過(guò)連續(xù)供應(yīng)營(yíng)養(yǎng), 氧氣和接種降解菌將污染物去除 。
3. 3. 2 土壤通氣- 堆肥法
先對(duì)污染土壤進(jìn)行生物通氣,去除易揮發(fā)的有機(jī)污染物,然后再進(jìn)行堆肥式處理,去除難揮發(fā)的有機(jī)污染物 。
4. 土壤污染的生物修復(fù)工程設(shè)計(jì)
一個(gè)完整的土壤污染生物修復(fù)工程應(yīng)按圖 1 程序進(jìn)行。 Y N 應(yīng)用目的否達(dá)到修復(fù)效果評(píng)價(jià)修復(fù)技術(shù)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行可行性論證場(chǎng)地信息收集圖1土壤污染的生物修復(fù)工程
4. 1 場(chǎng)地信息的收集
首先要收集場(chǎng)地具有的物理、化學(xué)和微生 物特點(diǎn), 如土壤結(jié)構(gòu)、pH 值、可利用的營(yíng)養(yǎng)、競(jìng) 爭(zhēng)性碳源、土壤孔隙度、滲透性、容重、有機(jī)物、 溶解氧、氧化還原電位、重金屬、地下水位、微生物種群總量、降解菌數(shù)量、耐性和超積累性植物資源等。 其次要收集土壤污染物的理化性質(zhì)如所有組分的深度、溶解度、化學(xué)形態(tài)、剖面分布特征, 及其生物或非生物的降解速率、遷移速率等。
4. 2 可行性論證
可行性論證包括生物可行性和技術(shù)可行性分析。生物可行性分析是獲得包括污染物降解菌在內(nèi)的全部微生物群體數(shù)據(jù)、了解污染地發(fā)生的微生物降解植物吸收作用及其促進(jìn)條件等方面的數(shù)據(jù)的必要手段, 這些數(shù)據(jù)與場(chǎng)地信息一起構(gòu)成生物修復(fù)工程的決策依據(jù)。 技術(shù)可行性研究旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的試驗(yàn)研究提供生物修復(fù)設(shè)計(jì)的重要參數(shù), 并用取得的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)污染物去除率, 達(dá)到清除標(biāo)準(zhǔn)所需的生物修復(fù)時(shí)間及經(jīng)費(fèi)。
4. 3 修復(fù)技術(shù)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行
根據(jù)可行性論證報(bào)告, 選擇具體的生物修復(fù)技術(shù)方法, 設(shè)計(jì)具體的修復(fù)方案( 包括工藝流 程與工藝參數(shù)) , 然后在人為控制條件下運(yùn)行。
4. 4 修復(fù)效果的評(píng)價(jià)
在修復(fù)方案運(yùn)行終止時(shí), 要測(cè)定土壤中的殘存污染物, 計(jì)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綜合評(píng)定生物修復(fù)的效果。 原生污染物的去除率= 原有濃度- 現(xiàn)存濃度 原有濃度 ×100% 次生污染物的增加率= 現(xiàn)存濃度- 原有濃度原有濃度 ×100% 污染物毒性下降率= 原有毒性水平- 現(xiàn)有毒性水平原有毒性水平 ×100% 5 發(fā)展前景土壤污染的生物修復(fù)技術(shù)雖然已取得很大成功, 但仍存在某些問(wèn)題, 主要是有時(shí)處理后的污染物含量仍不能符合指標(biāo)要求的濃度。目前還需要對(duì)以下幾個(gè)方面的問(wèn)題進(jìn)行深入的研 究。
(1) 共存物質(zhì)(如重金屬)對(duì)微生物降解的抑制效應(yīng)及外源物質(zhì)(如表面活化劑)對(duì)微生物降解的促進(jìn)效應(yīng) 。
(2) 高分子有機(jī)污染物降解過(guò)程中的共代謝機(jī)理 。
(3) 通過(guò)遺傳工程構(gòu)建高效降解的微生物菌株, 創(chuàng)造超積累型轉(zhuǎn)基因植物 。
(4) 植物根區(qū)修復(fù)作用的原理及其促進(jìn)機(jī)制 。
(5) 重金屬超常環(huán)境中植物- 土壤- 微生 物- 重金屬之間的關(guān)系, 以及正常環(huán)境中野生植物的根際微生物和土壤酶活性 。
(6) 開(kāi)發(fā)研究修復(fù)效率高, 運(yùn)行費(fèi)用低的新型生物修復(fù)技術(shù)。
(7) 生物降解潛力的指標(biāo)與生物修復(fù)水平的評(píng)價(jià) 。 通過(guò)對(duì)以上內(nèi)容的深入研究, 必將促進(jìn)生物修復(fù)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向大田生產(chǎn)應(yīng)用。
