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多环芳烃污染土壤微生物修复技术

北极星环保网来源:安徽农业科学2016/11/2 15:09:05我要投稿
所属行业: 环境修复  关键词:PAHs 土壤生物修复 多环芳烃

北极星环保网讯:摘要  微生物降解是环境中PAHs主要的降解方式。介绍了微生物的降解能力、PAHs生物可利用性、电子受体、营养物质、环境因子及植物联合等对微生物降解PAHs的影响,并且对原位处理、异位处理的修复工艺进行了简述。同时,指出今后的治理应重视污染源头控制,完善酶制剂、联合修复等有效的生物修复技术。多环芳烃(Polycyclic aromatic  hydrocarbons,PAHs)是指由2个或2个以上的苯环按一定顺序排列组成的碳氢化合物,具有强烈致癌、致畸和致突变特性。土壤中的PAHs  以4~6环的PAHs为主。化石燃料的燃烧是PAHs的主要来源。由于人类对化石产品的不断开发利用,PAHs持续向环境中排放,高温过程形成的PAHs大都排放到大气中,随着大气环流、大洋环流等循环而不断扩散,空气、土壤及水体甚至南极、高山冰川等都受到PAHs的污染。PAHs和其他固体颗粒物等结合在一起,通过干、湿沉降转入湖泊、海洋,最终主要在沉积物、有机物质和生物体中累积,对人类健康和整个生态系统构成威胁。

PAHs具有低水溶性、高亲脂性以及化学稳定性的特点,环境中去除方式主要有挥发、光降解、生物积累、化学氧化、土壤吸附和微生物降解,而微生物降解是环境中PAHs最主要的去除方式。该过程在好氧、厌氧条件下都能进行[4]。人为强化修复可以加速PAHs在环境中的降解,方法主要有物理修复、化学修复和生物修复。生物修复是通过植物、微生物实现土壤污染物的转移、消解,具有成本低、污染小、安全等优点,是修复工程中应用较广泛且相对成熟的一种技术。

1 PAHs污染土壤生物修复的影响因素

1.1 生物对PAHs的降解性能

PAHs的生物降解是酶促反应过程。加氧酶对PAHs的酶促开环是PAHs生物降解的限速步骤。不同微生物中加氧酶的表达量及催化活性差异很大,因而降解PAHs的能力不同。筛选酶活性高、对PAHs降解能力强的微生物且对其进行驯化培养非常重要。

污染土壤中的PAHs降解菌经驯化、培养、富集,然后进行分离、鉴定及降解能力测试,得到降解能力较高的菌株[5]。筛选出的菌株经发酵、固定化而制备的微生物菌剂,构建了降解PAHs的土壤微环境,能提高降解菌在土壤中的存活率且可以提高PAHs的降解效率,降解效果明显好于游离菌[6]。用现代分子生物学手段提高降解菌株PAHs降解相关酶的表达量或提高其催化活性、将不同的降解基因组装到同一微生物体内提高其降解谱[7]、利用细胞融合技术将降解菌株与表面活性剂产生菌融合而得到高效降解的融合菌[8]等,都是获得高效降解菌的有效手段,但应注意转基因微生物在环境中的应用限制。污染土壤中多种PAHs共存且常与其他的污染物混合在一起,因此构建多功能的微生物菌群,有利于促进污染物的快速降解及彻底矿化[9],有效地防止二次污染。

1.2 PAHs生物可利用性

PAHs的低水溶性导致其在土壤中的生物可利用性较差。表面活性剂可降低土-水界面张力、减少PAHs在土壤颗粒上的吸附而提高微生物对PAHs的吸收和降解[10]。在PAHs污染土壤中投加TW80(吐温80),一段时间后土壤表面和空隙中布满微生物菌落,投加TW80的处理培养30  d后PAHs降解率均明显高于对照[11]。由此可知,TW80能提高PAHs的生物可利用性,并且提高其降解率。多数化学表面活性剂都具有生物毒性,大量使用后会引起土壤表面活性剂污染,而有些微生物在降解PAHs过程中能产生糖脂形式的生物表面活性剂[12],乳化能力高于化学活性剂且不产生二次污染,因而比化学活性剂更安全、有效。为提高PAHs的降解效率,可利用现代生物技术赋予PAHs降解菌产表面活性剂的能力,或在修复过程中同时投加能产生表面活性剂的微生物。

1.3 电子受体

有机污染物在土壤环境中的降解是生物参与的氧化还原过程,在此过程中有机物为电子供体。微生物脱掉有机物上的电子,经电子传递链传递给电子受体,并且释放能量供微生物生长代谢。如果电子受体缺失,则将会导致电子传递的终止而影响生物对有机污染物的氧化降解,因此土壤中电子受体的种类、浓度直接影响PAHs的降解速度。好氧和厌氧环境中微生物对PAHs的降解途径不同[13]。好氧降解以O2作为电子受体,修复时可向污染土壤通气供氧或添加供氧剂(如H2O2);在厌氧条件下,以NO3-、NO2-、SO42-等含氧酸根作为电子受体进行反硝化、硫酸盐还原发酵和产甲烷反应,实际应用时可添加此类电子受体[14]。好氧条件下的生物降解是PAHs的主要降解形式。因此,修复过程中通过强制通风的方式保证O2的供给是PAHs污染土壤修复过程中的重要措施。

1.4 营养物质

添加易于被微生物利用的C源,改善土壤环境中营养条件,可以促进PAHs降解微生物的增殖,提高微生物活性且促进对污染物的降解[15]。营养物质的比例平衡对微生物的生长繁殖非常重要,特别是用于合成细胞物质的大量元素,如比例失调会严重影响微生物细胞物质合成,降低微生物在环境中的密度,从而影响对污染物的分解效率。一般有机污染土壤中C元素含量较高,而N、P相对不足,人为调整土壤中有效碳、氮、磷的比例为100∶10∶1左右有利于有机污染物的降解[16]。在向PAHs污染土壤添加  N、P  等营养物时,需确定土壤中各种营养盐的有效浓度。根据微生物种类、修复方式,通过实验确定最佳的营养物浓度。微生物对污染土壤的修复是一个相对缓慢的过程,持续时间较长,因此在修复过程中要跟踪检测土壤中碳氮磷比例的变化,并进行补加,以防止因碳氮磷的比例改变而导致修复后期修复效果的下降。

1.5 环境因子

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