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(2)多环芳烃(PAHs)的微生物转化与降解机理。微生物对PAHs 的降解有两种方式:一种是微生物在生长过程中以PAHs 为唯一的碳源和能源生长而将PAHs 降解。一般情况下,微生物对PAHs的降解都需要O2 的参与,在加氧酶的作用下使苯环裂解。其中,真菌主要利用单加氧酶,先进行PAHs 的羟基化,把一个氧原子加到PAHs 上,形成环氧化合物,接着水解生成反式二醇和酚类(Barbosa 等,1996);而细菌则一般通过双加氧酶,把两个氧原子加到苯环上形成双氧乙烷,再形成双氧乙醇,接着脱氢产生酚类。不同的途径产生不同的中间产物,其中邻苯二酚是最普遍的,这些中间代谢产物可经过相似的途径进行降解:苯环断裂→丁二酸→反丁烯二酸→丙酮酸→乙酸或乙醛,且都能被微生物吸收利用,最终产生CO2 和H2O。另外一种是微生物通过共代谢作用降解PAHs(即PAHs 与其他有机物共氧化),在共代谢过程中,微生物分泌胞外酶降解共代谢底物维持自身生长,同时也降解一些非微生物生长必需的物质(如PAHs)。刘世亮等(2004)比较研究了邻苯二甲酸、琥珀酸钠作为共代谢底物时B[a]P 的降解情况,结果表明,琥珀酸钠加强了B[a]P 的共代谢作用,促进了B[a]P 的降解,该途径在PAHs 污染土壤修复中具有很大的应用价值。
2.3 有机污染土壤的动物修复技术
动物修复是指利用土壤动物的直接作用(如吸收、转化和分解)或间接作用(如改善土壤理化性质、提高土壤肥力、促进植物和微生物的生长)而修复土壤污染的过程。土壤中的一些大型土壤动物,如蚯蚓和某些鼠类,能吸收或富集土壤中的残留有机污染物,并通过其自身的代谢作用,把部分有机污染物分解为低毒或无毒产物。动物对某种污染物的积累及代谢符合一级动力学,某种有机污染物经动物体内的代谢,有一定的半衰期,一般经过5~6 个半衰期后,动物积累有机污染物达到极限值,意味着动物对土壤中有机污染物的去除作用已完成。此外,土壤中还存在着大量的小型动物群,如线虫纲、弹尾类、稗螨属、蜈蚣目、蜘蛛目、土蜂科等,均对土壤中的有机污染物存在一定的吸收和富集作用,能促进土壤中有机污染物的去除。
2.4 有机污染土壤的生物联合修复技术——微生物/动物-植物联合修复技术
结合使用两种或两种以上修复方法,形成联合修复技术,不仅能提高单一土壤污染的修复速度和效果,还能克服单项技术的不足,实现对多种污染物形成的土壤复合/混合污染的修复,已成为研究土壤污染修复技术的重要内容。微生物(如细菌、真菌)-植物、动物(如蚯蚓)-植物、动物(如线虫)-微生物联合修复是土壤生物修复技术研究的新内容。研究表明,种植紫花苜蓿可以大幅度降低土壤中多氯联苯浓度;根瘤菌和菌根真菌双接种能强化紫花苜蓿对多氯联苯的修复作用;接种食细菌线虫可以促进污染土壤扑草净的生物降解。利用能促进植物生长的根际细菌或真菌,发展植物-降解菌群协同修复、动物-微生物协同修复及其根际强化技术,促进有机污染物的吸收、代谢及降解是生物修复技术新的研究方向。
3 生物修复技术的优点与局限性
生物修复技术具有广阔的应用前景,有明显的优点,但也有其局限性,只有同物理和化学处理方法结合起来形成综合处理技术,才能更好、更有效地修复土壤污染。
(1)生物修复的优点。生物修复是目前国际上公认的最安全的方法,具有如下优点:①高效性。有机污染物在自然界各种因素(如光解、水解等)作用下会降解,但速度相对缓慢,而生物修复的作用就是可以加速其降解,因而具有高效性的特点;②安全性。多数情况下,生物修复是自然作用过程的强化,生成的最终产物是 CO2、水和脂肪酸等,不会导致二次污染或污染物的转移,能将污染物彻底去除,使土壤的破坏和污染物的暴露降低到最小程度;③成本低。生物修复是所有修复技术中费用最低的,其成本约为焚烧处理的1/3~1/4;④应用范围广。生物修复能同时修复土壤和地下水的污染,特别是在其他技术难以应用的场地,如建筑物或公路下,利用生物修复技术也能顺利进行。
(2)生物修复的局限。有机污染物的生物修复起步较晚,目前还存在如下不足:①受污染物种类和浓度的限制。某些生物只能降解特定的污染物,也就是说,一种生物不能降解所有种类的污染物,一旦污染物的种类、存在状态或浓度等发生变化,生物修复能力便不能正常发挥,有机污染物浓度过高会抑制生物的活性,使生物降解无法正常进行;②受环境条件制约。温度、湿度、pH 及营养状况也影响生物的生存,从而影响生物降解。环境因子对生物降解的影响很大,这也正是当前生物修复在实验室研究较多,而实际应用较少的原因之一。③负作用。生物修复过程中使用的微生物可能会使地下水污染,也可能会引起植物病害,繁殖过量时会堵塞土壤的毛细孔,影响植物对土壤水分的吸收等;被降解的污染物生成的代谢产物的可能毒性、迁移性及生物可利用性等可能会加强,从而造成新的污染。
4 总结
近几十年来,土壤污染生物修复,特别是微生物修复和植物修复已经有了长足的发展,但动物修复土壤污染的研究相对很少。自20 世纪50 年代土壤动物学,尤其是70 年代土壤动物生态学形成后,人们逐步认识到土壤动物是陆地或土壤生态系统中不可缺少的重要生物组成成分,在土壤有机质分解、养分循环和土壤肥力保持中起着重要的作用。土壤动物除了对土壤的直接影响外,主要是通过与微生物的相互作用参与有机质的分解和养分的矿化过程,进而影响养分在土壤-植物系统中的循环及植物生产力。其中,微型土壤动物(主要是线虫和原生动物)与微生物的相互作用在这些生态过程中的作用尤为突出,目前食微线虫在有机质分解、养分循环和能量转化等生态学过程以及土壤肥力形成和保持方面已经有了广泛深入的研究,但关于食微线虫在土壤污染修复中的作用却少有研究。鉴于食微线虫,特别是食细菌线虫的生态功能以及与微生物强烈的相互作用,今后可进一步深入研究土壤线虫特别是食细菌线虫在土壤污染修复过程中的作用。
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