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土壤微生物吸附在土壤有机、无机颗粒上形成生物膜是一种普遍的自然现象,堆肥处理中活性污泥等有机质都携带大量的微生物,对污染物去除有重要的作用。研究表明,固定化技术显著增强微生物的环境适应能力和污染物去除能力,大大提高土壤修复效果,是一项潜在的土壤修复技术。以聚乙烯醇、活性炭、海藻酸钠为固定化载体,采用物理法和化学法包埋固定酵母菌,用于苯并[a]芘污染土壤的修复,结果表明,酵母菌经过混合固定化包埋后,降解效果明显好于游离菌,这是由于固定化载体内部酵母菌密度明显增加所致。同时,微生物作为一种含有多种官能团的蛋白质结构,经固定化后其官能团与载体之间发生共价键或范德华力等作用,主链结构得到加固,不易流失和被破坏,能耐pH变化、有机污染物浓度的变化、生物毒性物质等的冲击,不易失活。用固定化真菌修复芘、苯并[a]芘污染土壤的实验表明,固定化技术显著增强微生物耐环境冲击性,在土壤pH4或9,温度15℃或40℃以及重金属Cd或Pb存在下,对固定化真菌降解芘和苯并[a]芘的影响很小,而游离菌对芘和苯并[a]芘的降解则显著降低,表明固定化对胁迫环境具有屏蔽作用。很多研究表明,微生物固定化可以提高微生物次级代谢产物酶的活性,增强对污染物的去除能力。其主要机制是固定化载体不仅作为微生物附着基质,同时很多载体如植物残体,可以作为固定化微生物生长的介质,促进酶的产生。而在载体内产生的酶吸附在载体中,增加了其与吸附在载体表面有机污染物接触的机会,同时,载体存在的众多孔道,也为酶的传递提供了更多的可能。
目前,有关固定化微生物修复PAHs污染土壤的研究大多集中在灭菌土壤上,而对于非灭菌土壤中投加的外源菌和土著菌对PAHs降解过程中的作用及关系的研究非常少;同时,更多关注模拟PAHs污染土壤的修复效果,而对于实际PAHs污染土壤的修复效果几乎为空白。近年来,研究者对固定化真菌和细菌修复我国东北污灌区PAHs污染土壤进行了一些探索。研究表明,不同的固定化载体和不同的固定化菌影响土壤中PAHs可萃取浓度(生物有效性)和降解率,进而影响土壤中PAHs的修复效果。由于土壤环境本身的非均质和复杂性,固定化微生物技术修复PAHs污染土壤的主要难题在于固定化载体的选择以及适合于土壤修复的优势菌种的筛选,这也成为PAHs污染土壤固定化微生物修复关注的焦点。
2 微生物固定化载体的选择
载体材料的性质是影响固定化微生物活性、稳定性及污染物去除效果的重要因素。虽然不同种类的细菌及同种细菌在不同环境条件下对载体材料的要求都有所区别,但应用于废水处理中的固定化载体一般都具有无毒、带表面官能团、传质效应好、有较大比表面积、具有机械刚性、性能稳定、不溶于水、抗生物分解、寿命长、可重复使用、价格低廉、易获取、易制备等共性。目前废水处理应用中的微生物固定化载体材料主要有无机载体、天然高分子凝胶载体和有机合成高分子凝胶载体、复合载体材料及一些新型载体材料。表1为不同类型载体材料的代表物质以及其优缺点。另外,一些新材料如纳米材料被引进固定化领域,取得不错的效果,为微生物载体选择拓展了新领域。
由于土壤体系的复杂性和独特性,土壤修复对载体材料要求的侧重点与水体不同。土壤原位修复中一般不考虑固定化微生物载体的回收,固定化微生物载体施加进入土壤后即成为土壤中的一部分,因此,土壤修复对载体材料的环境友好性的要求更加严格,尤其需要考虑载体材料对土壤污染物迁移转化行为的影响。另外,载体材料在水体及土壤修复中所承担的功能也是有所区别的。应用于水体的载体材料主要是作为微生物的附着剂,从而提高微生物的稳定性和局部密度,要求载体具有一定的强度和抗微生物分解能力。而土壤修复中的载体材料不仅是微生物的附着剂,同时,载体提供的微环境还是一个良好的缓冲体系,可以屏蔽土壤不利条件的侵害;最重要的是,载体必须为外源微生物提供充足的营养,提高土壤微生物的密度和活性,所以,应用于土壤修复中的载体材料应具有一定的可生物降解性。因此,固定化微生物技术修复污染土壤中,选择合适的载体材料至关重要。
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