固定化微生物技术修复PAHs污染土壤的研究进展

微生物亲和性、吸附能力、被富集污染物的生物有效性是评价固定化载体材料可行性的3个关键参数。现阶段应用于土壤中的固定化材料大多以聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭为主，而对于其它固定化材料的研究则很少。植物残体是一类广泛存在于环境中的天然有机质，是土壤有机质组分的主要来源，含有丰富的C、N等营养元素，对微生物和酶都具有很强的亲和性;植物残体腐殖化过程向土壤释放的各种溶解性有机质，其中很多是高环PAHs降解的共代谢底。向土壤添加植物残体材料等天然有机质可明显改善土壤理化性质，促进土壤微生物活性和数量，增强PAHs去除，是一种潜在的固定化载体材料。用甘蔗渣、木屑、麦秆等常见的植物残体固定微生物，可实现较高的酶产量和污染物去除能力。近年来，利用植物残体类天然有机质固定微生物去除水中PAHs等有机污染物已见报道，Gentili等用壳质角素和壳聚糖作为载体材料固定红球菌属(Rhodococcus corynebacterioides)修复原油污染海水，发现固定化细菌对海水污染物的去除比游离菌提高了大约30%。用甘蔗渣固定白腐真菌(Phanerochaete ysosporium)大大提高了锰过氧化酶的活性和水体蒽的去除率。此外，稻秆、松针粉]等都被证明是有效的固定化载体材料。有关利用天然有机质材料固定微生物修复PAHs污染土壤的报道较少，但天然有机质的潜在优势，如可以作为PAHs的天然生物吸附剂。Su等用玉米棒吸附固定真菌(Mucor sp.)修复苯并[a]芘污染土壤，发现固定化菌对环境适应能力更强、反应启动速度更快，苯并[a]芘去除效果更好。不同化学组成的植物材料对微生物降解PAHs有不同的影响，Dzul-Puc等分别以甘蔗渣和松针粉末作为黄孢原毛平革菌(Phanerochaete ysosporium)的生长基质，并用于苯并[a]芘污染土壤的修复，结果发现，甘蔗渣组苯并[a]芘降解更快。采用植物残体固定细菌修复PAHs污染土壤，结果表明植物残体及其提取液可强化固定化菌和土著微生物去除PAHs。

固定化微生物技术修复PAHs污染土壤的效果取决于降解菌与污染物的可接触性。微生物固定化技术明显提高局部土壤微生物的密度和活性，但同时限制微生物向固定化颗粒外部发展，由于土壤中PAHs等有机污染物迁移能力较弱，所以往往只有与固定化微生物接触的土壤得到有效修复。因此，为保证修复效果，必须经常翻耕土壤，并多次投加固定化微生物，造成修复成本增加、处理难度加大，严重限制其实际应用。一些高吸附性能的吸附剂可被用作固定化载体材料以解决上述缺陷。高吸附性能材料可促进PAHs由土壤有机质向固定化载体迁移，使固定化载体同时富集高浓度的微生物和土壤中的PAHs，增加PAHs与微生物的接触，实现PAHs的富集-降解一体化，从而显著促进土壤修复效果。一些研究者用活性炭固定微生物并用于环境污染修复，取得较好的效果。但活性炭生产成本较高，其环境影响也有待进一步研究。笔者所在课题组率先利用环境友好材料生物碳作为固定化基材，开展了固定化微生物修复PAHs污染土壤。生物碳是一类由天然生物质限氧裂解产生的富炭质材料，在自然界中广泛存在，具有很大的比表面积，对PAHs等有机污染物有很强的吸附能力，能大量富集污染物，促使污染物由土壤向生物碳迁移，从而提高微生物与污染物接触的几率。另外，生物碳是一类环境友好的材料，富含C、N等营养元素，表面携带大量官能团，能显著改善土壤理化条件，其多孔性质有利于微生物的附着生长。利用生物碳固定微生物在农业中已有广泛应用，关于其在土壤修复方面的应用有待深入研究。

载体材料对PAHs的吸附作用及吸附态PAHs的生物有效性是影响固定化微生物对污染土壤修复效果的重要因素。植物残体等天然有机质对PAHs吸附主要以分配作用为主，脂肪碳和芳香碳是其吸附的主要组分。相比天然有机质，生物碳对PAHs的吸附能力更强，吸附行为由表面吸附和分配作用所控制。生物碳制备条件尤其是裂解温度对其吸附性能有重要的影响。一般认为，随制备温度的增加，生物碳吸附能力逐渐增强，表面吸附作用贡献增大，被吸附的PAHs生物有效性降低。吸附作用导致土壤PAHs向载体迁移、富集，明显改变其迁移、转化行为和生物有效性。传统的研究认为微生物不能直接利用颗粒吸附态的有机污染物，污染物必须首先从吸附颗粒上脱附下来进入土壤溶液才能被微生物降解，所以，吸附作用实际上降低了土壤污染物的生物有效性，使土壤成为有机污染物重要的储存库。但也有研究认为，微生物可以直接利用颗粒吸附态的污染物，利用效率主要与颗粒的表面结构、化学性质及碳结构与微生物亲和性有关。Yang等研究了土壤有机质对菲吸附作用和降解行为的影响。他们发现随着土壤有机碳含量的增加(0.23%→7.1%)，土壤溶解性菲含量急剧下降[(28.63±2。15)μ

g˙L-1→(0.79±0.04)μg˙L-1]。但接种细菌(Mycobacterium vanbaalenii PYR-1)培养216h后，不同有机碳含量土壤中菲降解量并无显著变化，且土壤菲残留量都明显的低于模型预测值(模型认为微生物只能利用溶解态PAHs)，说明吸附态PAHs可以被微生物直接摄取利用。有研究认为微生物主要先利用土壤溶液中的PAHs，然后对吸附态PAHs进行降解，其降解效率主要与土壤有机碳含量和土壤孔隙率有关。对木质素、蜡质、纤维素吸附态菲的细菌降解实验发现，培养30d后，蜡质吸附态菲和纤维素吸附态菲分别被降解49.6%±0.6%和54.7%±3.4%，大大高于19.7%和39.0%的模型预测效果，说明大约有30%的蜡质吸附态菲和15%的纤维素吸附态菲是通过微生物直接摄取被降解的;实验中只有1.2%±0.2%的木质素吸附态菲被降解，说明木质素的吸附作用显著的降低了PAHs的生物有效性。微生物在有机质表面附着生长是其利用吸附态污染物的关键步骤，蜡质疏水表面对微生物的强亲和性是蜡质吸附态菲生物有效性较高的主要原因。因此，在固定化微生物修复PAHs污染土壤时，表面蜡质含量或疏水性等参数是选择载体材料的重要依据。

3 固定化微生物及高效降解菌的筛选

固定化微生物修复技术是载体与微生物共同作用的结果，微生物性质对土壤修复效果有重要的影响。用于PAHs污染土壤修复的微生物包括土著菌、外来高效菌和基因工程菌。表2列出了固定化微生物、固定化载体、固定化方法及其对PAHs污染土壤的修复效果的影响。不同的微生物固定化后对PAHs的降解存在很大的差异性。从表2可见，在细菌、真菌以及它们种内和种间联合作用条件下(以PAHs典型代表物芘为例)，单细菌对土壤中芘的去除率较差，最佳的降解菌种是动胶杆菌(Zoogloea sp.)9号，去除率为52.7%;单真菌对芘的去除效果普遍高于单细菌，最佳的降解菌种是镰刀菌(Fusarium sp.)，去除率达到了69%。单种微生物对PAHs表现出一定的降解能力，但众多研究表明，菌种的种内联合或种间联合降解往往优于单个菌种的降解能力。对2种细菌芽孢杆菌(Bacillus sp.)2号和动胶杆菌(Zoogloea sp.)9号联合降解芘研究表明，两菌联合降解的效果好于单菌种，对芘的降解率为61.8%;而2种真菌的联合降解效果更好，黑曲霉和镰刀菌在对初始浓度为100mg˙kg-1芘的降解率达到了81%。由此可见，在固定化微生物修复PAHs污染土壤中，联合菌种降解能力高于单个菌种;而在单菌种对PAHs的降解中，真菌的降解能力普遍高于细菌。然而，大部分研究结果是在土壤灭菌条件下获得的，与现实不灭菌的土壤条件有差别。最近有学者研究了固定化微生物投加到不灭菌的PAHs污染土壤中的修复效果，结果表明，加入松针生物碳固定化菌后，东北污灌区污染土壤中16种PAHs的可萃取浓度和可萃取率均显著降低，并且随着生物碳炭化温度升高而降低;生物碳固定化菌可以降解吸附的PAHs，筛选的高效土著菌能有效的利用生物碳固定化菌吸附的PAHs。由此可见，相对于外源菌，筛选的土著高效菌对PAHs的降解具有天然的优势。因此，筛选具有高降解性能的土著菌用于固定化微生物修复PAHs污染土壤是一种环境友好的选择。