污染土壤的微生物修复技术及应用

微生物修复是指利用天然存在的或所培养的功能微生物群，在适宜环境条件下，促进或强化微生物代谢功能，从而达到降低有毒污染物活性或降解成无毒物质的生物修复技术。与物理化学修复相比，微生物修复具有高效率、低成本、非破坏、绿色化、适用广等特点，已成为污染土壤生物修复技术的重要组成部分和生力军。

重金属污染土壤的微生物修复

重金属污染土壤的微生物修复原理主要包括生物富集(如生物积累、生物吸着)和生物转化(如生物氧化还原、甲基化与去甲基化以及重金属的溶解和有机络合配位降解)等作用方式。

微生物对重金属的生物积累和生物吸着主要表现在胞外络合、沉淀以及胞内积累等三种形式，其作用方式有以下几种：(1)金属磷酸盐、金属硫化物沉淀;(2)细菌胞外多聚体;(3)金属硫蛋白、植物螯合肽和其他金属结合蛋白;(4)铁载体;(5)真菌来源物质及其分泌物对重金属的去除。由于微生物对重金属具有很强的亲合吸附性能，有毒金属离子可以沉积在细胞的不同部位或结合到胞外基质上，或被轻度螯合在可溶性或不溶性生物多聚物上。

重金属进入细胞后，可通过“区域化作用”分配于细胞内的不同部位，体内可合成金属硫蛋白(MT)，MT可通过Cys残基上的巯基与金属离子结合形成无毒或低毒络合物。研究表明，微生物的重金属抗性与MT积累成正相关，这使细菌质粒可能有抗重金属的基因。

重金属污染土壤中存在一些特殊微生物类群，它们对有毒重金属离子不仅具有抗性，同时也可以使重金属进行生物转化。其主要作用机理包括微生物对重金属的生物氧化和还原、甲基化与去甲基化以及重金属的溶解和有机络合配位降解转化重金属，改变其毒性，从而形成某些微生物对重金属的解毒机制。

微生物也可通过改变重金属的氧化还原状态，使重金属化合价发生变化，改变重金属的稳定性。在细菌作用下氧化还原是最有希望的有毒废物生物修复系统。

有机污染土壤的微生物修复

微生物降解有机污染物主要依靠两种作用方式：其一，通过微生物分泌的胞外酶降解;其二，污染物被微生物吸收至其细胞内后，由胞内酶降解。微生物从胞外环境中吸收摄取物质的方式主要有主动运输、被动扩散、促进扩散、基团转位及胞饮作用等。

微生物降解和转化土壤中有机污染物，通常依靠以下基本反应模式来实现的：

(一)氧化作用

(二)还原作用

(三)基团转移作用

(四)水解作用

(五)其它反应类型

污染土壤的微生物修复技术与应用

土壤微生物修复技术是在适宜条件下利用土著微生物或外源微生物的代谢活动，对土壤中污染物进行转化、降解与去除的方法。从修复场地来分，土壤微生物修复技术主要分为两类，即原位微生物修复和异位微生物修复。

(1)污染土壤的原位微生物修复技术

原位微生物修复不需将污染土壤搬离现场，直接向污染土壤投放氮、磷等营养物质和供氧，促进土壤中土著微生物或特异功能微生物的代谢活性，降解污染物。原位微生物修复技术主要有生物通风法、生物强化法、土地耕作法和化学活性栅修复法等几种。

生物通风又称土壤曝气，是基于改变生物降解环境条件(如通气状况等)而设计的，是一种强迫氧化的生物降解方法。其操作原理是在污染的土壤上打至少2口井，安装鼓风机和抽空机，将空气强制注入土壤中，然后抽出土壤中的挥发性有机毒物。在通入空气时，可以加入一定量的氧气和营养液，改善土壤中降解菌的营养条件，提高土壤微生物的降解活性，从而达到污染物降解的目的。

生物强化是基于改变生物降解中微生物的活性和强度而设计的，可分为土著菌培养法和投菌法。

土地耕作法也称农耕法，是以就地污染土壤作为接种物的好氧生物过程。其简要操作规程是首先对污染土壤进行耕耙，同时施入肥料等养分，进行灌溉，加入石灰，从而尽可能地为微生物降解提供一个良好的环境，以便土壤中发生污染物的降解过程。

化学活性栅修复法是依靠掺入污染土壤的化学修复剂与污染物发生氧化、还原、沉淀、聚合等化学反应，从而使污染物得以降解或转化为低毒性或移动性较低的化学形态的方法。

(2)污染土壤的异位微生物修复技术

异位微生物修复是把污染土壤挖出，进行集中生物降解的方法。主要包括预制床法、堆制法及泥浆生物反应器法。

预制床修复是农耕法的延续，它可以使污染物的迁移量减至最低。

堆制法是利用传统的堆肥方法，将污染土壤与有机废弃生物质(如木屑、秸秆、树叶等土)、粪便等混合起来，使用机械或压气系统充氧，同时加入石灰以调节pH值，经过一段时间依靠堆肥过程中微生物作用来降解土壤中有机污染物。

泥浆生物反应器法是将污染土壤转移至生物反应器，加水混合成泥浆，调节适宜的pH，同时加入一定量的营养物质和表面活性剂，底部鼓人空气充氧，满足微生物所需氧气的同时，使微生物与污染物充分接触，加速污染物的降解，降解完成后，过滤脱水。这种方法处理效果好，速度快，但仅仅适宜于小范围的污染治理。

因此，我们在选择污染土壤微生物修复技术时，应充分考虑上述各种修复方法的优缺点，结合污染物的类型、污染场地、污染状况等因素，充分发挥每种微生物修复方法的长处，加以灵活运用。

土壤微生物修复技术的未来发展方向

从目前来看，微生物修复是最具发展和应用前景的生物修复技术，人们在微生物材料、降解途径以及修复技术研发等方面取得了一定的研究进展，并展示了一些成功的修复案例。但是随着微生物修复范畴及内涵的不断拓展，特别针对复杂的污染土壤生态系统，每种微生物修复技术不仅要克服自身原有的不足，而且还需进一步认识和解决在修复过程中出现的新现象和新问题，如新型污染物类型的发现、新微生物资源的评价、污染物的土壤修复过程与风险、修复技术的联合化及高效应用等方面。因此，污染土壤的微生物修复仍面临着极大的挑战，任务十分艰巨。今后需在以下几个方面展开深入研究：

(1)微生物资源及其生物降解途径

土壤微生物资源十分丰富，我们在挖掘现有高效微生物资源的基础上，仍继续筛选和驯化新的降解菌株;重点研究典型有机污染物的微生物降解途径、机理与生物降解代谢流;进一步解析典型污染物降解基因的结构、功能与调控机制，阐明降解过程的分子生物学机理;应用系统生物学方法，开展典型污染物微生物降解的基因组研究，以揭示其微生物遗传多样性与功能基因;在全面掌握污染物降解菌生理生化、遗传学特性基础上，重组构建污染物降解关键酶和功能优化的基因工程菌等。

(2)微生物联合修复技术的研发

由于土壤复合污染的普遍性、复杂性和特殊性，复合污染土壤的修复不可能单独依靠一种修复措施就能彻底解决问题，往往需要多途径、多方式的修复手段;另一方面，即使是单一污染土壤，我们也可以采用多途径、多方式强化微生物修复效果，以达彻底修复之目的。目前，基于微生物的复合修复思路主要有：微生物—土壤物理改良、微生物—化学活化、微生物—动物、微生物—植物、甚至于采用微生物—植物—动物等多生命体的系统组合，其中微生物(特别是根瘤菌和菌根真菌)—植物的联合修复近年来深受人们关注，在重金属和有机污染土壤的修复中显示出很好的应用前景。

(3)微生物修复技术的工程化应用

一般说来，实验室的微生物修复研究，因修复条件较为理想化，被干扰因素极少，其修复可能很好。如一旦将室内的微生物修复技术放大到现场条件下，干扰因素复杂，一系列的新问题可能会出现，甚至可能会遭致完全否定等现象。因此，微生物修复技术的工程化应用是一项复杂的系统工程，必须融合环境工程、水利学、环境化学及土壤学等多学科知识，创造现场的修复条件，如土地翻耕、农艺措施、添加物质、高效微生物、植物修复，季节更替等，构建出一套因地因时的污染土壤田间修复工程技术。

原标题：污染土壤的微生物修复技术及应用