(3)根际-微生物的联合代谢作用:植物是一个有效的土壤污染处理系统,它同其根际微生物共同利用其生理代谢特性担负着分解、富集和稳定污染物的作用。

 

　　根际是植物根系直接影响的土壤范围, 是指在植物根系分泌的有机物作用下,与其 pH、EH、微生物等组成的一个特殊的微生物环境,根系分泌物与根际微生物间存在着复杂的相互关系。

 

　　Moser 等(1983)研究认为,植物每年释放到土壤中的物质可达植物总光合作用产物的 10%~20%, 它们与脱落的根冠细胞等一起为根际微生物提供 重要的营养物质,促进了根际微生物的生长与繁殖。由于根系生长的穿插作用,使根际的通气状况、 水分含量和温度均比根际外的土壤更利于微生物的生长;另一方面,植物将大气中的氧气经叶、茎输送到根系中,扩散到根际周围缺氧的土壤中,形成了富氧的微环境,刺激好氧微生物的活性和生长繁殖(程树培,1994)。

 

　　研究表明,植物根际土壤微生物明显比非根际土壤中的微生物活性、数量和种类多,一般提高约 10 倍,有的高达 100 倍,其中假单孢菌属(Pseudomonas sp.)、黄杆菌属(Flavobacterium sp.)、产碱菌属(Alcaligenes sp.) 和土壤杆菌属(Agrobacterium sp.)的根际效应非常明显(Anderson等,1993)。

 

　　研究发现,植物根际是一个能降解土壤中污染物的生物活跃区,根际可以加速许多农药以及三氯乙烯的降解(Henner 等,1997)。研究者还针对植物宿主的正确选择、必要的植根方式和有关的微生物群落进行了综合研究, 发现植物根际-微生物系统的相互促进作用将是提高污染土壤植物修复能力的一个活跃领域 (Anderson 和 Walton,1992)。

 

　　植物根系分泌物在增强根际微生物活性的同时,微生物的活动也促进了 根系分泌物的释放,两者相互作用共同加速了根际有机污染物的降解,植物根际微生物的降解作用被认为是植物修复土壤有机污染物的主要途径(Afzal 等,2011;Glick,2010;Liu 等,2014)。

 

　　污染土壤的植物修复与其他修复技术相比,有着许多优点,如成本低、对环境影响小、能使地表长期稳定,清除土壤污染的同时可清除污染土壤周围的大气和水体中的污染物,这样有利于改善生态环境(唐世荣等,1996)。

 

　　但由于该技术仍处于起步阶段,在理论体系、修复机理及技术上还有待进 一步研究(Bauddh 等,2012;Hou 等,2013;Liu等,2011;杨卫东等,2014),包括对植物的生理特性、栽培特性、遗传学及分子生物学特性进行研究,以筛选能超量积累污染物的植物并改善植物吸收性能;对植物分解、富集和稳定化污染物的机制展开研究,确定污染物在植物体系中的迁移转化规律以及植物-微生物体系的作用规律等。此外,利用基因工程技术,构建高效去除污染物的植物,是目前研究的热点之一。

 

　　2.2有机污染土壤的微生物修复技术

 

　　微生物是土壤生态系统的重要生命体,它不仅可以指示污染土壤的生态系统稳定性,而且还有巨 大的潜在的环境污染修复功能。微生物能以有机污染物为唯一碳源和能源或与其他有机物进行共代谢而将其降解。在此基础上,便出现了污染土壤的微生物修复理论及技术。

 

　　微生物修复是指利用天然存在的或所培养的功能微生物(主要有土著微生物、外来微生物和基因工程菌),在人为优化的适宜条件下,促进微生物代谢功能,从而达到降低有毒污染物活性或将其降解成无毒物质而达到修复受污染环境的技术。

 

　　通常一种微生物能降解多种有机污染物,如假单胞杆菌可降解 DDT、艾氏剂、毒杀酚和敌敌畏等。 此外,微生物可通过改变土壤的理化性质而降低有机污染物的有效性,从而间接起到修复污染土壤的目的。

 

　　在我国,已构建了有机污染物高效降解菌筛选技术、微生物修复剂制备技术和有机污染物残留微生物降解田间应用技术(陈志丹等,2012;顾平 等,2010;花莉等,2013;骆永明,2008;彭素芬 等,2010;钱林波等,2012;周际海等,2013)。 如:刘宪华等(2003)用假单胞菌 AEBL3 降解土壤呋喃丹,结果表明,未加菌土壤呋喃丹在 0~7 cm土层中质量分数已达 90 mg˙kg-1,加菌土壤呋喃丹 质量分数为 4.8 mg˙kg-1,后者降解率达 96.4%。

 

　　如今,微生物修复有机污染物研究已进入基因水平, 可以利用基因重组、构建基因工程菌来提高微生物 降解有机污染物的能力。如:蒋建东等(2005)通 过同源重组法构建多功能农药降解基因工程菌,在 相同条件下,工程菌 CD-mps 和 CDS-2mpd 在 1~24 h内便可迅速降解甲基对硫磷(MP),呋喃丹也可 在 30 h 内完全降解。

 

　　微生物修复研究的发展趋势

 

　　目前,微生物处理土壤污染的研究主要集中在以下几方面:

 

　　(1)高效降解菌株的筛选和基因工程菌的研发。土著微生物虽然在土壤中广泛存在,但由于其生长较慢,代谢活性不高,或者由于污染物的存在 造成土著微生物的数量下降,致使降解污染物的能力降低,因此往往需要在污染土壤中接种降解污染物的高效菌,以缩短修复时间。

 

　　研究表明在实验室条件下,30 °C时每 g 土壤接种 106 个五氯酚(PCP) 降解菌,使 PCP 的半衰期从 2 周降低到 1 d(Wilson和 Jones,1993)。为了增加对某些特定有机污染物 的降解,利用分子生物学、基因工程等新理论与技 术分离和选育高效降解菌及酶系,并提高它们对污 染物的降解能力,是目前强化土壤微生物修复效果 的研究热点。

 

　　近年来,利用基因工程手段研究和构 建高效基因工程菌,可将多种降解基因转入同一微 生物中,使其获得广谱的降解能力。具体技术包括 降解性质粒 DNA 的体外重组、组建带有多个质粒 的新菌株和原生质体融合等。例如,将甲苯降解基 因转移给其他微生物,使受体微生物也能降解甲 苯,这比简单地接种特定的微生物要有效得多。

 

　　(2)降解菌定殖的强化技术。土壤中的氮、磷 都是微生物生长的重要营养元素,适当添加营养物是促进降解菌尽快定殖,并将污染物完全降解的主 要措施(易绍金和马文臣,2006)。但要达到良好的降解效果,在添加营养盐之前,要确定营养盐的添加形式、合适的浓度及比例。

 

　　目前常用的营养盐的种类很多,如正磷酸盐或聚磷酸盐、铵盐、尿素 及酿造酵母废液等。虽然在理论上可以估算 N、P的需要量,但有些污染物的降解速度太慢,而且不同地点 N、P 的可利用性变动很大,实际值与计算值会有较大的偏差。

 

　　目前,有些外国公司针对特定的环境已经开发出一些强化生物修复的肥料,如用石蜡包埋正磷酸盐或尿素,该配方的营养物易溶于 油相,可以缓慢释放,处理土壤石油类污染物效果显著。

 

　　微生物降解土壤有机污染物的主要反应类型

 

　　土壤有机污染物可在微生物的直接作用下或在共代谢作用下分解为低毒或无毒产物,也可利用微生物分泌的酶(胞内酶和胞外酶)的作用对有机 污染物进行分解等。大部分有机污染物可被土壤微生物降解、转化,降低其毒性或完全无害化。

 

　　有机污染物被微生物降解主要依靠两种方式:

 

　　(1)利用微生物分泌的胞外酶降解;

 

　　(2)污染物被微生物吸收到细胞内,由胞内酶降解。

 

　　吸收污染物的方式主要有被动扩散、促进扩散、主动运输、基团转位及胞饮作用等。污染物的微生物降解可以归结为如下主要反应类型。

 

　　(1)氧化作用:

 

　　1.醇氧化,如醋化醋杆菌 (Acetobacter aceti)将乙醇氧化为乙酸,氧化节杆菌(Arthrobacter oxydans)可将丙二醇氧化为乳酸;

 

　　2.醛氧化,如铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)将乙醛氧化为乙酸;3.甲基氧化,如铜绿假单胞菌将甲苯氧化为安息香酸;

 

　　4.氧化去烷基化:如微生物对有机磷杀虫剂的氧化;

 

　　5.硫醚氧化:如微生物对三硫磷、扑草净等的氧化;

 

　　6.过氧化:如艾氏剂和七氯可通过过氧化被微生物降解;

 

　　7.苯环羟基化:2,4-D 和苯甲酸等化合物可通过苯环羟基化被微生物分解;

 

　　8.芳环裂解:在微生物作用下将苯酚系列化合物进行环裂解;

 

　　9.杂环裂解: 五元环(杂环农药)和六元环(吡啶类)化合物可在微生物作用下裂解;

 

　　10.环氧化:如环戊二烯类杀虫剂的脱卤、水解、还原及羟基化作用,是微生物降解的主要机制,等等。

 

　　(2)还原作用:

 

　　1.乙烯基还原,如大肠杆菌 (Escherichia coliform)将延胡索酸还原为琥珀酸;

 

　　2.醇还原,如丙酸梭菌(Clostridium propionicum) 将乳酸还原为丙酸;

 

　　3.芳环羟基化,在厌氧条件下微生物可将甲苯酸盐羟基化;还有醌类还原,双键、 三键还原作用,等等。

 

　　(3)基团转移作用:

 

　　1.脱羧作用,如戊糖丙酸 杆菌(Propionibacterium pentosaceum)可使琥珀酸 等羧酸脱羧为丙酸;

 

　　2.脱卤作用,如氯代芳烃、农 药、五氯酚等有机污染物可通过该途径被微生物降解;

 

　　3.脱烃作用,某些有烃基连接在氮、氧或硫原子上的农药通过该反应被微生物降解;还有脱氢卤及脱水反应等。

 

　　(4)水解作用:主要是酯类、胺类、磷酸酯以 及卤代烃等通过微生物作用的水解类型。

 

　　(5)其他反应类型:如氨化、乙酰化、酯化、 缩合、双键断裂及卤原子移动等。