典型有机污染物的微生物转化与降解机理

 

　　(1)氯代芳香族污染物的微生物转化及降解机理。研究认为,土壤中存在大量能降解氯代芳香族 污染物的微生物,它们对氯代芳香族污染物的降解途径主要有两种:即好氧降解和厌氧降解(沈德中,2002)。

 

　　其中脱氯作用是氯代芳香族有机污染物生 物降解的关键过程,好氧微生物可通过双加氧酶或 单加氧酶作用使苯环羟基化,形成氯代儿茶酚,然 后进行邻位、间位开环,脱氯;也可先在水解酶作用下脱氯后开环,最终矿化(Mars 等,1999;Xun和 Webster,2004;徐向阳等,2004)。氯代芳香族 污染物的厌氧生物降解主要是依靠微生物的还原脱氯作用,逐步形成低氯代中间产物或被矿化生成CO2+CH4 的过程。

 

　　一般情况下,高氯代芳香族有机物还原脱氯较容易,而低氯代芳香族有机物厌氧降解较难。

 

　　研究表明,氯代芳香族污染物的厌氧微生 物降解具有很大的应用潜力,已成为有机污染土壤 环境修复的研究热点,美国 EPA 也已提出将有机污 染物厌氧生物降解作为生物修复行动计划的优先 领域(Adrian 等,2000;Bunge 等,2003;Fennell等,2004;Holliger 等,1998;Mars 等,1999;Sun等,2000)。

 

　　(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(侯梅芳等,2014)。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(Cerniglia,1992),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PAH(s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(丁哲利 等,2014)。

 

　　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(Zhou 等,2011,2012,2013)。

 

　　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(Barrutia 等,2011;Hickman 和 Reid,2008;Zhang 等,2012;Zhuang 等,2007;Zhou 等,2011; 潘声旺等,2010;滕应等,2008;徐莉等,2008)。

 

　　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(徐莉等,2008);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(滕应等,2008);接种食细菌线虫可以促进污染土壤扑草净的生物降解(Zhou 等,2011,2012,2013)。

 

　　利用能促进植物生长的根际细菌(Zhuang 等,2007) 或真菌,发展植物-降解菌群协同修复、动物-微生物协同修复(Contreras-Ramos 等,2008;Hickman和 Reid,2008;Zhou 等,2011)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。

 

　　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(Puiter 等,1993;Sulkava 等,1996)。

 

　　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(Coleman,1986;Edqards 和 Stinner,1988;Lavelle,1994;胡锋和吴珊眉,1992)。

 

　　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(Bonkowski 等,2000;Griffiths,1994;Ingham 等,1985),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(Ferris 等,1998;Griffith,1994;Li 和 Hu,2001;胡锋等,1999),但关于食微线虫在土壤污染修复中的作用却少有研究(Zhou 等,2011,2012,2013)。