土壤污染生物修復(fù)
狹義的生物修復(fù)主要是指利用微生物去除或降低受污染場地污染物的方法。廣義的生物修復(fù)，其“生物”除微生物外，還包括植物（如重金屬和放射性污染的超積累植物）、動(dòng)物等。
微生物在有機(jī)污染土壤生態(tài)修復(fù)中的作用
生物修復(fù)技術(shù)是指利用微生物或其他生物，將土壤中有害有機(jī)污染物降解為無害的無機(jī)物質(zhì)（CO2和H2O）的過程。降解過程可以通過改變土壤的理化條件（包括土壤pH值、濕度、溫度、通氣及營養(yǎng)添加）、接種特殊馴化與構(gòu)建的工程微生物來提高降解速率。
有機(jī)污染土壤生態(tài)修復(fù)研究主要是圍繞微生物修復(fù)展開的，它主要是指利用微生物的作用對(duì)進(jìn)入土壤環(huán)境中的難降解物質(zhì)如大分子有機(jī)污染物等進(jìn)行治理。其修復(fù)是一個(gè)受控的過程或者是一個(gè)自發(fā)的過程。像雜酚油、汽油、甲苯，甚至多氯聯(lián)苯（PCB）系列都是由碳分子鏈構(gòu)成的烴類化合物，其中含有氯的烴類化合物最毒，對(duì)大多數(shù)生物體而言也是最復(fù)雜、最具有毒性以至最難以降解的。但是一些土著微生物經(jīng)培養(yǎng)后能對(duì)其進(jìn)行降解，若給這些微生物提供適當(dāng)?shù)脑稀⒑线m的環(huán)境和一些必需品（如氧、電子供體等），它們能將復(fù)雜的碳?xì)浞肿咏到猓⑶覍⑵滢D(zhuǎn)化為無毒無害的副產(chǎn)品。在這一過程中微生物最終死去，但他們的尸體就像其他微生物死去后的遺留物一樣，是無毒無害的有機(jī)殘?jiān)?/p>
有機(jī)污染物進(jìn)入微生物細(xì)胞的過程
土壤中大部分有機(jī)污染物可以被微生物降解、轉(zhuǎn)化，并降低其毒性或使其完全無害化。微生物降解有機(jī)污染物主要依靠兩種作用方式 ：1、通過微生物分泌的胞外酶降解；2、污染物被微生物吸收至其細(xì)胞內(nèi)后，由胞內(nèi)酶降解。微生物從胞外環(huán)境中吸收攝取物質(zhì)的方式主要有主動(dòng)運(yùn)輸 、被動(dòng)擴(kuò)散、促進(jìn)擴(kuò)散、基團(tuán)轉(zhuǎn)位及胞飲作用等。
微生物降解有機(jī)污染物的一般途徑
- 礦化作用，礦化作用（mineralization）指有機(jī)污染物在一種或多種微生物的作用下徹底分解為H2O、CO2和簡單無機(jī)化合物如含氮化合物、含磷化合物、含硫化合物和含氯化合物等的過程。礦化作用是徹底的生物降解，即終極降解，可以從根本上清楚有機(jī)污染物的環(huán)境污染。一些環(huán)境異生物質(zhì)（xenobiotics）如氯苯、硝基苯、多氯聯(lián)苯等可以被專門的降解菌所礦化。微生物在通過礦化作用降解污染物的同時(shí)可以從污染物中獲取所需要的能源、碳源、氮源、磷源和硫源等。礦化作用過程包括氧化、還原、水解、脫水、脫氨基、脫鹵和裂解等生化反應(yīng)，都是在各種微生物代謝過程中表現(xiàn)出來的，其實(shí)施都是酶促反應(yīng)。
- 共代謝作用。 一些難降解的有機(jī)化合物不能直接作為碳源或能源物質(zhì)被微生物利用，當(dāng)環(huán)境中存在其他可利用的碳源或能源時(shí)，難降解有機(jī)化合物才能被利用，這樣的代謝過程為共代謝（cometabolism）作用。微生物的共代謝作用可能存在以下幾種情況：靠降解其他有機(jī)物提供能源或碳源；通過與其他微生物協(xié)同作用，發(fā)生共代謝，降解污染物；由其他物質(zhì)的誘導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)的酶系，發(fā)生共代謝作用。共代謝作用的存在，大大增加了一些難降解物質(zhì)在環(huán)境中被生物降解的可能性。
微生物降解有機(jī)污染物的主要反應(yīng)類型
- 氧化作用：醇的氧化、醛的氧化、甲基的氧化、氧化去烷基化、硫醚氧化、過氧化、苯環(huán)羥基化、芳烴裂解、雜環(huán)裂解、環(huán)氧化。
- 還原作用：乙烯基的還原、醇的還原、芳環(huán)羥基化、醌類還原、雙鍵、三鍵還原作用等等。
- 基團(tuán)轉(zhuǎn)移作用：脫羧作用、脫鹵作用、脫烴作用、氫鹵以及脫水反應(yīng)等。
- 水解作用：主要包括有酯類、胺類、磷酸酯以及氯代烴等的水解類型。
- 其他反應(yīng)類型：酯化、縮合、氨化、乙酰化、雙鍵斷裂及鹵原子移動(dòng)等。
影響微生物降解土壤中有機(jī)污染物的主要因素
微生物對(duì)于有機(jī)污染物的降解與污染物的性質(zhì)、濃度，土壤環(huán)境條件以及對(duì)微生物的暴露方式不同而異。
- 污染物的性質(zhì)：污染物的溶解性、污染物的結(jié)構(gòu)；
- 污染物的濃度；
- 土壤環(huán)境條件：營養(yǎng)、電子受體、pH值、水分、溫度、土壤的結(jié)構(gòu)與組成
污染土壤生物修復(fù)技術(shù)的主要特點(diǎn)為：
- 成本低于熱處理及物理化學(xué)方法；
- 不破壞植物生長所需的土壤環(huán)境；污染物氧化完全，沒有像土地填埋那樣的二次污染問題；
- 處理效果好，對(duì)低分子量的污染物去除率可達(dá)99%以上；
- 可就地處理，操作簡單。
應(yīng)用微生物治理土壤有機(jī)污染的方法主要有三種：原位治理方法；異位治理方法；原位-異位聯(lián)合治理方法。
原位生物修復(fù)處理土壤和地下水，無需將土壤挖走或?qū)⑽廴镜叵滤帽贸橹恋孛妫鋬?yōu)點(diǎn)是處理費(fèi)用低，但處理過程控制較難。原位生物修復(fù)的主要技術(shù)手段是添加營養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧、微生物或酶（以強(qiáng)化污染物分解速率）、表面活性劑（促進(jìn)污染物質(zhì)與微生物的充分接觸）、補(bǔ)充碳源及能源，以保證微生物的共代謝活動(dòng)。
原位生物修復(fù)方法包括：
- 投菌法，就是直接向遭受污染的土壤中接入外源的污染物降解菌，并提供這些細(xì)菌生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，從而達(dá)到將污染物就地降解的目的。
- 生物培養(yǎng)法，就地定期向土壤投加過氧化氫和營養(yǎng)物，以便使土壤中微生物通過代謝將污染物完全礦化為二氧化碳和水的方法稱為原位生物培養(yǎng)法。
- 生物通氣法，這是一種強(qiáng)迫氧化的生物降解方法，在污染的土壤上打至少兩口井，安裝上鼓風(fēng)機(jī)和抽真空機(jī)，將空氣強(qiáng)排入土壤，然后抽出。土壤中有毒揮發(fā)物質(zhì)也隨之去除，在通入空氣時(shí)另加入一定量的氨氣，為微生物提供氮源增加其活性。還有一種生物通氣法稱之為生物注射法，即將空氣加壓注入污染地下水下部，氣流加速地寫誰和土壤中有機(jī)物的揮發(fā)和降解。生物通氣法受土壤結(jié)構(gòu)的制約，它需要土壤具有多孔結(jié)構(gòu)。
- 農(nóng)耕法，對(duì)只在表層被有機(jī)物污染且有就地處理?xiàng)l件的地塊，可進(jìn)行就地地耕處理。即對(duì)被污染土地土層進(jìn)行耕耙，深度以2-0.4m為宜，以使污染物與土壤均勻混合，并盡可能提供微生物代謝的好氧環(huán)境。
異位生物修復(fù)技術(shù)則需要將污染物質(zhì)通過一定途徑從污染現(xiàn)場運(yùn)走，再進(jìn)行生物處理。在異位生物修復(fù)處理過程中，較多地應(yīng)用了各類生物反應(yīng)器，所以，不僅污染物質(zhì)的搬運(yùn)增加處理費(fèi)用，而且反應(yīng)器的加工制造、控制系統(tǒng)的設(shè)置等也會(huì)增加費(fèi)用。相對(duì)于原位生物修復(fù)而言，異位生物修復(fù)過程易于控制。對(duì)一些難處理的有機(jī)污染物如有毒化合物、揮發(fā)性污染物或濃度較高的污染物處理，異位生物修復(fù)可發(fā)揮重要作用。
異位生物修復(fù)方法包括：
- 預(yù)制床法，在不泄漏的平臺(tái)上鋪上石子和砂子，將受污染的土壤以15-30cm的厚度平鋪在平臺(tái)上，加上營養(yǎng)液和水，必要時(shí)加上表面活性劑，定期翻動(dòng)充氧，將處理過程中滲透的水回灌于土層上，以完全清除污染物。該方法實(shí)質(zhì)上是農(nóng)耕法的一種延續(xù)，但是它降低了污染物的遷移。
- 堆肥法，堆肥法是生物治理的重要方式，是傳統(tǒng)堆肥和生物治理的結(jié)合。它依靠自然界廣泛存在的微生物使有機(jī)物向未定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化，是一種有機(jī)物高溫降解的固相過程。一般方法是將土壤和一些易降解的有機(jī)物如糞肥、稻草、泥炭等混合堆制，同時(shí)加石灰調(diào)節(jié)酸度，經(jīng)發(fā)酵處理，可將大部分污染物降解。影響堆肥法效果的主要因素有水分含量、碳氮比、氧氣含量、溫度和酸度等。
- 生物反應(yīng)器法，把污染土壤移到生物反應(yīng)器中，加3-9倍的水混合使呈泥漿狀，同時(shí)加必要的營養(yǎng)物質(zhì)和表面活性劑，泵入空氣充氧，劇烈攪拌使微生物與污染物充分混合，降解完成后，快速過濾脫水。
微生物在重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)中的作用
重金屬污染土壤的生態(tài)修復(fù)主要是利用植物或土壤中天然的微生物資源，消減、凈化土壤中重金屬或降低重金屬毒性，從而使污染物的濃度降低到可接受的水平，或?qū)⒂卸居泻Φ奈廴疚镛D(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)，也包括將污染物穩(wěn)定化，以減少其向周邊環(huán)境的擴(kuò)散。重金屬的植物修復(fù)，就是利用植物在水或土壤中固定、降解或提取污染物。重金屬污染的特定是不能被微生物降解而從環(huán)境中徹底消除，只能從一種形態(tài)轉(zhuǎn)為為另一種形態(tài)。所以重金屬的微生物修復(fù)通過以下途徑：利用微生物化學(xué)、微生物有效性和微生物活性原則，把重金屬轉(zhuǎn)化為較低毒性產(chǎn)物（絡(luò)合態(tài)、脫烷基、改變價(jià)態(tài)）；或利用重金屬與微生物的親和性進(jìn)行吸附及生物學(xué)活性最佳的的機(jī)會(huì)，降低重金屬的毒性和遷移能力。
在重金屬污染土壤的生態(tài)修復(fù)過程中微生物主要通過以下幾種方式起作用：
- 1、通過微生物的吸附、代謝達(dá)到對(duì)重金屬消減、凈化作用和固定作用；
- 2、通過微生物改變重金屬的化學(xué)形態(tài)，使重金屬固定或生物可利用性降低，減少重金屬的危害；
- 3、土壤微生物過氧化還原作用改變根際重金屬形態(tài)或產(chǎn)生的有機(jī)酸等方式可能增加金屬的溶解性，提高重金屬的有效性，以利于植物吸收；
- 4、通過促進(jìn)植物生物生長、提高植物抗病、抗逆能力等方式間接影響修復(fù)效率。
土壤微生物生態(tài)工程，主要是通過向土壤中接種微生物公共能群物種或改良土壤環(huán)境以刺激微生物的生長繁殖，從而改善土壤環(huán)境、減少土傳病害、降解土壤中的污染物以及加快土壤生態(tài)恢復(fù)。土壤微生物生態(tài)工程在生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)、污染土壤生態(tài)修復(fù)、礦山復(fù)墾以及海濱鹽土改良等方面起著日益重要的作用。