（环境工程专业论文）原位电动微生物技术修复多环芳烃污染土壤的研究.pdf

摘要 多环芳烃( p a h s ) 是土壤中常见的有机污染物，由于具有潜在的三致效应， 受到广泛关注。在众多p a h s 污染土壤的修复方法中，微生物修复技术由于具有 对环境干扰小，成本低，不产生二次污染等特点，一直倍受学术界和修复产业 界的青睐。但是，由于p a h s 的疏水性、稳定性，严重限制了其生物可利用程度 和生物修复速度，因此，通过采取强化措施提高其生物修复效率就成为生物修 复p a h s 污染土壤的关键。 本研究以北京焦化厂实际污染土壤为研究对象，选择p a h s 为目标污染物， 选择筛选出的真菌一可可毛色二孢菌( l ) ，未鉴定的细菌( j ) 这2 种特效微生 物，焦化厂混合菌株( m ) 及2 种特效微生物复配( l + j ) 为微生物菌种，研究 土壤p a h s 污染修复技术；研究2 种表面活性剂羟丙基b 环糊精( h p c d ) 和t w e e n 8 0 对于特效微生物降解p a h s 的影响规律；最后利用自行设计的电动装置，进 行了电动微生物联合技术的中试研究。本论文主要研究结果如下： 1 ) 筛选出的微生物修复p a h s 研究中，第7 0dl 组和l + j 组p a h s 降解率 达到分别达到4 5 3 士2 o 和4 7 3 士2 5 ，比对照组提高约3 0 个百分点；过氧化 氢酶和转化酶两种酶活性最高值均出现在l 组和l 斗j 组，说明向焦化厂土壤中 加入的这些微生物具有较强的生存生长并产生该酶或者与土壤微生物具有协同 的能力，均证实可可毛色二孢菌及可可毛色二孢菌与焦化厂细菌的复配组对实 际污染土壤中的p a l l s 有良好的修复效果。 2 ) 加入t w e e n8 0 和h p c d2 种表面活性剂，1 6 种p a h s 总降解率有了不同 程度的提高，而效果最佳的是l t 和l + j h 组，比对照组提高了4 5 个百分点以 上，比对应未加表面活性剂的微生物修复组提高了约1 5 个分点。添加表面活性 剂后，微生物对低环p a h s 降解率依然明显高于高环，但对高环数p a h s 的降解 促进作用更明显，且5 6 环难降解的p a h s 降解率增加近一倍。 3 ) 不同表面活性剂浓度对可可毛色二孢菌修复p a h s 污染的影响研究表明， t w e e n8 0 和h p c d 含量均为1e , k g 是可可毛色二孢菌修复土壤中p a h s 污染的 摘要 最佳剂量，修复效率达6 4 34 - 2 0 和6 3 94 - 1 8 ，比单一微生物修复组提高了 2 0 个百分点左右，表明t w e e n8 0 与h p c d 能是强化微生物修复实际土壤污染的 可选表面活性剂。 4 ) 在微生物修复组和不同浓度表面活性剂强化微生物修复组中土壤酶活变 化整体趋势：修复初始阶段，土壤酶活快速增加，在第1 0d 左右达到最大值， 随着修复的进行，酶活逐渐降低。然而，添加表面活性剂后，土壤中过氧化氢 酶和转化酶的活性增加，证实在修复过程中t w e e n8 0 和h p c d 都能够有效促进 微生物对这两种酶的分泌。 5 ) 在电场作用下，中试装置运行2 0 0d ，p h 值没有明显的变化，说明利用 循环电解液的方法可以有效的控制中试装置中土壤p h 值。电场存在的情况下， 中试装置中土壤的电导率升高较快，且最终值大于对照组；中试装置中土壤的 氨氮，有效磷均高于对照组，电解室中的氨氮、有效磷浓度低于对照组。说明 电场可以促进电解液中的无机盐向土壤中迁移，为微生物的生长提供了必要的 营养物质。 6 ) 在电场作用下，p a h s 的降解率较高，在第2 0 0d 距离阳极不同距离p a h s 降解率范围在5 0 6 - 1 - 4 3 5 6 84 - 1 7 ，而对照组为2 8 84 - 3 4 3 1 84 - 2 o ，因 此，电场作用下实际土壤p a h s 降解率是对照组的近2 倍，且电动对于高环p a h s 的去除更有效；土壤中的p a h s 降解菌明显增加，5 个采样点p a h s 降解菌的数 量平均比对照组高8 倍；p a h s 降解过程中土壤中过氧化氢酶和多酚氧化酶不论 是在酶活最高点还是最终水平，电场组酶活都高于对照组。 本研究运用电动微生物联合技术是一种集微生物修复、电动修复、电动注 入营养物质、电动注入微生物和电动注入表面活性剂一体的新型辅佐技术。本 研究首次将该技术运用于污染原土的修复，并进行了中试规模的实验，为该技 术今后的发展和运用提供了理论支持，具有现实意义。 关键词：电动微生物修复，多环芳烃，土壤，t w e e n8 0 ，羟丙基p - 环糊精 l i a b s t r a c t a b s t r a c t p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) a r ec o m m o no r g a n i cp o l l u t a n t si n s o i l s d u et ot h e i rc a r c i n o g e n i c i t ya n dt h ew i d e s p r e a do c c u r r e n c e ，p a h sh a v e a t t r a c t e dw i d e s p r e a da t t e n t i o na r o u n dt h ew o r l d b i o r e m e d i a t i o ni st h em o s tf a v o r a b l e m e t h o df o ra c a d e m i aa n di n d u s t r yd u et oi t sl o wc o s t ，e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yn a t u r e a n da v o i d i n gs e c o n d a r yp o l l u t i o n h o w e v e r , b e c a u s eo ft h eh y d r o p h o b i c i t ya n d s t a b i l i t yn a t u r eo fp a hm o l e c u l e ，p a hb i o r e m e d i a t i o nr a t ea r es e v e r e l yl i m i t e d t h e r e f o r e ，m e a s u r e st h a tc o u l de n h a n c eb i o r e m e d i a t i o ne f f i c i e n c ya r et a k e n ，w h i c h h a sb e c o m et h em a j o rc o n c e r nf o rb i o r e m e d i a t i o no fp a h sc o n t a m i n a t e ds o i l i nt h i st h e s i s ，t h es o i lo ft h eb e i j i n gc o k i n gp l a n ta n dp a h sw e r ec h o s e na st h e r e s e a r c ho b j e c ts o i la n dt a r g e tp o l l u t a n t s ，r e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d o np a h sb i o r e m e d i a t i o nu s i n g2s t r a i n so fm i c r o o r g a n i s m si s o l a t e df r o ms o i lo ft h e b e i j i n gc o k i n gp l a n t - - l a s i o d i p l o d i at h e o b r o m a e ( l ) a n das p e c i f i cs t r a i no fb a c t e r i a u n i d e n t i f i e d ( j ) ，t h em i x e ds t r a i n so f t h ec o k i n gp l a n t ，a n dc o m p l e xo fla n dj ( l + j ) e f f e c to fs u r f a c t a n t sh p c da n dt w e e n8 0o nm i c r o d e g r a d a t i o no fp a h sw a ss t u d i e d p i l o t - s c a l ee l e c t r o k i n e t i cb i o r e m e d i a t i o no fp a h sw a sc o n d u c t e du s i n gs e l f - d e s i g n e d e l e c t r i cd e v i c e t h ef o l l o w i n gr e s u l t sw e r ea c h i e v e di nt h i st h e s i s ： 1 ) p a h sd e g r a d a t i o nr a t e so fg r o u pl a n dl + jw e r et h eh i g h e s ta m o n ga l lt h e m i c r o o r g a n i s m s o nt h e7 0d t o t a ld e g r a d a t i o nr a t e so fp a h sw e r e4 5 3 士2 0 a n d 4 7 34 - 2 5 ，r e s p e c t i v e l y , b e i n ga p p r o x i m a t e l y3 0p e r c e n t a g ep o i n t sh i g h e rt h a nt h e c o n t r o lg r o u p m o r e o v e r , h y d r o g e np e r o x i d a s ea n di n v e r t a s ea c t i v i t i e si nla n dl + j b i o r e m e d i a t i o ng r o u pw e r et h eh i g h e s t t h e s es h o w e dt h a tt h o s em i c r o o r g a n i s m sm a y p r o d u c eh y d r o g e np e r o x i d a s ea n di n v e r t a s eo rh a v es y n e r g i ce f f e c tw i t hi n d i g e n o u s m i c r o o r g a n i s m s i tw a sc o n f i r m e dt h a tla n dl + jm i c r o o r g a n i s m sa r ep r o m i s i n g m i c r o o r g a n i s m sf o rb i o r e m e d i a t i o no fp a h c o n t a m i n a t e ds o i l 2 ) a f t e rt h ea d d i t i o no ft w e e n8 0a n dh y d r o x y p r o p y l - f l - c y c l o d e x t r i n ( h p c d ) ， d e g r a d a t i o nr a t e so f16p r i o r i t yp a h si n c r e a s e dw i t hd i f f e r e n td e g r e e s t h ei n c r e a s e d e x t e n to fd e g r a d a t i o nr a t e sw e r et h em o s to b v i o u si nla n dl + jg r o u p sc o m p a r e dt o i i i 垒! ! 塑竺 t h eo t h e rt w o g r o u p s t h ed e g r a d a t i o nr a t e si nt h ela n dl + jg r o u pw e r ee n h a n c e db y a b o u t4 5p e r c e n t a g ep o i n t sh i g h e rt h a nt h ec o n t r o l g r o u pw i t hs u r f a c t a n t s ，a n d15 p e r c e n t a g ep o i n t sh i g h e rt h a n c o r r e s p o n d i n gb i o r e m e d i a t i o ng r o u p sw i t h o u t s u r f a c t a n t s t h ed e g r a d a t i o nr a t e so fl o w - r i n gp a h sw e r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a n h i g h r i n gp a h s ；h o w e v e r , t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fh i g h r i n gp a h sw a se n h a n c e d m u c hm o r et h a nl o w r i n gp a h s ，w i t had o u b l e dd e g r a d a t i o nr a t e sf o r5 6r i n g s p a h s 3 ) e f f e c to ft h ed o s eo fs u r f a c t a n t so np a h d e g r a d a t i o nb yl t h e o b r o 聊口pw a s i n v e s t i g a t e d a tt h eb e s to p t i m u md o s eo f1 g k g ，t h ep a hd e g r a d a t i o nr a t e sw e r e e n h a n c e dt o6 4 3 士2 o a n d6 3 9 士1 8 f o rt w e e n8 0a n dh p c d r e s p e c t i v e l v t h e s ea r ea b o u t2 0p e r c e n t a g ep o i n t sh i g h e rt h a ng r o u p sw i t h o u t s u r f a c t a n t s i ts h o w s t h a tt w e e n8 0a n dh p c da r eo p t i o n a ls u r f a c t a n tf o rt h ee n h a n c e db i o r e m e d i a t i o no f c o n t a m i n a t e ds o i l 4 ) d u r i n gt h eb i o d e g r a d a t i o n ，t h es o i le n z y m ea c t i v i t i e si n c r e a s e dr a p i d l va tt h e i n i t i a ls t a g eo fr e m e d i a t i o n ，t h e ns l o w l yd e c r e a s e da f t e rt h e 10 md a y s o i le n z y m e a c t i v i t i e sw e r ee n h a n c e dw i t ht h ea d d i t i o no fs u r f a c t a n t s ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt w e e n 8 0a n dh p c dc o u l db o t hs t i m u l a t et h e g e n e r a t i o no fh y d r o g e np e r o x i d a s ea n d i n v e r t a s e 5 ) a f t e r2 0 0d a y so fe l e c t r o k i n e t i cr e m e d i a t i o n ，p ho ft h et e s t e ds o i lh a dn o o b v i o u sc h a n g ew h i c hi n d i c a t e dt h a tc i r c u l a t i n ge l e c t r o l y t ec o u l de f f e c t i v e l yc o n t r o l s o i lp hi np i l o tp l a n t e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yo fs o i li np i l o te l e c t r o k i n e t i cg r o u p i n c r e a s e dr a p i d l yd u r i n gr e m e d i a t i o n ，a n dw a sh i g h e rt h a nt h ec o n t r o la tt h ee n do f r e m e d i a t i o n e x t r a c t e da m m o n i u ma n dp h o s p h a t ei ns o i lo f p i l o te l e c t r o k i n e t i cg r o u p w e r eh i g h e rt h a nt h o s eo ft h ec o n t r o lg r o u p ，w h i l et h ec o n c e n t r a t i o no f a m m o n i aa n d p h o s p h o r u si ne l e c t r o l y t e sw e r el o w e rt h a nt h ec o n t r o lg r o u p h e n c e ，i tc o u l db e c o n c l u d e dt h a te l e c t r i cf i e l dc o u l dp r o m o t et h et r a n s p o r to fn u t r i e n t si ne l e c t r o l y t e i n t ot h es o i l 6 ) t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fp a h si ne l e c t r o k i n e t i cg r o u pw a sh i g h e l t h a nt h e c o n t r o l t h ed e g r a d a t i o nr a t e so fd i f f e r e n ts a m p l i n gp o s i t i o n sr a n g e df r o m5 0 6 4 - 4 3 - 5 6 8 士1 7 ，w h i c hw e r et w i c ea sh i g ha st h o s ei nt h ec o n t r o lg r o u p ( 2 8 8 士3 4 - 31 8 - 4 - 2 0 ) m e a n w h i l e ，t h ed e g r a d a t i o nr a t eo fh i g h r i n gp a i l sw a s i v a b s t r a c t e n h a n c e dm u c hm o r et h a nl o w - r i n gp a h sb ye l e c t r i c a lf i e l d t h ep a h - d e g r a d e r si n t h es o i lo fe l e c t r o k i n e t i c g r o u pn o t a b l y i n c r e a s e d ，t h ea v e r a g e n u m b e ro f p a h d e g r a d e r so f5s a m p l i n gp o i n t sw a s8t i m e sh i g h e rt h a nt h o s eo ft h ec o n t r o l g r o u pa t2 0 0d t h em a x i m u m v a l u e sa n df i n a lv a l u e so fh y d r o g e np e r o x i d a s ea n d p o l y p h e n o lo x i d a s ed u r i n gp a hb i o r e m e d i a t i o n a c t i v i t i e sw e r eh i g h e rt h a nt h e c o n t r o lg r o u pu n d e rt h ef u n c t i o no fe l e c t r i cf i e l d t h ep r e s e n ts t u d ys h o w e dt h a te l e c t r o k i n e t i c - b i o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yi sa p r o m i s i n gt e c h n o l o g yc o m b i n i n gm i c r o b i a lr e m e d i a t i o n ，e l e c t r i cr e m e d i a t i o n ，a n d i n j e c t i o nt e c h n o l o g yo fn u t r i e n t s ，m i c r o o r g a n i s m sa n ds u r f a c t a n t t h i st e c h n o l o g y w a sa p p l i e dt or e m e d i a t i o no fp a hc o n t a m i n a t e ds o i li np i l o t - s c a l ed e v i c ef o rt h ef i r s t t i m ei nt h i ss t u d y t h e r e f o r e ，t h i ss t u d yc a np r o v i d et h e o r e t i cs u p p o r tf o r t h e t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：e l e c t r o k i n e t i c - b i o r e m e d i a t i o n ，p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) ， s o i l ，t w e e n8 0 ，h y d r o x y p r o p y l - f l c y c l o d e x t r i n ( h p c d ) v 第一章绪论 1 1 1 土壤p a h s 来源 第一章绪论 第一节土壤多环芳烃污染概述 多环芳烃( p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s p a h s ) 是指2 个或2 个以上的苯 环以稠环和非稠环形式相连接的化合物。p a h s 广泛存在于环境中，种类达1 0 0 多种。它们是有机质不完全燃烧或高温裂解的副产品，环境中的n 钮s 除了天 然源如来源于陆地和水生植物、微生物的生物合成，森林、草原的天然火灾以 及火山活动外；另一主要途径是各种矿物燃料( 如煤、石油、天然气) 的不完 全燃烧。石油开采、石化产品的生产及运输过程中的泄漏也是环境中p a h s 的重 要来源【2 】。p a h s 通过“全球蒸馏效应”或“蚱蜢跳效应”传输与沉降到离污染 源远近不同的地表、植被和水体中导致全球范围的污染传播【3 一钉。被大气颗粒物 吸附的p a h s 通过干、湿沉降、吸附和沉积作用进入土壤系统；水体中的p a h s 通过灌溉、吸附作用等进入土壤，使土壤成为环境中p a h s 的重要归属之一【5 】。 1 1 2 土壤p a h s 污染现状与危害 由于p a h s 的低溶解性和憎水性，进入土壤后，能强烈的被土壤中的有机质 吸附，很难消除。加上p a h s 的持久性，使得土壤成为p a h s 积累与迁移的主要 介质。相关研究表明，在过去的1 0 0 年中，土壤中的p a h s 含量不断增加【6 1 。2 0 世纪8 0 年代以来，国内外开展了土壤p a h s 污染浓度、来源及分布的研究，因 为土壤p a h s 污染主要存在于表层土壤，这些研究也主要集中在表层土壤( 0 2 0 c m ) p a h s 污染的研究【7 。1 0 】，也有少数在污染较重地区进行了垂直分布特征研究 】。研究表明，土壤p a h s 污染的大体趋势是工业区 城区 城郊 农田，工业区 土壤p a h s 含量最高，1 6 种优先控制的p a h s 总量在1 8 4 0 5 2 7 8g g k g ，而在北 京某废弃焦化厂，直接受污染的土壤其1 6 种优先控制的p a h s 总量最高值达 第一章绪论 1 4 4 8 1 4 3 肛g k g ；城区与城郊土壤中1 6 种p a h s 含量为几十到几千p g k g ：农田 p a h s 含量较低，一般在1 0 0 0g g k g 以下。冯嫣【】等研究了北京某废弃焦化厂不 同车间土壤中p a h s 浓度，并对该区域土壤污染进行了垂直分布特征分析，发现 在自然状态下，p a h s 主要集中于0 - 2 0 c m 的土壤中，在这一深度随着土壤深度 的增加，p a h s 含量迅速降低。 p a h s 是对环境危害较大的一类持久性有机污染物，大部分p a h s 具有较强 的致癌、致畸变和致突变性。土壤中的p a h s 分布广泛，且呈现不断增加的趋 势。p a h s 进入土壤后，不但影响土壤的正常功能，降低土壤的环境质量，而且 由于其低溶解性和憎水性，容易进入生物体内，并通过生物链进入生态系统， 从而危害人类健康和整个生态系统的安全【1 2 】；p a h s 在土壤中具有高度的稳定 性、毒性强、具积累效应等特征，随着时间的推移，危害越来越大，因而受到 学者们的广泛关注，许多国家都将其列入优先污染物的黑名单或灰名单中。 第二节p a h s 污染土壤的微生物修复技术 近年来，国内外对p a h s 污染的修复进行了大量的研究工作，并取得了许多 有价值的成果。土壤污染的治理方法主要有物理修复，化学修复和生物修复。 其中，土壤污染物理治理方法可以分为客土、换土法、水洗法、电动力学方法、 热解吸法、淋溶法；化学治理的方法包括化学焚烧法、化学清洗法和化学氧化 降解等；生物方法是利用特定生物吸收、转化目标污染物，从而实现土壤净化， 恢复土壤生态，提高土壤质量的生物技术。生物修复技术又可以分为：植物修 复、微生物修复技术。需要说明的是许多修复技术结合了其中的两种或多种方 法，而这样的技术往往能够取得更好的效果。 在众多p a h s 污染土壤的修复方法中，微生物修复技术由于具有对环境干扰 小，经济高效，适用范围广，可以使有机污染物彻底矿化为h 2 0 和c 0 2 ，不产生 二次污染等特点，一直倍受学术界和修复产业界的青睐。微生物修复方法易于 实现土壤的原位修复，便于与其他方法结合，因此，生物修复被认为是目前最 具潜力的修复方法之一【l3 l 。 第一章绪论 1 2 1 微生物对p a h s 的代谢方式 土壤中存在有自然界的所有微生物种类，在这许多细菌、真菌、藻类都有 降解p a h s 的能力。经过自然驯化，在p a h s 污染土壤中存在大量能降解p a h s 的微生物，在过去的十几年中，国内外的学者筛选出了许多对于p a h s 具有良好 降解能力的细菌、真菌，在分子水平也积累了许多具有降解p a h s 的基因。p a h s 的降解是一个复杂的过程，其降解机理随着微生物种类不同而有所不同，相同 的微生物对于不同的p a h s 的降解也不一样，所以不同的条件下，p a h s 的降解 途径有较大的差异。研究表明，微生物一般通过2 种方式对p a h s 进行代谢： 微生物在生长过程中以p a h s 作为唯一的碳源和能源。一般适用于土壤中低环 p a h s ( 3 环和3 环以下) 类化合物。微生物将p a h s 作为共代谢物质与其他有 机质一起降解。由于土壤中很少有以高环p a h s ( 4 环以上) 作为唯一的碳源和 能源的微生物，加上高环p a h s 化学性质的特殊性，主要依赖共代谢作用降解， 所以较低环p a h s 难于降解，在土壤环境中的残留期较长【1 4 。5 1 。 目前，人们已经筛选出许多能以土壤中的低环p a h s 作为唯一的碳源和能源 进行降解的微生物，包括气单胞菌、芽孢杆菌、拜叶林克氏菌、氰基细菌、棒 状杆菌、黄杆菌、微球菌、分枝杆菌、诺卡氏菌、假单胞菌、红球菌和弧菌， 黑曲霉与糙皮侧耳，c y c l o c l a s t i c u ss p 等：其中，能够以低环p a h s 作为唯一的碳 源和能源的微生物居多。能够把p a h s 共代谢降解的微生物主要有白腐真菌( 黄 孢原毛平革菌) 、显毛金孢子菌、烟管菌、小克银汉霉菌、可可毛色二孢菌、 b u r k h o l d e r i ac e p a c i 等。 1 2 2 微生物对p a h s 的降解机理 在有氧的条件下，p a h s 能够得到较快的降解。对于好氧降解，不管是原核 生物和真核生物，其对p a h s 的降解都需要氧气的参与产生氧化酶，进而进行降 解1 6 】。微生物( 细菌，真菌) 降解p a h s 依赖于酶的活性，其对于p a h s 的降解能 力取决于产生加氧酶的能力。尽管微生物对芳香烃的降解途径多样，但是它们 大多数都要形成几种共同的中间代谢产物，即邻苯二酚或取代邻苯二酚，然后 第一章绪论 通过加氧酶催化的邻裂途径或者催化的间裂途径裂解开环，并最终进入三羧酸 循环【1 7 】。 对于以p a h s 作为唯一的碳源和能源进行降解，其一般途径是：1 ) 微生物 分泌单加氧酶或双加氧酶；2 ) 在加氧酶的催化作用下，把氧加到苯环上，形成 c o 键；3 ) 加氢、脱水等作用使c c 键断裂，苯环数减少。邻苯二酚是这个过 程中常见的中间产物。邻苯二酚的进一步代谢过程会产生酮己二酸、丁二酸或 2 羟基己二烯酸半醛、丙酮酸与乙醛等物质，这些物质都能被微生物利用合成细 胞蛋白，维持自身生长【1 8 】。对于p a h s 的共代谢，微生物在降解某些能维持自 身生长必需的物质，同时也降解了某些非必需的物质。p a h s 代谢酶具有可诱导 性，在p a h s 存在的条件下，一些本没有或者很少有分泌p a h s 代谢酶的微生物 可以诱导产生较大量的代谢酶 19 1 。因此可投加与酶降解基质类似物来提高相关 酶的活性，增强微生物的降解作用。基质类似物的选择需要考虑毒性，价格等 各方面的因素【2 们。目前p a h s 共代谢降解机制的研究还处于初级阶段，需要更 进一步的深入研究。图1 1 列举了典型的p a h s 降解途径【2 1 1 。 与有氧降解相比，p a h s 的无氧降解速度较慢。研究表明，在反硝化的条件 下及硫酸盐还原环境中，多环芳烃可以发生无氧降解，以硝酸盐和硫酸盐作为 电子受体可以降解萘、菲、荧蒽掣2 2 1 。目前，国内外对此的研究较少，因此降 解途径目前还不十分清楚。 4 第一章绪论 图1 1p r o p o s e dp a t h w a yf o rm i c r o b i a lc a t a b o l i s mo f p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s 1 2 3 微生物对p a h s 降解的局限性 与物理和化学方法相比，微生物降解p a h s 有许多的优点，事实上，微生物 降解也是自然界中p a h s 减量的的最主要途径。但是微生物降解技术在污染土壤 修复的应用中，受到环境中多种因素的限制，这些影响因素主要有：1 ) 影响微 生物生长的因素：温度，氧气，水分，p h ，土壤中的营养物质，土壤中竞争者 微生物等环境因素影响；2 ) 影响微生物与p a h s 接触的因素：主要影响微生物 向土壤中的扩散及p a h s 的解析，这些因素包括：土壤质地，p a h s 污染土壤老 化时间，不同环数p a h s 分布等【1 6 】；3 ) 影响微生物氧化p a h s 过程的因素：土 壤氧化还原条件，电子受体等。由于p a h s 具有强疏水性，会与土壤中的有机颗 粒强烈吸附，严重限制其生物可利用性和生物修复速度【23 1 ，特别是在修复工程 中后期，加上环境变化因素的影响，p a h s 降解效率低下。因此，对自然污染现 场的修复往往不能达到预期目的，因此，通过采取强化措施提高其生物修复效 第一章绪论 率就成为生物修复p a h s 污染土壤的关键。 1 2 4 微生物修复技术的研究 近年来分离到的p a h s 降解菌主要包括芽孢杆菌属( b a c i l l u s ) 、分枝杆菌属 ( m y c o b a t e r i u m ) 、诺卡氏菌属( n o c a r d i a ) 、鞘氨醇单胞菌属( s p h i n g o m o n a s ) 、 产碱杆菌属( a l c a l i g e n e s ) 、假单胞菌属( p s e u d o m o n a s ) 、和黄杆菌属 ( f l a v o b a c t e r u m ) 等细菌。真菌氧化芳香烃的能力是普遍的，在真菌中研究最 多的是白腐真菌( w h i t er o t f u n g i ) 。f i e l d 2 4 】等分离出8 株白腐真菌，它们都具有 降解多环芳烃的效果，其中b j e r k a n d e r as p 菌株b o s 5 5 对葸及苯并芘有很好的 降解效果，2 8d 后蒽去除率达9 9 2 ，苯并 a 芘去除率达8 3 。s t a n l e y _ 【2 5 】等研 究表明，以高分子量p a h s 如苯并【a 葸、苯并 a 芘、二苯并 a ，h i 葸为唯一碳源 和能源时，细菌与真菌联合培养的降解效果及菌体生物量显著高于单独培养， 说明可通过细菌与真菌联合降解的方式使5 环或5 环以上难降解的p a h s 得以降 解。 1 2 5 微生物降解p a h s 强化方法 鉴于微生物修复p a h s 污染土壤的局限性，在过去的十几年中，国内外学者 围绕强化微生物修复技术进行了深入的研究，提出了许多切实可行的方法。这 些方法可以大体分为以下几类：1 ) 改善微生物生长条件，促进微生物生长的方 法。这类方法主要有改善土壤温度，湿度和p h 值，使土壤条件适宜微生物生长； 向土壤提供营养物质，为微生物生长提供必要的n 、p 及无机盐营养元素，促进 微生物的生长，s a p o n a r o 等研究发现养分添加对于高环p a h s 的生物降解有显著 的促进作用，但对低环p a h s 降解影响不大【2 6 】；2 ) 增加p a h s 在土壤中的溶解 性，增加微生物与p a h s 的接触，提高p a h s 的可利用性。大量实验表明，添加 表面活性剂可以促进p a h s 从土壤颗粒上解析，使其进入水相，进而增加p a h s 的生物可利用性【2 7 - 2 9 】；3 ) 提供电子受体，促进p a h s 降解。微生物氧化还原反 应的最终电子受体可分为3 大类：溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根， 好氧条件下，通常可以采取的方法有生物通气，加入产氧剂，通过耕作搅拌等 第一章绪论 使土壤保持一定的通气性。厌氧条件下则可以通过加入n 0 3 、s 0 4 。2 、n 0 2 等含 氧酸根作为电子受体，能促进p a h s 的氧化分解；4 ) 提供共代谢物质。某些p a h s 是不能被微生物以唯一碳源和能源进行降解的，条件适当的表明活性剂可以有 效的促进这些p a h s 的降解；5 ) 使用化学氧化剂。常用的化学氧化剂有f e n t o n 试剂、k m n 0 4 、0 3 等，这些化学物质的使用可以有效的提高p a h s 的降解效率。 此外还可以改进微生物修复技术的装置，例如使用生物反应器，还有许多与其 他方法联用的技术，如植物微生物联用技术，电动力学辅助修复技术。 第三节电动微生物联合修复技术 电动力学修复是近2 0 年发展起来的新型绿色原位修复技术，由于其修复成 本低，修复效率高，对土壤结构和生态破坏较小，便于与其他技术联用其优点 在因此，该方法一经提出，就引起学术界的广泛关注。其最初用于重金属修复 技术，之后慢慢扩展到有机污染物污染土壤的修复，在实验室研究中显示出良 好的应用前景，成为土壤修复技术的重要发展方向。 1 3 1 电动力学修复技术原理 电动力学修复技术是将电极插入受污染土壤或地下水区域，施加微弱直流 电形成电场。在电场作用下，产生电渗析、电迁移和电泳效应，这些作用可以 增强土壤或地下水环境中污染物或微生物的迁移，降污染物直接从土壤或地下 水中去除，或者增加污染物的生物可利用性；或将各种添加物( 营养盐，共代 谢物质，表面活性剂，微生物) 有效地输送到地下污染区；也有的研究中利用 电流热效应和电极反应为地下生物转化过程提供适宜的温度、p h 和氧化还原条 件【3 0 】。图1 2 是电动力学修复过程中各种物质迁移的示意图。 第一章绪论 1 q l ， 趣表 ； “i 墨! 蔑珏j 瓣爿 o ，哟! l 电逢 i 匀 h 2 l 。ta 淼夺一 i l i 0 2 和i i 、 i 鳓 h 2 0 2 i i 一 l 叶豢留笋卜 i h 2 0 ， i 兰! ! 竺竺 l 商 i l i - 1 2 i i 0 2 遴鹞i气、 i 固 i 1 - 1 2 i h 2 i 弋墅兰竺竺竺妻 ! 盘 一 0 2 霪畸 鬻；辩ii 蕾、2 州， 曩蕾霄 图1 2 电动力学修复过程中各种物质迁移示意图 在电动力学修复技术中，存在着三种主要的作用，分别是电渗析、电迁移 和电泳作用。其中电渗析促进土壤间隙水分从阳极向阴极移动，部分微生物、 有机物及其他水溶性物质，会随电渗析向阴极移动；电迁移作用主要作用于离 子型物质，重金属主要是靠电迁移作用去除；电泳作用主要作用于土壤胶体与 微生物，其作用方向是阴极向阳极。 电修复过程中伴随有电解水反应，阳极不断产生氧气和氢离子，阴极则不 断生成氢气和氢氧根离子。其电解反应方程式为： 2 h 2 0 4 h + + 0 2 ( g ) + 4 e 。 ( 阳极)( 1 1 ) 2 h 2 0 + 2 e 。_ 2 0 h q - h 2 ( g )( 阴极) ( 1 2 ) 阳极产生h + 可使得阳极区p h 值不断下降，呈现酸性，阴极产生的o h 而使 得阴极区呈现碱性。由反应式可知，电动修复过程中，电解反应产生的h + 浓度 约为o h 的两倍，且在土壤中，h + 迁移率约为o h 的两倍，且与电渗析流同向， 所以在电动力学修复的土壤中酸性带推进的速度快，在经过一段时间后，会造 成土壤中大部分都呈现酸性 3 1 1 。如果对酸性带不加以控制，将会引起土壤结构和 物理化学性质的变化。若电极反应控制不当，会使电极附近土壤的p h 会发生剧 烈变化，甚至杀死大量不耐酸碱的微生物，严重影响微生物活性和生物修复过 程【3 2 1 。因此，在电动力学修复过程中，土壤p h 的有效控制一直是电动力学强化 第一章绪论 技术研究的重要内容。目前针对这一问题解决的方法主要有适当的方法，目前 使用较多的方法有，添加缓冲溶液，在电极和土壤间设置离子交换膜【3 1 ，3 4 1 ， 循环电解液【3 5 等。 1 3 2 影响电动力学修复的主要因素 电动力学修复涉及的物理和化学过程复杂多样，其与不同土壤的作用也会 有不同的反应发生。因此，在电动力学修复过程中，影响电动修