多环芳烃污染土壤生物修复研究现状及展望—1.doc

土壤污染与防治课程论文论文题目：多环芳烃污染土壤生物修复研究现状及展望 作 者： 单 位：*大学资源与环境学院环境工程一班 时 间：2012年5月25日 多环芳烃污染土壤生物修复研究现状及展望 赵义君（山东农业大学 资源与环境学院 山东 泰安 271000） 摘要 多环芳烃(PAHs)是环境介质中普遍存在的难降解有机污染物，由于其毒性、致癌性和致畸性成为环境中一类重要的污染物。生物对多环芳烃的降解是去除土壤中多环芳烃的主要途径。概括介绍了多环芳烃污染土壤的植物修复、微生物修复和植物微生物联合修复的原理、优缺点、影响因素及国内外研究进展，并对生物修复的未来发展进行了展望。关键词 多环芳烃 生物修复Pahs contaminated soil bioremediation study present situation and prospect Zhao Yi-jun(College of resources and environment,Shandong agricultural university, taian 271000, China)Abstract Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) is generally exists in environmental media refractory organic pollutants, because of its toxicity, carcinogenicity and teratogenicity pollutants. Biological to pahs the degradation of soil is to get rid of the main way to pahs. This paper briefly introduces the pahs contaminated soil phyto-remediation of microbial remediation and plants, microbial joint repair-the principle, advantages, disadvantages, affecting factors and research progress of the bioremediation of future development prospects. Key words PAHs Biological repair1 PAHs来源及国内的污染状况 1.1PAHs来源 一般认为多环芳烃主要是由石油、煤炭、木材、气体燃料、纸张等含碳氢化合物的不完全燃烧以及在还原气氛中热分解而产生的。环境PAHs 的自然源包括：火山爆发，森林植被和灌木丛燃烧以及细菌对动物、植物的生化作用等。但是，人为活动特别是化石燃料的燃烧是环境PAHs 的主要来源13。 在工业发达国家，人为地燃料燃烧是土壤PAHs 的主要来源。因此，近100150 年来，土壤PAHs 的浓度在不断增加，尤其是城市地区4，5。严重污染区PAHs 的存在与下列工业行为有关：化石燃料的汽化和液化；利用化石燃料生产热和电；焦炭生产；催化裂解；碳黑的生产和应用；煤焦油的生产和应用；原油及其衍生物的精练和分馏；木材的保护性处理和防腐剂生产；石油贮存、转运、处理与应用；废物倾倒和垃圾填埋；露天燃烧（垃圾、轮胎、塑料等）和焚化过程等611。 1.2我国PAHs的污染现状 我国的 PAHs 污染主要体现在土壤、大气、江河沉积物等方面。土地的污水灌溉是造成土壤污染的主要方式。刘期松等12报道：沈抚灌区的抚顺三宝屯四队水稻田，因在30多年的石油污水灌溉而成为重污染农地，1982 年测得PAHs 总量高达631.9mg/kg（表层土 020cm）、602.95 mg/kg（底层土2035cm）。广泛分布于大气中颗粒物（气溶胶）中的PAHs，其含量也逐渐增加，例如，珠江三角洲经济区大气气溶胶中PAHs 在最严重冬春季节的含量，1999年测定为（ng/m3）：南海36.18；广州55.49；珠海25.63；香港14.88；澳门41.7013。由于长期水资源污染，江河沉积物中PAHs的含量也在增加，据1998 年的测定结果14，长江南京段沉积物PAHs总量在213.8550.32ng/g；辽河新民段沉积物PAHs总量在27.45198.26ng/g。许多研究表明，一些多环芳烃进入动物体后，对哺乳类动物及人类有致癌、致畸、致突变的作用。从上述分析说明，土壤、气体、江河都有严重的污染，在我国究竟有多少面积的土地、江河被污染，全国的大气污染状况如何，还缺乏这方面的数据支撑，因此，在预防和治理PAHs 污染方面亟待做许多工作。2多环芳烃的概念及性质 2.1多环芳烃的概念 多环芳烃(PAHs)是指两个或两个以上的芳环稠合在一起的一类化合物，它普遍存在于环境中。 2.2 多环芳烃的性质 PAHs 在环境中的行为大致相同，但每一种多环芳经的理化性质各不相同。苯环的排列方式决定着PAHs 的稳定性，非线形排列较线形排列稳定。PAHs 在水中不易溶解，但是不同种类PAHs 差异很大。通常，PAHs的可溶性随苯环数量的增多而减少，挥发性也是随苯环数量的增多而降低。它们的苯环数量与其在土壤中的衰减量呈负相关。双环和三环PAHs 极易被生物降解，而四环、五环和六环PAHs 却很难被生物降解15。室内的研究结果表明，双环PAHs 在砂土中极易被降解，其半衰期约为2 天；三环PAHs（蒽和菲）的半衰期分别为16 天和134 天；而四环、五环和六环PAHs 的半衰期约在200 天以上16。Heitkamp 等17在沉积物和水的微环境中也发现相似的PAHs 降解性。McGinnis等人18对木材防腐处理区的土壤中防腐油成分进行分析，发现双环 PAHs 的半衰期小于10 天；三环PAHs 的半衰期小于100 天；而大多数四环、五环PAHs 的半衰期一般都大于100 天。3 多环芳烃污染土壤的生物降解机理 多环芳烃的微生物降解难易度取决于化学结构的复杂性和降解酶的适应程度19。不同的微生物对各类多环芳烃有不同的降解能力(降解速率、降解程度) ，所以降解多环芳烃的途径就有较大的差别。研究表明， 微生物降解多环芳烃一般有两种方式20 ：一种是以多环芳烃为唯一碳源和能源；另一种是将多环芳烃与其他有机质进行共代谢。对于土壤中低分子量的三环和三环以下的多环芳烃类化合物，微生物一般采用第一种代谢方式；而大多数细菌对四环或四环以上的多环芳烃的矿化作用一般以共代谢方式开始，真菌对三环以上的多环芳烃的代谢也多属共代谢。 3. 1以多环芳烃为唯一碳源和能源的代谢机理 在多环芳烃的诱导下，在微生物分泌的单加氧酶或双加氧酶的催化作用下，把氧加到苯环上，形成C - O 键，再经过加氢、脱水等作用使C - C键断裂，苯环数减少。其中细菌产生双加氧酶，真菌产生单加氧酶。不同的途径有不一样的中间产物，邻苯二酚是常见的中间产物，具体的化合物依赖于羟基组的位置，有正、对或其他。邻苯二酚又有邻位和间位两种代谢途径21 。代谢过程会产生：顺，顺-己二烯二酸、酮己二酸、丁二酸或2-羟基己二烯酸半醛、2-酮-4-戊烯酸、丙酮酸与乙醛等，它们都能被微生物合成细胞蛋白，最后产物是二氧化碳和水。 3.2多环芳烃的共代谢机理 高分子量多环芳烃难于降解，在土壤环境中的残留期较长，源于土壤中很少有能直接降解四环及四环以上高分子量的多环芳烃的微生物，所以高分子量的多环芳烃的降解要依赖共代谢作用和类似物22。 4.1 植物修复 植物修复是利用植物吸收、降解以及根际圈降解的作用方式将污染物从环境中彻底去除， 具有处理费用相对低廉、对环境扰动少和资源可持续利用的特点2325 ， 尤其是多年生木本植物可一次投入多年受益， 兼具修复、保护和美化环境的功能. 许多研究证明了植物可用于修复PAH s， 这是由于， 一是植物可直接吸收多环芳烃类化合物并在其组织中积累非植物毒性的代谢物；二是植物根系为微生的生长提供了表面积， 增加了微生物的数量和种类， 根系分泌物促进芳烃的降解率. 总之， 植物可以吸收、转移、降解PAH s， 且这些PAH s主要是一些低环(4 环)、低分子量的芳烃组分.反过来， PAH s 对植物毒性作用也得到了人们的关注. 它对植物高生长有影响26 ， 植物根外部形态在污染胁迫下有着明显的变化 ， 能导致叶绿素含量下降. 但是PAH s 低于一定浓度时， 对植物的萌发和生长具有一定的促进作用， M aliszew ska 等以不同污染浓度土培育6 种作物， 结果发现培养初期， PAH s 低于10 mgL 时对作物生长有刺激作用。 4.1.1植物修复多环芳烃污染土壤的机理 植物修复多环芳烃污染土壤包括： (1) 植物对多环芳烃的直接吸收和降解； (2) 植物根部释放分泌物及促进化学反应的酶，促进污染物降解； (3) 植物强化根际微生物群的降解作用； (4) 植物对污染物的固定和挥发。植物的存在亦可增加土壤通气性，刺激好氧微生物对PAHs 等有机污染物的分解。 4.1.2影响植物修复的因素植物修复的效果首先取决于植物对污染物的吸收同化能力，这种能力除取决于植物自身的遗传特性外，植物的年龄、生物量、根系发育状况(如根系结构、根毛多少、根瘤的有无) 也对同化能力产生重要影响。污染物的种类、性质(如疏水性、解离度) 、浓度等直接影响根系对污染物的吸收利用，污染物分子量的大小也影响其渗透进入植物细胞的速度27 。此外，土壤类型及土壤理化性质如养分状况、氧化还原电位、土壤温度、湿度、pH 值、土壤质地等也会通过影响微生物、植物生长及污染物状态而对修复效果产生影响。 4.1.3 PAHs 污染土壤的植物修复研究进展近年来，国内外开展了很多利用植物修复多环芳烃污染土壤的研究。Relley28研究多环芳烃降解时发现，在植物根区微生物密度增加，PAHs 的降解也增加。研究表明29 ，植物对难降解PAHs 的生物去除有明显强化作用，在植物生长条件下，菲的降解率平均提高0.13 % 1.1 % ， 芘的降解率平均提高21.4 % 53. 8 %。另一项研究30也表明，在有苜蓿草存在的条件下，土壤微生物的降解功能增强， PAHs总量的平均降解率比无植物对照土壤提高2.0 % 4. 7 %。Wetzel 等 通过研究认为，虽然种植苜蓿的土壤中蒽和芘降解的最终效果与未种植植物的土壤相比并无显著差异， 但降解速率要明显快得多。Liste等选用田间农作物、园艺农作物和树苗三类共九种不同的植物进行研究，表明它们均可促进芘的降解。种植植物8周后土壤中芘消失了74 % ，而未种植的土壤最多的也只消失了40 %。Qiu 等研究了十二种草对多年污染的粘土中PAHs 的吸附和代谢，发现PAHs主要集中在根部，草的茎叶组织中未检测到PAHs ，这有利于植物修复技术的大面积应用。Schwab 等 利用紫花苜蓿和牛毛草研究植物根系对萘的吸附降解情况，发现植物挥发所占比例最大，可能是根系改善了土壤通气状况，促进了奈的挥发。 4.2微生物修复 土壤中存在着大量依靠有机物生活的微生物，如细菌、真菌、放线菌等，具有氧化分解有机物的巨大能力。微生物代谢PAH s的方式有两种31：(1)以PAH s为唯一碳源和能源； (2)PAHs与其他有机质进行共代谢。 近年来人们对降解多环芳烃的微生物进行了广泛的研究， 筛选出常见的能降解PAH s 的微生物有红球菌Rhodococcus、假单胞菌属Pseudomonas、分枝杆菌Mycobacterium、芽孢杆菌属Bacillus、黄杆菌属Flavobacterium、气单胞菌属Aeromonas、拜叶林克氏菌属B eiernck ia、棒状杆菌属Corynebacterium、蓝细菌Cyanobacteria、微球菌属M icrococcus、诺卡氏菌属N oca rd ia和弧菌属V ibrio等32. 但是由于微生物种类繁多，且高环多环芳烃稳定较难降解，为加强生物降解作用，常采用投加大量的优势微生物种群33表面活性剂34、施用适当氮肥35等措施. 4.2.1微生物修复的优缺点 尽管微生物修复具有以下优点：成本低、对环境影响小；处理形式多样，可进行原位、异位及原位与原位联合修复；某些微生物可在极端环境条件下生存，若通过基因技术使其具有高效降解能力，则对治理特殊环境条件下的污染有利。但是该技术要成功应用于污染土壤的修复，还是受到多种因素的限制，如：易受温度、氧气、水分、pH 等环境因素影响；修复时间长；某些微生物只能降解特定类型污染物；有些情况下不能将污染物全部去除，加入到修复现场环境中的微生物可能由于竞争或难以适应环境而导致作用结果与实验结果有较大出入。所以在生物修复中采用强化措施来促进微生物降解十分必要。这些措施主要包括：接种微生物可增加微生物数量，提高降解能力；添加微生物营养盐可为微生物的生长繁殖和降解提供均衡的营养，提高降解速率；提供电子受体可使PAHs的氧化降解途径畅通； 提供共代谢底物有助于高分子量PAHs的生物降解；利用表面活性剂来提高PAHs的溶解度。 4.2.2 PAHs的微生物修复研究进展 许多研究表明，白腐菌属普遍具有降解多环芳烃的功能，因为它们能产生多种酶类如木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶等。Field 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Bjerkandera sp .菌株BOS55 对蒽及苯并芘有很好的降解效果，28 d 后蒽去除率达99. 2 % ，苯并芘去除率达83 %。白腐真菌Phanerochaete chrysosporium， Crinepellis stipitaria和Nematoloma flowardii 都能够降解芘。白腐菌中的黄孢原毛平革菌对100 mg/ kg 质量浓度范围内的菲具有有效的去除能力。Sack U 等从污染土壤中分离出黑曲霉( Aspergillus niger) ，研究了它对菲和芘的降解，发现了12 甲氧基菲和12 甲氧基芘两个新的代谢物；同时检测到次级代谢产物1 ，22菲酚和12 芘酚，据此推测菲酚和芘酚可能分别是甲氧基菲和甲氧基芘的前体。也有些研究表明，在异质性的土壤环境中，白腐菌并不能大量降解土壤中的PAHs ，但在液体培养条件下，大部分苯并芘被很快降解为一系列不确定的极性代谢产物，只有很少一部分被完全矿化。把这些代谢产物投加到土壤中，发现它们可被土壤微生物群快速矿化。Grant A Stanley 等研究表明，以高分子量PAHs 如苯并(a) 蒽、苯并(a) 芘、二苯并(a ，h) 蒽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PAHs 得以降解。 4.3 植物- 微生物联合修复植物与微生物联合修复已成为土壤修复领域研究的热点36,37。 该技术可以将植物修复与微生物修复两种方法的优点相结合，从而强化根际有机污染物的降解. 在植物存在的条件下，微生物降解多环芳烃的能力可以提高到2%4. 7% 38。高彦征等39采用盆栽试验方法， 研究了黑麦草对土壤中菲和芘的修复作用. 结果表明，黑麦草可明显促进土壤中菲和芘的降解。修复过程中，尽管黑麦草本身可吸收积累菲和芘，但植物吸收积累并不是黑麦草促进土壤中菲和芘降解的主要原因，其贡献小于0. 54%；与微生物对照相比，植物修复效率明显提高，主要是植物促进了土壤微生物对土壤中菲和芘的降解作用。利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中有机污染物，能促进有机污染物的快速降解和矿化。但这里还要特别提到的是菌根修复. 菌根是土壤中一定种类的真菌与植物根系所建立的互惠共同体。大部分植物根上有菌根菌生长，菌根菌和植物共生具有独特的代谢途径，可代谢自生菌不能降解有机物40。因为菌根的存在，不仅能明显地促进土壤中PAHs的去除，而且能提高污染条件下的植物存活率和生物量41。菌根作为生物修复载体的应用研究才刚起步，现在的研究主要集中在证明这一现象上，对该现象的机理研究还相对较少，研究也仅限于实验室中，主要是菌剂成本太高、菌种筛选有限等原因造成。5 展望 土壤中难降解有机物的生物的去除，特别是多环芳烃的生物降解是环境科学家们共同关心的问题。尽管微生物修复是清除土壤多环芳烃污染的最有效的手段，但是该技术要成功应用于污染土壤的修复，还是受到多种因素的限制。多环芳烃结构的特殊性及其低的水溶性限制了它们被土著微生物的降解。以下几个方面是值得深入研究的方向：(1) 分离筛选新的降解菌，特别是能降解四环和四环以上多环芳烃的高效降解菌。(2) 多环芳烃微生物的降解途径和机理。由于大分子多环芳烃的结构使微生物的酶催化多环芳烃的降解可发生在不同的位点，使多环芳烃的降解过程有多种途径。(3) 多环芳烃降解过程中的共代谢机理。多环芳烃在环境中多以混合物形式存在，且高分子量多环芳烃一般是和其它有机质进行共代谢降解的。(4)微生物2植物联合修复的根际机理。多环芳烃污染土壤的植物修复正处于起步阶段，而微生物2植物联合修复将是一种很有发展前途的新型修复技术。(5) 有关多环芳烃的降解过程的中间步骤尚不很清楚，需深入研究其降解过程积累的中间产物的结构性质，因为某些产物可能有潜在的致癌活性。参考文献1Freeman D. 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