重金属在土壤中的赋存形态有水溶态、吸附交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态。植物容易吸收水溶态和吸附交换态, 且水溶态在土壤中的赋存形态有很大的迁移性。属于碳酸盐结合态的重金属与土壤结合相对较弱, 因而迁移性小, 有机结合态容易被氧化分解, 而残渣态由于不溶性则不容易被植物吸收, 只有经过化学反应变成可溶态才可被吸收。水溶态重金属在土壤中一般含量很低, 但容易被植物吸收, 所以危害最大, 因而在重金属污染修复中是最值得关注的一点^[9]。

微生物修复法即通过微生物对污染物的吸收、沉淀、氧化还原作用降低污染物的毒性, 其修复特性来源于其自身的防御机制。

土壤中的微生物种类多、数量大、分布广泛, 并且不存在自然灭亡, 一旦达到有利的生长条件, 少数的残存微生物体会以惊人的速度迅速繁衍, 梭索状芽孢杆菌繁殖一代仅需20 min, 3 h代谢位能便可以扩大至1 000倍。相比于高等生物, 微生物的比表面积巨大, 因而能与外界快速的进行物质交换, 代谢强度极高。

高浓度时重金属在土壤中被吸附, 低浓度时则会与土壤中的有机或无机配位体形成络合物、蛰合物。微生物修复机制主要可以归结为3种形式:(1) 微生物对重金属的生物吸附和富集作用。微生物通过带电的细胞表面吸附重金属离子, 如革兰氏阴性细菌Citrobacer分泌大量的磷酸根离子, 使得细胞表面带负电荷, 可以实现重金属离子的富集。(2) 微生物通过氧化-还原过程改变金属离子的价态, 从而降低其生态毒性、水溶性或迁移性。如假单孢杆菌氧化三价砷, 产碱菌属可将六价铬还原为三价铬这一过程大大降低了各元素的毒性以及迁移性。(3) 微生物通过代谢作用产生低相对分子质量的有机酸溶解重金属以及含有重金属的矿物^[10] 。

相比于其他方法, 微生物修复具有对环境扰动小、二次污染问题小、形式多样、操作简单、处理费用低、效率高和可以原位处理低浓度有害污染物等优点。微生物生物修复技术历经40多年的发展仍然具有深远的发展前景, 在环境治理中显示了极大的潜力。1989年美国邮轮泄露污染了1 450 km的海岸, 采用生物修复技术使得原油净化过程节省了两个月时间, 最大化的减小了污染扩散。

长期以来, 许多研究人员将寻找重金属微生物修复材料置为研究重点, 已经发现了很多具有修复能力的微生物如细菌、真菌、放线菌和藻类等, 其中放线菌在这类微生物中占有很大比例, 放线菌在代谢过程中能够产生具有絮凝活性物质, 这些物质分泌到细胞外可以改变重金属的价态, 从而降低重金属的生态毒性; 除放线菌外, 部分真菌对重金属也有很高的抗性, 如黑根霉可大量快速地吸附Cu²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cd ²⁺等重金属离子。

石油污染土壤的治理是污染土壤治理的主要部分, 石油烃是天然的有机物, 微生物可以利用石油作为碳源进行代谢。代谢过程是微生物的氧化还原酶促进的氧化偶联反应。这些酶通过分解化学键以及消耗生化反应产生的能量, 将电子从待降解的有机化合物上转移到另一种化合物上, 最终将有机污染物转化成安全的无机物。到目前为止已经发现有200多种微生物可对石油实现降解作用, 主要有细菌、放线菌、霉菌和藻类。

石油成分极其复杂, 这种复杂性直接影响石油烃的可生物降解性。微生物降解石油的过程十分复杂, 包括氧化、还原、水解、脱卤、缩合、脱羟以及异构化。一般只要条件适合, 石油成分中的碳氢化合物都可以被微生物降解。只是降解的难易程度有所差别, 烯烃容易被微生物分解, 烷烃次之, 芳烃以及多环芳烃分解困难, 脂环烃更难^[11]。

对石油类污染物的治理方法主要有物理法、化学法和生物法等, 其中生物修复法因具有成本低, 效益高和环境友好的优点被公认为值得推广的技术。微生物可以以碳氢化合物为碳源和能源进行代谢活动, 微生物修复法就是利用微生物的这种自然能力对石油实现降解^[12]。石油中大部分化合物是可以被微生物降解的, 但其自然降解过程缓慢, 耗时较长, 因此探究加速降解过程的技术十分重要^[13]。目前加速这种修复过程的方法有生物强化法和生物刺激法。生物强化是指向污染土壤中接种工程菌群提高污染物的降解效率; 生物刺激是指通过向污染土壤中添加营养物质(主要是N和P)或生物表面活性剂等刺激土著污染物降解菌群生长, 以提高污染物的生物降解率^[14]。

3.1.1 生物强化

微生物具备使用石油作为碳源和能源的新陈代谢机能和酶能力^[15], 研究表明, 以降解石油烃能力著称的典型菌群在自然环境中广泛存在, 包括单胞菌、海杆菌、食烷菌、产微球茎菌、鞘氨醇单胞菌、红球菌、微球菌、纤维菌、迪茨菌、戈登氏菌等^{[16, 17]}。由于石油是一种复杂的多组分均质混合物, 其主要的组成元素C和H可按一定数量和空间关系结合成多种石油烃(烷烃、环烷烃、芳香烃等)。不同种类的微生物降解不同种类石油烃, 降解率也各有差异, 如菌株JZ3-21(恶臭假单胞菌)对正十六烷的降解率高达99.77%, 但对芘的降解率仅为23.07%, 菌株B5(施氏假单胞菌)则具有良好的芘降解性能, 培养36 h内对芘的总降解率高达96.3%。因此在处理石油烃类污染物时, 往往需要多种微生物协同作用才可完成对全部石油组分的降解。因此在不影响当地土著微生物以及无害的前提下可以向被污染地区接种针对某种污染物工程菌, 以克服当地土著微生物生物不均匀性。

3.1.2 生物刺激

生物刺激主要有添加营养成分和添加生物表面活性剂两种措施。

C, N, P是微生物新陈代谢必须的营养元素。C是有机化合物的结构支柱, N是细胞蛋白和细胞壁合成的主要成分, P参与细胞膜、核酸和ATP的合成^[18], n(C): n(N): n(P)最佳值为100: 10: 1。而在石油污染地区C的含量远远高于N和P, 营养元素的比例失调, 导致微生物对石油烃的降解活动受限。加入N和P可以直接促进土壤中石油的生物降解。实际中只有3%的原油可以被降解, 但当加入N、P后可提高到70%。

加入表面活性剂的目的是增大微生物与污染物的接触面积。微生物处理污染物的机理是胞内酶催化, 石油的生物利用度是影响微生物修复污染的关键因素, 增大微生物与污染物接触面积可有效提高降解率。研究表明, 石油的生物利用度影响着自身被降解的效率。Aburto-Medina等^[19]采用生物强化策略修复长期受油污染土壤, 只可清除约41.3%的C₁₀~C₄₀石油烃。虽然C₁₅~C₃₆石油烃理论上是可生物降解的, 但由于生物利用度的约束, 修复过程结束后其在土壤中仍然有大量残留。生物表面活性剂的机理是油-水混合物进行乳化, 以提高石油烃的水溶性促进微生物对其吸收和通化。Wang C等^[1]研究表明, 未经处理的微生物对石油烃的相对降解率为43.56%, 而加入表面活性剂后可提高到51.29%, 其中饱和烃的含量较未处理前明显降低, 芳香烃则略有下降。表面活性剂的确定原则是可促进污染物的生物可得性; 对微生物无害; 对环境的理化性质不产生影响。

事实上, 以上处理方法在单一使用时都存着难以克服的技术问题, 即便是应用最广的微生物法也存在降解率耗时长久的问题, 因此多种技术结合使用才是最主要的。微生物-植物联合修复技术作为一项更具有发展前景的技术, 已成为目前研究的热点。微生物-植物联合修复技术将土壤、植物和微生物组成一个复合体系, 利用微生物和植物的互利作用强化根际有机污染物的降解。其降解原理为植物的根分泌物可以为根际微生物提供碳源和氮源, 创造营养丰富的生长环境, 使得微生物的活性增加。根分泌物一般是含有糖、氨基酸和黄酮类物质的有机化合物, 这些根分泌物可以将微生物的活性提高(10~100)倍。根际微生物可以产生诸如铁蛋白、草酸之类的蛰合剂, 这些蛰合剂在修复重金属过程中起着重要作用^[8] 。附着在植物根际的微生物可以随着根系深入到深层土壤, 使得微生物分布更加均匀^[20]。并且为生物的生长过程以石油烃为碳源, 减少了植物根系周围的石油烃含量, 从而减少了对植物的毒害作用^[21], 以上描述的这种微生物和植物的协同作用可有效促进复合污染土壤的修复。