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Application prospect about bioremediation of polychlorinated biphenyls-contaminated soil with immobilized microorganism technique: A review.

固定化微生物技术修复多氯联苯污染土壤的应用前景


多氯联苯(PCBs)是一类持久性有机污染物,生物危害性极大,流入环境后易被土壤颗粒吸附而长期蓄积在土壤中.运用生物技术修复PCBs污染土壤一直是国内外学者研究的热点.其中固定化微生物技术因其独特的优势而具备了较高的开发与应用价值.本文简要评述了当前PCBs污染土壤的主要修复技术,并通过分析固定化微生物技术的特点及其在有机污染土壤修复方面的研究进展,论述了运用该技术修复PCBs污染土壤的可行性以及所面临的关键科学问题.
 

As one type of the persistent organic pollutants, polychlorinated biphenyls (PCBs) are tremendously harmful to organisms. These compounds are easily absorbed onto soil particles and able to accumulate in soil after they are released into the environment. Bioremediation technology of PCBs-contaminated soils has become a research hotspot in recent years, and immobilized microorganism technique has high developing and applying value because of its unique advantages in environmental remediation. This paper reviewed the chief remediation technology of PCBs-contaminated soils and then analyzed the characteristics of immobilized microorganism technique and its research progress in remediation of organic polluted soil. Finally, the feasibility and problems of this technique in remediation of PCBs-contaminated soil were also discussed.


全 文 :固定化微生物技术修复多氯联苯
污染土壤的应用前景*
胡金星1 摇 苏晓梅1 摇 韩慧波2 摇 沈超峰1**摇 施积炎1
( 1浙江大学环境与资源学院环境保护研究所, 杭州 310058; 2杭州市环境保护科学研究设计有限公司, 杭州 310014)
摘摇 要摇 多氯联苯(PCBs)是一类持久性有机污染物,生物危害性极大,流入环境后易被土壤
颗粒吸附而长期蓄积在土壤中.运用生物技术修复 PCBs 污染土壤一直是国内外学者研究的
热点.其中固定化微生物技术因其独特的优势而具备了较高的开发与应用价值.本文简要评
述了当前 PCBs污染土壤的主要修复技术,并通过分析固定化微生物技术的特点及其在有机
污染土壤修复方面的研究进展,论述了运用该技术修复 PCBs 污染土壤的可行性以及所面临
的关键科学问题.
关键词摇 持久性有机污染物摇 原位修复摇 土壤摇 生物修复
文章编号摇 1001-9332(2014)06-1806-09摇 中图分类号摇 X53摇 文献标识码摇 A
Application prospect about bioremediation of polychlorinated biphenyls鄄contaminated soil
with immobilized microorganism technique: A review. HU Jin鄄xing1, SU Xiao鄄mei1, HAN
Hui鄄bo2, SHEN Chao鄄feng1, SHI Ji鄄yan1 ( 1 Institute of Environmental Protection, College of Envi鄄
ronmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310085, China; 2Hangzhou Envi鄄
ronmental Protection Science Research and Design Company Limited, Hangzhou 310014, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(6): 1806-1814.
Abstract: As one type of the persistent organic pollutants, polychlorinated biphenyls (PCBs) are
tremendously harmful to organisms. These compounds are easily absorbed onto soil particles and
able to accumulate in soil after they are released into the environment. Bioremediation technology of
PCBs鄄contaminated soils has become a research hotspot in recent years, and immobilized microor鄄
ganism technique has high developing and applying value because of its unique advantages in envi鄄
ronmental remediation. This paper reviewed the chief remediation technology of PCBs鄄contaminated
soils and then analyzed the characteristics of immobilized microorganism technique and its research
progress in remediation of organic polluted soil. Finally, the feasibility and problems of this tech鄄
nique in remediation of PCBs鄄contaminated soil were also discussed.
Key words: persistent organic pollutants; in situ remediation; soil; bioremediation.
*国家自然科学基金项目(41271334)、国家高技术研究发展计划项
目(2012AA06A203)和浙江省重大科技专项重点项目(2009C13003)
资助.
**通讯作者. E鄄mail: ysxzt@ zju. edu. cn
2013鄄09鄄13 收稿,2014鄄03鄄10 接受.
摇 摇 多氯联苯(polychlorinated biphenyls,PCBs)是联
苯中的氢原子被氯原子不同程度取代所形成的一大
类化合物,共有 209 种,均已经由人工合成制
得[1-2] .由于其具有良好的绝缘性和抗热性,从 20
世纪 30 年代开始被广泛用做蓄电池、变压器、电力
电容器的绝缘散热介质以及绝缘油、油漆等产品的
添加剂[3] . PCBs产品的大量使用导致其直接或间接
流入环境,当其通过食物链富集在人类和动物体内
后,会对生殖、遗传、免疫、神经等系统造成严重危
害,甚至诱发机体癌变[1,4] . 自然环境中 PCBs 的半
衰期长达几年到几十年[5],故能对生态环境造成持
久性的危害.
据统计,当前世界上 PCBs 总量接近 120 万
t[6],其中约有 31%流失到了环境中[7] . 由于 PCBs
的水溶性差、辛醇鄄水分配系数高,因此极易吸附在
土壤颗粒上并长期蓄积在土壤中. 我国许多地区的
土壤中均可检测出 PCBs. 荆治严等[8]调查发现,沈
阳市各区土壤中 PCBs 的含量为 6 ~ 15 ng·g-1 .
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 6 月摇 第 25 卷摇 第 6 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jun. 2014, 25(6): 1806-1814
Shen等[9]检测出浙江台州市某电子垃圾拆解区附
近农田土壤中类二噁英 PCBs 的平均含量高达
167郾 7 ng·g-1,而瑞典规定的 PCBs污染土壤指导值
仅为 20 ng·g-1 .康跃惠等[10]的调查结果显示,我国
珠江三角洲地区的河流表层沉积物中 PCBs 的含量
为 11. 54 ~ 485. 45 ng·g-1,属于中等至严重程度污
染.因此,亟需开发实用性强的土壤修复技术解决
PCBs带来的环境问题.
微生物能通过厌氧脱氯和好氧氧化实现 PCBs
的逐步降解与矿化[11] .而微生物修复法作为一种环
境友好型技术,受到越来越多的关注.但在实际环境
中由于受到土著微生物竞争、酸碱度、温度、氧气、营
养成分等诸多环境因素的影响和制约,直接施加在
土壤中的外源微生物往往难以有效发挥作用. 固定
化微生物技术的发展则为解决上述问题提供了可
能.微生物经适当的技术固定后,其生物密度、代谢
活性、抗毒性以及耐环境冲击能力均会得到不同程
度的提高,环境适应能力得以增强[12-16] . 应用固定
化微生物技术降解土壤中的残留农药(如五氯酚[14]
和阿特拉津[17] )、修复多环芳烃污染土壤[15,18-19]的
研究均取得了一定的进展. 但有关该技术在 PCBs
污染土壤修复方面的研究相对较少,受到的关注程
度也相对较低.为此,本文简要介绍了固定化微生物
技术的原理与特点,综述该技术在修复有机物污染
土壤方面的研究进展,分析运用该技术修复 PCBs
污染土壤的可行性及今后研究的重点,以期为本领
域的研究工作提供参考.
1摇 PCBs污染土壤修复技术
1郾 1摇 物理修复与化学修复
物理修复与化学修复仍是目前 PCBs 污染土壤
修复工程中的常用技术. 物理修复是根据污染物的
物理性状及其在环境中的物理过程,通过机械分离、
蒸发、加热等物理手段,清除或转化土壤中的污染
物,包括热处理技术、热解吸技术、土壤淋洗技术、溶
剂萃取技术等. 其中热处理技术对土壤中 PCBs 的
去除率达 99%以上[11] . Abdul 等[20]以表面活性剂
(Witconol SN70)为增溶剂,采用土壤淋洗技术修复
PCBs污染土壤,最终土壤中 PCBs 的脱除率超过
85% .化学修复是利用化学处理工艺,通过化学制剂
与污染物发生氧化、还原、吸附、沉淀等反应,使污染
物从土壤中分离、降解或转化为低毒、无毒、无害等
形式.填埋、客土等物理措施则通常用于隔离或转移
污染物,并不能从根本上削减环境中的 PCBs. 容易
造成二次污染、运行成本较高、破坏土壤功能并降低
土壤综合利用价值是上述技术共有的缺点,因此只
适合处理高浓度 PCBs 污染土壤,而对于面积更大
的中低浓度 PCBs 污染土壤而言,这些技术明显难
以适用.
1郾 2摇 生物修复
生物修复主要依靠微生物、植物和土壤动物吸
收、代谢、降解污染物,最终使其无害化,具有对环境
扰动小、不产生二次污染、运行成本低等特点. 该技
术主要分为两类,即植物修复和微生物修复. 由于
PCBs疏水性强、生物可利用性低,因此会阻碍植物
对它的吸收与转化,从而影响植物修复效果.而优良
的 PCBs 耐受或降解植物的缺乏也在一定程度上限
制了该技术的推广应用. 微生物修复常采用 2 种方
式[21]:一是生物激励,通过向土壤中添加有机物(如
葡萄糖)或者其他营养元素(如 N、P 等),以促进土
著微生物生长,达到降解污染物的目的;二是生物强
化,即向土壤中添加外源的高效降解菌(或含有高
效降解菌的载体),以促进土壤中污染物的降解.在
实际应用过程中,通常将这两种技术相结合,以期达
到最佳的修复效果.
PCBs是人工合成的难降解化合物,其所污染的
环境必须经历一个相当漫长的时期才能自然驯化出
一些具有降解 PCBs 能力的微生物,进而转化分解
PCBs,其效率较为低下.因此,通过人工筛选获得高
效的 PCBs 降解菌,将其扩大培养后投入污染土壤
中加速 PCBs的降解,是一种十分可行的技术手段.
目前研究工作者已经从环境中分离出了许多能够降
解 PCBs的微生物,主要分布在假单胞菌属(Pseudo鄄
monas)、红球菌属(Rhodococcus)、产碱杆菌属( Al鄄
caligenes)、伯克霍尔德氏菌属(Burkholderia)及鞘氨
醇单胞菌属(Sphingomonas)等多个属,代表种有真
养产碱杆菌(Alcaligenes eutrophus H850)、伯克霍尔
德氏菌 ( Burkholderia sp. LB400 ) 和假单胞菌
(Pseudomonas sp. KF707) [22-24] . 在实验室条件下,
微生物降解 PCBs 的效果往往比较理想,但在实际
应用中,由于抗毒性侵害能力差、被原生动物吞噬、
与土著微生物竞争处于劣势等原因[25],导致外源投
加微生物的生物量及代谢活性迅速降低,污染物降
解能力也随之下降.因此,如何使外源微生物定殖于
原位环境中并稳定发挥其功能,一直是国内外学者
关注的焦点,而固定化微生物技术的兴起则为解决
这一问题提供了新思路.
70816 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 胡金星等: 固定化微生物技术修复多氯联苯污染土壤的应用前景摇 摇 摇 摇 摇 摇
2摇 固定化微生物技术及其在土壤修复方面的研究
现状
2郾 1摇 固定化微生物技术
固定化微生物技术是指通过物理或化学的方法
将游离的微生物与特定的载体相结合,使其固定在
某一空间区域内,以提高微生物细胞的浓度、保持较
高的生物活性并能反复利用的方法[26] .微生物被固
定后,载体为微生物提供了一个相对稳定的生存环
境[14];载体作为一种屏障,能在一定程度上减轻土
著微生物带来的竞争压力、削弱原生动物的吞噬作
用[15];成型的固定化颗粒中微生物细胞密度大、代
谢活性较强.这些特点使得固定化微生物具备了更
好的环境适应能力和应用价值.
载体的种类和固定化方式是决定固定化微生物
性能的关键因素.良好的载体需具备机械强度高、理
化性质稳定、物理性状优良、寿命长、无毒、不溶于
水、价格低廉及易制备等特点[27] . 目前研究与应用
中常见的微生物固定化载体材料主要分为 4 类:无
机载体、天然高分子载体、人工合成高分子载体及复
合载体[28-29] .这 4 类载体各有优缺点,其中无机载
体如蛭石、硅藻土以及天然高分子载体海藻酸钠、琼
脂糖等均来源于自然环境,价格低廉且不易造成二
次污染,是制备固定化微生物的首选载体,将其应用
于环境修复方面的研究报道也较为丰富[17,30-31] . 此
外,固定化方法也会对微生物的生长和活性造成不
同程度的影响.因此,必须根据固定化微生物的用途
及其应用的环境选择合适的固定方法.吸附法、包埋
法、共价结合法和交联法为 4 种最主要的微生物固
定化方法,其各自的特点见表 1[26,28] .交联法和共价
结合法制备的固定化微生物细胞活性相对较低,而
且传质阻力大、制备成本高,目前仍然处于实验室研
究阶段.吸附法与包埋法对细胞活性的影响小,而且
制备过程比较简单,所以是目前应用较为广泛的微
生物固定化方法[32] .
2郾 2摇 固定化微生物技术在有机污染土壤修复方面
的研究现状
固定化微生物技术兴起于 20 世纪 80 年代. 运
用该技术处理含酚废水、含油废水和味精厂废
水[33-37]等高浓度有机废水时均取得了良好的效果.
但是到目前为止,固定化微生物技术在土壤修复方
面的研究仍然处于起步阶段.其中,利用固定化微生
物技术降解土壤中的残留农药及多环芳烃方面的研
究报道相对较多. Su 等[15]以蛭石为载体,吸附固定
毛霉 (Mucor sp. SF06)及芽孢杆菌 ( Bacillus sp.
SB02),用于降解土壤中的苯并[a]芘. 42 d 内,苯并
[a]芘的降解率高达 95. 3% ,而游离菌组的降解率
仅为 79. 6% . Balfanz 等[38]将用粘土吸附固定的产
碱杆菌(Alcaligenes sp. A7鄄2)投入反应器中,提高了
土壤中对氯苯酚的降解速率.
吸附固定的过程比较简单,其缺点在于微生物
与载体结合不够紧密,在使用过程中微生物易从载
体上流失.而包埋法则能有效克服了这一缺点,所以
包埋法以及包埋法与吸附法相结合的微生物固定化
技术也受到了广泛关注. Lin 等[14]把粉末活性炭加
入到海藻酸钠凝胶包埋体系中固定黄孢原毛平革菌
(Phanerochaete chrysosporium BKM鄄F鄄1767),制得的
固定化颗粒对五氯酚的降解能力优于游离菌,而且
还具备了污染物吸附性能.范玉超等[17]采用竹炭吸
附苍白杆菌(Ochrobactrum sp. AHAT鄄3),并辅以海
藻酸钠包埋,所得到的固定化颗粒在 28 d 内对砂姜
黑土和红壤中阿特拉津的降解率分别为 51. 9%和
52. 8% ,均比添加游离菌的试验组高出约 10% .
Wang等[19]研究结果表明,在采用海藻酸钠和聚乙
烯醇包埋微生物时,添加活性炭粉末有助于固定化
颗粒形成良好的孔隙结构、利于物质传输和微生物
生长.固定化微生物技术在降解有机污染物方面的
优越性已经引起了越来越多的关注,而开发多样化
表 1摇 不同微生物固定化方法的特点
Table 1摇 Characteristics of different immobilization methods
方法
Method
结合力
Binding force
细胞活性
Cell activity
传质阻力
Transfer resistance
稳定性
Stability
制备方法
Preparation method
生产成本
Preparation cost
吸附法
Adsorption

Weak

High

Little

Low
简单
Simple

Low
包埋法
Entrapment
适中
Moderate
适中
Moderate

High

High
适中
Moderate

Low
共价结合法
Covalent binding

Strong

Low
较大
High

High
复杂
Complex

High
交联法
Crosslinking

Strong

Low
较大
High

High
适中
Moderate
适中
Moderate
8081 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
的固定化技术则会成为研究的重点.
2郾 3摇 固定化微生物技术在 PCBs 污染物修复方面
的研究现状
国内外有关应用固定化微生物技术修复 PCBs
污染土壤的研究报道十分少见. 现有研究主要集中
于分离 PCBs降解微生物、研究微生物对 PCBs 代谢
谱和代谢产物以及分析相关功能基因和酶的结
构[39-43] .直接投加微生物修复 PCBs 污染土壤的研
究也处于探索阶段[44-46] . 20 世纪末美国通用电子公
司尝试通过投加微生物并结合翻耕等技术实地修复
PCBs污染土壤,最终发现土壤的温度、湿度及有机
质含量是影响微生物降解 PCBs 的重要因素[47-49] .
2011 年,Tu等[50]报道了一株具备 PCBs降解能力的
苜蓿中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti) .室内模拟
表 2摇 固定化微生物对水体和土壤中 PCBs的降解
Table 2摇 Degradation of PCBs in water and soil by immobilized microorganism
体系
System
微生物
Microorganism
载体
Carrier
固定化方式
Immobilization
method
多氯联苯(同系物
或商品名称)
PCBs (congeners or
commerical name)
主要研究结果
Main findings
文献
Reference
水体
Water
混浊红球菌
Rhodococcus
opacus
TSP203
海藻酸钠
Sodium
alginate
包埋
Entrapment
Kaneclor 300、
Kaneclor 400、
Kaneclor 500
用海藻酸钠包埋菌株 TSP203 能抵御
PCBs对其细胞造成的毒害,使固定化菌
株的 PCBs降解能力优于游离菌 Immobi鄄
lization of strain TS203 in sodium alginate
afforded protection anginst PCBs toxicity.
Thus, the immobilized cells showed more ex鄄
cellent PCBs degradation ability than the
suspended cells
[12]
假单胞菌
Pseudomonas
sp. SY5
聚氨酯泡沫
Polyurethane
foam
包埋
Entrapment
Aroclor 1242 针对 Aroclor 1242 中不同的 PCBs同系物,
固定化菌株的降解率要比游离菌高
5% ~40% Immobilized strain SY5 degraded
5% -40% more PCB of Aroclor 1242 than
the suspended strain SY5
[51]
假单胞菌
Pseudomonas
sp. 2
烧结玻璃珠
Sintered glass
beads (SIRAN)
吸附
Adsorption
Delor 103 固定化菌株接种到反应器中,运行 3 周后
不同 PCBs 的残留量为 1% ~ 48% The
amount of residual PCBs was 1% -48% of
the original PCBs in glass reactors after three
weeks of incubation
[52]
微生物混培

Mixed micro鄄
bial culture
改性水泥颗

Modified ce鄄
ment particles
吸附
Adsorption
Aroclor 1260 PCBs首先被迅速吸附在生物膜表面,然
后逐渐降解,5 d 内降解率在 95% 左右
PCBs were firstly adsorbed onto the biofilm
and then the compounds were degraded grad鄄
ually. The removal rate of PCBs was approx鄄
imate 95% in five days.
[53]
假单胞菌
Pseudomonas
sp. CPE1
假单胞菌
Pseudomonas
sp. CPE2,
产碱杆菌
Alcaligenes
sp. CPE3
磨砂玻璃珠
和聚氨酯泡

Frosted glass
beads and
polyurethane
foam
吸附
Adsorption
低氯代 PCBs 与 CBAs
混合物 A mixture of low
chlorinated biphenyls
and CBAs
三株细菌在载体表面形成的生物膜能有
效降解 PCBs 和 CBAs. 生物膜性能稳定,
有机负荷增大不会影响反应器中 PCBs的
降解效率和脱氯效率 Three bacteria could
form biofilm on immobilization carriers and
degrade PCBs and CBAs. The PCBs degra鄄
dation and dechlorination efficiency of the
reactor did not decrease by increasing the or鄄
ganic load, thus indicating a good stability of
the biofilm
[54]
土壤
Soil
黄孢原毛平
革菌
Phanerochaete
chrysosporium
H鄄298
甘蔗渣
Sugarcane
bagasse
附着基质
Support
medium
由不同比例的三氯到
九氯代 PCBs组成
A mixture of PCB con鄄
geners with three to nine
chlorine substituents
附着在蔗渣上的真菌能定殖在土壤中并
有效降解 PCBs. 土著微生物与接种的真
菌建立协同关系,使土壤中异养生物活性
提高,并促进了 PCBs 的降解 The fungus
grown on sugarcane bagasse could colonize
the contaminated soil and promote the degra鄄
dation of PCBs. Synergism was found be鄄
tween fungus and soil microflora, which im鄄
proved heterotrophic activity and PCBs re鄄
moval efficiency in soil
[55]
虎皮香菇
Lentinus tigri鄄
nus CBS
577郾 79
玉米秸秆
Maize stalk
附着基质
Support
medium
Aroclor 1260 真菌能定殖于被 PCBs 严重污染的土壤
中,60 d内 Aroclor 1260 的降解率约 34%
The maize stalk鄄immobilized fungus was able
to colonize the heavily contaminated soil.
And the fungal augmentation led to PCBs re鄄
moval extents ( about 34% ) after 60 days
incubation
[56]
90816 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 胡金星等: 固定化微生物技术修复多氯联苯污染土壤的应用前景摇 摇 摇 摇 摇 摇
试验结果表明,该菌不仅能提高土壤中 PCBs 的降
解率,而且能促进土著细菌与真菌生长,预示着该菌
株具备较高的应用价值.
近 10 年来开始有研究者关注固定化微生物对
PCBs的降解(表 2). Mukerjee鄄Dhar 等[12]首次采用
海藻酸钙包埋的混浊红球菌 ( Rhodococcus opacus
TSP203)降解水体中的 PCBs,发现固定化的菌株具
备更持久的 PCBs降解能力:半连续降解试验表明,
在第一个降解周期结束后,游离菌的 PCBs 降解活
性基本丧失,而固定化菌株的 PCBs 降解活性可维
持至第三个降解周期. 聚氨酯泡沫也是一种常用的
载体. Na等[51]用其包埋假单胞菌(Pseudomonas sp.
SY5)并获得了高活性的固定化颗粒,其对 Aroclor
1242 中不同 PCBs 同系物的降解率要比游离菌高
5% ~ 40% . 随后有学者尝试运用吸附型载体固定
PCBs降解微生物、构建生物膜反应器,用于降解水
体中的 PCBs. Borja等[53]以水泥颗粒为载体设计的
简易生物膜反应器运行 5 d 后,Aroclor 1260 的降解
率在 95%左右. Dioia 等[54]以聚氨酯泡沫和磨砂玻
璃珠为填料,通过添加多种微生物所构建的生物膜
反应器能有效降解多种 PCBs和氯代苯甲酸(chloro鄄
benzioc acids, CBAs).该研究结果表明,生物膜结构
能有效抵御环境冲击对微生物造成的不利影响,从
而保证微生物稳定的发挥其功能.
摇 摇 目前,仅有少量研究涉及固定化真菌修复 PCBs
污染土壤. Fern觃ndez鄄S觃nchez 等[55]以甘蔗渣为主要
基质培养黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysospo鄄
rium H鄄298),并用其修复 PCBs 污染土壤. 结果表
明,附着在甘蔗渣上的真菌能定殖在土壤中并加速
土壤中 PCBs 的降解. 而且外源真菌和土著微生物
之间能建立协同关系,使得土壤中的异养生物活性
提高,并促进土壤中 PCBs 的降解. Federici 等[56]用
玉米秸秆颗粒培养虎皮香菇(Lentinus tigrinus CBS
577. 79),使该菌在生长过程中逐渐与秸秆颗粒紧
密结合.土壤修复试验结果显示,这种真菌能显著提
高 Aroclor 1260 的降解率,并能促进土壤微生物多
样性的恢复.生物质材料不仅能作为真菌附着生长
的载体,而且还能为真菌的生长提供营养,这两种效
用确保了真菌稳定地定殖在土壤中,持久发挥其功
能.故在探索真菌固定化方法的过程中,扩大生物质
载体材料的筛选范围是非常有必要的. 而以 PCBs
降解菌为对象、选择适当的载体材料、结合不同的物
化技术制备出高性能的固定化微生物,并应用其修
复 PCBs 污染土壤是值得深入探究的. 虽然迄今为
止已经发现了大量具备 PCBs 降解功能的细菌,但
尚未出现与固定化细菌降解土壤中 PCBs 相关的研
究报道. 本课题组从长期受 PCBs 污染的土壤中获
得了 1 种微生物混培物和 1 株飞鱼鞘氨醇菌
( Sphingobium fuliginis HC3, GenBank 登 录 号 为
KC747727).它们均能降解氯取代数小于 4 的 PCBs
同系物.研究还发现,当微生物吸附在以水稻秸秆为
材料制备的生物炭上后,其细胞能维持较高的代谢
活性.因此笔者尝试以生物炭为主要载体固定 PCBs
降解菌,以期获得能适用于 PCBs 污染土壤修复的
固定化微生物.
3摇 应用固定化微生物技术修复 PCBs 污染土壤的
可行性
摇 摇 虽然目前有关采用固定化微生物技术修复
PCBs污染土壤的研究报道仍然较少,但应用该技术
修复多环芳烃、石油及农药等有机物污染土壤方面
的研究已经取得了一定的进展.这些有机物和 PCBs
具有类似的性质,如具有生物毒性、疏水性强、生物
可利用性较低. Su等[15,57]以蛭石和玉米芯颗粒为载
体、Chen等[58]以生物炭为载体,制备固定化微生物
降解土壤中的多环芳烃;Xu 等[59]以花生壳粉为载
体、Liang等[60]以活性炭和沸石为载体,制备固定化
微生物修复石油污染土壤;Lin 等[14]采用凝胶包埋
法(辅助活性炭)制备固定化微生物降解土壤中的
五氯酚;范玉超等[17]用包埋法制备固定化微生物降
解土壤中的阿特拉津. 这些研究都表明在土壤中添
加固定化微生物降解有机污染物的效果优于直接添
加游离微生物.其主要原因为微生物被固定后,载体
形成的屏障能在一定程度上屏蔽土著微生物带来的
竞争压力、抵御环境因素变化对微生物的冲击,而且
适当的固定化方法还能改善微生物的代谢活
性[12-16] .因此,运用固定化微生物技术修复 PCBs污
染土壤具有一定的可行性. 而且在土壤原位修复过
程中,固定化微生物技术的实施工艺简单、对土壤生
态环境的扰动小,使这项技术具备了较高的推广
价值.
此外,目前研究工作者已经筛选出了许多能降
解 PCBs的微生物,其中能有效降解 PCBs 并且降解
途径已经被阐明的代表种有红球菌 (Rhodococcus
sp. RHA1 和 Rhodococcus sp. R04)、伯克霍尔德氏
菌 LB400 和弯曲无色细菌(Achromobacter georgiopo鄄
litanum KKS102) [61-64] .这些宝贵的微生物资源将为
制备固定化微生物提供物质基础. 能用于固定微生
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物的载体材料十分丰富,如天然载体硅藻土、蛭石、
琼脂糖、海藻酸钠、农作物秸秆以及人工合成载体聚
乙烯醇、硅胶和聚氨酯泡沫等都比较容易获取或制
备,为研究与开发不同性能的固定化微生物提供了
充足的资源.其中,蛭石和农作物秸秆常被用作吸附
载体固定微生物[15,55-56],而海藻酸钠和聚乙烯醇则
可作为交联剂包埋微生物[12,14,19] .
4摇 今后的研究重点
虽然固定化微生物技术在环境修复领域中表现
出了巨大的应用潜力,但其在 PCBs 污染土壤修复
中的研究尚处于起步阶段,还有许多问题尚待解决:
1)固定化微生物促进土壤中 PCBs 降解机理的
探究.现有研究主要依据目标污染物的降解效率间
接评价固定化微生物技术的优劣. 但无法深层揭示
在实际环境中,究竟是固定化微生物的哪些特点确
保了它对目标污染物的降解效率高于游离菌. 借助
显微技术、原位杂交技术以及实时荧光定量 PCR 等
技术,并尝试开发新的研究手段,用于直接表征土壤
中固定化颗粒的形态与结构、分析固定化颗粒表面
的微生物种群、检测固定化颗粒中降解菌的数量与
活性、评价目标污染物是否能与固定化颗粒中的降
解菌有效接触,将有助于进一步揭示固定化微生物
促进土壤中 PCBs 降解的机理,还有助于更为准确
地评价固定化微生物技术的应用价值.
2)环境友好型载体的选择.投放到土壤中的固
定化微生物难以回收再利用,因此筛选稳定性好、成
本低廉且易获取的环境友好型材料至关重要. 聚氨
酯泡沫是一种常用的微生物固定化载体,具有理化
性质稳定、易制备和成本低的特点[51] . 但由于这种
材料很难自然降解,因此具有造成二次污染的风险,
不适用于土壤原位修复. 而一些生物质材料如小麦
秸秆、蔗渣和玉米秸秆等不但能作为微生物的附着
载体,提供微生物的生长所需的营养物质,而且还能
充当疏松剂提高土壤的透气性,特别适用于真菌的
固定化[15,55-56] . 许多研究表明,黑炭也是一种优良
的载体,具有多孔结构,能够吸附大量的微生物并为
其提供生长空间,还能充当物理屏障、减轻土著微生
物带来的竞争压力[58,65] .而黑炭丰富的表面官能团
和较高的比表面积又能使其吸附和浓缩环境中的有
机污染物[14,58],保证降解菌与污染物能相互接触,
进而提高生物降解效率.传统理论则认为,黑炭加入
土壤后,能强烈吸附有机污染物,从而降低其生物可
利用性,不利于微生物对有机污染物的降解[66] . 因
此,此类对有机污染物具有强烈吸附能力的材料是
否适合作为固定化微生物的载体,仍有待深入研究.
3)强化土壤体系的传质能力. 土壤的传质能力
远远低于水体,而固定化微生物颗粒自身亦存在一
定的传质阻力.这两种阻力将在一定程度上阻碍微
生物与目标污染物及营养物质的接触,进而干扰其
功能作用的发挥.为了提高土壤体系的传质能力,一
方面需要改善固定化颗粒自身的传质性能.如 Wang
等[19]以海藻酸钠和聚乙烯醇为交联剂、以活性炭粉
末为改良剂,采用反复冻融技术,最终获得了具有良
好孔隙结构、利于物质传输和微生物生长的固定化
颗粒.或是筛选适合微生物附着生长的材料,采用以
吸附法为主的技术制备出自身传质阻力较低的固定
化微生物.另一方面,选择适当的原位调控方法如翻
耕、通风等方式,提高土壤微环境中的传质水平,促
进微生物、营养物质和污染物有效接触,确保以固定
化微生物为核心的“微反应器冶有效运转.
4)多种微生物联合固定. PCBs的完全降解一般
需要厌氧还原脱氯形成低氯代 PCBs、低氯代 PCBs
氧化形成氯代苯甲酸及氯代苯甲酸矿化 3 个过
程[67-69],分别由 3 类不同的微生物完成. 其中氯代
苯甲酸是多氯联苯好氧降解过程中最易积累的一类
中间代谢产物,该类化合物能通过抑制微生物生长
而间接阻碍 PCBs的降解[70-71] .因此,将这几类不同
的微生物联合固定(尤其是好氧氧化过程中的两类
微生物)、实现 PCBs 的完全降解、避免有毒中间代
谢产物的积累也是相关研究应当关注的问题.
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作者简介摇 胡金星,男,1987 年生,博士研究生.主要从事有
机物污染土壤生物修复研究. E鄄mail: hjxztx@ 163. com
责任编辑摇 肖摇 红
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