全 文 ：第 7 卷 第 7 期 环 境 工 程 学 报 Vol ． 7，No ． 7
2 0 1 3 年 7 月 Chinese Journal of Environmental Engineering Jul ． 2 0 1 3
降解菌 ZQ5 与紫茉莉对芘污染土壤的
联合修复
赵媛媛 张万坤 马 慧 白 鹏 林景卫 钟 鸣*
(沈阳农业大学辽宁省农业生物技术重点实验室，沈阳 110161)
摘 要 在温室盆栽条件下，通过单独种植紫茉莉、单独接种多环芳烃(PAHs)模式化合物芘的专性降解菌 ZQ5 和两
者的联合修复的 3 种处理，对芘污染土壤的修复效果进行了研究。结果表明，经 90 d修复后，植物-微生物联合修复可将人
工污染土壤中的芘降解 81. 1%，将石油污染土壤中的芘降解 50. 3%，其修复效率明显高于其他 2 种处理，是紫茉莉修复的
1. 98 倍，是降解菌 ZQ5 修复的 1. 39 倍。ZQ5 的不同接菌量对于修复 60 d 后的降解率影响不大。外源生物修复条件下，
10 ～ 20 cm土壤的修复效率要高于 5 cm土壤;自然降解条件下，5 cm土层降解率略高于其他土层。
关键词 芘 污染土壤 降解效率 植物-微生物联合修复
中图分类号 X172;X173;X53 文献标识码 A 文章编号 1673-9108(2013)07-2752-05
Microbial-phytoremediation of pyrene contaminated soil using
pyrene-degrading strain ZQ5 with Mirabilis Jalapa
Zhao Yuanyuan Zhang Wankun Ma Hui Bai Peng Lin Jingwei Zhong Ming
(Key Laboratory of Agricultural Biotechnology of Liaoning Province，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110161，China)
Abstract A pot-experiment in greenhouse was carried out to investigate the remediation efficiency of py-
rene contaminated soil by planting Mirabilis Jalapa L alone，inoculating with PAHs-pyrene degrading bacteria
ZQ5 strains alone and microbial-phytoremediation treatment． After 90 days，the results indicate that the microbi-
al-phytoremediation has obvious superiority． It can remove 81. 1% pyrene in the artificially contaminated soil，
and 50. 3% pyrene in the petroleum-contaminated soil． The microbial-phytoremediation efficiency is 1. 98 times
of Mirabilis Jalapa L and 1. 39 times of ZQ5 strains． Different amounts of inoculating ZQ5 strains have obvious
difference for initial repairment，but have little effect in the long-term repairment process． Under exogenous
bioremediation conditions，the soil in depth of 10 cm to 20 cm has higher remediation efficiency than 5 cm;un-
der natural degradation conditions，degradation rate of 5 cm depth soil is slightly higher than other soil．
Key words pyrene;contaminated soil;degradation efficiency;microbial-phytoremediation
基金项目:国家自然科学基金资助项目(31070448);辽宁省自然科
学基金资助项目(20062111)
收稿日期:2013 － 01 － 28;修订日期:2013 － 03 － 09
作者简介:赵媛媛(1987 ～)，女，硕士研究生，主要从事环境微生物
污染修复研究工作。E-mail:370009344@ qq． com
* 通讯联系人，E-mail:mingzh1@ sina． com
多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，
PAHs)是一种在自然环境中分布极其广泛，具有细
胞毒性、遗传毒性、免疫毒性、致畸和致癌的有机污
染物［1］。90%的 PAHs 经大气沉降后在土壤表面残
留［2］，因其本身的难降解性和大量源源不断的产生源
造成了日益严重的环境污染，修复 PAHs污染土壤一
直是国内外环境修复的共同关注热点之一［3，4］。
PAHs污染土壤的生物修复因处理成本低、无
二次污染、自然美观等特点，正逐步成为未来 PAHs
污染治理研究的一个重要方向［5，6］。生物修复主要
包括植物修复、微生物修复和植物-微生物联合修
复。植物修复成本低、能在修复土壤的同时净化空
气，但植物修复适合中低浓度的污染修复;微生物修
复成本低，处理周期短，修复效率高，但投放到污染
地区的高效降解菌因适应性和竞争能力等原因，修
复效果不理想。植物-微生物联合修复能够相互促
进，营养物质能够自动翻新，使修复过程能够更加生
态化，另外植物与微生物之间的搭配也会产生不同
程度的协同作用［7］。
据报道，选用黑麦草、苜蓿草、酥油草、紫花苜蓿
第 7 期 赵媛媛等:降解菌 ZQ5 与紫茉莉对芘污染土壤的联合修复
等牧草植物，及玉米等农作物均可增强土壤中降解
菌的数量，提高 PAHs 修复效率［8-11］。紫花苜蓿和
高羊茅草可以增加土壤中微生物可用的 C、N含量，
促进微生物的繁殖增长［12］。种植狼尾草可以使土
壤中的烃降解菌数量显著提升，加快修复效率［13］。
植物促进生物降解 PAHs 是植物修复的主要途径，
这些途径都依赖于植物品种、种植模式和 PAHs 分
子的大小［14，15］。
研究表明，植物紫茉莉对石油污染土壤有修复
能力，ZQ5 菌为芘高效专性降解菌，本研究通过紫茉
莉与 ZQ5 菌的组合，探讨植物微生物协同修复效
果，并进一步探明石油污染修复植物紫茉莉对芘的
修复能力，以及人工筛选芘专性降解菌 ZQ5 在土壤
污染环境下的实际应用潜力，旨在为修复多环芳烃
污染土壤提供更多优化修复方案。
1 实验材料与方法
1. 1 供试土壤
实验用石油污染土壤取自辽宁省抚顺市石油二
厂污染处理池，清洁土壤取自沈阳农业大学。测定
两种供试土壤本底值如表 1 所示。
表 1 供试土壤本底值
Table 1 Background values of experimental soils
名 称 pH
氮
(mg /kg)
磷
(mg /kg)
钾
(mg /kg)
芘
(mg /kg)
石油烃
(mg /kg)
有机
质(%)
清洁
土壤
5. 32 313. 67 121. 18 691. 00 — — 3. 71
石油
土壤
6. 49 160. 68 83. 02 517. 31 127 550 3. 17
1. 2 供试菌种与植物
芘高效降解菌株 ZQ5(寡氧单胞菌，Ptenotroph-
omonas)由沈阳农业大学辽宁省农业生物技术重点
实验室收藏保存。菌剂以灭菌草炭为载体。供试植
物紫茉莉种子取自沈阳农业大学植物园，经过纱布
床实验，种子发芽率达 96%以上。
1. 3 实验主要试剂与仪器
芘(Pyrene，纯度 ＞ 98%)购自 Aldrich Chemical
Co．，甲醇为色谱级甲醇，丙酮、环己烷为分析纯，
LC-1100 型安捷伦液相色谱仪。
1. 4 实验设计与实施
1. 4. 1 土壤前期处理
石油污染土壤和清洁土壤过 20 目筛处理，风干
后，在清洁土壤中均匀加入芘的丙酮溶液，使土壤中
的芘污染浓度达到设计要求，待丙酮挥发后，获得污
染土样。
1. 4. 2 污染土壤的降解处理
3 种芘污染浓度土壤:A(100 mg /kg)，B (150
mg /kg)，C(200 mg /kg)。
分别在 A、B和 C 浓度下进行 4 种不同处理:a
(只种植紫茉莉植株);b(只接种 ZQ5 菌，接种菌量
为 30 g /kg);c(种植紫茉莉，接种 ZQ5，接种菌量为
30 g /kg 或 60 g /kg);K(空白对照)，每个处理做 3
个重复。
对石油污染土壤进行灭菌(Ⅰ)与不灭菌(Ⅱ)2
种处理，降解实验采用 c处理进行，每个处理做 3 个
重复，2 种处理各做一组空白对照。
实验在沈阳农业大学温室内进行。实验用 ZQ5
菌剂按 30 g /kg或 60 g /kg 量与土壤均匀混合放入
盆钵中，每盆装土 4 kg，土深在 20 cm 以上，保持
60%田间持水量，每盆播种 10 颗紫茉莉种子，每周
浇水 5 ～ 6 次。出苗后，每盆留苗 5 棵，在实验 30、
60 和 90 d时分别取样。取样时随机取 5 点组成混
合土样，待测。
1. 5 芘浓度标准曲线制作
以甲醇为溶剂，配制成 5、10、25、50、75 和 100
mg /L 芘标准工作液，测定峰面积绘制芘浓度标准
曲线。
1. 6 样品萃取与测定方法
土壤中芘的萃取［16，17］:取样品 5 g 于 50 mL 离
心管中，加入 30 mL环己烷在超声冰水浴中超声萃
取 30 min，离心收集萃取液在 95℃水浴上定容浓缩
至 15 mL，过 0. 22 μm有机相滤膜过滤，待测。
HPLC 测定条件:色谱柱为 Kromasil ODS-C18
柱(250 mm × 4. 6 mm，5 μm)，流动相为甲醇 /水
(78∶ 22)，流速为 1 mL /min，柱温 25℃，进样量 25
μL，检测波长 254 nm［17］。
2 结果与分析
2. 1 芘人工污染土壤的降解效果
90 d 降解实验后，3 种污染浓度土壤在不同的
降解处理后得到不同程度降解率。不同污染浓度下
c处理的降解率均为最高值，最高降解率出现在 B
浓度下 c 处理，为 81. 1%，分别是植物单独修复的
1. 98 倍、单独微生物修复的 1. 39 倍。植物微生物
联合修复效果显著(p ＜ 0. 05)。
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环 境 工 程 学 报 第 7 卷
图 1 所示，分别比较了 A、B 和 C 3 种污染浓度
土壤在 4 种降解处理下对于芘的降解率。随着时间
变化，a、b和 c 3 种处理对不同污染浓度土壤中芘的
降解率皆呈明显上升趋势;在 K组处理条件下，3 种
污染浓度下土壤中芘的降解率没有随着时间变化显
示明显上升趋势，且同一时间段里其降解能力极显
著低于各种处理(p ＜ 0. 01)。同一时间对芘的降解
能力顺序为:c ＞ b ＞ a ＞ K。相同降解处理下，A 污
染浓度与 B污染浓度降解程度相近，C 浓度的降解
率最低。
图 1 不同污染浓度下 3 种处理的降解效果
Fig. 1 Degradation effects of three treatments under different pollution concentrations
2. 2 接菌量对降解率的影响
B污染浓度在 c处理下，分别按接菌量 30 g /kg
和 60 g /kg(F)处理的降解效果，如图 2 所示。30 d
时，接菌量为 60 g /kg 土壤中芘的降解率都要明显
高于接菌量为 30 g /kg土壤(p ＜ 0. 05)。60 d 时，60
g /kg接菌量对土壤中芘的降解率不再有明显优势
(p ＞ 0. 05)。90 d 时，两种接菌量的降解率基本一
致。在 A、C 2 种浓度下有相同结果。接菌量的增
多只在降解初始阶段起到明显作用，随着降解时间
的延续，这种优势随之消失。
图 2 不同接菌量的降解效果
Fig. 2 Degradation effects of different amounts of inoculums
2. 3 人工污染土壤不同深度的降解效果
B污染浓度下，取 a、b、c 和 K 降解处理 120 d
后不同深人工污染土壤，测定不同深度土壤中芘的
降解率。如图 3 所示，c处理下，5 cm土层的降解率
普遍要低于 10 ～ 20 cm 土层。c 处理下表现出极显
著差异(p ＜ 0. 01)，在 a、b 处理下也表现出显著差
异(p ＜ 0. 05)。在 K 组中，完全依赖自然降解的条
件下，5 cm 土层的降解率要略高于 10 ～ 20 cm 土
层，但各土壤层之间没有显著差异(p ＞ 0. 05)。
图 3 不同深度土壤的降解效果
Fig. 3 Degradation effects of different depth soil
2. 4 石油污染土壤的降解效果
取原位石油污染土壤，芘含量为 127 mg /kg。
在联合修复处理下，石油污染中的芘降解率为 45%
～50%，远低于人工污染下相近芘污染浓度的降解
率。对石油污染土壤进行灭菌(Ⅰ)与不灭菌(Ⅱ)
两种处理，结果如图 4 所示，不同时间段内，Ⅰ组的
芘降解率皆要高于Ⅱ组。
3 讨 论
目前，有关植物与筛选的专性降解菌联合修复
的研究逐渐成为生物修复的关注热点。邓欢欢
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第 7 期 赵媛媛等:降解菌 ZQ5 与紫茉莉对芘污染土壤的联合修复
图 4 灭菌与不灭菌石油土壤降解效果
Fig. 4 Degradation effects between sterilization and
without sterilization petroleum contaminated soil
等［18］的研究表明，投加外源降解菌可以加快污染土
壤的净化过程，提高生物修复效率。刘魏魏等［11］的
研究表明紫花苜蓿接种 PAHs专性菌后能够提高土
壤中 4 环和 5 环 PAHs的降解率。马强等［10］研究表
明，水稻与石油烃降解菌联合修复石油烃土壤的修
复速率最快。本实验研究中也表明 PAHs 专性菌
ZQ5 与植物紫茉莉协同修复同样促进了 PAHs 芘的
降解。在 90 d实验中，紫茉莉-ZQ5 菌联合修复芘污
染土壤的最高降解率为 81. 1%，具有显著优势。在
单相生物修复方面，紫茉莉修复能力是 ZQ5 菌的
74. 2%，ZQ5 菌在降解过程贡献更多一些。不同污
染浓度下，植物-微生物联合修复对低浓度污染土壤
修复能力要高于高浓度污染土壤。专性菌的降解能
力在较高浓度污染下受到抑制，这与之前对于该菌
种的污染耐受性研究结果相符合［17］。
不同研究中降解菌的接菌量各有不同，但一般
采用 30 ～ 40 mg /kg 的接菌量开展 PAHs 降解研究。
本实验设计了 30 mg /kg［11］和 60 mg /kg 2 个接菌量
的水平，研究了不同接菌量对降解效率的影响。实
验初始阶段，较高的接菌量能得到较高的降解率，相
对于低接菌量有明显优势，但随修复实验时间的变
化，接菌量的多少对降解率的影响逐渐变小，甚至无
影响。已有研究报道，PAHs降解菌数量与 PAHs 的
降解率显著呈正相关，PAHs 降解菌数量越高，对
PAHs的降解率越高［19，20］。推测降解起始时，较高
的接菌量增强芘的降解效率。降解后期时，在土壤
环境及与土著微生物的竞争下，降解菌生长繁殖的
数量趋于平衡状态，土壤中降解菌的数量相近，从而
达到一样的降解效果。具体影响机制有待增加接菌
量浓度梯度和更加密集的采样时间，以便进行深入
研究。
生物修复污染土壤主要集中修复土壤的表层
20 cm以上土壤，本实验在植物修复、微生物修复和
联合修复 120 d 后，对人工污染土壤中芘的降解率
测定结果表明，表层 5 cm的土壤较之 10 ～ 20 cm土
壤的降解率偏低，推测与植物根系形态结构、组成成
分有关，根系的脂肪含量影响对芘的吸收或是根系
的不同位置更容易增强微生物的生物活性［21，22］;在
完全自然降解条件下，表层 5 cm 的土壤则较 10 ～
20 cm土壤略高，但不表现显著差异，应该是挥发、
淋滤和光解等自然降解条件对 5 cm 土壤中 PAHs
有一定程度的降解或向下沉积的结果，对深层土壤
的降解作用不明显。本实验仅测定修复 120 d 后不
同深度土壤中芘的降解效果，整个修复过程中二者
之间的关系有待进一步详细研究。
本研究结果表明，原位石油污染土壤在联合修
复条件下较比人工污染土壤的降解效率要低。可能
源于石油污染土壤中，多种污染物混杂、土著微生物
种类和数量繁多、土壤有机质含量相对匮乏，在这样
的多重压力下，植物与降解菌的降解能力受到了抑
制。本实验中石油污染土壤的灭菌组相对不灭菌组
在植物微生物联合修复下的降解程度上显示优势，
进一步说明了土著菌的竞争是影响降解菌发挥降解
能力的因素。这与马强等［10］的研究结果类似，紫茉
莉与 ZQ5 菌能够在土壤环境中彼此支持，但与土著
微生物同时存在时，三者出现竞争抑制作用，降低修
复效率，三者间具体影响机制有待进一步实验研究。
植物微生物联合修复的研究多以牧草和农作物
为主，但这样会导致修复污染的农作物会进入到食
物链中，对人类健康产生影响，因此考虑选用花卉植
物修复不仅能够避免降解植物吸收多环芳烃污染进
入食物链的弊端，更能在修复过程中增加自然美观
效果。本研究在植物紫茉莉与专性菌 ZQ5 进行联
合修复 PAHs污染可以得到较好结果，但是就原地
污染土壤的修复效率还有提高的空间。目前，PAHs
污染的严重性，确定更优化的植物-微生物组合及修
复条件，将是生物治理 PAHs、石油污染的有效途径。
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