石油污染土壤生物修复技术研究进展
付朝阳1，李绪燕1，陈娅1，张雨辰1，丛心怡1，邓怡然1，葛秀丽1，*
（1. 齐鲁工业大学（山东省科学院）环境科学与工程学院，山东省济南市250353)
摘要：随着化石资源大量开发利用，土壤石油污染问题日益严重。生物修复技术因其环境友好、成本低的优势在石油污染土壤修复领域得到了广泛的重视。本文介绍了土壤石油污染生物修复技术术的理论基础、影响因素及作用机理的研究进展，分析了生物修复石油污染土壤研究面临的挑战，提出了研究展望。
关键词：石油污染；土壤修复；生物修复技术
中图分类号：X-1 文献标识码：A
The Research Progress on the Bioremediation of Soil Polluted by Petroleum
FU Zhao-Yang, CHEN Ya, ZHANG Yu-Chen, LI Xu-Yan, CONG Xin-Yi, DENG Yi-Ran, GE Xiu-Li
(School of Environmental Science and Engineering, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Jinan, 250353, China)
Abstract: The development and utilization of fossil resources brought serious pollution to soil environment. In the study of oil polluted soil remediation, bioremediation technology has caused widely attention for its environment friendly character and low cost. In this paper, the research advances of bioremediation technology of oil polluted soil were summarized from the three aspects, including theoretical basis, influencing factors and mechanism. At last, the challenges and the prospect were put forward.
Key words: oil pollution, Soil remediation, Bioremediation technology
Foundation item：College students' innovative training project in Shandong Province（No.S201920431085）
基金项目：山东省大学生创新训练项目（No.S201920431085）
作者简介：付朝阳（1996-），男，山东东营人，硕士研究生；研究方向：环境生态学，电话：19863676857，E-mail：993471595@qq.com。
*通讯作者：葛秀丽（1978-），女，山东青州人，博士，副教授；研究方向：群落生态学、环境生态学，E-mail：gexiuli@spu.edu.cn。
石油是现代社会最重要的化工原料和能源之一，其生产、运输和使用过程不可避免地对环境造成了污染。石油污染影响人类、植物、土壤微生物，也影响生态系统的非生物环境，损害生态系统的功能。由于石油成分复杂，治理石油类污染已经成为了一个巨大的挑战。
1.石油污染土壤生物修复技术
生物修复技术具有应用范围广、成本低、环境友好的优势，自上个世纪80年代以来在石油污染治理领域得到了广泛的重视和发展。生物修复技术根据其作用主体可分为植物修复、微生物修复、植物-微生物联合修复技术。
1.1植物修复技术
植物可在其他微生物的辅助下降解、去除、转化、同化、代谢环境中的有害污染物。植物修复具有成本低、操作简单、效率高的优势，兼具美学价值 [1]。
目前已筛选出多种耐石油污染的植物，包括紫花苜蓿（Medicago sativa）、凤眼莲（Eichhornia crassipes）、香蒲（Typha orientalis）、玉米草(Purus frumentum)、黑麦草（Lolium multiflorum）、芦苇（Phragmites communis）、碱蓬（Suaeda glauca）、盐地碱蓬（S. salsa）、滨藜属植物（Atriplex spp.）、狗牙根（Cynodon dactylon）、互花米草（Spartina alterniflora）等。它们大多分布广泛、生物量高、抗污染性强[2]，具备修复石油污染土壤的潜力。如紫花苜蓿已被评估用于修复包括石油烃、多环芳烃（PAHs）在内的多种有机污染物[3]。但是目前的物种筛选多进行单一植物的生长特征和石油烃降解能力的比较，对修复植物适用的立地条件、污染强度、多种植物搭配的石油污染修复效果涉及较少。另外，在耐石油污染植物名单中的一些外来种，可能会威胁当地生态安全，在进行土壤石油污染修复工程时应充分评估其生态风险、慎重选择。
植物修复石油污染的机理是通过植物提取、植物挥发、植物稳定、植物转化和根际修复等多种植物过程去除土壤中的石油烃污染物[4]。其中根际修复是植物修复有机污染物的最有效机制之一。植物根系的生长和根系分泌物可改良土壤为微生物创造更好的生存环境或直接分泌可降解石油烃的酶[5]。另外，土壤石油浓度也影响植物降解效率，如紫花苜蓿在土壤石油浓度为10g/kg时的石油降解率可达到峰值59%，但在20g/kg时仅为19%[6]。鉴于此，在筛选和应用石油污染修复植物时需要充分考虑其适用的浓度范围。
不同的植物去除石油烃的机制也不尽相同。即使是亲缘关系相近的修复植物其修复机制也存在差异，如紫花苜蓿根区的碳氢氧化微生物数量较多，而黄花苜蓿（M. falcata）根际则提供了较好的的氮环境；两者都能刺激土壤的脱氢酶和过氧化物酶活性，但根提取物的过氧化物酶谱存在一定差异[7]。而李氏禾（Leersia hexandra）根际可促进固氮细菌和植物生物量从而促进石油烃降解[8。
总之，植物修复技术治理土壤石油污染有明显的优势，同时受到植物生长偏好的限制。目前已发现的具有修复能力的植物种类有限，对不同植物的降解能力和降解机理也缺乏深入的研究。广泛筛选修复植物，研究其降解能力和降解机理、揭示并利用植物与微生物之间的相互作用，是未来提升植物修复技术效果的前提。
1.2微生物修复技术
微生物修复技术是利用微生物的强大净化能力来降解环境中的污染物的技术。在过去几十年中，其处理石油及衍生物污染土壤的效率和经济可行性逐渐得到社会的认可[9]。
目前已发现多种微生物可用于石油污染土壤修复，如节杆菌属（Arthrobacter）、不动杆菌属（Acinetobacter）、产碱杆菌属（Alcaligenes）等，其中铜绿假单胞菌得到广泛应用[10]，
微生物降解石油烃的效果受到多种因素的影响。石油烃各组分具有不同的生物降解势，直接影响了微生物降解速率，依次为十六烷>萘>正丁烷>苯蒽[11]；高分子量芳烃通常难以降解[12]]。环境条件直接影响了微生物的种类、群落结构和活性等，从而间接影响了其石油烃降解能力[13]。如温度明显影响微生物的石油烃降解速率，在温度为1.1 ℃时，微生物启动降解土壤石油烃[14]，低温下由于酶活性的降低，石油烃降解速率会降低[15]，在30-40℃ 时降解速率达到最大值[16]。石油烃在环境中降解速率也受到氧浓度的限制[17]。盐度对碳氢化合物降解过程中一些关键酶的活性有不利影响[18]，并影响微生物的生长和多样性[19]。土壤总石油烃降解在pH值为7.5时最快，不同石油烃组分最佳降解需要的pH值也有差异[20]。营养物质也是微生物成功降解石油烃的重要条件，添加适当的营养物能够提高降解效率[21]。不同营养物成分效果也不同，相对于其他碳源，蔗糖和纤维素表现出了更高的活性[22]。此外，微生物的种类和生物多样性也会影响降解效果[23]。
1.3 植物-微生物联合修复技术
植物的根际作用可以对土壤微生物活性产生显著影响，从而影响植物修复能力。植物-微生物联合修复技术利用了植物和微生物的协同作用治理土壤石油污染 [24]，其理论基础是植物和微生物的种间协作或共生关系，其技术关键是选择合适的植物-微生物体系[25]。如金盏菊（Calendula officinalis）与外源石油降解菌联用时，土壤脲酶等多种酶的活性均有所增加，有效改善了土壤根际微环境[26]；紫花苜蓿根系分泌的SOD酶，促进了根际微生物群落建立[27]。高羊茅（Festuca arundinacea）与PAHs专性降解菌联用时，土壤中PAHs的降解效率显著提高[28]。植物-微生物联合修复石油污染的优势在实践中已得到充分证明，成为生物修复技术领域的热点方向之一。
2 生物修复土壤污染研究面临的挑战
生物修复技术自问世以来得到了快速的发展，但是在实践应用中仍存在一些限制。
首先，在土壤污染生物修复的大规模现场试验中，其修复性能表现可能与实验室或温室研究的结果不同。现场试验中的环境条件如天气、营养、水分含量、有害昆虫和植物病原体的变化等在实验室中难以复制。因此，现场生物修复效果可能出现偏差。鉴于现场试验的不确定性，建议提高温室试验的次数和复杂程度，以降低现场试验失败的风险。
其次，建立降解效果好、能持续运行的生物修复体系是生物修复技术的发展瓶颈。由于群落的耐受性显著高于一个单一物种的耐受性，所以建立一个完整的群落修复体系也可以大大降低风险。但在建立修复体系的时候也会遇到很多问题：植物和微生物之间的关系复杂、不同植物/微生物种类的降解机制不尽相同等。解决这个难题需要依赖于群落生态学和恢复生态学理论的发展，建议在石油污染土壤修复领域开展不同物种搭配组合的石油烃降解机理研究和应用研究。
3 研究展望
综上所述，目前石油污染土壤生物修复的相关理论和技术已有一定研究成果，但是在修复主体和实践范围上存在局限，缺少精准性、系统性研究。建议研究工作者未来应继续筛选具有石油降解能力的生物种类、研究生物降解机理和关键影响因子，揭示生物之间、生物与环境之间的作用机理，根据理论研究结果研发配套的辅助修复技术，最终针对石油污染土壤的不同立地类型建立精准的生态修复技术体系。
参考文献
[1] Gurska J, Wang W X, Gerhardt K E, et al. Three year field test of a plant growth promoting rhizobacteria enhanced phytoremediation system at a land farm for treatment of hydrocarbon waste[J]. Environ. Sci. Technol., 2009, 43: 4472-4479.
[2] Jeevanantham S, Saravanan A, Hemavathy R V, et al. Removal of toxic pollutants from water environment by phytoremediation: A survey on application and future prospects[J]. Environ. Technol. Inno., 2019, 13:264-276.
[3] Kirk J L, Klirnomos J N, Lee H, et al. Phytotoxicity assay to assess plant species for phytoremediation of petroleum-contaminated soil[J]. Biorem, 2002, V6:57-63.
[4] Chaudhry, Q., Blom-Zandstra, M., Gupta, S.K., et al. Utilising the synergy between plants and rhizosphere microorganisms to enhance Breakdown of organic pollutants in the environment (15 pp) [J]. Environ. Sci. Pollut. Res. Int., 2005, 12:34-48.
[5] 彭胜巍,周启星.持久性有机污染土壤的植物修复及其机理研究进展[J].生态学杂志, 2008(3):469-475.
[6] 李先梅,肖易,吴芸紫,等.华北油田石油污染土壤的修复植物筛选[J].环境科学与技术, 2015, 38(06):14-19.
[7] Panchenko L, Muratova A, Turkovskaya O. Comparison of the phytoremediation potentials of Medicago falcata L. and Medicago sativa L. In aged oil-sludge-contaminated soil[J]. Environmental Science& Pollution Research. 2017, 24(3):1-14.
[8] Arias-Trinidad A, Rivera-Cruz M C, Roldán-Garrigós A, et al. Use of Leersia hexandra (Poaceae) for soil phytoremediation in soils contaminated with fresh and weathered oil[J]. Revista, 2017, 65(01):21.
[9] Adetutu E M, Smith R J, Weber J, et al. A polyphasic approach for assessing the suitability of bioremediation for the treatment of hydrocarbon-impacted soil[J]. Sci. Total Environ., 2013, 450:51-58.
[10] Das K, Mukherjee A K. Crude petroleum-oil biodegradation efficiency of Bacillus subtilis and Pseudomonas aeruginosa strains isolated from a petroleum-oil contaminated soil from North-East India[J]. Bioresour. Technol., 2007, 98:1339–1345.
[11] Zhang X, Xu D, Zhu C, et al. Isolation and identification of biosurfactant producing and crude oil degrading Pseudomonas aeruginosa strains[J]. Chem. Eng. J., 2012, 209:138-146.
[12] Balseiro-Romero M, Monterroso C, Casares J J. Environmental Fate of Petroleum Hydrocarbons in Soil: Review of Multiphase Transport, Mass Transfer, and Natural Attenuation Processes[J]. Pedosphere, 2018, 28:833-847.
[13] Daccòa C, Giromettaa C, Asemoloyea M D, et al. Key fungal degradation patterns, enzymes and their applications for the removal of aliphatic hydrocarbons in polluted soils: A review[J]. Int. Biodeterior. Biodegradation., 2020, 147:04866.
[14] Shiaris M P. Seasonal biotransformation of naphthalene, phenanthrene, and benzo [a] pyrene in surficial estuarine sediments[J]. Appl. Environ. Microbiol., 1989, V55(6), 1391-1399.
[15] Al-Hawash AB, Dragh M A, Li S, et al. Principles of microbial degradation of petroleum hydrocarbons in the environment[J]. The Egyptian Journal of Aquatic Research, 2018, 44(2):71-76.
[16] Bisht S, Pandey P, Bhargava B, et al. Bioremediation of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) using rhizosphere technology[J]. Braz. J. Microbiol, 2015, V46(1):7-21.
[17] Leahy J G, Colwell R R. Microbial degradation of hydrocarbons in the environment[J]. Microbiol. Rev., 1990, V54(3):305-315.
[18] Ebadi A, Khoshkholgh Sima N A, Olamaee M, et al. Effective bioremediation of a petroleum-polluted saline soil by a surfactant-producing Pseudomonas aeruginosa consortium[J]. Adv. Res., 2017, V8(6):627-633.
[19] Qin X, Tang J, Li D, et al. Effect of salinity on the bioremediation of petroleum hydrocarbons in a saline alkaline soil[J]. Lett. Appl. Microbiol., 2012, V55(3):210-217.
[20] Pawar R. The effect of soil pH on bioremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHS) [J]. Bioremediat. Biodegrad., 2015, V06(03).
[21] Kalantary R R, Mohseni-Bandpi A, Esrafili A, et al. Effectiveness of biostimulation through nutrient content on the bioremediation of phenanthrene contaminated soil[J]. Iranian J. Environ. Health Sci. Eng., 2014, 12(1):143.
[22] Mineki S, Suzuki K, Iwata K, Nakajima D, Goto S, Degradation of polyaromatic hydrocarbons by fungi isolated from soil in Japan[J]. Polycycl. Aromat. Compd., 2015, V35(1):120-128.
[23] Ron E Z, Rosenberg E. Enhanced bioremediation of oil spills in the sea[J]. Curr. Opin. Biotechnol., 2014, V27:191-194.
[24] Balaji V, Arulazhagan P, Ebenezer P. Enzymatic bioremediation of polyaromatic hydrocarbons by fungal consortia enriched from petroleum contaminated soil and oil seeds[J]. Environ. Biol. 2014, 35(3):521.
[25] Khan S, Afzal M, Iqbal S, et al. Plant-bacteria partnerships for the remedi-ation of hydrocarbon contaminated soils[J]. Chemosphere, 2013, V90:1317-1332.
[26] 王金成,井明博,段春燕,等.陇东黄土高原石油污染土壤环境因子对金盏菊(Calendula officinalis)-微生物联合修复的响应[J].环境科学学报, 2015, 35(009):2971-2981.
[27] 宋曦,王金成,井明博,等.紫花苜蓿对陇东黄土高原油污土壤场地生态修复的综合响应[J]. 草业科学, 2019, V036(007):1754-1764.
[28] Huang X D, Yousef E A, Donna M P, et al. A multi-process phytoremediation system for removal of polycyclic aromatic hydrocarbons from contaminated soils[J]. Environmental Pollution, 2004, V130(3):465-476.
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