土壤修复与改良的微生物技术
罗泽娇, 梁 杏
(中国地质大学环境学院, 武汉430074)
摘 要:综述了国内外近几年来关于土壤污染与损伤的微生物修复技术, 包括土壤污染的微生物修复技术和土壤改良的微生物技术, 总结了各项技术的工作重点、类型和思路。关键词:微生物技术; 土壤修复; 土壤改良
中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1671-1556(2005) 04-0008-03
Microbial Technology in Soil Bioremediation and Soil Improvement
LUO Ze -jiao , LIA NG Xing
(School o f Environmental S tudies , China University o f Geociences , Wuhan 430074, China )
A bstract :This paper review ed the latest microbial technolo gies of dealing w ith soil pollutio n and soil deg -radatio n , including soil bio remediation to po llution and soil improvement to degradation , and summ arized the w o rk em phases , styles and me thods o f each technolo gy.
Key words :microbial techno logy ; soil bio rem ediation ; soil improvement
过分子水平、群落水平研究微生物对土壤污染物的
0 引 言
随着工农业生产的发展, 工业生产中排放的废水、固体废弃物、农田中施用的农药、石油开采中的井喷物质以及运输过程中的泄漏物等对水体、土壤环境的污染日益严重; 农业活动中化肥的不合理施用、农业资源的不合理开发, 导致土壤结构破坏、肥力下降、土壤环境衰退, 因此, 修复与改良土壤显得十分重要。目前, 已有的土壤修复与改良技术包括化学技术、物理技术、生物技术。在生物技术中, 微生物技术的研究成果最多。
降解与转化机理, 提出环境保护与治理措施, 提高元素的转化率, 降解有毒、有害物质, 以促进营养物质
更易被生物所吸收, 从而提高农产品质量和土壤环境质量。
土壤污染的微生物修复技术, 就是利用微生物在污染的胁迫下, 能够从体内分泌出某种具有络合或分解转化污染物能力的有机物质, 使污染物的移动性降低或极性改变, 从而不容易进入生物体内; 或者, 使污染物在微生物分泌的胞外酶的作用下, 在体外被分解转化为无毒无害的物质。增加土壤中抗性微生物的数量, 不仅可以降低污染程度, 同时还可以提高土壤的肥力, 这是一项既经济又实效的技术。土壤污染的微生物修复技术从微生物来源来看, 主要有三个方面:一是利用土著微生物代谢能力的技术, 二是活化土著微生物分解能力的方法(简称生物活化法), 三是添加具有高速分解难降解化合物能力的特定微生物(群) 的方法(简称生物添加法, Bioaug mentatio n ) [1]。
从工艺上看, 微生物修复包括原位修复和异位
1 土壤污染的微生物修复技术研究
大量的农药、除草剂、石油芳香烃、重金属等化学污染物进入到土壤环境中, 导致土壤环境的污染, 因此消除污染、获得安全的作物生产基地是目前国家的迫切需求。土壤的微生物修复技术研究, 是近年来的热点, 同时也是难点。目前的工作重点是:通
收稿日期:2005-07-05
基金项目:中国地质调查局综合研究项目([1**********]2) 资助。
作者简介:罗泽娇(1970—),女, 博士, 副教授, 主要从事环境微生物、环境生态学的教学与研究工作。
生物修复。原位修复包括就地处理、现场处理。就地处理, 就是土壤基本不被搅动, 通常要加入营养盐、氧源(多为H 2O 2)、外源微生物, 以提高生物降解能力; 或者, 在污染区挖一组井并直接注入适当的溶液, 把水中的微生物引入到土壤中, 以修复污染土壤。如修复石油烃污染的土壤[3]。
异位生物修复包括预制床法[4]、生物反应器(堆) 法
[5]
[2]
用植物、菌根、根际螯合剂在土壤重金属去除中的作用研究[27], 利用植物与根际菌群修复土壤中的阿特拉津[13]。
土壤污染的微生物修复技术工作思路是:在了解污染土壤的水力学特性、土壤结构、pH 、C 、N 、P 比例、土壤湿度、有机质含量、质地、孔隙度、氧化还原电势、土壤氧气条件、土壤温度、微生物和污染状况(包括污染源、污染物质、污染范围) 的基础上, 找出影响微生物修复技术的指标(有利因素与限制因素, 如N 、P 的含量与比例); 或者, 在实用规模的预制床上采用堆制技术进行生物修复研究, 控制肥料、菌剂、水分和pH 条件, 使微生物获得较好的生态环境而达到修复效果; 或者, 通过实验研究驯化、筛选工程菌株, 投加到污染土壤中。
、土壤堆积
[6]
、堆肥法
[7]
、厌氧处理法
[8]
。
预制床法是将石子与砂子铺在不泄漏的平台上, 然
后将遭受污染的土壤以15～30cm 的厚度平铺其上, 加入营养液和水, 必要时加入表面活化剂, 定期翻动充氧, 以满足土壤中微生物生长的需要来达到消除污染的目的。生物反应及生物泥浆反应器的原理就是将受污染的土壤挖掘起来和水混合搅拌成泥浆, 在接种了微生物的反应器内进行处理, 其工艺类似于污水生物处理方法。处理后的土壤与水分离后, 经脱水处理再运回原地; 土壤堆积与堆肥式处理, 是在土壤中直接掺入了能提高处理效果的支撑材料, 如树枝、稻草、粪肥、泥炭等易堆腐物质, 使用机械或压气系统充氧, 同时加石灰以调节pH 值后经过一段时间的发酵处理直到消除污染。其中包括风道式、好气静态式和机械式三种, 其中以机械式(在密封的容器中进行) 最易控制, 可以间歇或连续运行。厌氧处理对某些污染物如三硝基甲苯、PCB 等的降解比好氧处理更为有效, 现已有厌氧生物反应器之类的厌氧生物修复技术, 但由于其厌氧条件难于控制, 并且易产生中间代谢污染物等, 故其应用比好氧处理少。
目前, 在微生物修复土壤中已经取得一些成果。例如:利用微生物技术修复总石油烃(TPH ) 、柴油[5]、有机氯[10]、呋喃丹[11]、喹啉[12]、五氯酚
[8]
(PCP ) 、阿特拉津[13]、地乐酚[14]、氯苯胺[15]、亚硝
[3, 9]
2 土壤改良的微生物技术
化肥大量投入农田, 以及不合理的农业耕作措施, 造成了一系列土壤环境质量下降的问题, 如土壤
结构恶化、地力下降、农作物品质变差等。
为了解决此类问题, 曾经有人提出以多施有机肥为主的土壤改良措施。但是, 由于有机肥的养分分解释放含量低、肥效缓慢, 所需用量大, 我国南北气候、土壤类型及土壤温度、植被类型的差异分布, 使该方法在实践中很难推广。因此, 微生物土壤改良技术应运而生。
微生物土壤改良技术, 是将有机肥与促使土壤养分快速释放的微生物群体混合物施于土壤中。微生物在土壤中可快速、高效地分解有机质而加速自身的生长与繁殖, 将空气中的分子态氮固定并转化为植物可以吸收的氨态氮, 同时将土壤中不溶的P 、K 分解为可溶性的元素, 从而易于为植物吸收利用, 以此来改良土壤; 此外, 在作物收获后, 直接将有效微生物群体喷施在残茬上, 可使地表上下的残茬迅速分解, 以而达到增加土壤肥力、改良土壤结构、充分保持和利用土壤水分的目的。
在实际工作中, 已经将该技术商业化, 制成微生物土壤改良剂、微生物肥或土壤微生物增肥剂等, 例如,“德力施”高效微生物土壤改良剂、日本长濑CH EM TEX 株式会社生产的微生物土壤改良剂(DLS )、中国益农公司生产的益农微生物有机复混肥、中国广东宏远公司东莞宏远生物工程有限公司生产的保得生物肥、澳大利亚珀斯生物遗传实验室研制的SC27土壤微生物增肥剂等。
微生物复垦技术, 是微生物土壤改良技术之一。
[28]
胺农药
[16]
、炸药(如TN T
[20, 21]
[17]
)、多环芳烃
[21]
[18, 19]
、重金
[21]
属(Cd 、Pb 、Co 、Ni 、M n 、Zn 、
[20][21][22][22][22～24]U 、Cu 、Se 、A s 、Cr 等污染的土壤。
为了提高微生物修复水平, 有人提出, 利用表面活性剂来加快疏水性有机污染物(如石油、有机氯农药、多氯联苯、多环芳烃、梯恩梯等) 从土壤表面到水相的传质过程[25], 从而提高土壤微生物修复的效率。
此外, 将微生物与植物结合起来, 利用与植物能够形成共生关系的微生物———菌根真菌修复和治理土壤重金属污染[26], 特别是修复由于矿藏开采和冶炼而被污染破坏的生境。如利用豆科植物与基因工程根瘤菌的共生关系来修复土壤Cd 的污染[26], 利
[20, 21][21][21]
此法是利用微生物的接种优势, 对复垦区土壤进行综合治理与改良的一项生物技术措施。通过向新建植的植物接种微生物, 在改善植物营养条件、促进植物生长发育的同时, 利用植物根际微生物的生命活动, 使失去微生物活性的复垦区土壤重新建立和恢复土壤微生物体系, 增加土壤生物活性, 加速复垦地土壤的基质改良, 加速自然土壤向农业土壤的转化过程, 使生土加速熟化, 提高土壤肥力, 从而缩短复垦周期
[29]
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(下转第14页)
。
改变土壤酸碱性, 也是微生物土壤改良的重要方面。借助能在极端环境条件下生长的微生物类群, 利用其能改变环境条件的pH 特性的代谢产物
来改良土壤酸碱性。例如, 日本环境研究中心的科研人员, 在研究过程中发现一种能改良酸性土壤的微生物, 该微生物能在低酸性(pH =3) 和富含铝(2000×10) 条件下生长繁殖。实验证明, 该细菌能够生活于初始pH 值仅为3. 3～4. 1的土壤, 降低土壤酸性并降低铝离子浓度, 施加于酸性土壤上, 能起到一定的中和作用, 可扩大植物生长空间[30]。
微生物土壤改良技术的工作思路, 首先是获得有益的微生物群体。在土壤中, 这样的群体, 主要是由乳酸菌、酵母菌、光合细菌、放线菌、磷细菌、钾细菌、固氮细菌、硝化细菌和纤维素降解细菌等构成。制成一定浓度的菌液后, 添加适量微生物的有机营养(如米糠、菜子饼、鱼粉、稻秆、豆腐渣、酒糟、木炭灰、氟石等), 混合发酵; 或者, 用农家肥、秸秆、生活垃圾等与菌液混合发酵; 最后, 挖坑施入, 或通过表面喷洒, 施用到土壤中参考文献:
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[28, 31]
-6
。
上升、透明度降低。相关文献研究也显示出入湖河
流是巢湖营养物质的主要输入途径, 资料表明巢湖水体中总磷浓度达0. 25mg /L以上, 其中通过河道
[5, 6]
入湖的总磷占输入总磷的95. 23%, 这与本文应
适用性强, 不需要任何辅助信息, 仅依赖于数据本身
提供的数据信息, 能比较客观地反映水质污染程度, 并确定各水质污染因子对水质污染的贡献率大小, 在水污染控制及水环境管理领域具有广阔的运用前景。
(2) 实例研究表明, 基于粗糙集理论的思想, 利用不确定性问题的近似分类方法, 通过分析巢湖各监测点的水质指标数据及其分类关系, 确定巢湖主要污染因子及其导致湖泊富营养化的贡献率, 理论上是可行的, 计算结果是可靠的。
(3) 研究结果确定了巢湖水质富营养化的主要污染因子, 指出今后巢湖水质富营养化的主要污染物控制方向, 即主要控制总磷、有机物的污染浓度。参考文献:
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11-38.
[3] Lin T. Y. Granular fuz zy sets :A view from rough set and
用粗糙集理论研究结果一致。因此控制巢湖水质富
营养化及促进湖泊生态功能的恢复, 应着眼于营养性污染物的控制, 巢湖湖区必须在点源和面源上同时控制总磷、有机污染物的排放量
。
图1 各污染因子对巢湖水质富营养化的贡献率Fig. 2 T he r ate of contribution of pollutant facto rs to
eut rophic wa te r in Chao hu L ake
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3 结 论
(1) 水体富营养化驱动因子数学模型优点显著,
(上接第10页)
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摘 要:综述了国内外近几年来关于土壤污染与损伤的微生物修复技术, 包括土壤污染的微生物修复技术和土壤改良的微生物技术, 总结了各项技术的工作重点、类型和思路。关键词:微生物技术; 土壤修复; 土壤改良
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Microbial Technology in Soil Bioremediation and Soil Improvement
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Key words :microbial techno logy ; soil bio rem ediation ; soil improvement
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0 引 言
随着工农业生产的发展, 工业生产中排放的废水、固体废弃物、农田中施用的农药、石油开采中的井喷物质以及运输过程中的泄漏物等对水体、土壤环境的污染日益严重; 农业活动中化肥的不合理施用、农业资源的不合理开发, 导致土壤结构破坏、肥力下降、土壤环境衰退, 因此, 修复与改良土壤显得十分重要。目前, 已有的土壤修复与改良技术包括化学技术、物理技术、生物技术。在生物技术中, 微生物技术的研究成果最多。
降解与转化机理, 提出环境保护与治理措施, 提高元素的转化率, 降解有毒、有害物质, 以促进营养物质
更易被生物所吸收, 从而提高农产品质量和土壤环境质量。
土壤污染的微生物修复技术, 就是利用微生物在污染的胁迫下, 能够从体内分泌出某种具有络合或分解转化污染物能力的有机物质, 使污染物的移动性降低或极性改变, 从而不容易进入生物体内; 或者, 使污染物在微生物分泌的胞外酶的作用下, 在体外被分解转化为无毒无害的物质。增加土壤中抗性微生物的数量, 不仅可以降低污染程度, 同时还可以提高土壤的肥力, 这是一项既经济又实效的技术。土壤污染的微生物修复技术从微生物来源来看, 主要有三个方面:一是利用土著微生物代谢能力的技术, 二是活化土著微生物分解能力的方法(简称生物活化法), 三是添加具有高速分解难降解化合物能力的特定微生物(群) 的方法(简称生物添加法, Bioaug mentatio n ) [1]。
从工艺上看, 微生物修复包括原位修复和异位
1 土壤污染的微生物修复技术研究
大量的农药、除草剂、石油芳香烃、重金属等化学污染物进入到土壤环境中, 导致土壤环境的污染, 因此消除污染、获得安全的作物生产基地是目前国家的迫切需求。土壤的微生物修复技术研究, 是近年来的热点, 同时也是难点。目前的工作重点是:通
收稿日期:2005-07-05
基金项目:中国地质调查局综合研究项目([1**********]2) 资助。
作者简介:罗泽娇(1970—),女, 博士, 副教授, 主要从事环境微生物、环境生态学的教学与研究工作。
生物修复。原位修复包括就地处理、现场处理。就地处理, 就是土壤基本不被搅动, 通常要加入营养盐、氧源(多为H 2O 2)、外源微生物, 以提高生物降解能力; 或者, 在污染区挖一组井并直接注入适当的溶液, 把水中的微生物引入到土壤中, 以修复污染土壤。如修复石油烃污染的土壤[3]。
异位生物修复包括预制床法[4]、生物反应器(堆) 法
[5]
[2]
用植物、菌根、根际螯合剂在土壤重金属去除中的作用研究[27], 利用植物与根际菌群修复土壤中的阿特拉津[13]。
土壤污染的微生物修复技术工作思路是:在了解污染土壤的水力学特性、土壤结构、pH 、C 、N 、P 比例、土壤湿度、有机质含量、质地、孔隙度、氧化还原电势、土壤氧气条件、土壤温度、微生物和污染状况(包括污染源、污染物质、污染范围) 的基础上, 找出影响微生物修复技术的指标(有利因素与限制因素, 如N 、P 的含量与比例); 或者, 在实用规模的预制床上采用堆制技术进行生物修复研究, 控制肥料、菌剂、水分和pH 条件, 使微生物获得较好的生态环境而达到修复效果; 或者, 通过实验研究驯化、筛选工程菌株, 投加到污染土壤中。
、土壤堆积
[6]
、堆肥法
[7]
、厌氧处理法
[8]
。
预制床法是将石子与砂子铺在不泄漏的平台上, 然
后将遭受污染的土壤以15～30cm 的厚度平铺其上, 加入营养液和水, 必要时加入表面活化剂, 定期翻动充氧, 以满足土壤中微生物生长的需要来达到消除污染的目的。生物反应及生物泥浆反应器的原理就是将受污染的土壤挖掘起来和水混合搅拌成泥浆, 在接种了微生物的反应器内进行处理, 其工艺类似于污水生物处理方法。处理后的土壤与水分离后, 经脱水处理再运回原地; 土壤堆积与堆肥式处理, 是在土壤中直接掺入了能提高处理效果的支撑材料, 如树枝、稻草、粪肥、泥炭等易堆腐物质, 使用机械或压气系统充氧, 同时加石灰以调节pH 值后经过一段时间的发酵处理直到消除污染。其中包括风道式、好气静态式和机械式三种, 其中以机械式(在密封的容器中进行) 最易控制, 可以间歇或连续运行。厌氧处理对某些污染物如三硝基甲苯、PCB 等的降解比好氧处理更为有效, 现已有厌氧生物反应器之类的厌氧生物修复技术, 但由于其厌氧条件难于控制, 并且易产生中间代谢污染物等, 故其应用比好氧处理少。
目前, 在微生物修复土壤中已经取得一些成果。例如:利用微生物技术修复总石油烃(TPH ) 、柴油[5]、有机氯[10]、呋喃丹[11]、喹啉[12]、五氯酚
[8]
(PCP ) 、阿特拉津[13]、地乐酚[14]、氯苯胺[15]、亚硝
[3, 9]
2 土壤改良的微生物技术
化肥大量投入农田, 以及不合理的农业耕作措施, 造成了一系列土壤环境质量下降的问题, 如土壤
结构恶化、地力下降、农作物品质变差等。
为了解决此类问题, 曾经有人提出以多施有机肥为主的土壤改良措施。但是, 由于有机肥的养分分解释放含量低、肥效缓慢, 所需用量大, 我国南北气候、土壤类型及土壤温度、植被类型的差异分布, 使该方法在实践中很难推广。因此, 微生物土壤改良技术应运而生。
微生物土壤改良技术, 是将有机肥与促使土壤养分快速释放的微生物群体混合物施于土壤中。微生物在土壤中可快速、高效地分解有机质而加速自身的生长与繁殖, 将空气中的分子态氮固定并转化为植物可以吸收的氨态氮, 同时将土壤中不溶的P 、K 分解为可溶性的元素, 从而易于为植物吸收利用, 以此来改良土壤; 此外, 在作物收获后, 直接将有效微生物群体喷施在残茬上, 可使地表上下的残茬迅速分解, 以而达到增加土壤肥力、改良土壤结构、充分保持和利用土壤水分的目的。
在实际工作中, 已经将该技术商业化, 制成微生物土壤改良剂、微生物肥或土壤微生物增肥剂等, 例如,“德力施”高效微生物土壤改良剂、日本长濑CH EM TEX 株式会社生产的微生物土壤改良剂(DLS )、中国益农公司生产的益农微生物有机复混肥、中国广东宏远公司东莞宏远生物工程有限公司生产的保得生物肥、澳大利亚珀斯生物遗传实验室研制的SC27土壤微生物增肥剂等。
微生物复垦技术, 是微生物土壤改良技术之一。
[28]
胺农药
[16]
、炸药(如TN T
[20, 21]
[17]
)、多环芳烃
[21]
[18, 19]
、重金
[21]
属(Cd 、Pb 、Co 、Ni 、M n 、Zn 、
[20][21][22][22][22～24]U 、Cu 、Se 、A s 、Cr 等污染的土壤。
为了提高微生物修复水平, 有人提出, 利用表面活性剂来加快疏水性有机污染物(如石油、有机氯农药、多氯联苯、多环芳烃、梯恩梯等) 从土壤表面到水相的传质过程[25], 从而提高土壤微生物修复的效率。
此外, 将微生物与植物结合起来, 利用与植物能够形成共生关系的微生物———菌根真菌修复和治理土壤重金属污染[26], 特别是修复由于矿藏开采和冶炼而被污染破坏的生境。如利用豆科植物与基因工程根瘤菌的共生关系来修复土壤Cd 的污染[26], 利
[20, 21][21][21]
此法是利用微生物的接种优势, 对复垦区土壤进行综合治理与改良的一项生物技术措施。通过向新建植的植物接种微生物, 在改善植物营养条件、促进植物生长发育的同时, 利用植物根际微生物的生命活动, 使失去微生物活性的复垦区土壤重新建立和恢复土壤微生物体系, 增加土壤生物活性, 加速复垦地土壤的基质改良, 加速自然土壤向农业土壤的转化过程, 使生土加速熟化, 提高土壤肥力, 从而缩短复垦周期
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(下转第14页)
。
改变土壤酸碱性, 也是微生物土壤改良的重要方面。借助能在极端环境条件下生长的微生物类群, 利用其能改变环境条件的pH 特性的代谢产物
来改良土壤酸碱性。例如, 日本环境研究中心的科研人员, 在研究过程中发现一种能改良酸性土壤的微生物, 该微生物能在低酸性(pH =3) 和富含铝(2000×10) 条件下生长繁殖。实验证明, 该细菌能够生活于初始pH 值仅为3. 3～4. 1的土壤, 降低土壤酸性并降低铝离子浓度, 施加于酸性土壤上, 能起到一定的中和作用, 可扩大植物生长空间[30]。
微生物土壤改良技术的工作思路, 首先是获得有益的微生物群体。在土壤中, 这样的群体, 主要是由乳酸菌、酵母菌、光合细菌、放线菌、磷细菌、钾细菌、固氮细菌、硝化细菌和纤维素降解细菌等构成。制成一定浓度的菌液后, 添加适量微生物的有机营养(如米糠、菜子饼、鱼粉、稻秆、豆腐渣、酒糟、木炭灰、氟石等), 混合发酵; 或者, 用农家肥、秸秆、生活垃圾等与菌液混合发酵; 最后, 挖坑施入, 或通过表面喷洒, 施用到土壤中参考文献:
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[28, 31]
-6
。
上升、透明度降低。相关文献研究也显示出入湖河
流是巢湖营养物质的主要输入途径, 资料表明巢湖水体中总磷浓度达0. 25mg /L以上, 其中通过河道
[5, 6]
入湖的总磷占输入总磷的95. 23%, 这与本文应
适用性强, 不需要任何辅助信息, 仅依赖于数据本身
提供的数据信息, 能比较客观地反映水质污染程度, 并确定各水质污染因子对水质污染的贡献率大小, 在水污染控制及水环境管理领域具有广阔的运用前景。
(2) 实例研究表明, 基于粗糙集理论的思想, 利用不确定性问题的近似分类方法, 通过分析巢湖各监测点的水质指标数据及其分类关系, 确定巢湖主要污染因子及其导致湖泊富营养化的贡献率, 理论上是可行的, 计算结果是可靠的。
(3) 研究结果确定了巢湖水质富营养化的主要污染因子, 指出今后巢湖水质富营养化的主要污染物控制方向, 即主要控制总磷、有机物的污染浓度。参考文献:
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[3] Lin T. Y. Granular fuz zy sets :A view from rough set and
用粗糙集理论研究结果一致。因此控制巢湖水质富
营养化及促进湖泊生态功能的恢复, 应着眼于营养性污染物的控制, 巢湖湖区必须在点源和面源上同时控制总磷、有机污染物的排放量
。
图1 各污染因子对巢湖水质富营养化的贡献率Fig. 2 T he r ate of contribution of pollutant facto rs to
eut rophic wa te r in Chao hu L ake
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3 结 论
(1) 水体富营养化驱动因子数学模型优点显著,
(上接第10页)
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