修复多环芳烃污染土壤微生物菌剂研究进展

麦梓濠 吴鼎财 戴丹凤 张腾玉 邓辅财

摘要：本文综述了修复多环芳烃污染土壤微生物菌剂研究进展，总结了各种制备菌剂的方法的各自特点和适用场景，可为相关科研及土壤修复工作者提供一定的借鉴。

关键词：土壤修复;多环芳烃;微生物菌剂

基金项目：广东石油化工学院科研基金项目（2017rc11）

茂名市科技专项基金项目（2021KJZXZJGSPDX002）

引言

多环芳烃是一类典型持久性有机污染物，其污染土壤常用生物修复技术中的微生物修复技术治理，，但由于污染物类型、土壤类型及修复体系等均存在较大差异，极大地限制了微生物技术在实际修复工程中的应用。为此，研究者们提出将游离微生物固定或负载于生物相容性好的固体物质，为微生物的生长和繁殖提供一个有利的微环境，改善微生物的降解效果，即微生物固定化。微生物固定化具有以下优点：①保护微生物免受有毒污染物及中间产物的侵害;②过程易控制;③提高微生物反应的浓度;④不会造成菌体流失;⑤可降低二次污染。微生物固定化技术发展至今，常用的方法主要包括物理吸附法、包埋法等。

1 物理吸附法

物理吸附固定法是一种通过物理吸附等方式使微生物细胞与载体结合，从而将微生物细胞固定在载体上的方法。不少学者开展了相关研究。李轶[1]利用生物活性碳固定化微生物对硝基苯进行降解，发现在100、200和400 mg L-1浓度下，硝基苯均可完全降解。苏丹[2]的研究表明，与游离菌相比，采用蛙石为载体进行物理吸附法固定芽抱杆菌SB02，对多环芳烃Pyr和BaP的42 d降解率要分别高出33.01%和21.25%，表明该法可有效提高降解菌对PAHs的降解效率。此外，分别应用稻草秸秆、玉米秸秆及蒙脱石作为载体，将石油降解菌GS3C进行固定化并应用于石油的降解研究[3]。结果表明，三种载体固定化菌对石油的总降解率均优于游离菌，其对石油的去除率分别为86.20%、50.03%、51.76%，分别比相应的游离菌的去除率（35.52%）高出142%、41%和46%。由此可见，微生物固定化的效果与载体的选择存在一定的关系，载体不同，可能导致其固定化微生物对污染物的降解效果也不同。

载体的理化性质可直接对所固定微生物的生物活性和传质性能产生影响，所以固定化材料必须有充足的通道允许底物及微生物降解产物进出载体，同时还须保证不影响细胞的生命力，而且能限制住微生物不发生泄漏[4]。理想的载体材料应具有对微生物细胞无毒、传质性能好、性质稳定、不易被微生物分解、廉价易得等优点。由于土壤系统的复杂性，在土壤原位修复中，一般不考虑固定化生物菌剂的回收，生物菌剂施加进入土壤后即成为土壤中的一部分，所以土壤修复要求载体材料必须环境友好。此外，若载体可为微生物提供一定的营养，则可有利于提升土壤微生物的数量和代谢活性，从而有利于修复，故而土壤修复的微生物载体材料应具有一定的可生物降解性。

由此可见，物理吸附法固定化是一种提高微生物修复PAHs污染土壤效果的技术。但是，该技术仅仅是通过物理吸附作用将微生物固定于载体的表面，微生物未能完整的包覆或封装于载体之中，导致该法固定化微生物往往耐冲击能力较差，为微生物提供的保护作用有限。

2包埋固定法

包埋法是将细胞截留在凝胶聚合物中，阻止细胞的泄漏，从而实现对微生物固定化的方法。该技术在目前微生物固定化技术中最為常见，其最为突出的优点是对细胞活性影响小、操作简单和可长时间储存等。研究发现，用于包埋固定化微生物的材料主要包括有机高分子化合物（如PVA、聚丙烯酰胺、光硬化树脂等）和高分子多糖凝胶载体（如琼脂糖凝胶、海藻酸钠、卡拉胶等）。Takako[5]等将具有二甲基亚砜（DMSO）降解能力的生丝微菌属denitrificans WU-K217固定于海藻酸钙凝胶中，发现在20到35℃温度范围内，细胞干重为0.46 mg的海藻酸钙固定化细胞以及相同生物量的游离菌，均可在180 min将0.64 mM （50 mg L−1） DMSO溶液完全降解。在40℃，固定化细胞仍可以在240 min内完全降解此初始浓度的DMSO，而游离菌则不能在此条件下对其实现降解。固定化细胞储存在30℃下对DMSO降解能力的半衰期为96 h，而在4℃存储的话，其半衰期可扩展到超过240 h。然而，存储于4℃时的游离菌的半衰期仍然短于48小时。相比于游离菌而言，海藻酸钙凝胶固定化的WU-K217细胞有很高的热稳定性和储存稳定性。重复使用固定化细胞连续进行十次降解DMSO反应，固定化细胞均可保持第一反应的90%的DMSO降解率。

与游离菌相比，包埋固定化微生物虽然能够一定程度上提高降解性能，但其在实际应用中仍存在一定缺陷。由于包埋所采用的凝胶层比较致密厚实，制备的固定化小球的传质性能较差，不利于微生物对污染物的有效捕获利用，从而影响其在土壤修复中的应用效果。故该法常应用于水体中的污染物的固定化微生物降解，而较少的应用于土壤的微生物修复工作。

3 结论

由此可见各种制备菌剂的方法各有特点，需要结合实际情况选择使用。

参考文献：

[1]李轶， 王栋， 周集体. 我国表面活性剂 LAS 废水的处理技术进展[J]. 环境污染治理技术与设备， 2000， 1（1）： 65–71.

[2]苏丹， 李培军， 王鑫. 混合菌固定化及其对土壤中芘和苯并芘的降解[J]. 辽宁工程技术大学学报： 自然科学版， 2007， 26（3）： 461–463.

[3]何丽媛， 郭楚玲， 党志. 不同载体固定高效降解菌去除水体中石油的研究 [C][J]. 2010 中国环境科学学会学术年会论文集 （第三卷）， 2010.

[4]李婧. 以玉米秸秆吸附—包埋—交联的复合固定化方法固定微生物处理芘的研究[J]. 华南理工大学， 2012.

[5]MURAKAMI-NITTA T， KIRIMURA K， KINO K. Degradation of dimethyl sulfoxide by the immobilized cells of Hyphomicrobium denitrificans WU-K217[J]. Biochemical Engineering Journal， 2003， 15（3）： 199–204.