知识讲堂 | 微生物与植物协同作战：探索生物修复技术的潜力与局限

来源：灰藻科技　　浏览量：242　　发布时间：2024-01-12 18:40:46

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关键词：#生物修复技术| #微生物降解 |#植物修复机制| #环境污染物治理| #可持续生态恢复

| 引言

生物修复技术是一种利用自然界微生物和植物的生理代谢活动，以自然、生态友好的方式去除环境中的污染物，从而实现环境污染治理与生态恢复的重要手段。这一技术的核心在于激活并利用微生物群落对有机化合物、重金属等各类污染物进行降解、转化或稳定化处理，同时结合植物修复机制，通过植物根系吸收、积累、挥发以及促进根际微生物活性来净化土壤和地下水体。本文将从生物修复的定义和原理、分类与方法、应用领域与实例、优势与局限性、特定条件限制等多个维度全面阐述生物修复技术，以此呈现生物修复技术的全貌及其在环境保护和可持续发展中的关键角色，并为未来研究与实践提供有益的指导和参考。

微生物、植物修复

图1、生物修复（微生物修复和植物修复）来源：https://microbenotes.com/bioremediation/

| 生物修复的定义

生物修复是指利用自然存在的或有意引入的微生物消耗并分解环境污染物质，以达到净化污染场地的目的。这一过程主要依赖于微生物，同时也涉及植物或微生物、植物酶来对土壤和其他环境中的污染物进行解毒处理。其中包含了生物降解的概念，即通过微生物和植物对污染物进行部分乃至完全的转化或解毒过程。生物修复过程通过补充本地微生物（细菌或真菌）所需的营养素、碳源或电子供体（生物刺激、生物恢复）来提升自然微生物对污染物降解的速度。或者，它还可以通过添加具有特定降解目标污染物能力的富集微生物培养物（生物强化）来加速这一过程。

| 生物修复的目标

生物修复的目标是至少将污染物浓度降低至无法检测、无害或可接受的程度，也就是说，要将其降至监管机构设定的限值以内。理想情况下，生物修复的最终目的是完全矿化有机污染物，使其转化为二氧化碳。

| 生物修复的原理

生物修复依赖于激活某些微生物的生长，这些微生物以油、溶剂和农药等污染物作为食物和能量来源。它们会消耗这些污染物，并将其转化为少量水和无害气体，如二氧化碳。

有效的生物修复需要适宜的温度、营养物质和“食物”（即污染物）共同作用；否则，清理污染物的过程可能会耗时更长。如果环境条件不利于生物修复，可以通过向环境中添加诸如糖蜜、植物油或简单地通入空气等“改良剂”来改善条件。

这些改良剂能够创造出有利于微生物蓬勃生长并完成生物修复过程的理想条件。生物修复过程所需的时间可能从几个月到几年不等，具体取决于多种变量，例如受污染区域的大小、污染物浓度、温度和土壤密度等环境条件，以及生物修复是在原位还是异位进行。

| 生物修复的分类

生物修复主要可以分为两类：微生物修复和植物修复。

1、微生物修复：

微生物因其能够分解大量有机化合物并吸收无机物质而闻名。当前，在污染处理中广泛应用微生物进行清洁工作，这一过程被称为生物修复。不同的微生物系统，如细菌、真菌、酵母菌和放线菌，可用于从环境中去除有毒和其他污染物。微生物资源丰富、易获取、特性多样、普遍存在，并且能利用许多有害元素作为营养源。它们既可在原位条件下应用，也可在异位条件下使用；此外，这些微生物还能有效净化多种极端环境条件下的污染。尽管许多微生物具有降解土壤中原油的能力，但研究发现，在生物修复过程中采用混合菌群方法比单一菌种更具优势，因为混合菌群显示出协同作用。针对土壤中的石油烃类污染物，可使用不同类型的细菌进行去除，其中包括假单胞菌、产碱杆菌、莫拉氏菌、贝日林克氏菌、黄杆菌、芽孢杆菌、诺卡氏菌、棒状杆菌、不动杆菌、分枝杆菌、莫多氏菌、链霉菌、芽孢杆菌、节杆菌、产碱菌以及蓝藻等。

2、植物修复：

植物修复是一种利用各种类型植物来移除、转移、稳定或破坏土壤及地下水中的污染物的生物修复过程。植物修复主要有几种机制。

（1）根际生物降解：在这个过程中，植物通过根系释放天然物质，为土壤中的微生物提供营养，从而促进生物降解作用。

（2）植物稳定化：在这个过程中，植物产生的化学物质使污染物固定，而不是降解它们。

（3）植物积累（又称植物萃取）：在这个过程中，植物根部与水分和养分一起吸收污染物，污染物并未被破坏，而是积聚在植物的茎叶中。这种方法主要用于处理含有重金属的废弃物。

（4）水培系统处理水体流（根际过滤）：根际过滤类似于植物积累，但用于清理污染物的植物在温室中以水培方式培养，其根系浸在水中。这种种植方法可用于异位地下水处理，即把地下水抽到地表灌溉这类植物。通常，水培系统会使用人造土壤介质，如沙子与珍珠岩或蛭石混合。当植物根部饱和了污染物后，可收割并妥善处置。

（5）植物挥发：在这个过程中，植物吸收含有有机污染物的水分，并通过叶片将污染物释放到空气中。

（6）植物代谢降解：在这个过程中，植物实际上是在植物组织内对污染物进行代谢和破坏。

（7）水力控制：在这个过程中，树木间接进行修复，通过控制地下水流动来达到治理目的。当树木根系向下延伸至地下水位并形成密集的根系团块，吸收大量水分时，就像自然泵一样发挥作用。例如，白杨树每天可以从地面抽出约30加仑的水，而棉白杨则可以吸收高达350加仑的水。

| 生物修复方法的类型

1、自然衰减或内在生物修复：在无需添加任何物质的情况下，利用环境中原有的微生物进行自我修复。

2、生物刺激：通过添加肥料等手段提高介质中污染物的生物可利用性，从而促进生物修复过程的发生。

3、生物修复技术一般可以分为原位修复和异位修复两种：

（1）原位生物修复（In situ bioremediation）：直接在污染现场对受污染的物料进行处理，不移动污染介质。

（2）异位生物修复（Ex situ bioremediation）：将受污染的物料移至其他地点进行处理，即将污染土壤或水体从源头挖出或抽提出来，在专门设施中实施生物修复。

| 生物修复方法

1、植物修复（Phytoremediation）：利用特定植物吸收、转化或稳定土壤和水体中的污染物。

2、生物通风（Bioventing）：通过注入空气或氧气到污染土壤中，刺激微生物活性，加速有机污染物的降解。

3、生物浸出（Bioleaching）：利用微生物提取重金属或其他有害物质，通常用于矿石废物或沉积物的处理。

4、土地耕作法（Land-farming）：将受污染土壤表层挖出并堆置，通过定期翻耕及添加营养物质促进微生物生长，进而分解土壤中的污染物。

5、生物反应器（Bioreactor）：在受控环境中使用微生物处理液体或半固态污染物，例如地下水或污泥。

6、堆肥化（Composting）：通过好氧堆肥过程，借助微生物对有机废弃物进行生物降解，并转化为肥料。

7、生物强化（Bioaugmentation）：向污染环境引入具有特定降解功能的微生物菌种，以提高污染物的降解效率。

8、根际过滤（Rhizo-filtration）：利用植物根系及其周围的微生物群落净化含污染物的水体，通过植物根部吸附、微生物降解去除水中的有害物质。

9、生物刺激（Biostimulation）：向污染环境中添加营养物质或电子供体，激活本地微生物活性，从而加快污染物的自然降解过程。

| 生物修复的应用

生物修复技术广泛应用于处理金属、放射性核素、农药、军用爆炸物、燃料、挥发性有机化合物（VOCs）和半挥发性有机化合物（SVOCs）等各类污染物。

目前正在进行的研究探索了植物修复在处理高氯酸盐方面的应用，这是一种已知在地表水和地下水系统中具有持久性的污染物。

生物修复可用于清理土壤和地下水中的各种污染物。对于放射性物质，有时会采用螯合剂来提高污染物被植物吸收的可能性，从而达到净化目的。此外，生物修复还可用于处理受污染的湿地、河流、湖泊以及海洋环境，并在石油泄漏、化工厂泄露事故等紧急情况下的污染治理方面发挥重要作用。

| 生物修复的优势

1、环保性：生物修复主要利用自然过程进行污染物降解，相较于其他清理方法，对生态系统造成的破坏较小，是一种相对绿色的解决方案。

2、低干扰性：生物修复过程中，可以通过将改良剂和微生物注入地下，以净化地下水和土壤中的污染物。这种方式通常在地下进行，不会对周边社区造成太大影响或干扰。

3、无害副产品：生物修复过程中，污染物会被转化为水和诸如二氧化碳等无害气体，因此产生的有害副产品极少。

4、成本效益高：相比于大多数清理技术，生物修复所需的设备和人力成本较低，具有较高的经济性。

5、针对性强：生物修复可以根据特定污染场地的需求进行定制，通过选择限制因素促进特定微生物的生长，从而有针对性地激活能够分解特定污染物的微生物种群。

| 生物修复的局限性与关注点

1、降解产物毒性及生物可利用性未知：生物降解产生的化合物的毒性及其在环境中的可利用性并不总是明确的，这可能带来新的风险。

2、降解副产品迁移与生物积累：污染物降解产生的副产品可能会在地下水中迁移或在动物体内发生生物积累。

3、植物代谢循环中化合物的命运不明：需要进一步研究以确定各类化合物在植物代谢过程中的归宿，确保植物残体和产物不会将有毒有害化学物质带入食物链。

4、树木叶片和木材中累积的污染物释放问题：科学家需确定积聚在树木叶片和木材中的污染物是否会在秋季落叶、作为柴火或覆盖物使用时释放出来。

5、收获植物处理难题：如果植物含有高水平重金属，则其收获后的处理会成为一个问题。

6、污染深度限制处理范围：大部分情况下，生物修复仅适用于浅层土壤、河流和地下水污染，对深层污染处理效果有限。

7、植物修复应用条件受限：植物修复通常限于较低浓度污染物以及浅层土壤、河流和地下水的污染情况。

8、季节性和气候因素影响效果：植物修复的成功可能受到地理位置的影响，具有季节性，其他气候因素也会对其有效性产生影响。

9、需要建立特定植物群落：修复的成功依赖于选定植物种群的建立。引入新物种可能对生态产生广泛影响，因此需要预先研究并进行监控。

10、高浓度污染物可能导致植物死亡：若污染物浓度过高，植物可能无法存活。

11、污染介质转移问题：部分植物修复会导致污染物跨介质转移（例如从土壤转移到空气中）。

12、对某些强吸附性污染物无效：如多氯联苯（PCBs）等强吸附性污染物，植物修复法效果不佳。

13、土地需求大：植物修复方法通常需要较大的土地面积来实施修复工作。

| 总结

生物修复技术是利用微生物和植物代谢活动净化环境污染的有效手段，通过自然过程将污染物降解、转化或稳定为无害物质。该技术主要包括微生物和植物修复策略，如原位与异位生物修复、生物通风、植物萃取等方法，并广泛应用在处理各类污染物，如重金属、有机化合物及放射性核素等。其优势在于环保、低干扰且成本效益高，能减少对生态系统的影响并产生较少有害副产品。

然而，生物修复也存在局限，如仅适用于处理较低浓度浅层污染，受季节气候、土地需求及特定污染物类型影响显著。此外，引入新物种可能导致生态影响，而高浓度污染物可能阻碍植物存活，某些强吸附性污染物的处理效果欠佳。尽管如此，通过针对性设计和改进，生物修复对于实现环境可持续恢复具有关键意义，在解决全球环境问题中扮演着不可或缺的角色。