《土壤微生物生态工程》—影响微生物降解土壤污染物的因素（72）

微生物对于有机污染物的降解与污染物的性质、浓度，土壤环境条件以及对微生物的暴露方式不同而异。在微生物降解过程中，如果有一个基本环节受阻，微生物细胞将停止正常的功能，这种堵塞可能来自细胞结构的损伤或来自代谢产生的毒性物质对单一酶的竞争抑制。

（一）污染物的性质

1．污染物的溶解性

有机化合物在它们的溶解性上，有很大不同，从可以无限混合的极性物质比如甲醇，到极其低溶解性的非极性物质，比如多环芳烃。许多复杂的化学物质有很低的水溶解性。对于微生物来说能利用一种化合物的能力暗示了该化合物的生物可降解性。易溶于水的化合物一般有更多可以获得的降解酶。有一个例子是顺式二氯乙烯优完降解于反式二氯乙烯，这可能由于顺式比反式有更多的极性，因而有更多的水溶性。表面活性剂能增加溶解性，就增加了化合物的降解性。一般来说，多环芳烃的降解次序与它们的水溶性相关，而且环越多越难降解。四环降解难于二环和三环的。另外，如果一个污染物溶解度很低，又有很强的吸附力，紧密结合在土壤颗粒的腐殖质或黏土中，生物可利用性极低，也会导致微生物修复技术的失败。土壤环境中污染物由于与土壤颗粒相互作用，生物有效性下降，被称为锁定( sequestration)。锁定造成了修复的不完全，总有一部分持久性残留(persistent residue)不能消除，是微生物修复技术面临着的最大挑战。

2．污染物的结构

通常，结构简单的比复杂的易降解，分子量小的比分子量大的易降解，聚合物和复合物抗生物降解。烃类化合物一般是链烃比环烃易降解，不饱和烃比饱和烃易降解，直链烃比支链烃易降解，支链烷基愈多愈难降解。碳原子上的氢都被烷基或芳基取代时，会形成生物阻抗物质。官能团的性质和数量对有机化合物的生物降解性影响很大。土壤微生物对若干单取代基苯化物的分解能力见表6-1所示。卤代作用能抗微生物降解，卤素取代基愈多，抗性愈强。例如，自一氯苯到六氯苯，随着氯离子增多，降解难度相应加大。卤代化合物的降解，是在代谢过程中，卤素作为卤离子而被除去。官能团的位置也影响化合物的降解性，如有两个取代基的苯化物，间位异构体往往能抵抗微生物的攻击，降解最慢。

（二）污染物浓度

在生态修复过程中，土壤中污染物的浓度对微生物降解能力有一定制约。但进入土壤的有些污染物浓度例如原油浓度过高时，土壤孔隙就会被堵塞，影响通气性，对微生物造成不利影响，而且大量土壤结构的活性表面会被油类包裹，使微生物失去良好的活动场所，生物降解的速率会受到影响，甚至对微生物产生毒性作用，阻止和减缓代谢反应的速度，以致使降解无法进行。

但当污染物浓度过低（但尚未达到环境质量安全标准）时，生物修复也难以顺利进行。低浓度污染物的生物降解是生态修复过程中面临的一个难题。有研究者认为，当污染物浓度很低时，污染物将与微生物隔离。这种现象可能在以下2种条件下出现：①当污染物溶解在非水相中时，非水相溶液会通过水流作用与水相完全隔离，这时就可能出现有机污柒物与微生物分离的情况；②当污染物强烈吸附在土壤颗粒表面或进入到土壤空隙中时，也可能出现与微生物的隔离。在上述情况下，几乎所有污染物都与固相或非水相相连或滞留在土壤孔隙中。这时溶解在水相中的污染物浓度极低，导致降解率下降或产生零降解。污染物的生物降解之所以停止或减缓，是由于微生物不能利用极低浓度污染物。如果污染物的最终浓度不能满足清洁目标的要求，就需要采用其他辅助方法将污染物浓度减少到可接受的水平。

（三）土壤环境条件

1.营养

微生物分解有机污染物一般利用有机污染物作勾碳源，但是微生物将有机污染物转化为其自身增长的生物质，还需要其他营养元素。典型的细菌细胞组成为50%碳、14%氮、3%磷、2%钾、1%硫、0.2%铁、0.5%钙、镁和氯。例如，对于石油污染的土壤，有机碳含量很高，碳已不是限制条件。与其他污染物相比，石油烃类污染土壤后带人大量碳源，造成土壤中碳氮磷比例严重失调。有研究表明适当加入氮和磷酸盐能明显促进污染土壤中石油的生物降解作用。为了达到较好的修复效果，在向石油污染土壤添加氮磷的营养物时，必须首先确定营养盐的形式、浓度以及适当的比例。虽然理论上可以估算出氮磷的需要量，但在实际操作中由于土壤中石油类污染物降解速度太慢，且不同环境中氮、磷的可利用性变化很大，计算值只是一种估计，与实际值会有很大偏差。例如，同样都为石油类污染物的生物修复，不同的研究者得到的适宜的C:N:P分别是888：60：1和70：50：1，相差一个数量级。

土壤中除了必须包含N、P外，还需包含其他微量、宏量元素，并且这些元素要保持一定的数量、比例。其他元素包括K、Na、S、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu等。

2．电子受体

微生物的活性除了受到营养盐的限制外，土壤中污染物氧化分解的最终电子受体的种类和滚度也极大地影响着污染物降解的速度和程度。微生物氧化还原反应的最终电子受体分为三大类，包括溶解氧、有机物分解的中间产物和无机酸根（如硝酸根、硫酸根和碳酸根等），第一种为有氧过程，后两种为无氧过程。对于好氧微生物，O2是最常用的电子受体。

在微生物修复中，微生物降解的速率常常取决于终端电子受体供给的速率。而在土壤微生物种群中，很大一部分是把氧气作为其终端电子受体的。而且，氧化一还原电位对亚表层环境中微生物种群的代谢过程也发生影响。许多研究者对生物修复的最佳生态条件建议指出：在单因子实验条件下，氧代谢最适水平为溶解氧>0. 2mg/L和10%最低空气填充孔隙空间，厌氧代谢最适水平包括O2的体积分数<1%。

在生态修复中常采用曝气或土地耕耘等方法补充供氧，此外在紧迫情况下也可向污染环境中投加双氧水、过氧化钙等类产氧剂，或添加硝酸盐、硫酸盐类电子受体，它们都能暂时改变环境的厌氧生境，以发挥好氧微生物对污染物的氧化分解作用，但在使用时须注意产氧剂的浓度，以避免对微生物的毒性效应，同时须考虑到随之而来的氨硫元素对环境的影响。为了增加土壤中的溶解氧，可以采用如下一些工程化的方法。

①鼓气  即在被处理的土地下布设通气管道，将压缩空气从中送人土壤，一般可以使溶解氧浓度达到8～12mg/L，如果用纯氧，可达50mg/L。

②土壤中添加产氧剂  通常是双氧水，其浓度在100～200mg/L时对微生物没有毒性效应，如果经过驯化，微生物可以耐受l000mg/L的双氧水，因此可以通过逐渐增加双氧水浓度的方法避免其对微生物的毒性作用。除了过氧化氢之外，一些固体过氧化物如过氧化钙也可用作原位生物修复时的产氧剂，将这些产氧剂包裹在聚氯乙烯的胶囊中能够降低其生物毒性。

另外一些控制溶解氧的方法包括防止土壤被水饱和，对土壤进行适度的耕作，避免土壤板结和限制土壤中的耗氧有机物含量等。土壤中溶解氧的情况不仅影响污染物的降解速度，也决定着一些污染物降解的最终产物形态。如某些氯代脂肪族的化合物在厌氧降解时，产生有毒的分解产物，但在好氧条件下这种情况就较为少见。

在厌氧环境中，硝酸根、硫酸根和铁离子等都可以作为有机物降解的电子受体。厌氧过程进行的速率太慢，除甲苯以外，其他一些芳香族污染物（包括苯、乙基苯、二甲苯）的生物降解需要很长的启动时间，而且厌氧工艺难以控制，所以一般不采用。相比于在好氧条件下的生物降解研究，有机污染物在厌氧条件下的生物降解途径、机理和工艺研究的报道目前还很少，这可能与其降解速度太慢，难于收集到足够量的代谢中间物进符分析有关。但也有一些研究表明许多在好氧条件下难于生物降解的重要污染物，包括苯、甲苯和二甲苯以及多氯取代芳香烃等，都可以在还原性条件下被降解成二氧化碳和水。另外，对于一些多氯化合物，厌氧处理比好氧处理更为有效，如多氯联苯的厌氧降解在受污染的底泥中已被证实。目前在一些实际工程中已有采用厌氧方法对土壤和地下水进行生物修复的实例，并取得良好效果。应用硝酸盐作为厌氧生物修复的电子受体时，应特别注意对地下水中硝酸盐浓度的限制。

3．pH值

pH值对微生物的影响比较复杂，对营养的利用、微生物吸附、胞外酶的产  生和分泌都有影响。生物反应中，维持微生物活性的pH值一般保持在5.5～8.5之间，例如烃类生物降解的最佳pH值为7.5左右，此时其降解率可达40%以上。pH值太高、太低都影响微生物的降解能力。一般认为，低的pH值会影响N的转化，当pH值稍高于中性时，对硝化作用及N的进一步转化均有利，而P的有效性在pH值为6时很高。

一般情况下土壤为偏酸性，pH值大多在6～6.5；而且土壤微生物在降解有机污染物的过程中产生的酸度物质往往在土壤中有积累效应，会导致pH值进一步降低。所以，为了提高微生物降解有机污染物的速率，可以在土壤中添  加一些农用酸碱缓冲剂调整土层的pH值。在酸性土壤的治理中，价格低廉的石灰常常被用于提高pH值，但要使用时要注意防止影响N、P等元素的生物可得性。

4．水分

大量资料表明，水分是调控微生物、植物和细胞游离酶活性的重要因子之一。因为它是营养物质和有机组分扩散进入生物活细胞的介质，也是代谢废物排出生物机体的介质。特别是，水分通过对土壤通透性能、可溶性物质的特性和数量、渗透压、土壤溶液pH值和土壤不饱和水力学传导率发生作用而对污染土壤及地下水的生物修复产生重要影响。一些研究表明，25%～85%持水容量或10kPa或许是土壤水分有效性的最适水平。有机物必须为水溶态时才能被微生物体所利用。大量实践表明，使土壤湿度保持在70%～80%可达到较好的降解效果。

5．温度

土壤温度影响土壤微生物和酶活性及土壤中溶质的运移，还影响土壤反应的速度和土壤呼吸速率，最终影响土壤中有机污染物的降解转化。一般来说，在一定温度范围内微生物降解有机污染物的速度与温度正相关，通常在0～-40℃范围内温度每升高10℃微生物体内的酶反应速度为原来速度的1～2倍。但随着温度的进一步升高，土壤有机污染物对温度的响应程度降低。Miko发现，在平均温度为5℃时，温度每升高1℃将会引起全球范围内10%土壤有机污染物的丧失；而在平均温度为30℃时，温度每升高1℃将会使得有机污染韧丧失3%。此外，温度除能够改变微生物的活性外还能改变土壤中水分的供应，有机污染物的物理状态以及土壤的氧化还原电势从而影响降解速度。但是，在冷冻条件下关于土壤有机污染物的分解和微生物的活性还存在分歧。Neilson研究了冷冻对碳和氮循环的影响，发现冷冻加快了土壤碳和氮的循环速率，但不同植被品种、土壤层次和冷冻程度所增加的幅度不同。

6．土壤的结构与组成

土壤的结构影响其透气性、过滤速度及对废物的吸附能力等。当土壤透气性好时，有利于气体的交换，有利于微生物降解。但若土壤的孔隙率过大，水分在当中的下渗速度太快，有机污染物就会随之深入下层土壤，污染地下水。而在黏性很强的土壤中，不但没有足够的氧气供微生物降解，还会因为土壤胶体对污染物的吸附，使其无法与微生物充分接触而阻碍降解。

一般而言，黏性土壤中的空气较砂性土壤少，好气性微生物活性受到抑制，土壤黏粒具有保持碳的能力，其含量影响外源有机物（有机化合物、植物残体）及其转化产物的分解速率。随着土壤黏粒含量的增加，土壤有机碳和土壤微生物量碳也增加，土壤有机碳与黏粒含量呈正相关，随着土壤黏粒含量的增加，碳、氮矿化量减少，但矿化部分的碳氮比并不受土壤质地的影晌。