氯代烃污染场地微生物修复技术研究进展

郑嘉睿, 冷文鹏, 王佳佳, 智丽琴, 王 硕, 李佳斌, 郭 鹏* , 魏文侠* ,宋 云

北京市科学技术研究院资源环境研究所工业场地污染与修复北京市重点实验室,北京100095

DOI:10.13745/j.esf.sf.2023.8.21

地学前缘, 2024, 31(2): 157-172

关键词

氯代烃；污染；理化性质；迁移转化；生物降解机制；生物修复技术

摘要

氯代烃(CAHs)是工农业生产中广泛应用的重要化工原料，其处置不当或意外泄漏使其成为土壤和地下水中最常检测出的有毒有害污染物之一，对人体和生态环境危害巨大。生物修复技术因具有绿色、经济、高效和无二次污染等优势，是氯代烃污染治理的理想技术手段。文章在分析CAHs的理化性质、在环境中的迁移特征和生物降解机制的基础上，对实验室小试、中试等不同规模的微生物修复研究实例、联合修复的进展和降解转化机制进行梳理，同时对CAHs污染生物修复技术的影响因素进行概述，最后，对CAHs污染微生物修复技术的研究进行展望，未来应在采用微孔芯片与极限稀释技术开展低丰度降解菌的挖掘与解析、研发太阳能加热-生物原位修复等高效联合修复技术并分析修复效果影响因素等方面开展研究，以期为CAHs污染的高效、绿色治理提供技术支持。

研究背景

氯代烃(Chlorinated hydrocarbons，CAHs)污染修复技术可分为气相抽提(SVE)、热强化处理(TE)、多相抽提(MPE)、原位化学氧化(ISCO)、可渗透反应墙(PRB)和表面活性剂强化抽出(SEAR)等非生物修复技术和生物修复技术两大类。非生物修复技术是用物理或化学手段将氯代烃去除的过程。大多数非生物修复技术对应用环境有较明确要求，如:SVE技术大多适用于透气性较好的土壤；TE技术虽对环境普适性更强，实地修复效率较高，但应用范围较小且可能破坏土壤生态功能；MPE技术修复效果较理想，但对污染场地的渗透系数、渗透率、地下水埋深、含氧量和污染物的饱和蒸气压、沸点等要求较高；ISCO技术如高锰酸钾对三氯乙烯(TCE)和四氯乙烯(PCE)等有较好的降解效果，但常因无效氧化而影响微生物多样性及氧化还原环境；PRB技术在修复地下水中的CAHs时较依赖地下水流速与反应介质对污染物修复的半衰期，大规模应用可能改变环境pH和氧化还原电位(Eh)；SEAR技术大多处于实验室研究阶段。综上可知，当污染场地较大或环境复杂时，这些非生物修复技术很难在不大幅扰动原生环境的前提下达到较好的修复效果；而生物修复技术则具有降解较高效、对环境扰动小和成本较低等优点。本文所述生物修复技术特指微生物修复技术，主要包括原位生物刺激、生物强化和联合修复技术等。本文对典型CAHs的理化性质、迁移转化特征及生物降解机制进行了分析总结，梳理了CAHs生物修复技术的研究进展及其影响因素，并对未来CAHs污染生物修复技术研究方向进行展望，以期为绿色高效治理CAHs污染提供参考方法。

结论与展望

随着城市化的快速推进，化工和农药等企业关闭搬迁形成了大量氯代烃污染场地，对其进行有效和经济的修复是当前土壤修复行业的重要工作。今后如何使用微生物修复技术高效修复氯代烃污染场地，亟待解决以下难点。

(1)CAHs具有水平、垂向双向迁移和环境介质中的多相态转化特性，有时与其他有机污染物和重金属共存，整体环境条件复杂。

(2)场地内标记物(降解微生物及降解基因)的定性与定量技术需要突破，标记物数量少、定性不清、定量不准会极大影响对氯代烃污染场地生物修复潜力的判断。

(3)已分离获取的脱氯菌株较少，降解谱较窄，能实现完全脱氯的菌株很少，降解过程中存在中间产物抑制作用和不同氯代烃的底物竞争矛盾，且对CAHs的代谢路径和降解机理研究不够深入细致。

(4)已有的修复技术从实验室小试放大到现场中试时存在部分参数失效失真。

面对CAHs生物修复技术遇到的上述瓶颈问题，未来可从以下方面加强研究。

(1)修复技术筛选应结合场地的精准调查开展，明确氯代烃在土壤和地下水中的赋存特征、污染深度与污染范围以及污染热点分布和高、低氯代烃的污染物构成是生物修复技术得以应用的前提，根据场地污染特征可采用不同修复技术分区修复。

(2)应利用微孔芯片、极限稀释等单细胞分离技术，深度挖掘自然生境中低丰度的CAHs降解菌种资源，结合微生物基因组测序、降解功能基因克隆、定量PCR和荧光探针等分子生物学手段，深入研究CAHs的代谢路径和降解机理，以拓宽生物标记物的范围，实现基于降解基因和细胞精确定量的CAHs生物修复潜力分析。

(3)通过基因异源表达技术解决已有菌株对CAHs降解不完全和矿化效率低的问题，或利用厌氧脱氯、好氧共代谢和异养同化三者优点构建核心功能菌群，以厌氧脱氯-好氧共代谢、厌氧脱氯-异养同化、厌氧脱氯-好氧共代谢-异养同化联合方式，解除中间产物毒性和底物竞争关系，实现多种氯代烃的厌氧-好氧梯次降解，提高矿化降解效率。

(4)加强生物修复效果影响因素的研究，除加强常规环境条件研究外，尤其注重不同土壤质地对CAHs吸附、地下水埋深时空变化对CAHs迁移的影响以及其他种类污染物对微生物的抑制作用等方面研究，为现场中试放大过程参数失效分析提供新的佐证。

(5)加大新型联合修复技术的探索，如深入探索太阳能加热-生物原位修复、生物表面活性剂-多相抽提修复、生物酶定向降解-中间产物绿色回收等技术，秉承降低能源消耗、减少环境影响、实现污染物资源转化的理念治理CAHs污染，并在探索过程中不断优化组合各类修复技术，逐步实现低碳生态可持续修复。

代表性图件

图1 CAHs在地下水和土壤中的迁移转化

图2 厌氧还原脱氯过程(A)、好氧共代谢过程(B)和异养同化过程(C)(据文献[54]修改)