固定化微生物修复技术对多环芳烃的降解研究

固定化微生物修复技术对多环芳烃的降解研究

李佳瑛1

1.重庆交通大学 河海学院，重庆  400074

摘要：随着工业的发展，煤炭、石油在生活、工业生活以及交通运输中被广泛应用。导致环境中PAHs污染越来越严重。因此，找到经济高效的修复PAHs的修复手段具有非常重要的意义。微生物修复是环境中PAHs去除的重要途径之一。在此基础上，选择炭基材料作为固定化载体，该材料具有发达的微孔结构，有利于微生物的生存，且易制备、成本低、对环境有较高的友好性。因此以炭基材料固定化降解菌制备生物炭材料不仅能强化对PAHs的降解，还能改善环境质量。本文就目前利用固定化微生物修复技术降解多环芳烃进行简单阐述。

关键词：PAHs;生物炭;固定化菌剂

中图分类号：X172  文献标志码：A  文章编号：

前言

多环芳烃(PAHs)是由两个或多个苯环以线状、角状或簇状的排列方式构成的有机物，具有致癌、致畸、致突变性( “三致性”)。PAHs主要是通过挥发、光降解、沉降、化学氧化和微生物降解来去除，其中微生物降解是最为彻底的多环芳烃去除方法［1］，已成为污染治理的主要研究方向。

PAHs的微生物降解的难易程度往往与有机物的溶解度、环数、杂环原子性质和取代基的数目、种类、位置有关，而各种类微生物对不同PAHs降解的机制也各不相同［2］。近几年关于萘、菲等简单的PAHs微生物代谢途径的研究较为清晰，但对于四环及四环以上的PAHs研究目前还一直是热点，特别是对四环及四环以上的PAHs的降解途径仍需深入探究［3］。

1.PAHs的性质及其危害

1.1 PAHs的来源

自然来源和人为来源是自然环境中PAHs的主要来源。存在于自然界的化学反应、化学反应形成的化石燃料和矿产的过程、先天火山喷发等过程均由PAHs的形成，这些过程均标志着PAHs是自然界所原有的污染物。

人为源是人类及自然环境中PAHs的主要来源。人为来源大多是由于煤、木料、石油以及各种高分子有机化合物的不完全燃烧所造成的，它们大多数来自于化学产业、交通运输以及人们日常生活等各个方面[4]。

1.2 PAHs的危害

PAHs具有三致效应（致畸性、致癌性、致突变性）。并且PAHs非常容易在环境中积聚且可经过食物链的传递在动植物体内逐渐富集，使得其对人类的身体和环境造成很大的危害性[5]。

2. 固定化微生物修复技术

2.1 固定化微生物技术

固定化微生物修复是指以物理或化学手段，将游离的微生物固定在某一特定的空间区域，使单位体积内微生物的浓度增加，生物活性增强。其修复效果的根本影响因素主要包括:微生物固定化的固定条件以及固定化方法和载体的选取[6]。

2.4 固定化微生物技术修复的影响因素

2.4.1 固定化微生物方法

微生物固定化的常用固定化方法有吸附法、包埋法、交联法和共价结合法等。其中吸附法固定化微生物的方法操作简单、不影响微生物活性、且裁体材料可以多次重复使用，所以吸附法是当前研究和应用中较为常见固定化微生物的方法。

2.4.2 固定化微生物载体

不同的裁体材料对于固定化复合材料的生物量、活性以及去除污染物的效果有着明显的差异。理想的微生物固定化载体材料应具备以下特点：载体材料对微生物本身没有毒性，不会影响微生物的正常生长；载体材料有良好的透气性和传质性；载体材料结构稳定，不会被微生物降解；价格低廉等。炭基材料是有机物质在低温缺氧条件下热解后的产物，以其优良的环境和生态效益成为制备固定化微生物的首选载体。不同类型的炭基材料的固定效果有明显差异，所以筛选合适的炭基材料作为固定化材料具有很大的研究意义。

2.6炭基材料固定化微生物的研究现状

2.6.1炭基材料与微生物的相互作用机制

微生物在炭基材料上的吸附固定会受到炭基材料孔径分布、比表面积、孔容以及表面官能团等因素的影响。炭基材料是微生物的生物量和活性的重要影响因素，而其对于微生物的影响是多样的[4]。

炭基材料因其丰富的孔隙结构为固定的微生物的栖息和繁殖提供更适宜生存的环境。微生物可以吸附固定在炭基材料的表面上以及内部孔隙中。

炭基材料中含有大量如钾、镁、钠、氮、磷等营养元素，并因炭基材料比表面积较大、孔容较高且表面携带负电荷的性质会通过吸附作用富集周围环境中更多的盐离子，为微生物的生长繁殖提供所需的营养物质。

炭基材料一般呈碱性，因此炭基材料的添加能有效调节环境的pH值。对于土壤环境中微生物群落结构的变化起到了很大的影响。

炭基材料能显著增强土壤中的污染物的降解与吸附，有效降低污染物的生物有效性。

虽然炭基材料的大多性质对于微生物都是有益的，但在炭基材料的制备过程中可能会有一些因热解产生的对微生物有毒害作用的化合物，如酚和甲氧基苯酚(木质素和半纤维素的热解产物)、苯(木炭热解燃烧的主要产物)、PAHs等产生化合物的种类一般由制备原料决定。

2.6.2 炭基材料固定化微生物去除有机污染物机理

炭基材料固定化微生物技术在PAHs污染修复中的应用主要是炭基材料载体、微生物以及有机污染物三者相互作用的结果，主要的作用原理包括如下几点

[7]：

（1）载体材料作为功能微生物生存的微环境，使得功能微生物在与土著微生物出现营养物质和生存环境的竞争或者遭受不利土壤条件的侵害时能为功能微生物提供一个缓冲体系，以达到保证功能微生物的良好生长与繁殖。

（2）固定化载体因为其本身对于PAHs具有吸附作用，能够高效富集周围环境中的PAHs，增加炭基材料上吸附的PAHs浓度，提高修复效率。

(3)在固定化复合材料上吸附有微生物及微生物分泌的胞外聚合物，这使得功能微生物与环境中PAHs接触的几率显著增加。

(4)对于PAHs污染的修复可以与外源微生物联合的方式进行，以达到进一步强化降解目的。

3．总结

研究显示，固定化微生物技术对于PAHs污染的修复具有很好的应用前景，而当前虽然已有许多固定化微生物技术的相关研究，但仍有很多亟待解决的问题，主要总结如下：①对于固定化载体材料的选择需要进一步优化。筛选成本低廉、易制备且环境友好的载体材料；②不同的固定化条件会对固定化效果造成很大的影响。因此需要进一步优化固定化的条件，获得更高效的固定效果；③实际污染环境本身具有非均质和复杂性。

参考文献

[1]Vela N,Martínez-Menchón M,Navarro G,et al. Removal of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from groundwater by heterogeneous photocatalysis under natural sunlight[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry,2012, 232:32-40．

[2]Wu B,Zhang Y,Zhang X X,et al.Health risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons in the source water and drinking water of China:quantitative analysis based on published monitoring data[J]. Science of the Total Environment,2011，410-411: 112- 118．

[3]郑博文.持久性污染物多环芳烃的研究进[J].工业卫生与职业病,2016,42( 5): 386-390．

[4]Haritash A K,Kaushik C P.Biodegradation aspects of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs):a review [J].Journal of Hazardous Materials,2009,169(1-3): 1-15．

[5]谭文捷,李宗良,丁爱中,等.土壤和地下水中多环芳烃生物降解研究进展［J］． 生态环境,2007,16(4) : 1310-1317．