1  POPs污染土壤生態(tài)修復問題的提出

　　持久性有機污染物POPspersistentorganicpollutants是指通過各種環(huán)境介質(zhì)大氣、水、土壤等能夠長距離遷移并長期存在于環(huán)境進而對人類健康和環(huán)境有嚴重危害的天然或人工合成的有機污染物質(zhì)它具有以下特征:長期殘留性、生物蓄積性、半揮發(fā)性和高毒性。POPs現(xiàn)在幾乎已遍及地球的每個角落日益嚴峻地威脅著人類安全和全球生態(tài)系統(tǒng)健康是人類面臨的一個緊迫的環(huán)境問題。

　　2004年6月25日中國全國人大正式批準于2001年5月22日在斯特哥爾摩通過、同年5月23日中國政府簽署的《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》這意味著中國將全面履行公約所規(guī)定的各項基本義務和常規(guī)義務根據(jù)公約規(guī)定締約方須在公約對締約方生效當日起計的兩年內(nèi)制訂國家實施方案并盡快組織實施。目前對于POPs問題的解決側(cè)重于POPs廢物的處理與處置對于POPs造成的環(huán)境介質(zhì)污染重視不夠缺乏相應的處理技術和解決辦法。

　　解決POPs問題的手段大體可分為兩類:第一類為POPs廢物的處置與處理第二類為POPs污染介質(zhì)主要土壤水體和沉積物的處置與處理前一類主要是針對濃度較高的廢物以物理、化學手段為主強調(diào)以破壞其分子結(jié)構(gòu)或以隔離的方式使其不與外界接觸第二類針對濃度較低的污染介質(zhì)主張運用多種手段以降低污染物濃度和消減毒性為目標。本文生態(tài)修復所指的對象為第二類即探討受到較低濃度POPs污染土壤的修復問題。

　　1.1　生態(tài)修復概述生物修復聯(lián)合修復等概念的提出反應了人類解決土壤環(huán)境問題策略的不斷進步。POPs污染問題僅依靠單一手段進行修復存在諸多問題如達不到修復要求費用過高修復后土壤的使用價值降低或喪失等因而綜合多種手段使得整個修復達到有效、低耗和安全是十分必要的。在此要求下生物修復和聯(lián)合修復的內(nèi)涵就顯得過于簡單因此提出了生態(tài)修復問題。

　　生態(tài)修復的提法主要集中于兩大領域一為環(huán)境保護領域二為自然保護領域。自然保護領域提出的生態(tài)修復概念主要針對受干擾或受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復如水土保持和礦山的生態(tài)修復等。環(huán)境保護領域提出的生態(tài)修復概念以孫鐵珩的觀點為代表:污染生態(tài)修復不同于生物修復生物修復是利用具有凈化功能的生物和微生物對污染物消減和凈化是單純的生物修復而生態(tài)修復則強調(diào)通過調(diào)節(jié)諸如土壤水分、土壤養(yǎng)分、土壤pH值和土壤氧化還原狀況和氣溫、濕度等生態(tài)因子實現(xiàn)對污染物所處環(huán)境介質(zhì)水、氣、土、生等的調(diào)控發(fā)揮生物凈化功能。本文探討的生態(tài)修復問題主要針對環(huán)境保護領域重點討論受到POPs污染土壤的修復問題。

　　由于POPs為難降解污染物自然降解所需時間較長或者根本無法降解因而外加修復手段是必須的外加修復手段之間、外加修復手段與污染土壤自凈能力如何結(jié)合以發(fā)揮最佳效率是這類問題的核心。POPs自身特點決定了它對人類的巨大危害性因此在修復過程中應當確保對于人類和生態(tài)系統(tǒng)的安全。綜上所述對POPs污染土壤進行生態(tài)修復應考慮在如下原則的基礎上進行:

　　1污染土壤生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能是生態(tài)修復的基礎;

　　2生物代謝過程、理化技術和環(huán)境因素的耦合是生態(tài)修復得以發(fā)揮作用的關鍵所在;

　　3修復過程和結(jié)果必須是生態(tài)安全的;

　　4以恢復污染土壤生態(tài)系統(tǒng)的原有服務功能為宗旨。

　　污染土壤生態(tài)系統(tǒng)自凈能力的基礎在于其環(huán)境容量但當前對于環(huán)境容量的研究都集中于重金屬。陳懷滿認為:有關有機污染物土壤環(huán)境容量的研究甚少其一是因為有機污染物進入土壤后能較為迅速的降解其容量值的研究在實踐意義上不大其二是技術上的原因。由于土壤中有機污染物定量測定的復雜性給土壤中有機污染物的背景值研究帶來了很大的困難。由于環(huán)境分析化學的進展土壤中有機污染物的前處理技術和各種痕量分析的儀器手段日益成熟為分析土壤中有機污染物的環(huán)境背景值提供了基礎。當前土壤中有機污染物不可逆解吸部分的生物可利用性研究是環(huán)境有機化學領域的一大熱點對于這一問題理解的不斷深入也為受到POPs污染土壤的自凈能力研究提供了背景知識。

　　1.2　生態(tài)修復過程

　　應首先對污染土壤生態(tài)系統(tǒng)進行全面分析評估POPs的生態(tài)風險和污染土壤的自凈能力根據(jù)國際公約、國家法律、法規(guī)和政策制定若干個備選方案然后從技術可行性、經(jīng)濟性和修復安全三個角度進行綜合考慮確定實施方案。在實施過程中應對修復過程進行監(jiān)控修復完畢后采用生態(tài)毒理與化學分析手段對修復的安全性進行評價以確保修復安全。

　　生態(tài)修復的實施過程見圖1。

　　圖1　生態(tài)修復的實施過程

　　Fig.1　Worksheetofeco2remediation

　　修復措施不當會使污染物產(chǎn)生擴散帶來新的風險特別是對于POPs物質(zhì)導致的土壤污染的修復就更應該慎重應將修復目標和修復安全緊密結(jié)合避免因為修復產(chǎn)生新的環(huán)境風險。

　　1.2.1　確立修復目標

　　進行修復前應對污染區(qū)域進行調(diào)查和分析首先確定是否存在環(huán)境風險以及危險程度其次對POPs的種類、污染程度和存在方式污染土壤和各種環(huán)境因子進行研究。前者可通過污染土壤診斷的方法體系進行后者以化學分析和生態(tài)學研究相關方法進行。通過調(diào)查掌握了POPs污染土壤生態(tài)系統(tǒng)的背景條件這是確定修復目標的前提。

　　確立修復目標對修復工藝的選擇、修復消耗的資源和時間都有重要的影響確立依據(jù)主要是污染修復標準。由于我國還未建立起各種土壤污染物的修復標準一般所指的修復標準是指土壤環(huán)境質(zhì)量標準但歐洲和美國的一些地方已建立了部分污染物的土壤修復標準。污染土壤修復標準是指被技術和法規(guī)所確立、確認的土壤清潔水平通過土壤修復或利用各種清潔技術手段使土壤環(huán)境中污染物的濃度降低到對人體健康和生態(tài)系統(tǒng)不構(gòu)成威脅的技術和法規(guī)可接受的水平。

　　我國于1995年頒布的GB1561821995標準僅規(guī)定了DDT、HCH兩項有機污染物指標對當前影響人類和生態(tài)系統(tǒng)健康的許多“新型”有機污染物并未涉及如PCBs、PAHs等。中國各地氣候類型多樣土壤性質(zhì)差異甚大因而POPs進入土壤后的行為和生態(tài)環(huán)境效應也有較大不同故以同一種標準來判定修復后的土壤是否達到修復目標并不合理。所以應盡快將對人類和生態(tài)系統(tǒng)健康有嚴重危害的POPs污染物列入土壤環(huán)境質(zhì)量標準之中且根據(jù)行政區(qū)劃或土壤類型建立相應的地方標準或子標準或者以POPs污染物在土壤中的生物可利用部分而不是總量作為標準。

　　1.2.2　生態(tài)修復過程控制

　　生態(tài)修復是建立在生物對土壤污染物產(chǎn)生有效作用的基礎上因此外界條件如低溫厭氧條件營養(yǎng)物質(zhì)等對生物發(fā)揮這種有效作用有重要影響。此外在修復過程中有機污染物的不完全降解和次生污染是客觀存在并可能產(chǎn)生更加有毒的物質(zhì)因此也對這種作用產(chǎn)生影響。所以對修復過程的控制可分為兩個方面:一是對修復過程中有效生物作用因子變化的監(jiān)控二是對修復過程中POPs及中間產(chǎn)物的監(jiān)控。

　　分子生物學的發(fā)展對修復過程中生物作用因子的變化提供了新的工具和視野。早期利用DNA探針現(xiàn)在普遍將多種分子生物學手段16SrDNA擴增片斷核苷酸序列分析、16SrRNA間隔翻譯區(qū)核苷酸序列分析技術、ARDRA擴增性rDNA限制性酶切片段多態(tài)性分析技術、TRELP末端限制性片段長度多態(tài)性技術和DGGE變性梯度電泳技術單獨或結(jié)合使用用于修復過程污染區(qū)域微生物分類鑒定和多樣性分析有毒有機污染物作用下的微生物分子變異、微生物種群變異等方面的研究。

　　新型色譜和質(zhì)譜技術、核磁共振技術、手性環(huán)境化學以及碳和氮穩(wěn)定同位素技術等分析手段的不斷進步使得對修復過程中POPs及其中間產(chǎn)物的監(jiān)控變得更加精確和易于操作能夠及時發(fā)現(xiàn)其存在的問題以便調(diào)整。通過以上化學和生物手段的綜合使用可生態(tài)修復過程處于安全、有效和可控的范圍之內(nèi)。

　　1.2.3　修復結(jié)果評估

　　目前土壤污染的修復終點通常以目標污染物的減少為判斷標準但這種以化學分析為主的判定方式往往不能全面科學的表征土壤環(huán)境質(zhì)量且由于POPs及其代謝產(chǎn)物的危害性和復雜性使得這種簡單的修復終點判定方式存在較多缺陷。將化學分析手段與土壤生態(tài)毒理診斷相結(jié)合可能是今后修復終點判定的主要方法。

　　(1)修復效果的評估———項目分析

　　效果分析主要是對修復效率、經(jīng)濟效率和工藝可靠性進行評價可利用一些管理工程的方法進行評估。在西方發(fā)達國家對POPs污染土壤修復逐漸形成一定規(guī)模商業(yè)市場如在2000年加拿大的PCBs處理的市場規(guī)模約為3～6億加拿大元。西方的一些環(huán)境工程公司在實施此類項目時通常都有嚴格的項目分析和實施流程并且背后都體現(xiàn)了嚴格的質(zhì)量控制體系這些都值得我國開展POPs污染土壤修復時進行借鑒。

　　(2)修復的安全評估———生態(tài)毒理診斷

　　生態(tài)毒理診斷主要是針對修復結(jié)果的安全評價通常采用有代表意義的生物如河流湖泊中采用魚和微型動物近海采用貝類土壤中采用蚯蚓和植物等。生態(tài)毒理分析可在修復結(jié)束后一段時間內(nèi)多點、多次進行也有結(jié)合多種生態(tài)毒理技術進行綜合評價亦有將生態(tài)毒理實驗與化學分析結(jié)合起來。

　　需要注意的是即使修復達到目標修復結(jié)果可能仍然是不安全的。Meier報道了一個受到重度PCBs污染的區(qū)域使用溶劑萃取技術將土壤中的PCBs含量降低了99達到了修復目標使用蚯蚓和植物進行生態(tài)毒理評價發(fā)現(xiàn):修復前后對于蚯蚓的生殖毒性變化不大修復后植物毒性和遺傳毒性則更大原因可能是殘余的有機溶劑、重金屬和原有污染物一起造成的作者認為在危險廢物修復評估中進行生態(tài)毒理診斷是必需的因為它能夠說明修復過程帶來改變的潛在的不利影響。

　　2  生態(tài)修復過程中的關鍵問題———耦合

　　沈德中認為生物修復必須遵循3個原則:適合的微生物、適合地點和適合的環(huán)境條件。這3個原則既表明了生物修復的要素又表明了生物修復的局限性，適合地點和適合的環(huán)境條件是生物修復發(fā)揮其作用的前提。生態(tài)修復從方法論角度而言反映的是一種系統(tǒng)修復觀，因而必須從土壤生態(tài)系統(tǒng)的角度分析和考慮修復問題，強調(diào)將以土壤生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力為基礎，理化技術和生物技術之間或生物技術之間進行“組裝”，并在污染區(qū)域的環(huán)境條件下，將這種“組裝”效益發(fā)揮的最大。本文提出了以耦合概念表征這種“組裝”并對生態(tài)修復中的耦合過程和耦合策略進行了分析。

　　2.1　耦合概述

　　耦合couple本是物理學的一個概念指兩個或兩上以上的系統(tǒng)或運動方式之間通過各種相互作用而彼此影響以至聯(lián)合起來的現(xiàn)象是在各子系統(tǒng)間的良性互動下相互依賴、相互協(xié)調(diào)、相互促進的動態(tài)關聯(lián)關系。目前耦合概念的應用已不局限于物理學科在恢復生態(tài)學、景觀生態(tài)學和農(nóng)業(yè)生態(tài)學等領域耦合常用來表示生態(tài)系統(tǒng)之間生態(tài)系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間生態(tài)系統(tǒng)某些組分之間以及生態(tài)系統(tǒng)某些組分與環(huán)境要素之間的相互作用機制。

　　國外對受到鹵代芳烴類化合物污染的土壤和地下水研究中發(fā)現(xiàn)經(jīng)過化學處理后這些污染物減輕了毒性增加了生物可處理性因而在化學處理后增加了生物處理部分。在英文文獻中通常使用couple和combine兩個詞表示兩種工藝的有機結(jié)合couple英文直譯即為耦合。對于PCBs污染土壤采用堆腐技術能夠去除1～3氯原子取代的PCBs對于大于4個氯取代的PCBs作者認為應coupling其它修復技術才能有效去除22。國內(nèi)廢水處理、土壤污染修復方面的論文中也有明確的耦合提法。

　　生態(tài)修復過程中土壤中的有機質(zhì)、粘土礦物本身參與土壤生態(tài)系統(tǒng)的各種物理、化學和生物過程這些過程之間也存在相互作用且這些作用影響著生態(tài)修復的諸多環(huán)節(jié)。因此在修復中必須加以考慮甚至利用這樣一些作用達到修復目的。所以在生態(tài)修復中使用耦合比聯(lián)合更能反映生態(tài)修復的內(nèi)涵。

　　2.2　耦合原則

　　POPs的理化性質(zhì)和在土壤中的存在狀態(tài)對生態(tài)修復策略的選擇有重要影響。POPs為憎水性難生物降解物質(zhì)通常對生物有毒在土壤中易被有機質(zhì)所吸附處于吸附態(tài)的POPs隨著吸附時間的增加不可逆解吸部分增加因而生物可利用性降低成為所謂的“老化”態(tài)26。這也就增加了修復的難度因此耦合多種手段解決問題十分必要。如何使耦合技術發(fā)揮作用可考慮如下原則:①首先將POPs轉(zhuǎn)變?yōu)檩^易生物降解的物質(zhì)或者降低其毒性然后進行生物降解②在修復區(qū)域中創(chuàng)造有利于生物因子發(fā)揮作用的條件③提高其在土壤介質(zhì)中POPs的生物可利用性④利用基因工程和細胞工程技術創(chuàng)造出具備新的代謝途徑途徑的“超級微生物”。

　　2.3　耦合策略

　　一些研究證明采用正確的修復策略能夠有效修復POPs污染土壤。對一個由降解菌植物和蚯蚓組成的PCBs污染土壤修復系統(tǒng)的研究表明:與對照組相比加蚯蚓組的PCBs去除率有一定提高蚯蚓的一些作用如均勻分布降解菌提高土壤供氧增加土壤中的碳、氮成分改善土壤中微生物的群落結(jié)構(gòu)都被認為是有助于PCBs降解PCBs的去除是多種因素共同作用的結(jié)果。在實驗室條件下用取自美國紐約、新澤西等地的PCBs污染沉積物進行模擬自然降解研究5個月后有40的PCBs消失結(jié)果顯示定期耕作能夠產(chǎn)生明顯的效果但導致PCBs去除的原因無法確定作者推測是光解、揮發(fā)、生物降解共同作用的結(jié)果而非單一因素。

　　2.3.1　非生物因子-生物因子之間的耦合

　　Shimura的研究表明UV輻射結(jié)合微生物處理能夠完全降解PCBs首先通過UV輻射將在甲醇中的絕大多數(shù)高氯代的PCBs降解為平均低于3個氯取代的PCBs然后用一種PCBs降解菌在一周內(nèi)可將PCBs幾乎完全降解。用表面活性劑POL淋洗PCBs污染土壤添加1的POL可去除70的PCBs在淋洗液中加入兩種能以POL為共代謝基質(zhì)PCBs的降解菌經(jīng)過12d的降解可去除90表面活性劑和35的PCBs剩余的PCBs用硅藻土等吸附材料可去除90%。

　　一些學者在運用PRB進行難降解有機物修復中發(fā)現(xiàn)一些土著菌能夠在PRB修復系統(tǒng)的鐵表面定居形成Microbial2Fe0系統(tǒng)該系統(tǒng)在處理一些難降解污染物RDX、氯有機溶劑、硝酸鹽和鉻污染方面表現(xiàn)出巨大潛力。

　　2.3.2　生物因子之間的耦合

　　(1)厭氧-好氧微生物

　　起始濃度為59mg/g的高氯代PCBs混合物Aroclor1260污染的土壤經(jīng)過4個月厭氧處理然后再經(jīng)過28d的好氧處理PCBs的濃度降為20μg/g36。用過氧化氫加入沉積物創(chuàng)造的有氧環(huán)境誘導產(chǎn)生PCBs的好氧降解菌在96d的實驗期間好氧降解菌的量逐漸增加PCBs的濃度由135mg/g下降至20mg/g這表明具有脫氯現(xiàn)象的厭氧沉積物似乎擁有土著的厭氧脫氯和好氧降解PCBs兩種能力的菌。上述兩項研究都支持了通過厭氧2好氧方式原位修復PCBs污染點的可能性。使用一個可限制供氧的顆粒生物膜反應器通過供氧方式形成偶聯(lián)的厭氧2好氧環(huán)境并與特定厭氧還原和好氧降解微生物相結(jié)合該反應器能夠?qū)roclor1242幾乎完全礦化。

　　(2)植物-微生物

　　將降解菌導入植物根區(qū)是一種非常有前景的原位修復策略。由于根區(qū)空間、溫度的不均勻性一些降解菌處于“饑餓”狀態(tài)只有一部分保持活力所以這種策略應用的前提是在根區(qū)形成有競爭力的穩(wěn)定降解菌群這樣才能有效降解污染物39。Dutta研究了一種豆科植物苜蓿與混合降解菌系對于PCBs污染土壤的修復在較高濃度PCBs條件下存在豆科植物的修復效果更好混合降解菌的修復效果要好于單一降解菌所以豆科植物耦合土著混合降解菌是修復PCBs污染土壤的有效策略。

　　Leigh等研究了一種桑Morussp.根部的酚類分泌物在植物生長過程中的變化情況并證實其中的3種黃酮類物質(zhì)可作為一種PCBs降解菌的生長基質(zhì)41。使用一種可分泌類黃酮的植物與PCBs降解耦合的修復效果優(yōu)于兩者單獨使用植物的存在增加了供氧提高了降解菌的有效分布改變了土壤微生物的原有構(gòu)成。

　　(3)動物-微生物

　　Luepromchai研究了PCBs污染土壤修復過程中的蚯蚓和降解菌的相互作用降解菌或蚯蚓單獨作用只能去除3cm土層的PCBs兩者共同作用可去除9cm土層的PCBs添加蚯蚓組還觀察到降解菌和土著降解菌數(shù)量以及降解基因bphA和bphC含量的增加可能的原因在于蚯蚓通過改善土壤環(huán)境條件促進了降解微生物的生長和有效分布。

　　2.3.3　細胞及基因工程耦合技術

　　把蒽高效降解菌和生物表面活性劑產(chǎn)生菌綠假單胞菌Pseudomonasaerugiosa分別與增強型綠色熒光蛋白EGFP標記的黃麻根際優(yōu)勢菌進行原生質(zhì)體電融合再將得到的融合子定殖回黃麻根際土壤形成產(chǎn)表面活性劑和對蒽具有高效降解能力且在根際旺盛生長的耦合系統(tǒng)綠假單胞菌產(chǎn)生的生物表面活性劑進一步提高了降解菌對蒽的降解。

　　2.4　耦合方式

　　2.4.1　階段耦合Hess研究了改性Fenten試劑和微生物耦合處理水溶液中的TNT