1  POPs污染土壤生態(tài)修復(fù)問題的提出

　　持久性有機(jī)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(jìn)而對人類健康和環(huán)境有嚴(yán)重危害的天然或人工合成的有機(jī)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(yán)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(zhǔn)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(guān)于持久性有機(jī)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(wù)和常規(guī)義務(wù)根據(jù)公約規(guī)定締約方須在公約對締約方生效當(dāng)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(yīng)的處理技術(shù)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(xué)手段為主強(qiáng)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(biāo)。本文生態(tài)修復(fù)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(fù)問題。

　　1.1　生態(tài)修復(fù)概述生物修復(fù)聯(lián)合修復(fù)等概念的提出反應(yīng)了人類解決土壤環(huán)境問題策略的不斷進(jìn)步。POPs污染問題僅依靠單一手段進(jìn)行修復(fù)存在諸多問題如達(dá)不到修復(fù)要求費用過高修復(fù)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(fù)達(dá)到有效、低耗和安全是十分必要的。在此要求下生物修復(fù)和聯(lián)合修復(fù)的內(nèi)涵就顯得過于簡單因此提出了生態(tài)修復(fù)問題。

　　生態(tài)修復(fù)的提法主要集中于兩大領(lǐng)域一為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域二為自然保護(hù)領(lǐng)域。自然保護(hù)領(lǐng)域提出的生態(tài)修復(fù)概念主要針對受干擾或受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)如水土保持和礦山的生態(tài)修復(fù)等。環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域提出的生態(tài)修復(fù)概念以孫鐵珩的觀點為代表:污染生態(tài)修復(fù)不同于生物修復(fù)生物修復(fù)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(fù)而生態(tài)修復(fù)則強(qiáng)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(fù)問題主要針對環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域重點討論受到POPs污染土壤的修復(fù)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(fù)手段是必須的外加修復(fù)手段之間、外加修復(fù)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(fù)過程中應(yīng)當(dāng)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(jìn)行生態(tài)修復(fù)應(yīng)考慮在如下原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行:

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

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

　　3修復(fù)過程和結(jié)果必須是生態(tài)安全的;

　　4以恢復(fù)污染土壤生態(tài)系統(tǒng)的原有服務(wù)功能為宗旨。

　　污染土壤生態(tài)系統(tǒng)自凈能力的基礎(chǔ)在于其環(huán)境容量但當(dāng)前對于環(huán)境容量的研究都集中于重金屬。陳懷滿認(rèn)為:有關(guān)有機(jī)污染物土壤環(huán)境容量的研究甚少其一是因為有機(jī)污染物進(jìn)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(shù)上的原因。由于土壤中有機(jī)污染物定量測定的復(fù)雜性給土壤中有機(jī)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(xué)的進(jìn)展土壤中有機(jī)污染物的前處理技術(shù)和各種痕量分析的儀器手段日益成熟為分析土壤中有機(jī)污染物的環(huán)境背景值提供了基礎(chǔ)。當(dāng)前土壤中有機(jī)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(jī)化學(xué)領(lǐng)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(fù)過程

　　應(yīng)首先對污染土壤生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析評估POPs的生態(tài)風(fēng)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(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性和修復(fù)安全三個角度進(jìn)行綜合考慮確定實施方案。在實施過程中應(yīng)對修復(fù)過程進(jìn)行監(jiān)控修復(fù)完畢后采用生態(tài)毒理與化學(xué)分析手段對修復(fù)的安全性進(jìn)行評價以確保修復(fù)安全。

　　生態(tài)修復(fù)的實施過程見圖1。

　　圖1　生態(tài)修復(fù)的實施過程

　　Fig.1　Worksheetofeco2remediation

　　修復(fù)措施不當(dāng)會使污染物產(chǎn)生擴(kuò)散帶來新的風(fēng)險特別是對于POPs物質(zhì)導(dǎo)致的土壤污染的修復(fù)就更應(yīng)該慎重應(yīng)將修復(fù)目標(biāo)和修復(fù)安全緊密結(jié)合避免因為修復(fù)產(chǎn)生新的環(huán)境風(fēng)險。

　　1.2.1　確立修復(fù)目標(biāo)

　　進(jìn)行修復(fù)前應(yīng)對污染區(qū)域進(jìn)行調(diào)查和分析首先確定是否存在環(huán)境風(fēng)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(jìn)行研究。前者可通過污染土壤診斷的方法體系進(jìn)行后者以化學(xué)分析和生態(tài)學(xué)研究相關(guān)方法進(jìn)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(fù)目標(biāo)的前提。

　　確立修復(fù)目標(biāo)對修復(fù)工藝的選擇、修復(fù)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(fù)標(biāo)準(zhǔn)。由于我國還未建立起各種土壤污染物的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)一般所指的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)是指土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(fù)標(biāo)準(zhǔn)。污染土壤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)是指被技術(shù)和法規(guī)所確立、確認(rèn)的土壤清潔水平通過土壤修復(fù)或利用各種清潔技術(shù)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(shù)和法規(guī)可接受的水平。

　　我國于1995年頒布的GB1561821995標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了DDT、HCH兩項有機(jī)污染物指標(biāo)對當(dāng)前影響人類和生態(tài)系統(tǒng)健康的許多“新型”有機(jī)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(jìn)入土壤后的行為和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)也有較大不同故以同一種標(biāo)準(zhǔn)來判定修復(fù)后的土壤是否達(dá)到修復(fù)目標(biāo)并不合理。所以應(yīng)盡快將對人類和生態(tài)系統(tǒng)健康有嚴(yán)重危害的POPs污染物列入土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之中且根據(jù)行政區(qū)劃或土壤類型建立相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)或子標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。

　　1.2.2　生態(tài)修復(fù)過程控制

　　生態(tài)修復(fù)是建立在生物對土壤污染物產(chǎn)生有效作用的基礎(chǔ)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(fù)過程中有機(jī)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(fù)過程的控制可分為兩個方面:一是對修復(fù)過程中有效生物作用因子變化的監(jiān)控二是對修復(fù)過程中POPs及中間產(chǎn)物的監(jiān)控。

　　分子生物學(xué)的發(fā)展對修復(fù)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(xué)手段16SrDNA擴(kuò)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(shù)、ARDRA擴(kuò)增性rDNA限制性酶切片段多態(tài)性分析技術(shù)、TRELP末端限制性片段長度多態(tài)性技術(shù)和DGGE變性梯度電泳技術(shù)單獨或結(jié)合使用用于修復(fù)過程污染區(qū)域微生物分類鑒定和多樣性分析有毒有機(jī)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(shù)、核磁共振技術(shù)、手性環(huán)境化學(xué)以及碳和氮穩(wěn)定同位素技術(shù)等分析手段的不斷進(jìn)步使得對修復(fù)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(xué)和生物手段的綜合使用可生態(tài)修復(fù)過程處于安全、有效和可控的范圍之內(nèi)。

　　1.2.3　修復(fù)結(jié)果評估

　　目前土壤污染的修復(fù)終點通常以目標(biāo)污染物的減少為判斷標(biāo)準(zhǔn)但這種以化學(xué)分析為主的判定方式往往不能全面科學(xué)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(fù)雜性使得這種簡單的修復(fù)終點判定方式存在較多缺陷。將化學(xué)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(fù)終點判定的主要方法。

　　(1)修復(fù)效果的評估———項目分析

　　效果分析主要是對修復(fù)效率、經(jīng)濟(jì)效率和工藝可靠性進(jìn)行評價可利用一些管理工程的方法進(jìn)行評估。在西方發(fā)達(dá)國家對POPs污染土壤修復(fù)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(yán)格的項目分析和實施流程并且背后都體現(xiàn)了嚴(yán)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(fù)時進(jìn)行借鑒。

　　(2)修復(fù)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(fù)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(fù)結(jié)束后一段時間內(nèi)多點、多次進(jìn)行也有結(jié)合多種生態(tài)毒理技術(shù)進(jìn)行綜合評價亦有將生態(tài)毒理實驗與化學(xué)分析結(jié)合起來。

　　需要注意的是即使修復(fù)達(dá)到目標(biāo)修復(fù)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(shù)將土壤中的PCBs含量降低了99達(dá)到了修復(fù)目標(biāo)使用蚯蚓和植物進(jìn)行生態(tài)毒理評價發(fā)現(xiàn):修復(fù)前后對于蚯蚓的生殖毒性變化不大修復(fù)后植物毒性和遺傳毒性則更大原因可能是殘余的有機(jī)溶劑、重金屬和原有污染物一起造成的作者認(rèn)為在危險廢物修復(fù)評估中進(jìn)行生態(tài)毒理診斷是必需的因為它能夠說明修復(fù)過程帶來改變的潛在的不利影響。

　　2  生態(tài)修復(fù)過程中的關(guān)鍵問題———耦合

　　沈德中認(rèn)為生物修復(fù)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(fù)的要素又表明了生物修復(fù)的局限性，適合地點和適合的環(huán)境條件是生物修復(fù)發(fā)揮其作用的前提。生態(tài)修復(fù)從方法論角度而言反映的是一種系統(tǒng)修復(fù)觀，因而必須從土壤生態(tài)系統(tǒng)的角度分析和考慮修復(fù)問題，強(qiáng)調(diào)將以土壤生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力為基礎(chǔ)，理化技術(shù)和生物技術(shù)之間或生物技術(shù)之間進(jìn)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(fù)中的耦合過程和耦合策略進(jìn)行了分析。

　　2.1　耦合概述

　　耦合couple本是物理學(xué)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(jìn)的動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系。目前耦合概念的應(yīng)用已不局限于物理學(xué)科在恢復(fù)生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)和農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)等領(lǐng)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(jī)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(xué)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(xué)處理后增加了生物處理部分。在英文文獻(xiàn)中通常使用couple和combine兩個詞表示兩種工藝的有機(jī)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(shù)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(rèn)為應(yīng)coupling其它修復(fù)技術(shù)才能有效去除22。國內(nèi)廢水處理、土壤污染修復(fù)方面的論文中也有明確的耦合提法。

　　生態(tài)修復(fù)過程中土壤中的有機(jī)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(xué)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(fù)的諸多環(huán)節(jié)。因此在修復(fù)中必須加以考慮甚至利用這樣一些作用達(dá)到修復(fù)目的。所以在生態(tài)修復(fù)中使用耦合比聯(lián)合更能反映生態(tài)修復(fù)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(fù)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(jī)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(fù)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(shù)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(jìn)行生物降解②在修復(fù)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(xì)胞工程技術(shù)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(fù)策略能夠有效修復(fù)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(fù)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(rèn)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(jìn)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(dǎo)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(xué)者在運用PRB進(jìn)行難降解有機(jī)物修復(fù)中發(fā)現(xiàn)一些土著菌能夠在PRB修復(fù)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(jī)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(dǎo)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(fù)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(yīng)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(yīng)器能夠?qū)roclor1242幾乎完全礦化。

　　(2)植物-微生物

　　將降解菌導(dǎo)入植物根區(qū)是一種非常有前景的原位修復(fù)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(yīng)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(fù)在較高濃度PCBs條件下存在豆科植物的修復(fù)效果更好混合降解菌的修復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(jìn)了降解微生物的生長和有效分布。

　　2.3.3　細(xì)胞及基因工程耦合技術(shù)

　　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(qiáng)型綠色熒光蛋白EGFP標(biāo)記的黃麻根際優(yōu)勢菌進(jìn)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(jìn)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