1 POPs污染土壤生态修复问题的提出
持久性有机污染物POPspersistentorganicpollutants是指通过各种环境介质大气、水、土壤等能够长距离迁移并长期存在于环境进而对人类健康和环境有严重危害的天然或人工合成的有机污染物质它具有以下特征:长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性。POPs现在几乎已遍及地球的每个角落日益严峻地威胁着人类安全和全球生态系统健康是人类面临的一个紧迫的环境问题。
2004年6月25日中国全国人大正式批准于2001年5月22日在斯特哥尔摩通过、同年5月23日中国政府签署的《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》这意味着中国将全面履行公约所规定的各项基本义务和常规义务根据公约规定缔约方须在公约对缔约方生效当日起计的两年内制订国家实施方案并尽快组织实施。目前对于POPs问题的解决侧重于POPs废物的处理与处置对于POPs造成的环境介质污染重视不够缺乏相应的处理技术和解决办法。
解决POPs问题的手段大体可分为两类:第一类为POPs废物的处置与处理第二类为POPs污染介质主要土壤水体和沉积物的处置与处理前一类主要是针对浓度较高的废物以物理、化学手段为主强调以破坏其分子结构或以隔离的方式使其不与外界接触第二类针对浓度较低的污染介质主张运用多种手段以降低污染物浓度和消减毒性为目标。本文生态修复所指的对象为第二类即探讨受到较低浓度POPs污染土壤的修复问题。
1.1 生态修复概述生物修复联合修复等概念的提出反应了人类解决土壤环境问题策略的不断进步。POPs污染问题仅依靠单一手段进行修复存在诸多问题如达不到修复要求费用过高修复后土壤的使用价值降低或丧失等因而综合多种手段使得整个修复达到有效、低耗和安全是十分必要的。在此要求下生物修复和联合修复的内涵就显得过于简单因此提出了生态修复问题。
生态修复的提法主要集中于两大领域一为环境保护领域二为自然保护领域。自然保护领域提出的生态修复概念主要针对受干扰或受损生态系统的恢复如水土保持和矿山的生态修复等。环境保护领域提出的生态修复概念以孙铁珩的观点为代表:污染生态修复不同于生物修复生物修复是利用具有净化功能的生物和微生物对污染物消减和净化是单纯的生物修复而生态修复则强调通过调节诸如土壤水分、土壤养分、土壤pH值和土壤氧化还原状况和气温、湿度等生态因子实现对污染物所处环境介质水、气、土、生等的调控发挥生物净化功能。本文探讨的生态修复问题主要针对环境保护领域重点讨论受到POPs污染土壤的修复问题。
由于POPs为难降解污染物自然降解所需时间较长或者根本无法降解因而外加修复手段是必须的外加修复手段之间、外加修复手段与污染土壤自净能力如何结合以发挥最佳效率是这类问题的核心。POPs自身特点决定了它对人类的巨大危害性因此在修复过程中应当确保对于人类和生态系统的安全。综上所述对POPs污染土壤进行生态修复应考虑在如下原则的基础上进行:
1污染土壤生态系统的自净功能是生态修复的基础;
2生物代谢过程、理化技术和环境因素的耦合是生态修复得以发挥作用的关键所在;
3修复过程和结果必须是生态安全的;
4以恢复污染土壤生态系统的原有服务功能为宗旨。
污染土壤生态系统自净能力的基础在于其环境容量但当前对于环境容量的研究都集中于重金属。陈怀满认为:有关有机污染物土壤环境容量的研究甚少其一是因为有机污染物进入土壤后能较为迅速的降解其容量值的研究在实践意义上不大其二是技术上的原因。由于土壤中有机污染物定量测定的复杂性给土壤中有机污染物的背景值研究带来了很大的困难。由于环境分析化学的进展土壤中有机污染物的前处理技术和各种痕量分析的仪器手段日益成熟为分析土壤中有机污染物的环境背景值提供了基础。当前土壤中有机污染物不可逆解吸部分的生物可利用性研究是环境有机化学领域的一大热点对于这一问题理解的不断深入也为受到POPs污染土壤的自净能力研究提供了背景知识。
1.2 生态修复过程
应首先对污染土壤生态系统进行全面分析评估POPs的生态风险和污染土壤的自净能力根据国际公约、国家法律、法规和政策制定若干个备选方案然后从技术可行性、经济性和修复安全三个角度进行综合考虑确定实施方案。在实施过程中应对修复过程进行监控修复完毕后采用生态毒理与化学分析手段对修复的安全性进行评价以确保修复安全。
生态修复的实施过程见图1。
图1 生态修复的实施过程
Fig.1 Worksheetofeco2remediation
修复措施不当会使污染物产生扩散带来新的风险特别是对于POPs物质导致的土壤污染的修复就更应该慎重应将修复目标和修复安全紧密结合避免因为修复产生新的环境风险。
1.2.1 确立修复目标
进行修复前应对污染区域进行调查和分析首先确定是否存在环境风险以及危险程度其次对POPs的种类、污染程度和存在方式污染土壤和各种环境因子进行研究。前者可通过污染土壤诊断的方法体系进行后者以化学分析和生态学研究相关方法进行。通过调查掌握了POPs污染土壤生态系统的背景条件这是确定修复目标的前提。
确立修复目标对修复工艺的选择、修复消耗的资源和时间都有重要的影响确立依据主要是污染修复标准。由于我国还未建立起各种土壤污染物的修复标准一般所指的修复标准是指土壤环境质量标准但欧洲和美国的一些地方已建立了部分污染物的土壤修复标准。污染土壤修复标准是指被技术和法规所确立、确认的土壤清洁水平通过土壤修复或利用各种清洁技术手段使土壤环境中污染物的浓度降低到对人体健康和生态系统不构成威胁的技术和法规可接受的水平。
我国于1995年颁布的GB1561821995标准仅规定了DDT、HCH两项有机污染物指标对当前影响人类和生态系统健康的许多“新型”有机污染物并未涉及如PCBs、PAHs等。中国各地气候类型多样土壤性质差异甚大因而POPs进入土壤后的行为和生态环境效应也有较大不同故以同一种标准来判定修复后的土壤是否达到修复目标并不合理。所以应尽快将对人类和生态系统健康有严重危害的POPs污染物列入土壤环境质量标准之中且根据行政区划或土壤类型建立相应的地方标准或子标准或者以POPs污染物在土壤中的生物可利用部分而不是总量作为标准。
1.2.2 生态修复过程控制
生态修复是建立在生物对土壤污染物产生有效作用的基础上因此外界条件如低温厌氧条件营养物质等对生物发挥这种有效作用有重要影响。此外在修复过程中有机污染物的不完全降解和次生污染是客观存在并可能产生更加有毒的物质因此也对这种作用产生影响。所以对修复过程的控制可分为两个方面:一是对修复过程中有效生物作用因子变化的监控二是对修复过程中POPs及中间产物的监控。
分子生物学的发展对修复过程中生物作用因子的变化提供了新的工具和视野。早期利用DNA探针现在普遍将多种分子生物学手段16SrDNA扩增片断核苷酸序列分析、16SrRNA间隔翻译区核苷酸序列分析技术、ARDRA扩增性rDNA限制性酶切片段多态性分析技术、TRELP末端限制性片段长度多态性技术和DGGE变性梯度电泳技术单独或结合使用用于修复过程污染区域微生物分类鉴定和多样性分析有毒有机污染物作用下的微生物分子变异、微生物种群变异等方面的研究。
新型色谱和质谱技术、核磁共振技术、手性环境化学以及碳和氮稳定同位素技术等分析手段的不断进步使得对修复过程中POPs及其中间产物的监控变得更加精确和易于操作能够及时发现其存在的问题以便调整。通过以上化学和生物手段的综合使用可生态修复过程处于安全、有效和可控的范围之内。
1.2.3 修复结果评估
目前土壤污染的修复终点通常以目标污染物的减少为判断标准但这种以化学分析为主的判定方式往往不能全面科学的表征土壤环境质量且由于POPs及其代谢产物的危害性和复杂性使得这种简单的修复终点判定方式存在较多缺陷。将化学分析手段与土壤生态毒理诊断相结合可能是今后修复终点判定的主要方法。
(1)修复效果的评估———项目分析
效果分析主要是对修复效率、经济效率和工艺可靠性进行评价可利用一些管理工程的方法进行评估。在西方发达国家对POPs污染土壤修复逐渐形成一定规模商业市场如在2000年加拿大的PCBs处理的市场规模约为3～6亿加拿大元。西方的一些环境工程公司在实施此类项目时通常都有严格的项目分析和实施流程并且背后都体现了严格的质量控制体系这些都值得我国开展POPs污染土壤修复时进行借鉴。
(2)修复的安全评估———生态毒理诊断
生态毒理诊断主要是针对修复结果的安全评价通常采用有代表意义的生物如河流湖泊中采用鱼和微型动物近海采用贝类土壤中采用蚯蚓和植物等。生态毒理分析可在修复结束后一段时间内多点、多次进行也有结合多种生态毒理技术进行综合评价亦有将生态毒理实验与化学分析结合起来。
需要注意的是即使修复达到目标修复结果可能仍然是不安全的。Meier报道了一个受到重度PCBs污染的区域使用溶剂萃取技术将土壤中的PCBs含量降低了99达到了修复目标使用蚯蚓和植物进行生态毒理评价发现:修复前后对于蚯蚓的生殖毒性变化不大修复后植物毒性和遗传毒性则更大原因可能是残余的有机溶剂、重金属和原有污染物一起造成的作者认为在危险废物修复评估中进行生态毒理诊断是必需的因为它能够说明修复过程带来改变的潜在的不利影响。
2 生态修复过程中的关键问题———耦合
沈德中认为生物修复必须遵循3个原则:适合的微生物、适合地点和适合的环境条件。这3个原则既表明了生物修复的要素又表明了生物修复的局限性，适合地点和适合的环境条件是生物修复发挥其作用的前提。生态修复从方法论角度而言反映的是一种系统修复观，因而必须从土壤生态系统的角度分析和考虑修复问题，强调将以土壤生态系统的自净能力为基础，理化技术和生物技术之间或生物技术之间进行“组装”，并在污染区域的环境条件下，将这种“组装”效益发挥的最大。本文提出了以耦合概念表征这种“组装”并对生态修复中的耦合过程和耦合策略进行了分析。
2.1 耦合概述
耦合couple本是物理学的一个概念指两个或两上以上的系统或运动方式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象是在各子系统间的良性互动下相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联关系。目前耦合概念的应用已不局限于物理学科在恢复生态学、景观生态学和农业生态学等领域耦合常用来表示生态系统之间生态系统各子系统之间生态系统某些组分之间以及生态系统某些组分与环境要素之间的相互作用机制。
国外对受到卤代芳烃类化合物污染的土壤和地下水研究中发现经过化学处理后这些污染物减轻了毒性增加了生物可处理性因而在化学处理后增加了生物处理部分。在英文文献中通常使用couple和combine两个词表示两种工艺的有机结合couple英文直译即为耦合。对于PCBs污染土壤采用堆腐技术能够去除1～3氯原子取代的PCBs对于大于4个氯取代的PCBs作者认为应coupling其它修复技术才能有效去除22。国内废水处理、土壤污染修复方面的论文中也有明确的耦合提法。
生态修复过程中土壤中的有机质、粘土矿物本身参与土壤生态系统的各种物理、化学和生物过程这些过程之间也存在相互作用且这些作用影响着生态修复的诸多环节。因此在修复中必须加以考虑甚至利用这样一些作用达到修复目的。所以在生态修复中使用耦合比联合更能反映生态修复的内涵。
2.2 耦合原则
POPs的理化性质和在土壤中的存在状态对生态修复策略的选择有重要影响。POPs为憎水性难生物降解物质通常对生物有毒在土壤中易被有机质所吸附处于吸附态的POPs随着吸附时间的增加不可逆解吸部分增加因而生物可利用性降低成为所谓的“老化”态26。这也就增加了修复的难度因此耦合多种手段解决问题十分必要。如何使耦合技术发挥作用可考虑如下原则:①首先将POPs转变为较易生物降解的物质或者降低其毒性然后进行生物降解②在修复区域中创造有利于生物因子发挥作用的条件③提高其在土壤介质中POPs的生物可利用性④利用基因工程和细胞工程技术创造出具备新的代谢途径途径的“超级微生物”。
2.3 耦合策略
一些研究证明采用正确的修复策略能够有效修复POPs污染土壤。对一个由降解菌植物和蚯蚓组成的PCBs污染土壤修复系统的研究表明:与对照组相比加蚯蚓组的PCBs去除率有一定提高蚯蚓的一些作用如均匀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结构都被认为是有助于PCBs降解PCBs的去除是多种因素共同作用的结果。在实验室条件下用取自美国纽约、新泽西等地的PCBs污染沉积物进行模拟自然降解研究5个月后有40的PCBs消失结果显示定期耕作能够产生明显的效果但导致PCBs去除的原因无法确定作者推测是光解、挥发、生物降解共同作用的结果而非单一因素。
2.3.1 非生物因子-生物因子之间的耦合
Shimura的研究表明UV辐射结合微生物处理能够完全降解PCBs首先通过UV辐射将在甲醇中的绝大多数高氯代的PCBs降解为平均低于3个氯取代的PCBs然后用一种PCBs降解菌在一周内可将PCBs几乎完全降解。用表面活性剂POL淋洗PCBs污染土壤添加1的POL可去除70的PCBs在淋洗液中加入两种能以POL为共代谢基质PCBs的降解菌经过12d的降解可去除90表面活性剂和35的PCBs剩余的PCBs用硅藻土等吸附材料可去除90%。
一些学者在运用PRB进行难降解有机物修复中发现一些土著菌能够在PRB修复系统的铁表面定居形成Microbial2Fe0系统该系统在处理一些难降解污染物RDX、氯有机溶剂、硝酸盐和铬污染方面表现出巨大潜力。
2.3.2 生物因子之间的耦合
(1)厌氧-好氧微生物
起始浓度为59mg/g的高氯代PCBs混合物Aroclor1260污染的土壤经过4个月厌氧处理然后再经过28d的好氧处理PCBs的浓度降为20μg/g36。用过氧化氢加入沉积物创造的有氧环境诱导产生PCBs的好氧降解菌在96d的实验期间好氧降解菌的量逐渐增加PCBs的浓度由135mg/g下降至20mg/g这表明具有脱氯现象的厌氧沉积物似乎拥有土著的厌氧脱氯和好氧降解PCBs两种能力的菌。上述两项研究都支持了通过厌氧2好氧方式原位修复PCBs污染点的可能性。使用一个可限制供氧的颗粒生物膜反应器通过供氧方式形成偶联的厌氧2好氧环境并与特定厌氧还原和好氧降解微生物相结合该反应器能够将Aroclor1242几乎完全矿化。
(2)植物-微生物
将降解菌导入植物根区是一种非常有前景的原位修复策略。由于根区空间、温度的不均匀性一些降解菌处于“饥饿”状态只有一部分保持活力所以这种策略应用的前提是在根区形成有竞争力的稳定降解菌群这样才能有效降解污染物39。Dutta研究了一种豆科植物苜蓿与混合降解菌系对于PCBs污染土壤的修复在较高浓度PCBs条件下存在豆科植物的修复效果更好混合降解菌的修复效果要好于单一降解菌所以豆科植物耦合土著混合降解菌是修复PCBs污染土壤的有效策略。
Leigh等研究了一种桑Morussp.根部的酚类分泌物在植物生长过程中的变化情况并证实其中的3种黄酮类物质可作为一种PCBs降解菌的生长基质41。使用一种可分泌类黄酮的植物与PCBs降解耦合的修复效果优于两者单独使用植物的存在增加了供氧提高了降解菌的有效分布改变了土壤微生物的原有构成。
(3)动物-微生物
Luepromchai研究了PCBs污染土壤修复过程中的蚯蚓和降解菌的相互作用降解菌或蚯蚓单独作用只能去除3cm土层的PCBs两者共同作用可去除9cm土层的PCBs添加蚯蚓组还观察到降解菌和土著降解菌数量以及降解基因bphA和bphC含量的增加可能的原因在于蚯蚓通过改善土壤环境条件促进了降解微生物的生长和有效分布。
2.3.3 细胞及基因工程耦合技术
把蒽高效降解菌和生物表面活性剂产生菌绿假单胞菌Pseudomonasaerugiosa分别与增强型绿色荧光蛋白EGFP标记的黄麻根际优势菌进行原生质体电融合再将得到的融合子定殖回黄麻根际土壤形成产表面活性剂和对蒽具有高效降解能力且在根际旺盛生长的耦合系统绿假单胞菌产生的生物表面活性剂进一步提高了降解菌对蒽的降解。
2.4 耦合方式
2.4.1 阶段耦合Hess研究了改性Fenten试剂和微生物耦合处理水溶液中的TNT
