湖泊沉積物中多環(huán)芳烴生物降解及其影響因素
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張海晨 晏再生 江和龍 楊明忠 吳慧芳
（1．南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京211816：
2．中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210008）
摘要：多環(huán)芳烴( PAHs)是環(huán)境中廣泛存在的一類持久性有機(jī)污染物，隨著環(huán)境中PAHs污染的加劇，湖泊沉積物中PAHs含量呈逐年增加的趨勢(shì)，對(duì)湖泊環(huán)境造成了潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。生物降解在PAHs的遷移轉(zhuǎn)化、自然分解甚至最終從環(huán)境中消失的過程中占有重要的地位，是沉積物中PAHs去除最主要的途徑。在介紹國內(nèi)外湖泊沉積物中多環(huán)芳烴污染分布與污染程度的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了影響沉積物中多環(huán)芳烴生物降解的主要因素：溶解氧、溫度、電子受體、電子供體以及降解PAHs的微生物，并探討了不同因素下PAHs的降解特征及其強(qiáng)化生物降解過程中存在的問題，最后對(duì)其今后的研究方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：多環(huán)芳烴；生物降解；沉積物；影響因素
多環(huán)芳烴( PAHs)是環(huán)境中廣泛存在的一類持久性有機(jī)污染物，主要來源于人類活動(dòng)和能源利用過程，通過地面徑流、污水排放及機(jī)動(dòng)車輛等燃料不完全燃燒后的廢氣隨大氣顆粒的沉降進(jìn)入湖泊等水體。進(jìn)入水體中的PAHs在水相和顆粒物之間進(jìn)行分配。被顆粒物吸附的PAHs將沉降于湖泊沉積物中，并逐漸在沉積物中大量積累，高濃度的PAHs存在極大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。湖泊沉積物中多環(huán)芳烴的歸宿主要包括揮發(fā)、光氧化、生物積累、沉積物吸附及生物降解等。其中，生物降解在PAHs的遷移轉(zhuǎn)化、自然分解甚至最終從環(huán)境中消失的過程中占有重要的地位，是沉積物中PAHs去除最主要的途徑。然而，因PAHs具有疏水性、親脂性以及致畸、致癌、致突變等特點(diǎn)，且隨著苯環(huán)數(shù)的增加，其親脂性、遺傳毒性以及致癌性增強(qiáng)，導(dǎo)致PAHs抵制微生物分解，長(zhǎng)時(shí)間滯留于環(huán)境中。因此，深入研究湖泊沉積物中多環(huán)芳烴的降解特征及影響因素有助于預(yù)測(cè)湖泊沉積物中PAHs降解與蓄積速率以及開發(fā)原位生物調(diào)控措施以降低其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為受損湖泊生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和有效地開展污染環(huán)境生物修復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。
1湖泊沉積物中多環(huán)芳烴的污染特征
近年來，隨著環(huán)境中PAHs污染加劇，關(guān)于湖泊表層沉積物中PAHs的污染狀況和污染特征國內(nèi)外均有相關(guān)報(bào)道（如表1）。我國學(xué)者對(duì)南四湖、紅楓湖、太湖、巢湖、滇池及洱海等淺水湖泊沉積物中PAHs含量、分布及污染狀況進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國主要淡水湖泊PAHs含量均較高，特別是洱海表層沉積物中PAHs含量達(dá)到31 900—269 000 ng/g，為我國沉積物中PAHs最高值。研究還發(fā)現(xiàn)太湖全湖區(qū)域PAHs含量呈逐年增加趨勢(shì)，其中以梅梁灣污染尤為突出。此外，我國湖泊沉積物中還以潛在致癌性的高環(huán)PAHs占主導(dǎo)。國外對(duì)沉積物中PAHs研究表明不同地區(qū)沉積物中PAHs濃度差別較大，發(fā)達(dá)地區(qū)PAHs污染普遍嚴(yán)重，這與發(fā)達(dá)地區(qū)工業(yè)發(fā)展存在一定關(guān)系。與國外沉積物中PAHs污染相比較，我國湖泊沉積物中PAHs污染狀況仍在加重，污染程度呈上升發(fā)展的態(tài)勢(shì)。潛在的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)表明這些區(qū)域中的PAHs污染可能會(huì)對(duì)水環(huán)境及生物產(chǎn)生負(fù)面影響，威脅到人類的健康。因此，有效地控制和修復(fù)湖泊沉積物中PAHs污染顯得尤為重要和緊迫。籍此，深入探討影響湖泊沉積物中PAHs生物降解的主要因素。
2影響湖泊沉積物中PAHs生物降解的主要因素
對(duì)沉積物中PAHs生物降解的影響因素的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：溶解氧、溫度、電子受體、電子供體以及降解PAHs的微生物。
2.1溶解氧和溫度
影響沉積物中PAHs生物降解的主要的環(huán)境因子包括溶解氧、溫度。
溶解氧水平是限制微生物生長(zhǎng)代謝的主要因素之一，微生物降解有機(jī)物的過程就是對(duì)氧的利用過程。一般情況下，淡水沉積物的表層是好氧層，隨著深度增加存在著大量缺氧或厭氧區(qū)域。沉積物中PAHs首先進(jìn)行好氧降解；在厭氧條件下，PAHs的自然降解是一個(gè)極其緩慢的過程，厭氧條件下沉積物中PAHs的降解速率比好氧條件下低1—2個(gè)數(shù)量級(jí)，高分子量PAHs降解尤其緩慢，必須依靠可以利用的其它電子受體（Fe3、N0.3、S042-等）才能夠順利進(jìn)行。Boyd等指出控制底層上覆水溶解氧達(dá)到飽和溶解氧的70%以上將對(duì)表面沉積物中PAHs的生物降解起到極大的促進(jìn)作用，這一措施可能會(huì)限制與溫度有關(guān)的異氧細(xì)菌的產(chǎn)生，但是會(huì)優(yōu)先促進(jìn)PAHs的降解。
溫度對(duì)PAHs生物降解的影響主要表現(xiàn)在其對(duì)PAHs的理化性質(zhì)、化學(xué)組成、微生物對(duì)PAHs的代謝以及微生物群落結(jié)構(gòu)等的影響。大多數(shù)微生物在中溫環(huán)境下活性較強(qiáng)，在低溫或高溫環(huán)境下活性降低。Mohn等研究表明盡管在20—30℃溫度范圍內(nèi)PAHs生物降解效率更高，這一過程仍能在低于5℃的低溫環(huán)境中持續(xù)進(jìn)行。低溫條件對(duì)PAHs生物降解的影響主要表現(xiàn)為其在水體中擴(kuò)散速率、溶解度、生物有效性的降低，同時(shí)微生物的代謝作用減緩。然而，PAHs降解菌能夠存在于絕大部分生態(tài)系統(tǒng)中，包括一些氣候嚴(yán)寒的湖泊沉積物中，PAHs生物降解過程正是由這些降解菌來完成。研究表明，在5—45℃溫度范圍內(nèi)每升高10℃，PAHs在水一沉積物間的分配系數(shù)減小20%—30%，促進(jìn)了PAHs溶解于水體中。在30—40℃范圍內(nèi)，高溫能促進(jìn)PAHs的代謝。但是超過這個(gè)范圍，PAHs的膜毒性將會(huì)增高。在湖泊修復(fù)過程中，溫度為不可控因素，設(shè)計(jì)實(shí)際方案時(shí)應(yīng)充分考慮環(huán)境溫度對(duì)PAHs生物降解的影響。
2.2不同電子受體
在沉積物PAHs的生物降解過程中，大部分區(qū)域?yàn)槿毖趸騾捬鯀^(qū)域。在好氧生物修復(fù)系統(tǒng)中，通常需要加入曝氣系統(tǒng)，機(jī)械曝氣的成本較高，且曝氣將導(dǎo)致沉積物的再懸浮及沉積物中多余養(yǎng)分的釋放，所以單純地通過曝氣進(jìn)行污染沉積物的好氧生物修復(fù)存在缺陷。因此，研究厭氧狀態(tài)下沉積物中PAHs的降解過程及機(jī)理才是解決湖泊PAHs污染的可行途徑。
2.2.1反硝化作用
硝酸鹽代替氧作為電子受體已經(jīng)被廣泛證明能夠使PAHs被厭氧微生物降解，由于不用機(jī)械曝氣且硝酸鹽（如硝酸鈣等）價(jià)格便宜、容易獲得，所以處理成本也相應(yīng)較低。同時(shí)，在降解PAHs的過程中也促進(jìn)了湖泊中氮的去除，研究結(jié)合了持久性有機(jī)污染物和富營(yíng)養(yǎng)化兩大環(huán)境問題，因此具有較好的應(yīng)用前景。目前大量的研究應(yīng)用硝酸鹽進(jìn)行湖泊沉積物的生物修復(fù)（如表2所示），低分子量的多環(huán)芳烴在硝酸鹽還原條件下的降解效果得到了廣泛認(rèn)可。Rockne等首次展示了通過純培養(yǎng)方式進(jìn)行依賴硝酸鹽作為電子受體的PAHs降解，發(fā)現(xiàn)在反硝化條件下萘的降解率大幅變化，從每天7.3 ug/L到1 434ug/L。王英等研究了反硝化條件下含水層沉積物中蒽的降解過程，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過180 d的培養(yǎng)后，蒽基本完全降解，同時(shí)指出沉積物中的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，而蒽的降解率的變化可能與之有直接聯(lián)系。然而，硝酸鹽作為可溶性電子受體，添加到湖泊生態(tài)系統(tǒng)中易于流失，導(dǎo)致硝酸鹽還原在實(shí)際應(yīng)用過程中存在持續(xù)時(shí)間短，不能取得長(zhǎng)期穩(wěn)定治理效果的問題，因此，探索適用于反硝化作用的湖泊環(huán)境，使得其能延長(zhǎng)治理穩(wěn)定性應(yīng)成為反硝化作用促進(jìn)多環(huán)芳烴生物降解研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。
2.2.2硫酸鹽還原條件
硫酸鹽還原條件下厭氧降解多環(huán)芳烴的可行性已經(jīng)在許多調(diào)查中被證明。硫酸鹽主要存在于海洋沉積物中，在湖泊沉積物中的硫酸鹽含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硝酸鹽的含量，因此利用硫酸鹽作為電子受體降解湖泊沉積物中PAHs的研究較少。然而在一些污水處理研究中發(fā)現(xiàn)盡管硝酸鹽的氧化還原電位遠(yuǎn)高于硫酸鹽，硫酸鹽還原條件下PAHs的降解率比硝酸鹽還原條件下要高10倍。Chang等比較了厭氧降解紅樹林沉積物中PAHs在硫酸鹽還原、硝酸鹽還原和產(chǎn)甲烷條件下的降解速率，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原條件>產(chǎn)甲烷條件>硝酸鹽還原條件。研究還表明硫酸鹽還原菌是降解多環(huán)芳烴（二環(huán)到四環(huán)）中一個(gè)主要的微生物菌屬。因此，深入研究硫酸鹽作為電子受體降解湖泊沉積物中PAHs的機(jī)理對(duì)受污染湖泊的生態(tài)修復(fù)具有指導(dǎo)意義。
2.2.3其他氧化還原條件 ，
同樣，金屬離子還原比如Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅱ)等在PAHs降解過程中發(fā)揮了重要的作用。已有的研究表明向受污染的沉積物中添加無定型鐵( FeOOH)明顯促進(jìn)了沉積物中PAHs的降解。然而，也有研究表明Fe(Ⅲ)的添加對(duì)紅樹林沉積物中PAHs的降解沒有顯著影響。在研究過程中還發(fā)現(xiàn)無定型鐵(FeOOH)添加到淡水沉積物中改善了沉積物中高分子量PAHs芘的降解，而通過沉積物微生物燃料電池(SMFC)和無定型鐵(FeOOH)組合工藝顯著促進(jìn)了微生物對(duì)菲和芘的厭氧降解，經(jīng)過240 d的培養(yǎng)后，使得菲、芘的去除率分別為( 99.47+0.15)%和(94.79±0.63)%。
此外，沉積物中微生物要利用離子作為電子受體必須要解決離子在pH為中性的水體中溶解度過低的問題。例如，中性pH的飽和的Fe(OH)。溶液中可溶性的Fe(Ⅲ)只有大約10~19Ⅱi01／L。因此，F(xiàn)e(Ⅲ)溶解度過低難以被利用，Ramsay等指出pH是影響Fe(Ⅲ)條件下PAHs礦化作用的主要因素，在Fe(Ⅲ) 條件下萘的礦化度為174—292 ug/(L -d)，低于硝酸鹽還原條件下的301—552 ug/(L -d)和硫酸鹽還原條件下的221—320 ug/(L -d)。
添加不同電子受體是湖泊沉積物中多環(huán)芳烴污染治理的常見手段，不同電子受體適用的湖泊環(huán)境及促進(jìn)效果各不相同，然而單一添加電子受體有時(shí)達(dá)不到預(yù)期效果。因此，深入拓展其他手段與其聯(lián)用將有廣闊發(fā)展前景，如與沉積物微生物燃料電池( SMFC)技術(shù)、植物修復(fù)等聯(lián)合使用。
2.3 不同電子供體
電子供體，比如小分子有機(jī)酸、酵母提取物、天然有機(jī)質(zhì)、植物根系分泌物等有機(jī)物質(zhì)常作為共基質(zhì)，研究它們對(duì)PAHs生物降解的影響。一般而言，容易降解的共基質(zhì)可以增加降解細(xì)菌的總數(shù)，從而增強(qiáng)生物修復(fù)。此外，共基質(zhì)也可以改變沉積物C/N比例，有利于微生物增長(zhǎng)，增加參與降解PAHs及其中間體的酶活性。然而，已有的研究也發(fā)現(xiàn)電子供體的投加導(dǎo)致了沉積物中異氧菌的數(shù)量增加，抑制了PAHs降解菌的數(shù)量，從而影響沉積物中PAHs的降解。Yan等通過室內(nèi)模擬天然有機(jī)質(zhì)進(jìn)入到湖泊沉積物對(duì)芘和苯并(a)芘降解的影響，結(jié)果表明，藻源性有機(jī)質(zhì)顯著加快了芘和苯并(a)芘的降解，而植物來源有機(jī)質(zhì)阻礙了芘和苯并(a)芘的降解。腐殖質(zhì)對(duì)PAHs降解的影響比較復(fù)雜，取決于沉積物中腐殖酸量和環(huán)境條件，腐殖酸在堿性環(huán)境中對(duì)PAHs降解的促進(jìn)作用要顯著優(yōu)于中性環(huán)境。
因此，添加電子供體的共基質(zhì)作用通過促進(jìn)微生物代謝活性或降解底物的降解來提高生物降解效率，這一過程中提高了PAHs的生物可利用性。然而，生物可利用性提高增強(qiáng)生物降解效率的同時(shí)還會(huì)增加相應(yīng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，包括加速PAHs從沉積物中釋放到水體中的速率或產(chǎn)生毒性中間代謝產(chǎn)物等。因此，選用電子供體作為多環(huán)芳烴生物修復(fù)手段時(shí)應(yīng)充分考慮環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。
2.4降解PAHs的微生物
常見的降解PAHs微生物有假單胞菌屬（Pseu -domonas）、分枝桿菌（Mycobacterium）、紅球菌屬（Rhodococcus）、芽胞桿菌（Bacillus）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、氣單胞菌屬(Aeromonas)、副球菌屬（Paracoccus sp.）、棒狀桿菌屬（Corynebacterium）、藍(lán)細(xì)菌（Cyanobacteria）等；真菌也具有降解PAHs的能力，研究較多的是白腐真菌(White rot fungi)；有些藻類也能降解PAHs。其中，分支桿菌屬（Mycobac-terium）是常見的對(duì)芘的降解具有較好促進(jìn)作用的菌屬。Hiroshi等從污染土壤中分離得到分支桿菌屬菌株MHP-1，其培養(yǎng)7d對(duì)芘的降解達(dá)到50%。Luo等發(fā)現(xiàn)分支桿菌屬菌株Al-PYR能夠與藻類能夠共同作用促進(jìn)芘的生物降解，降解過程中細(xì)菌降解芘能夠減輕芘對(duì)藻類的毒性，降解中間代謝產(chǎn)物能夠?yàn)樵孱惿L(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)，而藻類又能促進(jìn)菌的生長(zhǎng)，為芘污染環(huán)境提供了一種新的修復(fù)手段。此外，毛健等從污染土壤中分離得到副球菌屬菌株HPD-2，在3.0 mg/L的苯并(a)芘(BaP)培養(yǎng)基中經(jīng)5d培養(yǎng)BaP的降解率為89.7%。同時(shí)，該菌株與芘和熒蒽培養(yǎng)7d后的降解率分別為47.2%和84.5%。周樂等從石化廠排污口土壤中分離得到一株芽孢桿菌FlOa，在菲(50 mg/L)的條件下，28℃振蕩培養(yǎng)27 h，菲的降解率達(dá)到98 .12%；靜置培養(yǎng)84 h，菲的降解率達(dá)到98.47%。
研究還發(fā)現(xiàn)，低環(huán)PAHs比高環(huán)PAHs更易引起微生物群落結(jié)構(gòu)的改變，以適應(yīng)PAHs污染脅迫，不同微生物菌種會(huì)選擇適應(yīng)不同PAHs的污染脅迫，從而逐漸成為該種污染體系中的優(yōu)勢(shì)菌群。對(duì)于易受PAHs污染的湖泊、河流沉積物體系中同樣存在大量微生物資源，其中不乏經(jīng)過PAHs污染長(zhǎng)期馴化的PAHs降解菌，目前從湖泊沉積物中分離得到PAHs降解菌，尤其是降解高分子量PAHs的微生物資源非常有限。近年來湖泊PAHs污染加劇，越來越多的多環(huán)芳烴降解菌被人們從湖泊或淡水沉積物環(huán)境中分離鑒定出來（表3），為PAHs的強(qiáng)化生物降解提供了高效途徑。
3研究展望
生物降解是環(huán)境中PAHs去除的主要途徑，是PAHs原位生物修復(fù)的主要過程。深入研究PAHs生物降解機(jī)制及其影響因素是成功應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)的前提。有關(guān)低分子量PAHs的好氧生物降解已得到廣泛的關(guān)注和研究，但以下幾方面的研究有待于進(jìn)一步深入。
(1)厭氧條件下分離篩選新的PAHs降解菌，特別是能降解湖泊沉積物中四環(huán)和四環(huán)以上高分子量PAHs的降解菌。
(2)研究高分子量PAHs微生物降解過程中的共代謝機(jī)理，代謝途徑和降解過程的中間產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化，進(jìn)而深入研究某些降解中間產(chǎn)物對(duì)PAHs生物降解的影響。
(3)利用現(xiàn)代分子生物學(xué)手段（穩(wěn)定同位素核酸探針、基因芯片等技術(shù)），深入研究降解過程中主要功能微生物群落結(jié)構(gòu)變化，從而實(shí)現(xiàn)PAHs降解過程的調(diào)控機(jī)制研究。
