2024, Vol. 45
2. 天津博成瑞达环境科技发展有限公司, 天津 300202
, YANG Xue-chun2 , WANG Yan-fang2 , LI Tian1
, ZHANG Xiao-lin1 , GAO Ou-ye2 , ZHOU Qi-xing1
2. Tianjin Bocheng Ruida Environmental Technology Development Co., Ltd., Tianjin 300202, China
随着经济和工业的快速发展及城市化规模的扩大, 大量污染物被排放至土壤和沉积物中, 超过系统自净能力和容量, 对人类生存和生态系统造成不利影响[1].其中, 石油会在勘探、开采、炼制、贮运及使用过程中进入环境, 并因其分布广泛、成分复杂和危害性大而成为主要关注污染物[2].石油污染会破坏土壤和沉积物的结构和组成, 影响生物生长, 引起微生物群落变化, 同时还会在生物体内积累, 通过食物网传递, 危害人体健康[3].土壤和沉积物不仅是石油的“汇”, 也是其他环境介质污染的“源”, 石油在以上介质中不仅会积累迁移, 而且部分组分还会扩散进入大气或通过地表径流、渗流、淋溶等作用向地表水和深层土壤乃至地下水中迁移扩散[4].因此, 石油污染土壤和沉积物的修复和治理势在必行.
传统的物理化学修复技术由于高成本、操作困难及二次污染等问题, 难以满足现阶段需求.生物修复技术因其经济高效、对环境扰动性低和无二次污染等优点而被广泛应用于石油烃的去除, 但仍存在电子受体匮乏、修复周期长等问题[5].此外, 不断增加的人类活动已经对生态环境的可持续发展构成了严重威胁, 单纯的污染环境控制已不足以防止生态系统的逆生态化[6].因此, 需要实施有针对性的生态修复手段, 以逐步恢复受损的生态系统, 同时避免次生环境问题的发生, 并朝着良性循环的方向发展.
生态修复是在生态学原理指导下, 以生物修复为基础, 结合物理修复、化学修复、工程技术措施与环境因子, 通过优化组合和技术再造, 最大限度激活生态系统的自净功能, 以最低成本达到最佳效果的综合污染环境修复方法[7].生态修复能够恢复和强化土壤和沉积物保护、维持大气与水质量、动植物生产力与多样性、人类健康与良好居住环境的能力, 进而实现土壤健康和沉积物健康, 被视为现阶段石油污染土壤和沉积物修复中最具潜力且符合现阶段发展目标的方法[8].基于此, 本研究对生态修复中起核心作用的生物修复的微观机制进行了梳理, 总结了现阶段应用较为广泛的生物修复技术, 概括了生物修复对生态系统的宏观意义, 同时分析了生物修复向生态修复转变的必要性, 最后对发展方向进行了总结展望, 以期推动土壤和沉积物修复领域实现减污降碳协同增效发展目标.
1 生物修复微观机制生物修复是指利用细菌和真菌等微生物、蚯蚓等动物以及植物, 通过改变污染物的化学物理特性而影响其在环境中的迁移、转化和降解速率, 最终实现土壤和沉积物修复[5].
1.1 微生物修复微观机制石油烃进入土壤或沉积物后, 大多数都能够被微生物或微生物菌群作为碳源和能量来源而利用, 从而减弱了其自身毒性对周围生态环境的影响[9].微生物修复技术则是利用该原理, 通过微生物的一系列酶促反应, 将石油烃降解为无毒且简单的小分子化合物[10].微生物对石油烃类污染物代谢和降解机制多种多样, 但基本途径为：①吸附, 该过程是通过利用微生物摄取必要营养元素的需求对污染物中的有用物质进行吸附, 使石油烃类物质吸附于微生物细胞膜上；②转运, 指微生物通过细胞膜的跨膜运输作用将石油烃传递至胞内；③降解, 主要是微生物利用体内各种酶（如加氧酶、过氧化物酶、还原酶、羟化酶和脱氢酶等）进行代谢反应, 通过氧化、水解、烷基化和去烷基化等方式将石油烃转化为二氧化碳、水和脂肪酸等无毒副产物.此外, 微生物还会通过代谢活动产生有机酸和表面活性剂, 降低部分石油烃的表面和界面张力, 从而提高石油烃的生物利用度, 增强生物的降解能力[11 ~ 13].
根据氧气的参与程度, 微生物降解主要分为好氧降解和厌氧降解（图 1）.
|
图 1 微生物修复微观机制示意 Fig. 1 Schematic of microbial remediation mechanisms |
在好氧降解过程中, 氧作为最终电子受体, 其活化和结合是加氧酶和过氧化物酶催化的关键酶促反应[14].微生物去除烷烃的常见途径包括末端氧化和次末端氧化, 不同的氧化方式在碳链上的不同位置进行, 最终形成醇、醛、酸和辅酶A等物质（图 2）[15].目前微生物对烷烃的降解效率可达70%以上, 其降解率主要取决于烷烃的分子量及分子结构, 烷烃的降解率会随着链长的增加而降低, 与正构烷烃相比, 支链越多的异构烷烃越难被微生物降解和氧化[14].烯烃的降解则主要通过末端加氧酶、亚末端加氧酶、双键氧化为相应的环氧化物和双键氧合为相应的二醇等途径[16].环烷烃在降解过程中, 首先会通过氧化酶系统转化为环状醇并脱氢为酮, 之后进一步氧化为酯, 随后在单加氧酶和水解酶的作用下氧化开环, 最后被氧化分解为水和二氧化碳（图 2）[14].在环烷烃降解过程中, 很少有微生物能将其作为唯一的碳源和能源, 因此单一微生物对环烷烃的降解效率很低, 通常通过共代谢或构建共生系统而实现[14].芳烃包括苯的衍生物和以萘为代表的多环芳烃, 其可生物降解性低于不饱和烃[17].最初的氧化攻击和苯环的裂解是降解芳烃的关键步骤[18].在有氧降解过程中, 苯会在加氧酶和脱氢酶的催化下产生邻苯二酚, 之后通过β-KAP途径生成β-邻苯二酚, 产物通过氧化和三羧酸循环最终矿化为二氧化碳和水[19].
|
图 2 微生物去除不同石油烃降解过程 Fig. 2 Microbial removal of different petroleum degradation processes |
石油烃厌氧降解的发展相较于好氧降解起步较晚.第一个被证明能够在严格缺氧条件下降解正构烷烃的厌氧菌是硫酸盐还原菌[20].芳香族化合物也能够通过厌氧代谢而被去除, 芳香族化合物首先被转化为酚类或有机酸, 然后转化为长链挥发性脂肪酸, 最终代谢为CH4和CO2[14].厌氧条件下微生物对石油烃去除效果取决于可用的电子受体和能量, 并且还需要具备对污染物进行降解的生化反应和酶[21].厌氧石油烃降解微生物大多都是反硝化菌、铁还原菌或硫酸盐还原菌[22].现阶段, 多种物质已经被证明能够在厌氧过程中充当电子受体, 例如NO3-、Fe2+及SO42-[23].石油烃厌氧降解的主要挑战是实际生物修复过程中电子受体的匮乏, 导致厌氧微生物生长受限, 石油烃的降解率降低.因此, 通常会在该过程中添加可用的电子受体, 或者通过构建混合微生物系统, 通过强化微生物之间的电子转移过程, 缓解石油厌氧降解受体不足的问题[24].
与细菌相比, 真菌对石油烃类污染物具有高度耐受性, 而且由于其高酶活性, 真菌已成为石油污染土壤和沉积物修复的另一手段[25].参与石油烃生物降解的真菌主要包括Ascomycota门和Basidiomycota门.真菌能够分泌漆酶、非特异性锰过氧化物酶、特异性锰过氧化物酶和木质素过氧化物酶等, 来分解代谢顽固的石油烃[26].例如, Aspergillus sp. RFC-1 w对原油、萘、菲和芘的生物降解效率分别能够达到52%、85%、50%和55%[27].
部分藻类也具有降解石油烃的能力, 可在去除石油烃的同时固定CO2, 而且生产的生物质可以制成各种生物产品或生物燃料.藻类对石油烃的去除机制主要包括吸附、生物积累、生物降解和光降解等[28].Chlorella vulgaris对石油烃的降解效率能够在14 d达到94%[29].
1.2 植物修复微观机制植物修复是利用植物及其根际微生物系统的物理、化学或生物过程以及它们之间的协同关系来吸收、挥发、转化、富集、降解或固定土壤和沉积物中的石油烃[30].植物根系释放的营养物质和氧气能够改善土壤和沉积物通气状况, 从而促进物质循环、增加微生物活性和丰度, 并在根际区重新建立生态系统, 最终提高修复效率[31].已发现的修复植物主要有豆科作物、油菜、芦苇、小麦、黑麦草、紫茉莉、苜蓿、樟树和栾树等[32].
石油污染土壤和沉积物的植物修复原理和机制见图 3.
|
图 3 植物修复微观机制示意 Fig. 3 Schematic of micro-mechanisms of phytoremediation |
污染物被植物根系吸收后, 会以不同形式在植物中代谢和运输, 转移至叶片后, 通过植物叶片或茎的表皮中的孔隙挥发到大气中（直接植物挥发）, 以上污染物也可以通过植物根系活动从土壤或沉积物中挥发（间接植物挥发）.该过程中污染物不会在植物中积累, 而是转化为毒性较小的挥发性形式后通过植物体作用转化为气态并释放到大气中, 该方法仅适用于挥发性化合物, 如三氯乙烯和萘[33].
1.2.2 植物降解污染物被植物根部吸收后, 可在植物组织的运输作用下, 参与植物体内新陈代谢以实现降解, 或通过植物根际释放的酶被间接降解[34].植物降解的前提是污染物必须被植物吸收或同化, 并在植物组织内转移.污染物的吸收取决于其溶解度、极性和疏水性, 而植物对污染物的吸收则取决于植物类型和土壤或沉积物的理化特征[35].
1.2.3 根际降解指在距离土壤或沉积物表面约1~3mm的根际区, 通过植物根部增强微生物活性来降解石油烃的过程, 该过程主要通过4种途径：首先是植物分泌的酶对污染物的直接降解；其次是植物根部的存在改变了介质性质, 进而提高了石油烃生物利用率；植物分泌的简单化合物还能够在生物降解中与污染物形成共代谢作用, 以促进污染物的去除；最后根际中的能量/养分流对生物具有一定刺激作用, 进而实现了石油污染物的高效去除[36].在植物根际, 植物和微生物之间的关系是复杂而互惠的, 植物根部与周围微生物的相互作用是去除石油烃的关键.植物根系为降解微生物提供了栖息地及生长所必需的营养物质[37].而微生物可以将污染物转化为植物可吸收和利用状态, 为植物生长提供营养并缓解污染物毒性等[36].植物根系还可以延伸到不同的土壤或沉积物层, 使降解微生物可在不混合的情况下进行分散, 从而扩大修复范围[38].
1.2.4 植物提取指植物根部在酶和蛋白质的作用下与石油烃结合, 并通过植物的输运作用迁移至植物体内, 永久积累[39].植物提取过程包括：植物引起的水文作用等使石油烃发生移动, 然后被植物根系吸收并转移, 最后是将石油烃固定和分隔在植物组织[40].
1.2.5 根际过滤指利用植物根系从受污染土壤和沉积物中收集、积累和沉淀有毒物质.与植物提取一样, 根际过滤会在植物内积累污染物.该过程中, 根系分泌物还可以改变环境pH值, 使植物根系附近的部分石油烃沉淀, 减少其向地下水的传输[41].理想的根过滤植物应该具有快速生长的根系, 并具有高生物量产量、发达的根系网络和对污染物的高耐受性[42].
1.2.6 植物稳定该过程是使用耐受性植物将污染物固定在土壤或沉积物中, 从而降低污染物流动性, 或将污染物转化为生物可利用性较低的状态, 以防止其迁移到地下水或大气[43].在稳定化过程中, 植物根系充当稳定剂, 并同相关的微生物相互作用进而减少石油烃在生态系统和食物链中的流动性, 以稳定根际或根部的有害污染物[34].
1.3 动物修复微观机制动物不仅能通过破碎、消化、吸收和代谢等作用直接达到土壤和沉积物修复的目的, 而且还能通过土壤通气、土壤疏松和有机质输入等过程间接改变土壤和沉积物的物理和化学性质, 实现石油烃的去除[44].此外, 动物不仅具有能够直接富集或处理污染物的作用, 还能够与微生物和植物共同富集或处理污染物.动物与微生物和植物之间的相互作用可以概括为3种：①通过直接取食微生物, 降低微生物生存空间竞争, 使其保持高活性状态[45]；②动物的分泌物刺激微生物和植物生长[38]；③动物的生命活动为微生物和植物提供适宜的生存和生长环境[46].现阶段, 动物修复技术相较于植物修复技术和微生物修复研究较少, 对不同动物修复石油污染土壤和沉积物的机制途径研究相对薄弱.
2 生物修复技术生物修复技术是基于生物学过程修复受污染土壤和沉积物, 通过利用和激发各种生物的生命代谢活动, 加速石油烃的吸收、降解、转化或稳定, 进而实现土壤或沉积物修复[47].
2.1 微生物修复技术微生物修复技术是通过人为方式增强功能微生物活性, 进而利用微生物代谢功能和酶促反应直接去除环境中的石油烃或通过改变环境理化性质而降低污染物毒性, 间接起到修复作用[48].微生物修复技术主要涉及自然降解、生物刺激以及生物强化等策略（图 4）.
|
图 4 常用石油污染土壤和沉积物修复技术 Fig. 4 Typical technologies for remediation of petroleum⁃contaminated soils and sediments |
自然降解是最简单的生物修复过程, 主要涉及土著微生物对石油烃的降解, 不受任何人为因素影响, 通常在污染程度较低的场地发生[49].当土壤或沉积物受到污染时, 微生物和微生物群落会根据环境变化进行调整, 土著降解微生物会迅速繁殖使其种类和丰度得到选择性富集, 以最快的速度适应外界环境的变化[50].有研究表明, 自然降解能够有效修复石油污染场地, 已被用于处理全球20%的石油污染土壤[51].对于污染较轻的环境, 与其他生物修复相比, 自然降解不仅对污染物具有较好处理效果, 而且无需人工干预, 具有一定经济效益[52].然而, 该技术通常会受到功能微生物匮乏、养分供应及缺少电子受体的限制[12].
2.1.2 生物刺激生物刺激是通过人为改变微生物生长环境, 加快土著降解微生物繁殖和生长并提高其活性和酶活性, 最终提高降解率[53].其主要优势为利用污染环境中原有土著微生物, 这类微生物在环境中具有较好的适用性和空间分布, 避免了与环境不相容及外来微生物引入破坏生态系统稳定的问题[54].基于工程可操作性、成本及修复效果等方面, 投加营养物质、电子受体、共代谢基质和生物表面活性剂被认为是最有效的手段[55].
土壤和沉积物中的C、N和P等营养物质是微生物新陈代谢过程中的物质基础, 石油烃的进入会改变营养物质组成, 影响微生物活性, 因此增加土壤或沉积物中营养物质的含量和/或调整营养物质的比例对污染物降解至关重要[48].在污染土壤中投加营养物质已经被证明能促进细胞生长、增强微生物活性, 加速微生物对污染物的降解.例如, 通过在石油污染土壤中施肥（含氮、磷和钾的营养物质）能够将石油烃降解效率从47%提升至62%[56].
电子受体的种类与数量能直接影响微生物活性及石油烃氧化还原过程[57].实际修复中, 最常用的电子受体是O2, 其存在能够加速石油烃降解微生物的生长, 为微生物创造适宜条件[58].NO3-存在时也能够提高石油烃降解率, 主要是由于NO3-的存在使参与石油烃降解的基因表达增加了两个数量级[59].此外适当添加H2O2和CaO2等氧化剂也可提升石油烃的降解效率, 例如, 通过添加适量的H2O2, 土壤中石油烃的去除效率从8%增加到了50%[60].
共代谢是指微生物从其他生长基质获取大部分或全部碳源和能源后, 将同一介质中石油烃降解（不能作为碳源和能源的物质）的过程[61].共基质的存在能增强微生物酶活性, 刺激微生物产生特定的功能酶, 进而提高对石油烃的降解效率.在使用Altererythrobacter sp. N1去除芘, 使用原油作为共基质时, 芘的降解率从20%提升到了76%, 原油的加入使得Altererythrobacter sp. N1能同时利用原油中的饱和烃和芳香烃来提高降解酶活性[62].
生物表面活性剂不仅能提高微生物对底物的生物利用率, 加快石油烃的乳化, 还能够增加细胞表面的疏水性, 确保其能够与石油烃相互作用.例如, 在Arthrobacter globiformis修复多环芳烃污染土壤时, 添加鼠李糖脂组的多环芳烃去除率达到了36%, 比对照组高出29%, 这主要是由于鼠李糖脂在污染物的降解过程中增强了过氧化氢酶和转化酶的活性并且促进了微生物的生长和繁殖[63].
2.1.3 生物强化当土著降解污染物数量和种类不足时, 自然降解和生物刺激则无法有效去除环境中石油烃.生物强化作为一种基于改变微生物群落、活性和强度而设计的技术, 能够通过向污染环境中引入足够数量的外源微生物、基因工程微生物或者驯化后的土著微生物, 以实现石油烃的高效去除[64].简而言之, 就是将人工选择后的具有高效石油降解能力的微生物加入到污染环境中, 利用其直接降解作用或共代谢作用强化石油烃去除[65].通常, 复合菌剂更容易形成一个降解体系, 比单一微生物对污染物的降解更加有效[66].
生物强化分为微生物菌剂投加和固定化微生物投加, 微生物菌剂投加是将筛选出的石油烃降解微生物制成菌剂, 加入到污染环境中以解决微生物种群数量不足、活性低及功能酶分泌较低等问题[67].例如, Zhou等[68]先从以菲为唯一碳源的污染土壤和污泥混合物中分离出Bacillus firmus PheN7, 之后将其接种到多环芳烃污染土壤中, 结果表明, Bacillus firmus PheN7与土著降解菌的协同作用提高了修复效率, 对菲的平均去除率（以土计）达到了1.73 mg·（kg·d）-1, 远高于生物刺激组和自然降解组[去除率（以土计）分别为1.48 mg·（kg·d）-1和1.24 mg·（kg·d）-1].虽然外源微生物与基因工程微生物具有更高的石油烃降解能力, 但会与土著微生物形成竞争关系, 甚至被原生动物所捕食, 导致修复效果下降.有研究表明, 将外源降解微生物引入受污染土壤后, 其降解效果不如土著微生物明显, 且存活率较低[69].因此, 从原有污染环境中筛选土著微生物, 构建能够互相协作的高效菌群更具竞争性.
固定化微生物投加是通过多种手段将游离微生物限制在特定区域或附着于某一载体材料, 为微生物提供良好微环境以抵抗竞争和毒害作用, 从而提高微生物活性、稳定性和再利用能力, 克服微生物菌剂投加后启动速度慢、环境适应性差的缺点[70].固定载体还能改善土壤或沉积物的理化性质, 进而提高微生物活性.在使用生物炭固定降解微生物的研究中, 使用生物炭固定降解微生物的修复效果相较于仅使用生物炭和自然降解组提升明显, 有效降低了正构烷烃和总石油烃的含量, 降解率达到58%, 生物炭的存在不仅改善了土壤肥力和碳储存, 而且也促进了微生物种群多样性和石油烃的生物利用率[71].
微生物修复技术能利用环境中已存在微生物进行修复, 更符合生态修复原理, 而且微生物还可以进行自我繁殖, 并与其他生物相互作用, 形成复杂的微生态系统, 维持土壤和沉积物健康和生态功能.因此, 微生物修复技术正逐渐成为污染土壤和沉积物修复的主力技术.
2.2 动植物修复技术 2.2.1 动物修复技术动物修复技术因成本低、生态友好且对环境扰动低, 逐渐被人们关注.现阶段常用的修复动物主要包括蚯蚓等环境介质调控动物、线虫等微生物调控动物、昆虫及植食性动物[72].
（1）蚯蚓等环境介质调控动物
蚯蚓对提高肥力、改善土壤和沉积物结构和生物活性具有重要作用, 蚯蚓的引入能够增加环境中的酶和表面活性剂并且刺激微生物的活动, 进而改善石油烃去除情况[73].在多环芳烃污染的土壤中, 蚯蚓对芘、菲、蒽和苯并[a]芘的去除率可达91%、99%、91%和16%[74].蚯蚓去除石油烃机制可分为非生物性和生物性：非生物性指蚯蚓的活动能改善土壤或沉积物理化性质, 为水、空气、营养物质及其他颗粒传递提供优势通道, 进而增强修复效果；生物性则是指蚯蚓自身代谢及分泌物对污染物的影响, 蚯蚓可以将污染物吸附到其体表或体内, 帮助降低土壤中的污染物含量[75].
（2）线虫等微生物调控动物
这类动物通过与其他生物相互作用来影响土壤生态系统的结构和功能.例如, 土壤线虫的存在可以促进微生物的大量繁殖并提高其活性, 进而促进土壤或沉积物中污染物的矿化和降解[76].通过在石油污染土壤中加入不同线虫发现, 加入线虫修复组的去除效率最高能达到未加入组的7倍, 而且不同线虫的加入对土壤中的微生物活性和群落结构都有其独特的影响, 但所测试的线虫都能促进石油降解[77].
（3）昆虫及植食性动物
昆虫如甲壳类动物、蠕虫和昆虫幼虫等可以通过混合土壤或沉积物、有机物分解和栖息地改善等过程来改善通气和排水性, 并促进有机物分解和循环.一些土壤昆虫还具有降解污染物的能力, 或者通过食物链的传递, 将污染物转移到其体内, 减少石油烃含量[72].植食性动物如牛、羊等可以通过食用植物和杂草来改变植被组成, 并通过粪便输入有机物质.此外, 它们的肠道微生物菌群可能有助于降解某些石油烃[78].
通过引入适当动物, 可促进生态系统恢复和重建, 提高生态系统的稳定性和功能.同时, 动物修复还具有良好的可持续性和自我维持能力, 一旦建立起适当的动物群落, 可持续对土壤进行修复, 且无需额外人工干预, 更加环境友好.但某些动物的引入可能对生态系统产生负面影响, 破坏当地生态平衡.因此, 在进行动物修复时需考虑物种适应性和生态需求.
2.2.2 植物修复技术植物修复是利用植物、植物分泌物及其共生微生物将污染物降解转化为无毒物质的技术, 能在不破坏土壤和沉积物结构前提下, 利用自然生长或经过遗传培育筛选的植物与环境之间的相互作用, 对石油烃进行去除[79].根据植物特性, 修复植物种类如下.
（1）草类植物
这类植物在自然界分布广泛, 常用的草类植物包括Brachiaria brizantha、Cyperus aggregatus和Eleusine indica等[80], 例如在使用Brachiaria brizantha对原油污染土壤修复中, 石油烃的去除效率达到了18%[81].
（2）野生观赏植物
这类植物主要包括野鸢尾、马蔺、大滨菊、长药八宝、大滨菊和萱草等, 在使用长药八宝对石油污染土壤修复过程中, 不仅体现了野生植物对石油烃的良好耐性, 而且在治理污染的同时美化环境, 发挥了观赏植物的特性, 避免将污染带入食物链[82].在修复效果方面, 长药八宝对石油污染土壤的修复效果比较显著, 其对土壤中石油烃的降解率最高能达到48%, 明显高于空白对照组的降解率（32%）[83].
（3）花卉植物
主要指有观赏价值的植物, 如凤仙和菊花等, 还包括草本或木本地被植物、花灌木、开花乔木及盆景等.周启星等已经从30种花卉植物中筛选出了3种对石油污染具有强耐受力且能促进其降解的花卉植物, 分别为紫茉莉、凤仙花和牵牛花[84 ~ 86].在使用紫茉莉对石油污染土壤进行修复时, 紫茉莉对总石油烃的平均去除率能够达到42%~63%, 而自然衰减的去除率仅为20%~38% [84].
（4）农作物及豆科植物
这类植物不仅能够为人类生活提供粮食, 还能够去除石油烃污染物, 常用的这类植物包括禾本科小麦属植物、黑麦、青稞以及玉米等[87].在使用6种豆科植物对原油污染土壤修复90 d后, Cajanus cajan和Lablab purpureus对石油烃的降解效率达到了100%[88].同样, 在使用8种豆科植物对污染土壤修复后, 有7种植物的芽和根受到明显影响, M. sativa、M. albus和L. corniculatus对石油烃的去除效率高达95%[89].
植物修复技术基建成本低, 对环境扰动小, 并且对环境兼容性好, 修复的同时还可以美化环境, 控制风蚀和水蚀, 减少水土流失.植物的介入还能够实现污染环境周围的大气和水体中污染物的去除, 有利于改善生态环境.
2.3 联合生物修复技术单一修复技术会存在明显的局限性, 因此, 通常采用多种修复技术联用以实现较好修复效果[44].联合生物修复技术不是单纯地将不同修复技术结合, 而是有针对性地根据实际污染状况将不同修复技术有机结合, 是现阶段土壤及沉积物的主要修复手段[90].
2.3.1 微生物-植物联合修复技术微生物-植物联合修复技术是利用植物与微生物的协同共生作用以增强彼此对环境的适应能力, 进而强化对石油烃去除[90].植物根系可优化土壤和沉积物结构和各种理化性质, 为微生物提供生长繁殖场所, 同时产生的分泌物和氧气能对微生物产生刺激, 加速微生物对石油烃的降解.微生物则能分泌植物激素等物质促进植物生长, 还能为植物提供营养物质, 结合植物的吸收作用, 更好地去除石油烃[38].在使用植物（Salix viminalis）-微生物（Crucibulum laeve）联合修复多环芳烃污染土壤的研究中, 联合修复技术表现出了最高的去除率, 菲、芘和苯并（a）芘的去除率分别为66%、48%和62%.植物和微生物的同时存在克服了单独使用微生物时存在的竞争作用和单独使用植物时对养分的影响, 同时两者的存在还能够刺激降解微生物的生长, 维持生物量, 从而加速石油烃的去除[91].
由于具有绿色高效、适用于大规模现场修复场地等优点, 联合生物修复技术已成为研究较为广泛的石油污染修复技术, 但未来仍需科学合理选取植物及微生物, 完善工艺过程, 减少投入成本, 同时还应深入研究不同技术联合作用机制、协同修复机制及影响因素.
2.3.2 微生物-化学/物理联合修复技术微生物-化学/物理联合修复技术具有修复速度快、环境破坏小等优点.其高效性体现在利用物理/化学方法增加有机物的生物利用率, 或者先利用物理/化学方法处理污染土壤和沉积物, 将环境中的石油烃转化为无毒或毒性相对较小的物质, 之后再利用微生物的代谢作用去除污染物[32].对于可结合的物理修复技术一般为机械翻耕, 该过程能增大土壤或沉积物孔隙度, 为微生物提供更好生存环境, 从而提高微生物代谢能力[92].可结合的化学修复技术则包括电动修复、化学淋洗和化学氧化等.电动-微生物联合修复技术是利用电场产生的各种电动效应驱动水溶态或者吸附在固体颗粒表层的污染物发生定向迁移, 从而富集在电极区进行分离或集中处理.同时, 在电场的作用下, 微生物的活性和群落结构也会受到影响, 降解性微生物会被选择性富集[93].在使用电动-微生物联合修复技术处理石油污染土壤时, 其修复效率达到了72%, 相较于单一的电动修复和微生物修复提高了1.95倍和1.5倍[94].化学淋洗-微生物修复技术是先通过使用表面活性剂或有机溶剂冲洗污染土壤或沉积物, 使石油烃从环境中释放出来, 或者增加细胞疏水性以提高微生物对污染物的吸收和利用能力, 从而强化修复效果[95].例如, 在使用不同表面活性剂与石油降解细菌相结合的修复中, 添加表面活性剂组中的石油烃去除率均达到了50%以上, 高于仅使用微生物组（44%）[96].化学氧化可将难处理有毒大分子石油烃转化为低毒小分子, 以提高污染物可生化性和环境中的养分[97].例如, 使用Fenton预氧化对石油污染土壤进行预处理可加速生物修复, 使石油烃降解符合一阶动力学, 同时预氧化处理提高了石油烃总去除率（5%~24%）, 并激活了脱氢酶和多酚氧化酶活性, 而且适当水平的化学试剂还能简化群落种群之间的关系, 缓解微生物之间竞争, 从而优化修复[98].
除上述联合技术之外, 微生物-植物-动物联合修复技术、化学-植物-微生物联合修复和一些新兴技术（纳米修复技术、微生物电化学修复技术）等联合的技术也被证明能够有效处理石油烃[51].因此, 联合修复技术作为一种能够克服各修复方法单独使用时不足、提高修复效率的技术, 是现阶段环境治理和生态系统维护的最优选择[99].
3 从生物修复到生态修复的宏观转变从生物修复到生态修复是一个逐渐演变的宏观转变, 是环境修复领域的重要进展, 代表了对生态环境保护和治理更综合和更加可持续的考虑, 是完成生态文明建设的重要途径[100].
3.1 生态修复具体含义生物修复侧重于使用生物学过程, 如微生物或植物的能力, 来去除或减轻石油烃的影响, 虽然能有效处理某些污染问题, 但随着对生态系统理解的不断深入, 单一生物修复方法并不能满足复杂的环境修复需求[51, 101].而生态修复强调更广泛的生态系统恢复和保护目标, 不仅关注污染物的去除, 更致力于重建受损生态系统, 使其重获健康和功能, 包括环境质量的改善、植被的恢复、生物多样性的增强及生态过程的重建.生态修复追求的不仅是修复一个受污染的区域, 更是对已退化、损害或彻底破坏的生态系统进行恢复, 进而创造一个能够提供各种生态服务的生态系统, 完成土壤和沉积物健康和功能的恢复[7].
过载环境压力会使生态系统发生紊乱, 导致其失去组织调整和自我修复能力, 生态修复则通过合理有效的措施停止对生态系统的人为干扰, 减轻生态系统原有过载压力, 依靠生态系统自我恢复能力, 使遭到破坏的生态系统逐步恢复或向良性循环方向发展.同时, 鉴于生态系统毁坏程度及合理地加速生态系统恢复, 会在上述基础上加入人工干预, 合理提升生态系统恢复速率[102].因此, 生态修复包括两个含义：一是自然修复, 另一个是人工手段修复[7].
根据生态修复的作用原理, 生态修复的基本方式可以被分为两种：一是以植物修复为主体的植物修复-化学强化、植物修复-生物化学强化、植物修复-物理化学强化、植物修复-酶学强化或它们之间的联合修复；二是以微生物为主体的微生物修复-化学强化、微生物修复-生物化学强化、微生物修复-物理化学强化、微生物修复-酶学强化或它们之间的联合修复[7].所以, 如何高效地实现不同方法的优化组合是目前研究的热点和难点, 并非物理、化学、植物、动物和微生物等各修复方法之间的任意组合都能实现对污染环境的有效修复.生态修复方法优化组合的原则应包括：①符合生态学原理, 各组合要素之间存在协同作用, 互相促进, 并且组合作用的效果优于各要素单独作用的效果；②因地制宜原则, 外源人工净化功能和原有环境生态系统自净功能的有机结合；③安全可行原则[103].所以, 石油污染土壤和沉积物生态修复的创新性不仅在于各种修复方法和技术的组合应用, 更在于因地制宜对各种修复方法的优化组合、各修复环节的最优化衔接以及重视生物和环境影响因子的调控作用.
生态修复能够形成一个符合生态学原理, 生物之间、生物与物理化学等因素之间和谐共存、相互促进, 物质流、能量流、信息流良性循环和动态平衡的污染修复系统.此外, 生态修复技术还具有逆转生态系统退化、增强生态系统服务和改善人与自然关系等潜力[104].与传统的物理和化学修复技术相比, 生态修复还具有以下优点：①修复后环境特性基本保持不变；②综合治理, 标本兼治, 对污染物处理彻底；③处理形式多样, 可根据具体污染环境条件选择采用修复方式；④设施简单, 见效快, 所需成本和危害通常低于物理和化学方法；⑤应用范围广泛, 可处理不同类型、不同程度的污染环境；⑥因地制宜, 生物群落本土化, 无生态风险, 能够利用污染环境当地优势生物解决环境污染问题；⑦综合投资成本低, 运行维护费用低并且管理维护技术要求低；⑧修复后系统中的生物多样性强, 生态系统稳定[105].
3.2 生态修复与生物修复之间的联系和区别生物修复和生态修复作为实现石油污染土壤和沉积物修复的重要环境管理途径, 两者相互联系, 但又在不同方面存在区别.生态修复的定义确定了生物修复是生态修复的一个具体策略, 用于处理特定污染问题.通过去除有害物质, 生物修复能改善环境质量, 为生态系统中的植被和动物提供更安全和健康的环境, 从而帮助生态系统的再生产, 有助于恢复生物多样性.生态修复则是生物修复的延伸, 旨在实现更广泛的生态恢复和生态系统的健康发展.因此, 生物修复和生态修复相互关联, 共同致力于恢复受损的自然环境[100].
两种技术的相同点主要体现为：①技术目标：两种技术的共同目标都包括去除石油烃污染物, 将污染场地中的石油烃含量和毒性降低到可接受范围；②生物参与：无论是生态修复还是生物修复, 都依赖于生物学过程, 通过使用微生物、植物或其他生物促进石油烃的降解和分解.两者都会通过引入适当的植物、微生物或其他生物来改善生态系统；③环境友好：两种技术通常对环境更加友好, 更加依赖于自然手段以清除或减少石油污染, 相对于一些传统的物理化学方法, 这两种技术更为可持续且对生态系统造成的干扰较小[106 ~ 108].
不同点主要包括：①修复范围. 生物修复着重于使用植物和微生物来去除或减少土壤和沉积物中的石油烃, 其目标主要集中在污染物的去除.而生态修复的目标则更为综合, 不仅包括去除石油烃, 还包括恢复生态系统的健康和功能、维护自然过程和生态系统的稳定、重建整个生态系统的各个方面, 如水文循环、气候调节、植被恢复、动植物栖息地和生物多样性等, 旨在重建自然生态系统的完整性.②修复方法. 生态修复通常包括土壤和沉积物改良、水体流域管理和动植物栖息地恢复等多种方法, 更加注重不同修复技术之间的综合作用.而生物修复则依赖于特定的微生物、植物或生物工程方法以去除石油烃, 更强调生物的作用.③可持续性和规模. 生物修复更注重短期效果, 旨在迅速减少或清除有害物质, 适用于小范围石油污染, 如工业场地.生态修复则具有较长的时间尺度, 更强调长期可持续性, 旨在实现生态系统的永久性恢复和可持续性, 通常适用于更大范围的土地, 如湿地或森林[109 ~ 111].
总之, 在实际应用中应根据具体情况、污染程度和修复目标, 综合考虑生态修复和生物修复, 以恢复和保护受损的环境, 创造健康的生态系统, 并提供各种生态服务.
3.3 生物修复到生态修复宏观转变的必要性由于我国生态和环境问题存在的长久性、严重性及顽固性, 目前我国自然生态系统总体仍较为脆弱, 生态承载力和环境容量不足.因此需要通过自然或者人为干预的生态修复活动, 调和人与自然的关系, 使已遭到破坏的生态系统逐步恢复动态平衡, 并向良性循环方向发展.生态修复作为现阶段解决当前生态威胁和环境问题最有效的手段, 已经成为我国着重研究和解决的重大战略性问题, 是实现“人与自然和谐共生”的可持续发展的重要手段之一[7, 112].
在石油污染土壤和沉积物修复中, 生物修复到生态修复的转变反映了更全面、长期和综合性的环境防治方法, 有助于更全面、可持续地管理和恢复受损的生态系统.具体来说, 与生物修复相比, 生态修复具备以下特征. ①综合性和全面性：生态修复强调生态系统中各个组成部分之间的相互作用和依赖关系, 综合考虑生态系统的整体健康和功能以及生态系统内部的相互作用, 能够更好地理解生态系统的动态, 而不仅仅是通过单一的手段解决特定的环境问题.通过从生物修复转向生态修复, 可以更全面地考虑生态系统的复杂性, 包括水循环、气候调节、食物网、土壤和沉积物质量等多个方面.生态修复还关注修复过程对周边环境的综合影响, 因此它更适合于处理复杂的、多功能的生态系统[113].②生态系统健康和长期稳定性的强化：生态修复旨在恢复和维护整个生态系统的长期健康和稳定性, 有助于确保生态系统能够自我维持, 并对外部压力具有更高的抵抗力, 以确保其能够适应环境变化和人类干扰.生态修复还能够推动碳中和目标的实现, 该修复技术能够增加植被覆盖, 改善碳固定, 减少温室气体排放, 有助于应对气候变化.通过恢复湿地、森林和其他生态系统, 还可以吸收大气中的二氧化碳, 减轻气候变化的不利影响[113].③提高生态系统服务功能, 维护土壤和沉积物健康：土壤和沉积物健康被定义为土壤和沉积物作为维持植物、动物和人类生存的重要生态系统持续发挥作用的能力[8].而生态修复的实施有助于维护和强化生态系统原有服务功能, 如水质净化、食物生产、气候调节等, 而且还能够提供新的服务功能, 如水资源管理、食品供应和文化价值, 进而实现保持土壤和沉积物健康和安全的目标, 对人类社会和经济具有积极影响[114].④保护生物多样性, 实现土壤和沉积物功能重构：生态修复可以通过创建适宜生物多样性的栖息地和生态位, 恢复关键物种种群, 从而维护和增加生物多样性.由于不同的生物在有机质、氮素和磷素等元素循环中起着至关重要的作用, 同时调控了诸多生态过程, 所以生物多样性的丰富对实现土壤和沉积物功能恢复和重构至关重要, 生物多样性越高的土壤和沉积物会表现出更多的生态功能、更高的抗环境胁迫和作物生产能力, 对生态系统的健康和稳定性至关重要[115].而生物修复则较难实现这一目标, 因为它通常依赖于特定的生物工程手段, 限制了生物多样性的增加, 甚至会由于物种竞争而使多样性降低[116].⑤社会和法律要求：在许多国家和国际法律框架下, 保护和恢复生态系统已被视为法律和义务.例如, 在我国, 党的“十八大”明确提出要把生态文明放在突出地位, 加大生态修复力度.
总体来说, 生态修复更注重生态系统的整体恢复、长期稳定性和多功能性.在追求可持续发展和碳中和的背景下, 生物修复到生态修复的转变是必要的, 这种转变能更好地维护土壤和沉积物在生态系统中多功能的发挥, 有助于实现更加可持续的生态系统管理和恢复目标.
4 展望生态修复技术目前仍处于基础性研究阶段, 仍有一些修复机制未研究彻底、实践应用和操作方法尚未成熟.未来不仅需要从强化生物修复技术修复效果入手, 还应从生态学视角对生态修复技术进行综合提升, 主要包括：①源头控制及污染分析. 污染防治原则是预防为主, 在应用生态修复技术时, 应重点对石油污染特征和源汇关系进行研究, 做到先识别、后治理、知源头、重控制.②石油烃的迁移转化机制. 石油烃在土壤和沉积物中的迁移方式会因所处环境性质、气候条件而发生变化, 导致其具有不同的转化形态, 因此需进一步从微观尺度探究不同石油烃组分和土壤或沉积物之间的相互作用, 揭示石油烃在介质中的迁移、转化和降解规律, 以寻求合理的修复治理方法.③筛选高效降解生物. 降解生物的选择直接影响最终修复效果, 所以需要挖掘与组合环境适应性好且降解效能稳定的降解生物, 探索不同降解生物之间和生物与环境之间的协同互作效应, 重点探究生物对污染物的代谢机制、生物与石油之间界面相互作用机制以及降解过程中影响因素.同时, 运用多种组学技术与分子生物学技术, 分析石油烃降解关键功能基因与酶, 解析石油烃的代谢途径, 基于此对降解生物进行升级改造, 使其具有更强降解能力.④丰富生态修复技术内涵, 提高生态修复科技水平. 生态修复作为不同修复技术的有机组合, 不同技术之间取长补短, 互为补充, 因此应重点关注不同修复技术的特点, 避免功能交叉以及功能不足的问题.未来生态修复还需要依赖先进的科技手段, 包括人工智能、大数据等, 以更好实现生态系统监测、评估和处理生态问题.同时, 还应更加注重多元化修复和监测方法, 开发生物修复和其他新技术的综合修复技术, 建立土壤健康和沉积物健康生物指标及其分子诊断体系, 以更好满足不同生态系统修复需求, 达到科学性、合理性及高效可行性的有机统一.⑤生态修复措施和非工程措施相结合. 生态修复的顺利实行需要相应的政策保障和公众的支持, 这就要求加速相关规章制度的出台, 完善和提高土壤和沉积物环境基准, 建立完善土壤和沉积物修复评价标准和风险管控体系.同时, 加强对公众的宣传和教育, 摒弃生态修复就是工程项目的思想, 以保障修复措施的落实.
5 结论生物修复技术不仅关注微观层面的石油烃生物降解过程, 而且与土壤和沉积物健康紧密相关, 是生态修复的基础.基于日益复杂的环境污染问题及日益严格的修复标准, 针对性生物修复技术向综合性生态修复技术的转变是实现土壤和沉积物修复绿色生态化转型的重要途径.应用生态修复技术是保护环境修复污染介质、维持生态平衡、实现土壤健康和沉积物健康的有力保障.但随着我国生态修复实践范围的不断扩大, 对生态修复技术的发展也提出新要求, 只有从不同视角对其进行分析, 才能更好地理解和管理生态系统中的污染问题.生态修复作为一个综合性的过程, 从微观到生态都需要加以深入研究, 进而实现对土壤健康和沉积物健康的维护, 最终促进人和自然的和谐相处.
| [1] | Kumar M, Bolan N S, Hoang S A, et al. Remediation of soils and sediments polluted with polycyclic aromatic hydrocarbons: To immobilize, mobilize, or degrade?[J]. Journal of Hazardous Materials, 2021, 420. DOI:10.1016/j.jhazmat.2021.126534 |
| [2] | Wei K H, Ma J, Xi B D, et al. Recent progress on in-situ chemical oxidation for the remediation of petroleum contaminated soil and groundwater[J]. Journal of Hazardous Materials, 2022, 432. DOI:10.1016/j.jhazmat.2022.128738 |
| [3] | Li T, Li R X, Zhou Q X. The application and progress of bioelectrochemical systems (BESs) in soil remediation: A review[J]. Green Energy & Environment, 2021, 6(1): 50-65. |
| [4] |
展海银, 周启星. 胜利油田石油开采场地污染特征、源汇关系与管控对策[J]. 生态学杂志, 2023, 42(9): 2256-2265. Zhan H Y, Zhou Q X. Pollution characteristics, source-sink relationship and control countermeasures in Shengli Oilfield[J]. Chinese Journal of Ecology, 2023, 42(9): 2256-2265. |
| [5] | Li R X, Wang J N, Li T, et al. Recent advances in improving the remediation performance of microbial electrochemical systems for contaminated soil and sediments[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2023, 53(1): 137-160. DOI:10.1080/10643389.2022.2040327 |
| [6] | Bhaduri D, Sihi D, Bhowmik A, et al. A review on effective soil health bio-indicators for ecosystem restoration and sustainability[J]. Frontiers in Microbiology, 2022, 13. DOI:10.3389/fmicb.2022.938481 |
| [7] |
周启星, 魏树和, 刁春燕. 污染土壤生态修复基本原理及研究进展[J]. 农业环境科学学报, 2007, 26(2): 419-424. Zhou Q X, Wei S H, Diao C Y. Basic principles and researching progresses in ecological remediation of contaminated soils[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2007, 26(2): 419-424. DOI:10.3321/j.issn:1672-2043.2007.02.003 |
| [8] |
孙新, 李琪, 姚海凤, 等. 土壤动物与土壤健康[J]. 土壤学报, 2021, 58(5): 1073-1083. Sun X, Li Q, Yao H F, et al. Soil fauna and soil health[J]. Acta Pedologica Sinica, 2021, 58(5): 1073-1083. |
| [9] | Kleindienst S, Paul J H, Joye S B. Using dispersants after oil spills: impacts on the composition and activity of microbial communities[J]. Nature Reviews Microbiology, 2015, 13(6): 388-396. DOI:10.1038/nrmicro3452 |
| [10] | Narayanan M, Ali S S, El-Sheekh M. A comprehensive review on the potential of microbial enzymes in multipollutant bioremediation: Mechanisms, challenges, and future prospects[J]. Journal of Environmental Management, 2023, 334. DOI:10.1016/j.jenvman.2023.117532 |
| [11] | Lee D W, Lee H, Kwon B O, et al. Biosurfactant-assisted bioremediation of crude oil by indigenous bacteria isolated from Taean beach sediment[J]. Environmental Pollution, 2018, 241: 254-264. DOI:10.1016/j.envpol.2018.05.070 |
| [12] | Koshlaf E, Ball A S. Soil bioremediation approaches for petroleum hydrocarbon polluted environments[J]. AIMS Microbiology, 2017, 3(1): 25-49. DOI:10.3934/microbiol.2017.1.25 |
| [13] | Xu X J, Liu W M, Tian S H, et al. Petroleum hydrocarbon-degrading bacteria for the remediation of oil pollution under aerobic conditions: A perspective analysis[J]. Frontiers in Microbiology, 2018, 9. DOI:10.3389/fmicb.2018.02885 |
| [14] | Abbasian F, Lockington R, Mallavarapu M, et al. A comprehensive review of aliphatic hydrocarbon biodegradation by bacteria[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology, 2015, 176(3): 670-699. DOI:10.1007/s12010-015-1603-5 |
| [15] | Rojo F. Degradation of alkanes by bacteria[J]. Environmental Microbiology, 2009, 11(10): 2477-2490. DOI:10.1111/j.1462-2920.2009.01948.x |
| [16] | Xu C Y, Qaria M A, Qi X, et al. The role of microorganisms in petroleum degradation: Current development and prospects[J]. Science of the Total Environment, 2023, 865. DOI:10.1016/j.scitotenv.2022.161112 |
| [17] | Rodriguez-Campos J, Perales-Garcia A, Hernandez-Carballo J, et al. Bioremediation of soil contaminated by hydrocarbons with the combination of three technologies: Bioaugmentation, phytoremediation, and vermiremediation[J]. Journal of Soils and Sediments, 2019, 19(4): 1981-1994. DOI:10.1007/s11368-018-2213-y |
| [18] | Hendrickx B, Junca H, Vosahlova J, et al. Alternative primer sets for PCR detection of genotypes involved in bacterial aerobic BTEX degradation: Distribution of the genes in BTEX degrading isolates and in subsurface soils of a BTEX contaminated industrial site[J]. Journal of Microbiological Methods, 2006, 64(2): 250-265. DOI:10.1016/j.mimet.2005.04.018 |
| [19] | Wells Jr T, Ragauskas A J. Biotechnological opportunities with the β-ketoadipate pathway[J]. Trends in Biotechnology, 2012, 30(12): 627-637. DOI:10.1016/j.tibtech.2012.09.008 |
| [20] | Aeckersberg F, Bak F, Widdel F. Anaerobic oxidation of saturated hydrocarbons to CO2 by a new type of sulfate-reducing bacterium[J]. Archives of Microbiology, 1991, 156(1): 5-14. DOI:10.1007/BF00418180 |
| [21] | Mbadinga S M, Wang L Y, Zhou L, et al. Microbial communities involved in anaerobic degradation of alkanes[J]. International Biodeterioration & Biodegradation, 2011, 65(1): 1-13. |
| [22] | Callaghan A V. Metabolomic investigations of anaerobic hydrocarbon-impacted environments[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2013, 24(3): 506-515. DOI:10.1016/j.copbio.2012.08.012 |
| [23] | Widdel F, Rabus R. Anaerobic biodegradation of saturated and aromatic hydrocarbons[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2001, 12(3): 259-276. DOI:10.1016/S0958-1669(00)00209-3 |
| [24] | Wang B C, Kuang S P, Shao H B, et al. Anaerobic-petroleum degrading bacteria: Diversity and biotechnological applications for improving coastal soil[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2021, 224. DOI:10.1016/j.ecoenv.2021.112646 |
| [25] | Panwar R, Mathur J. Remediation of polycyclic aromatic hydrocarbon-contaminated soils using microbes and nanoparticles: A review[J]. Pedosphere, 2023, 33(1): 93-104. DOI:10.1016/j.pedsph.2022.06.032 |
| [26] | Ramdass A C, Rampersad S N. Diversity and oil degradation potential of culturable microbes isolated from chronically contaminated soils in Trinidad[J]. Microorganisms, 2021, 9(6). DOI:10.3390/microorganisms9061167 |
| [27] | Al-Hawash A B, Zhang X Y, Ma F Y. Removal and biodegradation of different petroleum hydrocarbons using the filamentous fungus Aspergillus sp. RFC-1[J]. MicrobiologyOpen, 2019, 8(1). DOI:10.1002/mbo3.619 |
| [28] | Wu P, Zhang Z F, Luo Y L, et al. Bioremediation of phenolic pollutants by algae-current status and challenges[J]. Bioresource Technology, 2022, 350. DOI:10.1016/j.biortech.2022.126930 |
| [29] | Kalhor A X, Movafeghi A, Mohammadi-Nassab A D, et al. Potential of the green alga Chlorella vulgaris for biodegradation of crude oil hydrocarbons[J]. Marine Pollution Bulletin, 2017, 123(1-2): 286-290. DOI:10.1016/j.marpolbul.2017.08.045 |
| [30] | Steliga T, Kluk D. Application of Festuca arundinacea in phytoremediation of soils contaminated with Pb, Ni, Cd and petroleum hydrocarbons[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2020, 194. DOI:10.1016/j.ecoenv.2020.110409 |
| [31] | dos Santos J J, Maranho L T. Rhizospheric microorganisms as a solution for the recovery of soils contaminated by petroleum: A review[J]. Journal of Environmental Management, 2018, 210: 104-113. |
| [32] | Lim M W, Lau E V, Poh P E. A comprehensive guide of remediation technologies for oil contaminated soil-Present works and future directions[J]. Marine Pollution Bulletin, 2016, 109(1): 14-45. DOI:10.1016/j.marpolbul.2016.04.023 |
| [33] | Limmer M, Burken J. Phytovolatilization of organic contaminants[J]. Environmental Science & Technology, 2016, 50(13): 6632-6643. |
| [34] | Violante A, Huang P M, Bollag J M, et al. Developments in soil science[M]. Amsterdam: Elsevier, 2002. |
| [35] | Zhang C, Feng Y, Liu Y W, et al. Uptake and translocation of organic pollutants in plants: A review[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2017, 16(8): 1659-1668. DOI:10.1016/S2095-3119(16)61590-3 |
| [36] | Martin B C, George S J, Price C A, et al. The role of root exuded low molecular weight organic anions in facilitating petroleum hydrocarbon degradation: Current knowledge and future directions[J]. Science of the Total Environment, 2014, 472: 642-653. DOI:10.1016/j.scitotenv.2013.11.050 |
| [37] | Sabreena, Hassan S, Bhat S A, et al. Phytoremediation of heavy metals: An indispensable contrivance in green remediation technology[J]. Plants, 2022, 11(9). DOI:10.3390/plants11091255 |
| [38] | Lv Y F, Bao J F, Zhu L D. A comprehensive review of recent and perspective technologies and challenges for the remediation of oil-contaminated sites[J]. Energy Reports, 2022, 8: 7976-7988. DOI:10.1016/j.egyr.2022.06.034 |
| [39] | Ali S, Abbas Z, Rizwan M, et al. Application of floating aquatic plants in phytoremediation of heavy metals polluted water: A review[J]. Sustainability, 2020, 12(5). DOI:10.3390/su12051927 |
| [40] | Yan A, Wang Y M, Tan S N, et al. Phytoremediation: A promising approach for revegetation of heavy metal-polluted land[J]. Frontiers in Plant Science, 2020, 11. DOI:10.3389/fpls.2020.00359 |
| [41] | Ashraf S, Ali Q, Zahir Z A, et al. Phytoremediation: Environmentally sustainable way for reclamation of heavy metal polluted soils[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2019, 174: 714-727. DOI:10.1016/j.ecoenv.2019.02.068 |
| [42] | Ma J F, Goto S, Tamai K, et al. Role of root hairs and lateral roots in silicon uptake by rice[J]. Plant Physiology, 2001, 127(4): 1773-1780. DOI:10.1104/pp.010271 |
| [43] | Wang J Y, Delavar M A. Techno-economic analysis of phytoremediation: A strategic rethinking[J]. Science of the Total Environment, 2023, 902. DOI:10.1016/j.scitotenv.2023.165949 |
| [44] | Ossai I C, Ahmed A, Hassan A, et al. Remediation of soil and water contaminated with petroleum hydrocarbon: A review[J]. Environmental Technology & Innovation, 2020, 17. DOI:10.1016/j.eti.2019.100526 |
| [45] | Sundin P, Valeur A, Olsson S, et al. Interactions between bacteria-feeding nematodes and bacteria in the rape rhizosphere: Effects on root exudation and distribution of bacteria[J]. FEMS Microbiology Letters, 1990, 6(1): 13-22. |
| [46] | Mamilov A S, Byzov B A, Zvyagintsev D G, et al. Predation on fungal and bacterial biomass in a soddy-podzolic soil amended with starch, wheat straw and alfalfa meal[J]. Applied Soil Ecology, 2001, 16(2): 131-139. DOI:10.1016/S0929-1393(00)00109-8 |
| [47] | Radhakrishnan A, Balaganesh P, Vasudevan M, et al. Bioremediation of hydrocarbon pollutants: Recent promising sustainable approaches, scope, and challenges[J]. Sustainability, 2023, 15(7). DOI:10.3390/su15075847 |
| [48] | Gaur V K, Gupta S, Pandey A. Evolution in mitigation approaches for petroleum oil-polluted environment: Recent advances and future directions[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2022, 29(41): 61821-61837. DOI:10.1007/s11356-021-16047-y |
| [49] | Telesiński A, Kiepas-Kokot A. Five-year enhanced natural attenuation of historically coal-tar-contaminated soil: Analysis of polycyclic aromatic hydrocarbon and phenol contents[J]. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2021, 18(5). DOI:10.3390/ijerph18052265 |
| [50] | Zhang X D, Luo M Y, Deng S P, et al. Field study of microbial community structure and dechlorination activity in a multi-solvents co-contaminated site undergoing natural attenuation[J]. Journal of Hazardous Materials, 2022, 423. DOI:10.1016/j.jhazmat.2021.127010 |
| [51] | Ambaye T G, Chebbi A, Formicola F, et al. Remediation of soil polluted with petroleum hydrocarbons and its reuse for agriculture: Recent progress, challenges, and perspectives[J]. Chemosphere, 2022, 293. DOI:10.1016/j.chemosphere.2022.133572 |
| [52] | Šrédlová K, Cajthaml T. Recent advances in PCB removal from historically contaminated environmental matrices[J]. Chemosphere, 2022, 287. DOI:10.1016/j.chemosphere.2021.132096 |
| [53] | Simpanen S, Dahl M, Gerlach M, et al. Biostimulation proved to be the most efficient method in the comparison of in situ soil remediation treatments after a simulated oil spill accident[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(24): 25024-25038. DOI:10.1007/s11356-016-7606-0 |
| [54] | Dehnavi S M, Ebrahimipour G. Comparative remediation rate of biostimulation, bioaugmentation, and phytoremediation in hydrocarbon contaminants[J]. International Journal of Environmental Science and Technology, 2022, 19(11): 11561-11586. DOI:10.1007/s13762-022-04343-0 |
| [55] | Gkorezis P, Daghio M, Franzetti A, et al. The interaction between plants and bacteria in the remediation of petroleum hydrocarbons: An environmental perspective[J]. Frontiers in Microbiology, 2016, 7. DOI:10.3389/fmicb.2016.01836 |
| [56] | Chaîneau C H, Rougeux G, Yéprémian C, et al. Effects of nutrient concentration on the biodegradation of crude oil and associated microbial populations in the soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(8): 1490-1497. DOI:10.1016/j.soilbio.2005.01.012 |
| [57] | Sarkar P, Roy A, Pal S, et al. Enrichment and characterization of hydrocarbon-degrading bacteria from petroleum refinery waste as potent bioaugmentation agent for insitu bioremediation[J]. Bioresource Technology, 2017, 242: 15-27. DOI:10.1016/j.biortech.2017.05.010 |
| [58] | Agarry S, Latinwo G K. Biodegradation of diesel oil in soil and its enhancement by application of bioventing and amendment with brewery waste effluents as biostimulation-bioaugmentation agents[J]. Journal of Ecological Engineering, 2015, 16(2): 82-91. |
| [59] | Lu X Y, Li B, Zhang T, et al. Enhanced anoxic bioremediation of PAHs-contaminated sediment[J]. Bioresource Technology, 2012, 104: 51-58. DOI:10.1016/j.biortech.2011.10.011 |
| [60] | Yang B, Zhou M, Meng Y, et al. Hydrocarbons removal and microbial community succession in petroleum-contaminated soil under hydrogen peroxide treatment[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2023, 30(10): 27081-27091. |
| [61] | Li R X, Wan Y X, Li T, et al. Establishment of low-carbon microbial network to enhance phenol removal in microbial electrochemical systems with whole process carbon source limitation[J]. Chemical Engineering Journal, 2023, 452. DOI:10.1016/j.cej.2022.139530 |
| [62] | Fan K Q, Feng Q M, Li K, et al. The metabolism of pyrene by a novel Altererythrobacter sp. with in-situ co-substrates: A mechanistic analysis based on pathway, genomics, and enzyme activity[J]. Chemosphere, 2022, 307. DOI:10.1016/j.chemosphere.2022.135784 |
| [63] | Wang X X, Sun L N, Wang H, et al. Surfactant-enhanced bioremediation of DDTs and PAHs in contaminated farmland soil[J]. Environmental Technology, 2018, 39(13): 1733-1744. DOI:10.1080/09593330.2017.1337235 |
| [64] | Nwankwegu A S, Onwosi C O. Bioremediation of gasoline contaminated agricultural soil by bioaugmentation[J]. Environmental Technology & Innovation, 2017, 7: 1-11. DOI:10.3969/j.issn.1004-7204.2017.01.001 |
| [65] |
姚贞先, 王丽萍, 李丹, 等. 高效石油降解菌修复石油污染土壤与强化机制分析[J]. 环境科学, 2023, 44(8): 4599-4610. Yao Z, Wang L, Li D, et al. Remediation of petroleum-contaminated soil by highly efficient oil-degrading bacteria and analysis of its enhancement mechanism[J]. Environmental Science, 2023, 44(8): 4599-4610. |
| [66] | Sima N A K, Ebadi A, Reiahisamani N, et al. Bio-based remediation of petroleum-contaminated saline soils: Challenges, the current state-of-the-art and future prospects[J]. Journal of Environmental Management, 2019, 250. DOI:10.1016/j.jenvman.2019.109476 |
| [67] | Soleimani M, Farhoudi M, Christensen J H. Chemometric assessment of enhanced bioremediation of oil contaminated soils[J]. Journal of Hazardous Materials, 2013, 254⁃255: 372-381. |
| [68] | Zhou N, Guo H J, Liu Q X, et al. Bioaugmentation of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH)-contaminated soil with the nitrate-reducing bacterium PheN7 under anaerobic condition[J]. Journal of Hazardous Materials, 2022, 439. DOI:10.1016/j.jhazmat.2022.129643 |
| [69] | Fodelianakis S, Antoniou E, Mapelli F, et al. Allochthonous bioaugmentation in exsitu treatment of crude oil-polluted sediments in the presence of an effective degrading indigenous microbiome[J]. Journal of Hazardous Materials, 2015, 287: 78-86. DOI:10.1016/j.jhazmat.2015.01.038 |
| [70] | Wu C C, Zhi D, Yao B, et al. Immobilization of microbes on biochar for water and soil remediation: A review[J]. Environmental Research, 2022, 212. DOI:10.1016/j.envres.2022.113226 |
| [71] | Zhang B F, Zhang L, Zhang X X. Bioremediation of petroleum hydrocarbon-contaminated soil by petroleum-degrading bacteria immobilized on biochar[J]. RSC Advances, 2019, 9(60): 35304-35311. DOI:10.1039/C9RA06726D |
| [72] | García-Segura D, Castillo-Murrieta I M, Martínez-Rabelo F, et al. Macrofauna and mesofauna from soil contaminated by oil extraction[J]. Geoderma, 2018, 332: 180-189. DOI:10.1016/j.geoderma.2017.06.013 |
| [73] | Rodriguez-Campos J, Dendooven L, Alvarez-Bernal D, et al. Potential of earthworms to accelerate removal of organic contaminants from soil: A review[J]. Applied Soil Ecology, 2014, 79: 10-25. DOI:10.1016/j.apsoil.2014.02.010 |
| [74] | Sun H W, Li J M, Wang C P, et al. Enhanced microbial removal of pyrene in soils in the presence of earthworms[J]. Soil and Sediment Contamination: An International Journal, 2011, 20(6): 617-630. DOI:10.1080/15320383.2011.594106 |
| [75] | Javed F, Hashmi I. Vermiremediation-remediation of soil contaminated with oil using earthworm (Eisenia fetida)[J]. Soil and Sediment Contamination: An International Journal, 2021, 30(6): 639-662. DOI:10.1080/15320383.2021.1885343 |
| [76] | Jing Y P, Li Y, Liu Z H, et al. Effects of bacterial-feeding nematodes and glucose on phenanthrene removal by Pseudomonas putida [J]. Pedosphere, 2017, 27(1): 165-171. DOI:10.1016/S1002-0160(15)60103-5 |
| [77] | Zhou J H, Xu X Y, Huang G M, et al. Oil degradation and variation of microbial communities in contaminated soils induced by different bacterivorous nematodes species[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2022, 229. DOI:10.1016/j.ecoenv.2021.113079 |
| [78] | Adewoyin J A, Arimoro F O. Animal manure as a biostimulant in bioremediation of oil-contaminated soil: The role of earthworms[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2023, 195(2). DOI:10.1007/s10661-022-10884-1 |
| [79] | Schwitzguébel J P, Comino E, Plata N, et al. Is phytoremediation a sustainable and reliable approach to clean-up contaminated water and soil in Alpine areas?[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2011, 18(6): 842-856. DOI:10.1007/s11356-011-0498-0 |
| [80] | Merkl N, Schultze-Kraft R, Infante C. Assessment of tropical grasses and legumes for phytoremediation of petroleum-contaminated soils[J]. Water, Air, and Soil Pollution, 2005, 165(1): 195-209. |
| [81] | Merkl N, Schultze-Kraft R, Arias M. Influence of fertilizer levels on phytoremediation of crude oil-contaminated soils with the tropical pasture grass Brachiaria brizantha (Hochst. ex A. Rich.) Stapf[J]. International Journal of Phytoremediation, 2005, 7(3): 217-230. DOI:10.1080/16226510500215662 |
| [82] | Abdullah S R S, Al-Baldawi I A, Almansoory A F, et al. Plant-assisted remediation of hydrocarbons in water and soil: Application, mechanisms, challenges and opportunities[J]. Chemosphere, 2020, 247. DOI:10.1016/j.chemosphere.2020.125932 |
| [83] |
程立娟, 周启星. 野生观赏植物长药八宝对石油烃污染土壤的修复研究[J]. 环境科学学报, 2014, 34(4): 980-986. Cheng L J, Zhou Q X. Phytoremediation of petroleum hydrocarbon contaminated soils using a wild ornamental plant Hylotelephium spectabile (Boreau) H. Ohba[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014, 34(4): 980-986. |
| [84] | Peng S W, Zhou Q X, Cai Z, et al. Phytoremediation of petroleum contaminated soils by Mirabilis Jalapa L. in a greenhouse plot experiment[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 168(2-3): 1490-1496. DOI:10.1016/j.jhazmat.2009.03.036 |
| [85] | Cai Z, Zhou Q X, Peng S W, et al. Promoted biodegradation and microbiological effects of petroleum hydrocarbons by Impatiens balsamina L. with strong endurance[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 183(1-3): 731-737. DOI:10.1016/j.jhazmat.2010.07.087 |
| [86] | Zhang Z N, Zhou Q X, Peng S W, et al. Remediation of petroleum contaminated soils by joint action of Pharbitis nil L. and its microbial community[J]. Science of the Total Environment, 2010, 408(22): 5600-5605. DOI:10.1016/j.scitotenv.2010.08.003 |
| [87] | Muratova A Y, Dmitrieva T V, Panchenko L V, et al. Phytoremediation of oil-sludge-contaminated soil[J]. International Journal of Phytoremediation, 2008, 10(6): 486-502. DOI:10.1080/15226510802114920 |
| [88] | Riskuwa-Shehu M L, Ijah U J J, Manga S B, et al. Evaluation of the use of legumes for biodegradation of petroleum hydrocarbons in soil[J]. International Journal of Environmental Science and Technology, 2017, 14(10): 2205-2214. DOI:10.1007/s13762-017-1303-5 |
| [89] | Meištininkas R, Vaškevičienė I, Dikšaitytė A, et al. Potential of eight species of legumes for heavy fuel oil-contaminated soil phytoremediation[J]. Sustainability, 2023, 15(5). DOI:10.3390/su15054281 |
| [90] | Gu W W, Li X X, Li Q, et al. Combined remediation of polychlorinated naphthalene-contaminated soil under multiple scenarios: An integrated method of genetic engineering and environmental remediation technology[J]. Journal of Hazardous Materials, 2021, 405. DOI:10.1016/j.jhazmat.2020.124139 |
| [91] | Ma X D, Li X, Liu J X, et al. Soil microbial community succession and interactions during combined plant/white-rot fungus remediation of polycyclic aromatic hydrocarbons[J]. Science of the Total Environment, 2021, 752. DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.142224 |
| [92] |
钟磊, 卿晋武, 陈红云, 等. 微生物修复石油烃土壤污染技术研究进展[J]. 生物工程学报, 2021, 37(10): 3636-3652. Zhong L, Qing J W, Chen H Y, et al. Advances in bioremediation of hydrocarbon-contaminated soil[J]. Chinese Journal of Biotechnology, 2021, 37(10): 3636-3652. |
| [93] | Li F M, Guo S H, Hartog N, et al. Isolation and characterization of heavy polycyclic aromatic hydrocarbon-degrading bacteria adapted to electrokinetic conditions[J]. Biodegradation, 2016, 27(1): 1-13. DOI:10.1007/s10532-015-9750-5 |
| [94] | Fan R J, Ma W P, Zhang H L. Microbial community responses to soil parameters and their effects on petroleum degradation during bio-electrokinetic remediation[J]. Science of the Total Environment, 2020, 748. DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.142463 |
| [95] | Patowary R, Patowary K, Kalita M C, et al. Application of biosurfactant for enhancement of bioremediation process of crude oil contaminated soil[J]. International Biodeterioration & Biodegradation, 2018, 129: 50-60. |
| [96] | Ling H, Hou J Y, Du M J, et al. Surfactant-enhanced bioremediation of petroleum-contaminated soil and microbial community response: A field study[J]. Chemosphere, 2023, 322. DOI:10.1016/j.chemosphere.2023.138225 |
| [97] |
徐金兰, 王慧芳, 王荣, 等. 温和预氧化提高后续生物修复石油污染土壤[J]. 环境科学, 2019, 40(11): 5124-5132. Xu J L, Wang H F, Wang R, et al. Improving bioremediation of crude oil-contaminated soil by mild pre-oxidation[J]. Environmental Science, 2019, 40(11): 5124-5132. |
| [98] | Zhen L S, Hu T, Lv R, et al. Succession of microbial communities and synergetic effects during bioremediation of petroleum hydrocarbon-contaminated soil enhanced by chemical oxidation[J]. Journal of Hazardous Materials, 2021, 410. DOI:10.1016/j.jhazmat.2020.124869 |
| [99] | Wu Y C, Jing X X, Gao C H, et al. Recent advances in microbial electrochemical system for soil bioremediation[J]. Chemosphere, 2018, 211: 156-163. DOI:10.1016/j.chemosphere.2018.07.089 |
| [100] | Fu B J, Liu Y X, Meadows M E. Ecological restoration for sustainable development in China[J]. National Science Review, 2023, 10(7). DOI:10.1093/nsr/nwad033 |
| [101] |
李瑞祥, 李田, 张晓林, 等. 微生物电化学技术在石油烃污染土壤修复中的应用研究进展[J]. 中国环境科学, 2023, 43(6): 3042-3054. Li R X, Li T, Zhang X L, et al. Application and progress of microbial electrochemical technology in the remediation of petroleum contaminated soil[J]. China Environmental Science, 2023, 43(6): 3042-3054. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2023.06.038 |
| [102] | Jiang X, Sun Y T, Qu Y P, et al. The development and future frontiers of global ecological restoration projects in the twenty-first century: A systematic review based on scientometrics[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2023, 30(12): 32230-32245. DOI:10.1007/s11356-023-25615-3 |
| [103] |
刘凯, 张健, 杨万勤, 等. 污染土壤生态修复的理论内涵、方法及应用[J]. 生态学杂志, 2011, 30(1): 162-169. Liu K, Zhang J, Yang W Q, et al. Ecological remediation of contaminated soil: Theoretical connotation, measures, and applications[J]. Chinese Journal of Ecology, 2011, 30(1): 162-169. |
| [104] | Paul B, Bhattacharya S S, Gogoi N. Primacy of ecological engineering tools for combating eutrophication: An ecohydrological assessment pathway[J]. Science of the Total Environment, 2021, 762. DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.143171 |
| [105] | Aradottir A L, Hagen D. Ecological Restoration: Approaches and impacts on vegetation, soils and society[J]. Advances in Agronomy, 2013, 120: 173-222. |
| [106] | Romanelli J P, Fujimoto J T, Ferreira M D, et al. Assessing ecological restoration as a research topic using bibliometric indicators[J]. Ecological Engineering, 2018, 120: 311-320. DOI:10.1016/j.ecoleng.2018.06.015 |
| [107] | Ye S J, Zeng G M, Wu H P, et al. Biological technologies for the remediation of co-contaminated soil[J]. Critical Reviews in Biotechnology, 2017, 37(8): 1062-1076. DOI:10.1080/07388551.2017.1304357 |
| [108] | Rey F, Bifulco C, Bischetti G B, et al. Soil and water bioengineering: Practice and research needs for reconciling natural hazard control and ecological restoration[J]. Science of the Total Environment, 2019, 648: 1210-1218. DOI:10.1016/j.scitotenv.2018.08.217 |
| [109] | Wade M R, Gurr G M, Wratten S D. Ecological restoration of farmland: Progress and prospects[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2008, 363(1492): 831-847. DOI:10.1098/rstb.2007.2186 |
| [110] | Fu B J, Wang S, Liu Y, et al. Hydrogeomorphic ecosystem responses to natural and anthropogenic changes in the Loess Plateau of China[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2017, 45: 223-243. DOI:10.1146/annurev-earth-063016-020552 |
| [111] | Kuppusamy S, Thavamani P, Venkateswarlu K, et al. Remediation approaches for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) contaminated soils: Technological constraints, emerging trends and future directions[J]. Chemosphere, 2017, 168: 944-968. DOI:10.1016/j.chemosphere.2016.10.115 |
| [112] | Hobbs R J, Hallett L M, Ehrlich P R, et al. Intervention ecology: Applying ecological science in the twenty-first century[J]. BioScience, 2011, 61(6): 442-450. DOI:10.1525/bio.2011.61.6.6 |
| [113] | Cai Y J, Liang J S, Zhang P Y, et al. Review on strategies of close-to-natural wetland restoration and a brief case plan for a typical wetland in northern China[J]. Chemosphere, 2021, 285. DOI:10.1016/j.chemosphere.2021.131534 |
| [114] | Fu B J, Wu X T, Wang Z Z, et al. Coupling human and natural systems for sustainability: experience from China's Loess Plateau[J]. Earth System Dynamics, 2022, 13(2): 795-808. DOI:10.5194/esd-13-795-2022 |
| [115] |
朱永官, 彭静静, 韦中, 等. 土壤微生物组与土壤健康[J]. 中国科学: 生命科学, 2021, 51(1): 1-11. Zhu Y, Peng J, Wei Z, et al. Linking the soil microbiome to soil health[J]. Scientia Sinica Vitae, 2021, 51(1): 1-11. |
| [116] | Volis S. Conservation-oriented restoration–A two for one method to restore both threatened species and their habitats[J]. Plant Diversity, 2019, 41(2): 50-58. DOI:10.1016/j.pld.2019.01.002 |