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【专家视角】固定化微生物技术在多环芳烃污染土壤修复中的应用

来源：花匠小妙招时间：2025-10-16 23:21

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固定化微生物技术在多环芳烃污染土壤修复中的应用

张静1,2，周南2，张盼月1*，王慧2*，张光明3

1.北京林业大学环境科学与工程学院

2.清华大学环境学院

3.河北工业大学能源与环境工程学院

摘要:固定化微生物技术是修复多环芳烃（PAHs）污染土壤有效且环保的方法之一。该技术通过保护微生物免受周围恶劣环境的影响，在PAHs污染场地修复中长时间保持功能微生物活性，克服传统微生物修复效率低、周期长等问题。主要介绍了我国土壤PAHs污染现状及常见的PAHs污染土壤微生物修复技术；从载体材料、降解菌及固定条件3个方面综述固定化微生物技术的研究现状以及影响固定化效果的重要因素；从土壤环境、微生物群落和吸附-降解过程分析PAHs污染土壤固定化微生物修复的作用机制；最后从载体材料、功能微生物、固定方法、评价体系、生态风险和实际应用6个方面，对固定化微生物技术在PAHs污染土壤修复中存在的问题进行总结并提出展望。

关键词:多环芳烃（PAHs） / 固定化 / 微生物 / 土壤修复

多环芳烃（PAHs）是由2个或2个以上苯环及其衍生物形成的线性、角形或簇状结构排列的持久性稠环有机化合物。自1961年Blumer首次发现存在于土壤中的PAHs后，PAHs土壤污染问题一直受到全球的关注与重视[1]。根据2014年全国土壤污染状况调查，我国1.4%的土壤PAHs含量超标，其中轻度、中度和重度污染点位均占一定比例[2]。PAHs具有高毒性、生物积累性以及致癌、致畸、致突变特点[1-3]。同时，PAHs具有疏水性及脂溶性等特点，极易沉积到土壤环境中，进入人类食物链，对人类健康及生态环境造成危害。因此，探究PAHs污染土壤的高效修复技术非常必要[4]。

PAHs污染土壤的微生物修复指利用微生物自身代谢功能，将污染物直接作为营养物质参与代谢，最终转化为非污染物质。微生物修复过程无二次污染，成本低廉，降解率高，因此，其作为一种绿色无污染的生态友好型修复方法受到越来越多关注[5]。微生物修复主要分为微生物刺激及微生物强化[6]。微生物强化指通过向污染土壤中添加高效降解菌，增强土壤污染物的降解效果，其已成为污染土壤微生物修复的主要方法[4-6]。Wolf等[7]研究了Mycobacterium vanbaalenii PYR-1微生物强化修复PAHs污染土壤的效果，经过8周微生物修复，总PAHs的降解率为55%，同时较显著地提高了高环PAHs的降解效果。

在实际污染土壤的传统微生物强化修复过程中，外源降解菌常需要与土著菌竞争生态位导致无法快速有效定殖，同时外源降解菌常难以快速适应恶劣环境。固定化微生物技术作为一种绿色修复技术受到广泛关注[8]。该技术通过将外源降解菌富集固定在载体中，提高功能微生物的浓度及稳定性，屏蔽土著菌的竞争以及外界不利环境因素的影响，如高PAHs含量、强酸强碱环境、高重金属含量、高盐高碱度环境等对外源降解菌的危害，进而增强微生物修复效果。同时，在固定化微生物技术修复过程中，由于疏水作用PAHs可以从污染土壤迁移到载体表面，促进固定化微生物降解PAHs的进程[9]。该技术在实际污染场地修复过程中具有良好的应用前景。

目前固定化微生物技术在污水处理中得到了广泛应用，而在污染土壤修复中的实际应用还相对欠缺[8]。笔者从微生物固定载体、固定微生物、固定条件的选择以及污染土壤修复机制等方面，总结PAHs污染土壤固定化微生物技术修复的研究进展，并针对现阶段存在的问题提出展望，以期为固定化微生物技术修复PAHs污染土壤的进一步研究和应用提供支撑。

固定化微生物技术

固定化微生物技术将功能微生物固定在载体中，通过微生物富集及屏蔽外界不良环境影响提高微生物的浓度及活性，并通过对污染物的吸附增加微生物与污染物的接触，提高污染物降解效果[10]。固定化微生物技术目前主要集中于修复有机物及重金属污染的场地，均取得了良好的修复效果[11]，并逐步应用于复合污染土壤的修复。李琋等[12]采用吸附法将一株具有镉抗性和石油烃降解能力的菌株固定于玉米芯生物炭，修复石油烃-镉复合污染土壤60 d后，石油烃降解率达到51.25%，显著高于游离菌组。固定化微生物技术在实际污染土壤和场地修复中具有广阔的应用前景。

1.1 固定化方法

20世纪70年代，固定化微生物技术起源于细胞及酶的固定化。该技术主要通过选用不同类型的固定载体为微生物创造有利的生长环境，减轻外部恶劣环境对微生物的危害，进而提高污染物的降解效果[13]。根据载体与微生物之间作用力的差异，微生物固定化方法分为吸附法、包埋法、交联法及共价结合法等，其特点如表1所示。

吸附法指利用分子间的弱作用力（如氢键、疏水键、范德华力等）使细胞与固定载体表面结合，实现微生物细胞的附着；附着细胞在载体上生长繁殖，并与外界环境进行物质交换[14]。吸附过程中细胞与载体之间同时发生细胞的吸附与解吸行为，直至最终达到动态平衡。吸附法操作过程简单、微生物活性稳定、成本低、污染物降解率高，是最常用的微生物固定方法[15]。张博凡[16]采用吸附法将菌株Microbacterium sp. Q2固定在550 ℃热解制备的菌糠生物炭上，吸附达到平衡时，载体中微生物量为2.375×1010 个/g，模拟石油污染土壤修复45 d后，石油烃的降解率达到63.05%，显著高于游离菌。

包埋法一般以聚合物凝胶或聚电解质复合物等为载体，将细菌包裹在凝胶晶格中。由于高聚物中存在大量孔隙，所以细胞可在孔隙内自由移动，并与外界进行物质能量交换。包埋载体的半透膜性质能够有效防止细胞遭受外界环境的影响，且对大部分微生物具有普适性。包埋法制备的固定化小球机械强度较高，但高硬度的包埋介质可阻碍微生物与氧气及污染物的接触，增加传质阻力[13]。刘少恒[14]利用聚乙烯醇和海藻酸钠固定Bacillus sp. P1，在镉胁迫下探究其对pH、温度、重金属以及PAHs中间代谢产物菲醌等环境因素的屏蔽作用，结果表明固定化菌剂抵抗冲击性恶劣环境的能力增强，对pH、温度的适应性更广，对重金属及PAHs降解有毒中间产物的屏蔽能力增强。

交联法指在不需要载体的情况下，通过物理或化学的方法使微生物细胞间实现交联。根据实现条件交联法可分为物理交联及化学交联[15]。物理交联指通过改变微生物培养液的环境条件，如pH、温度、浓度等，实现微生物细胞自身的絮凝，进而实现微生物固定。化学交联指通过加入一系列化学交联剂，如戊二醇、氯联苯胺等，使微生物之间通过形成共价键转化为不溶性物质，实现微生物的固定[16]。交联法操作条件及反应较为复杂，容易导致微生物失活，在实际污染场地修复中应用较少。

共价结合法指通过一系列反应将固定载体表面活性基团与微生物表面的羧基、羟基、醛基等基团通过共价键结合。载体与微生物之间结合紧密，应用过程不存在微生物脱落等问题，具有较高的稳定性[17]。但该方法操作复杂，反应条件较难控制，固定过程中微生物极易死亡，因此研究较少[18]。

为克服单一固定化技术的不足，较多研究采用复合固定化方法，其中最常见的为吸附-包埋联合固定化技术。该方法能够将微生物尽可能吸附在载体材料上，然后用海藻酸钠等包埋剂进行固定。通过联合吸附-包埋固定技术，能够保持较高的微生物浓度及活性，同时由于载体材料为微生物提供有利的生存环境，可有效确保微生物的活性。

1.2 固定化微生物技术的主要影响因素

微生物修复是一种生态友好的PAHs污染土壤修复技术，然而在实际应用过程中，游离菌的丰度、活性以及微生物与污染物的接触等极易受PAHs毒性、不适pH环境、营养缺乏以及土著微生物竞争等的影响。微生物如何在PAHs污染土壤中保持高降解率、高生物量及高活性是增强修复效果的关键，而固定载体、固定微生物及固定条件是重要影响因素。

1.2.1 固定载体

根据土壤污染类型、微生物固定方法的不同，可供选择的固定载体种类不同。固定载体主要分为有机载体、无机载体及新型载体（图1）。利用固定化微生物技术修复污染土壤，通常不考虑载体的再利用问题，即修复完成后载体融入土壤环境，因此寻找合适的固定载体至关重要。载体应具备以下特点：比表面积大、孔隙度大、营养充分，可为微生物提供良好的生存环境；无毒无害，对固定微生物友好；来源广泛、成本低廉；稳定性强，具有一定的机械强度；对土壤生态环境无害[13-15]。环境无害性、微生物亲和性、污染物吸附能力通常是评价固定载体的3个关键参数。

1.2.1.1 有机载体

微生物在降解土壤PAHs过程中需要大量的营养物质。有机载体含有的丰富营养物质能够发挥微生物刺激作用，促进微生物高效降解污染物；此外，有机载体包含较多的孔隙，具有固定化微生物的潜力[19]。目前主要的有机载体为农林废物及其衍生物。

农林废物由于成本低廉、来源广泛以及良好的微生物亲和力而受到广泛关注。农林废物含有丰富的有机质及N、P等，施入土壤后缓慢释放营养物质，促进微生物的生长繁殖，提高PAHs的代谢效率。Wang等[20]利用含有农林废物和营养物质的固体基质作为微生物固定载体修复PAHs污染的盐碱土壤，经过30 d的修复后，与游离菌相比，固定化微生物在不同程度上促进了土壤PAHs的生物降解，并且具有良好的环境胁迫耐受性。固定载体的孔隙结构等为微生物提供了良好的生存环境，同时载体对土壤的改良作用，降低了盐碱化条件对微生物的影响。李岩等[21]选用番茄秸秆作为固定载体，利用吸附-包埋-交联复合方法固定具有PAHs降解能力的芽孢杆菌，结果显示载体上活菌数为3.75×108 个/g，经过4个月的土壤修复后，与游离菌相比，固定化细菌对煤矿区单体芴及蒽的降解率分别提高到64.10%~72.31%及8.13%~15.24%。降解效果提高的原因主要在于载体为微生物提供了充足的营养，增强了微生物活性及稳定性。近年来，有研究选用营养含量高的白酒副产品作为固定载体，取得较好的PAHs降解效果。于金标[22]通过吸附法将一株PAHs降解菌固定于酒槽并施用于污染土壤，模拟土壤原位修复72 d后，酒槽固定化微生物对菲的降解率达到91.78%，显著高于单独添加游离菌和营养元素。酒槽一方面发挥载体作用，另一方面通过释放丰富的营养元素促进微生物的生长繁殖。

从2006年生物炭科学研究提出后，生物炭的制备和应用成为环境领域的热点[23]。生物炭比表面积较大、表面官能团较多，能显著改善土壤理化性质，经常被用作土壤改良剂[22]。李琋等[12]以玉米芯生物炭为固定载体，通过吸附法将石油烃降解菌固定于生物炭对石油烃-重金属复合污染土壤进行修复，经60 d后固定化微生物对石油烃的降解率高达51.25%，显著高于游离菌（40.44%）。Guo等[24]以麦麸生物炭为固定载体，固定具有PAHs降解能力的假单胞菌、不动杆菌以及鞘氨醇菌属细菌复合菌剂，经过84 d土壤修复后，固定化复合菌剂修复效率最高，总石油烃降解率高达58.31%。不同制备条件和原材料对生物炭的比表面积、孔体积、表面官能团、Zeta电位等有显著影响，进而影响微生物的附着能力，改变固定化菌剂的污染物降解效果。目前关于生物炭固定微生物的研究较多集中于PAHs的降解及其对微生物群落结构的影响，对固定载体选择、固定方法以及固定条件优化关注较少。

生物质废物及生物炭因价格低廉、来源广泛、制备简单、与微生物有较强的相容性，已成为固定载体的优选材料，同时其由于具有较强的土壤改良作用，在土壤PAHs污染实际修复过程中具有良好的应用前景。

1.2.1.2 无机载体

用于PAHs污染土壤修复的微生物固定载体选择多集中于有机载体，但目前也有研究尝试采用一些无机载体，拓宽了固定化微生物技术应用的新领域。无机载体主要分为天然矿物及合成矿物，包括膨润土、金属氧化物、泥煤渣等。Huang等[25]将分离到的2株PAHs降解菌固定在煤渣上，对湿地土壤进行微生物强化修复，修复30 d后，相比游离细胞，芘的降解率提高12.2%。以各种天然无机矿物废物为载体，可在提高微生物修复效果的同时，实现固体废物的资源化再利用。巩春娟等[26]分别选用有机及无机材料作为固定载体，吸附固定低温PAHs高效降解混合菌，经过60 d的修复后，发现无机蛏石固定化微生物对PAHs的降解效果优于其他载体，菲、芘、苯并[a]芘的降解率较游离菌分别提高29.09％、11.56％及12.78％。无机载体在实验室规模上的修复效果较好，但在实际场地修复过程中仍存在一些问题。大部分无机载体具有无毒、机械强度高等特点，同时成本低、稳定性好，但由于表面官能团较少，在固定化过程中与微生物亲和能力较差，在土壤环境修复过程中微生物易与载体脱离，失去固定效果，因此在实际应用中效果并不理想。

1.2.1.3 新型载体

随着科学技术的发展，一些新型材料也被选用作为微生物固定载体。主要包括石墨烯、碳纳米管、改性铁基生物炭等。Ren等[27]利用氧化石墨烯固定了一株副球菌Paracoccus aminovorans HPD-2，并对PAHs污染土壤进行微生物强化修复，与传统的固定化菌剂相比，经过35 d的微生物修复后，总PAHs的降解率高达62.86%，且显著增强了高环PAHs的降解率。氧化石墨烯主要从3个方面强化PAHs的降解：载体巨大的比表面积、丰富的介孔增加功能菌的丰度；微生物分泌胞外多糖及胞外酶增加石墨烯与细胞表面的接触堆叠；石墨烯在长期修复过程中存在明显的营养缓释作用，显著提升土壤中速效钾等的含量。Wang等[28]采用聚乙烯醇-海藻酸钠-铁改性生物炭复合材料交联固定铜绿假单胞菌，用于降解土壤中的菲，复合材料的表面粗糙度增加，表面氧化铁吸附水分子后与胞外聚合物形成氢键，共同促进了微生物的吸附与固定。

虽然新型材料如石墨烯、纳米级材料等可以较好地富集微生物及污染物[27]，同时对微生物的生长具有刺激作用，但新型材料通常存在成本高、制备复杂、生态环境相容性差等问题。此外，新型材料固定化菌剂修复过程中污染物及微生物的作用机制尚不清晰，阻碍了其在实际污染土壤修复中的大规模应用。

固定化微生物技术修复的关键在于微生物与污染物的接触程度。固定化微生物技术可以提高土壤环境中局部的微生物浓度，但PAHs在土壤环境中的迁移能力较差，因此为保证修复效果，需要经常翻土、多次投加菌剂等，增加了处理难度及修复成本。选用吸附性能较好的载体可有效解决上述问题。高吸附性能载体可通过较强的传质作用，在载体环境中形成PAHs及微生物的汇，最终形成吸附-降解动力学协同系统，显著提高土壤修复效果。

1.2.2 固定微生物

获得具有高效降解PAHs能力的微生物是PAHs污染生物修复成功的前提[4]。研究发现多种细菌均具有PAHs降解能力，如假单胞菌属（Pseudomonas）、分枝杆菌属（Mycobacterium）、伯克氏菌属（Burkholderia）和鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）等[4]。具有三环及以上的高分子量PAHs本质上难以直接被微生物降解，因此目前分离出的高环PAHs降解菌株较少[29]。固定化微生物技术中微生物种类的选取对修复效果至关重要。根据固定微生物种类不同，可分为单一微生物固定及混合微生物固定；根据固定微生物来源的不同，可分为土著菌固定及外源菌固定。

1.2.2.1 单一微生物与混合微生物的固定

目前大多固定化微生物技术的研究集中于单一功能菌株的固定。实际污染土壤中污染物组成复杂、环境变化大，单一微生物往往难以同时适应复杂环境并降解多种目标污染物，因此有研究通过固定混合菌群提高污染土壤修复效果[11-16]。通过将降解不同目标污染物、不同种属、不同电子受体的菌株组成菌群，并进行固定，其在生长过程中互相利用产生的代谢产物，形成相互共生、结构稳定的群落，可提高固定化微生物的降解效果[30]。王天杰[31]以丝瓜络为固定载体，分别固定毛霉真菌（Mucormucedo sp. SDR1）、假单胞菌（Pseudomonas sp. SDR4）及同时固定Mucormucedo sp. SDR1和Pseudomonas sp. SDR4菌群，比较土壤中菲及芘的降解效果，结果发现固定混合菌群对菲及芘的降解效果均高于固定单一功能菌。固定混合菌群在适宜的环境条件下实现菌群的互相协同，同时不同菌群可互相利用其代谢产物，促进菌株之间的协同生长[32]。胡广军等[33]发现，土壤中PAHs的降解效果主要取决于PAHs降解菌的数量，并随着PAHs降解菌数量的增加，土壤中PAHs降解率随之提高。由此可见，探究复合菌群中不同微生物之间的协同竞争关系对于固定化微生物的选取和混合非常重要。

目前大多研究主要关注修复初期不同微生物菌群的初始构成及污染物的降解效果，固定化混合菌群在修复过程中的变化趋势、群落结构的稳定性及与土著微生物群落之间的竞争协作规律并不明确。

1.2.2.2 土著菌与外源菌的固定

根据微生物的来源不同，固定微生物可分为土著菌或外源菌。固定土著菌相比固定外源菌能更快地适应恶劣土壤环境，减少不利因素的影响，提高微生物的降解效果。Xiong等[34]将一株筛选于目标污染场地的土著分枝杆菌M. gilvum固定于稻壳秸秆生物炭，修复总PAHs含量为677 mg/kg的焦化厂污染场地，18 d后菲、芴及芘的含量分别减少62.6%、52.1%及62.1%。但由于部分场地具有降解PAHs能力的土著微生物较少，因此通常需要筛选外源菌进行微生物强化。Song等[35]将筛选于焦化厂的一株PAHs降解菌Sphingomonas sp. PJ2固定于松针生物炭，修复辽河石油污染场地周边的农田土壤，经过60 d的微生物修复后，固定化菌剂的总PAHs降解率相比单纯载体和游离菌分别提高了15.94%和37.3%。土壤中的土著PAHs降解菌相较于外源功能菌能更好地适应土壤环境，显著提高微生物的生物量及活性，因此土著微生物是固定化微生物技术修复PAHs污染土壤的更优选择。

同时，固定化微生物技术中微生物选择的关键在于能否高效利用载体吸附的PAHs。目前微生物筛选和驯化大多以液态PAHs为唯一碳源，延长了微生物的适应期[17]。今后研究可在微生物筛选阶段以载体吸附态PAHs作为唯一碳源，优选微生物，促进固定后微生物快速进入降解阶段。

1.2.3 固定条件

微生物负载量是评价固定化效果的最直观指标，而固定条件是影响微生物负载量的直接因素。其中固定时间、微生物接种量是固定化过程中的2个重要参数，对固定化菌剂韧性、微生物活性、微生物数量及微生物与载体结合强度均有显著影响。目前关于固定化微生物修复PAHs污染土壤的研究多集中于载体的筛选及固定化菌剂对土壤理化性质与微生物群落结构的影响，固定化菌剂制备条件的优化及固定效果的评价指标，如微生物负载量、微生物活性、污染土壤修复效果等，并未达成统一，通常仅以污染物的降解率为评价标准，难以准确评价固定化微生物的效果。因此在制备固定化菌剂的过程中，关键参数的调控至关重要。

1.2.3.1 固定时间

微生物固定过程分为微孔填充及生物膜形成。微孔填充主要发生在固定化早期，此时微生物吸附到载体表面和孔隙；当吸附达到饱和后，微生物开始在载体表面生长繁殖并形成生物膜。固定时间短可能导致吸附尚未饱和，固定时间长可能出现生物膜脱落等问题，导致微生物负载量减少。任静等[32]探究了固定时间对固定化效果的影响，发现过长或过短的固定时间下微生物负载量均较低，固定时间为2 d时，通过SEM观察到载体表面微生物量最大。进一步研究表明，在一定范围内，污染物的降解效果与微生物负载量呈正相关。荚荣等[36]的研究表明，固定时间是影响固定化白腐真菌F17降解染料的主要影响因素，菌丝与载体结合2 d时，白腐真菌对染料金橙G和刚果红的脱色效果最佳。

1.2.3.2 初始接种量

微生物初始接种量对最终载体固定微生物量有直接影响。当初始接种量较大时，微生物无法获得足够的营养及氧气进行生长繁殖，导致微生物死亡。接种量较小时，易导致载体孔隙未被有效填充，微生物极易脱落。任静[37]探究了接种量对微生物固定化效果的影响，在稻壳生物炭上分别接种2.9×108和2.9×109 CFU/mL的微生物，SEM表征发现，初始微生物接种量较低时，载体上固定的微生物数量反而较多。目前固定化微生物技术采用的初始接种量主要集中在107~1010 CFU/mL[12,32,34]。

1.2.3.3 其他影响因素

除了固定时间及初始接种量外，固定化过程中各种环境参数均可对固定效果产生一定影响，如固定温度、载体粒径、固定培养基等[37]，对固定化过程中微生物的生长繁殖速度、微生物与载体的结合程度等均具有重要影响。目前微生物固定尚未有统一的评价指标，而且载体种类、污染类型、微生物固定条件均可对微生物固定产生较大影响[38]。

PAHs污染土壤固定化微生物技术修复机理

PAHs污染土壤的固定化微生物修复在多种机理的共同协作下完成。固定化菌剂主要通过改善土壤理化性质、改善微生物群落结构及载体吸附协同微生物降解等共同作用增强PAHs污染土壤的修复效果，作用机理如图2所示。

2.1 改变土壤理化性质

固定化微生物在修复土壤污染、改善土壤环境过程中发挥重要作用。固定载体的加入直接改变土壤的理化性质，通常可以通过载体的选择改良土壤的特性。土壤理化性质对土壤中营养元素的溶解度及生物利用度有显著影响，营养状况的改善将刺激相关微生物活性。微生物在生长代谢过程中消耗并代谢营养物质，固定微生物的种类、丰度等可间接影响土壤特性[33-35]。同时，载体还可以促进氧气传质、减少水分流失并保护细菌。

固定化外源菌加入土壤后，能够疏松土壤，增加氧气流通，为外源降解菌提供有利的缓冲体系，避免外界环境条件的毒害影响，有利于外源降解菌成为土壤环境中的优势菌；同时这种微环境可以为土著菌提供更充分的营养物质，进而刺激土著菌生长繁殖，达到微生物强化与微生物刺激的协同作用。因此探究固定化菌剂对土壤理化性质的影响对解释微生物强化的修复机理很有必要[39]。Song等[35]利用松针生物炭固定化菌剂修复盐碱化PAHs污染土壤，修复土壤的氨氮、有效磷、有效钾及总有机碳含量均显著提高，更好地为土壤微生物提供营养成分以及适宜的生存环境，促进微生物修复效果；但土壤电导率显著降低，主要由于生物炭较大的比表面积及孔隙度提高了对不溶盐的吸附和固定能力。Guo等[24]将具有PAHs降解能力的菌群固定在麦麸生物炭上，对污染土壤进行修复，发现土壤pH显著下降，氨氮、有效磷、有效钾含量显著上升，这可能与载体表面存在的酸性官能团有关。于金标[22]通过吸附法将一株PAHs降解菌固定到酒槽上并施用于PAHs污染土壤，固定化微生物的添加提高了土壤中小颗粒的占比，增大了土壤通气量。李明旭[40]利用海带渣生物炭固定化微生物修复PAHs污染土壤，发现土壤有机质、氨氮、有效磷和速效钾含量均显著增加。

固定化菌剂对土壤理化性质的影响主要分为2个方面：一方面，载体本身对土壤理化性质的改变，载体表面的酸性官能团（羧基、硝基等）导致土壤pH变化，而载体与土壤环境中溶解性有机物、有效磷等的含量差为其相互迁移提供动力，同时载体加入后会直接改变土壤孔隙度、持水性等，减少营养元素的流失；另一方面，不同种类和丰度的微生物也影响土壤特性，微生物通过自身代谢性能、呼吸速率的变化消耗并转化营养物质，间接影响土壤理化性质。由此可见，固定化菌剂通过载体及微生物的双重作用影响土壤性质，并随着微生物与环境因素的相互作用处于动态变化中[35]。

2.2 影响微生物群落组成及功能基因

固定化菌剂修复PAHs污染土壤过程中，微生物群落结构的改变主要取决于载体及固定微生物：一方面，载体更高的机械强度、更大的比表面积及介孔体积，有利于微生物的生长繁殖，保护固定微生物免受土壤环境的胁迫或降低土著微生物的竞争[24]；同时载体可以为微生物提供营养物质，增加固定化微生物的丰度，也能刺激PAHs土著降解菌的生长。另一方面，固定化微生物进入土壤与土著微生物竞争生态位直接导致土壤环境微生物群落结构改变[41]。

微生物在载体上的固定分为2个阶段：初始阶段微生物吸附在载体上；第二阶段通过载体刺激胞外聚合物分泌，促进固定化生物膜的形成。Song等[35]报道了盐碱化PAHs污染土壤固定化菌剂修复60 d的结果，在门水平中，固定化微生物中放线菌门（Actinobacteria）相对丰度提高13%。作为高效降解PAHs的微生物，放线菌门在PAHs污染土壤修复中发挥了重要作用。在属水平上，Glutamicibacter、Salinimicrobium、Microbacterium、Sphingomonas、Massllia和Paracoccus的相对丰度均显著提高，这6种微生物均为PAHs降解菌。Ren等[27]探究了石墨烯固定化菌剂修复PAHs污染土壤后微生物结构的变化，发现固定化菌剂修复时，微生物总生物量较对照组提高约23倍；同时固定微生物的加入触发了土著PAHs降解细菌属的富集，土壤中土著PAHs降解菌总量增加41.2%。Huang等[25]利用煤渣为载体固定了一株土著降解菌，并对PAHs污染土壤进行修复，发现相较于对照组固定化微生物降低了土壤微生物群落的多样性，改变了土壤微生物群落的优势菌群。但也有研究表明，这种影响是暂时的，当土壤中PAHs浓度降低时，微生物群落的组成和丰度可恢复到原始水平[42]。

固定化菌剂通过载体自身结构直接影响土壤理化性质，进而对土壤微生物群落产生影响[43]。不同的微生物通过不同功能基因的表达改变PAHs污染物的降解[4]。Song等[35]探究了生物炭固定化菌剂修复盐碱化PAHs污染土壤的效果，结果表明：经过60 d修复后，土壤中GP-RHDa基因的丰度显著增加，且GP-RHDa基因与总PAHs降解效果相关系数高达0.902；GN-RHDa基因的丰度却显著减少，可能是由于土壤PAHs降解初始阶段GP-RHDa基因数量高于GN-RHDa基因。然而，一些研究却得到不同的结论。Ni等[44]发现生物炭固定化菌剂的添加明显增加了土壤中GN-RHDa基因的丰度，而GP-RHDa基因的丰度保持不变。PAHs降解相关功能基因表达的这种差异可能与土壤污染类型、固定载体以及PAHs性质有关。Ren等[27]发现石墨烯固定化菌剂在PAHs污染土壤修复过程中存在PAHs降解功能基因的富集，推测降解菌主要通过降解功能基因的表达以及降解酶的分泌强化PAHs的降解。同时，体系中还观察到ATP转运基因的增强，此类间接基因的表达可以通过减轻高含量PAHs对微生物的压力，促进PAHs的降解。由于污染土壤性质、污染程度、载体类型等不同，固定化微生物对土壤微生物群落结构及相关降解功能基因的影响也未完全统一[45]。

2.3 载体吸附协同微生物降解

PAHs在土壤中迁移能力差，只有从土壤颗粒中解析下来才具备生物可利用性，因此传统的PAHs污染土壤微生物修复过程中，仅与微生物接触的污染物才被降解[46]。固定载体由于具有巨大的比表面积和孔隙度，不仅为微生物提供良好的附着及生存空间，同时其表面较多的碱性基团使载体比土壤颗粒更易于吸附疏水性的PAHs。当固定化菌剂施用于污染土壤时，能够同时有效富集微生物及污染物，增加二者的接触机会和接触面积[47]。因此，固定化菌剂修复污染土壤过程中，对PAHs的吸附与降解同时发生。

以腐殖酸作为载体时，载体吸附使菲的降解率提高4.8倍，表明腐殖酸介导的PAHs吸附是提高PAHs降解效果的主要机制[48]。Xiong等[34]通过在固定化菌剂修复过程中添加一种非离子态表面活性剂Brij30增加PAHs的溶解性，修复18 d后发现较不添加表面活性剂的对照组，PAHs向载体的传质效率降低53%，PAHs的降解率显著提高，固定化菌剂提高PAHs降解效果主要归因于载体吸附态PAHs的降解率提高。李静华[49]以石油污染土壤中含量较高的菲为目标污染物，采用固定化菌剂探究菲的降解机制，发现菲的降解存在多种方式，包括吸附在载体上的菲被固定微生物直接利用，导致载体表面与土壤环境之间形成菲的含量差，促进载体进一步吸附菲；菲的载体吸附缩短了菌株与菲之间的传质距离，增强了菲的降解效果；微生物生长繁殖过程中分泌的酶活性物质富集在载体表面，增加酶与菲的接触面积，促进菲的降解。Huang等[25]发现固定化菌剂对高环PAHs的降解效果优于低环PAHs，主要原因在于高环PAHs的高疏水性导致其极易被固定载体吸附，而且吸附的可逆性较差。

综上所述，在固定化菌剂降解体系中，载体通过吸附PAHs增强微生物与PAHs的接触 [50]。载体首先吸附污染物至孔隙结构中，富集污染物与降解菌，由于降解菌降解有效降低PAHs的浓度，形成载体表面与土壤环境中的PAHs含量梯度，导致持续的吸附-解吸驱动，载体成为一个动态的PAHs与微生物汇，同时微生物生长过程中分泌的酶及相关代谢产物直接与PAHs接触，强化PAHs的降解[51]。因此，利用具有高吸附能力的固定载体同时富集PAHs和微生物，是固定化微生物技术强化PAHs降解的关键。

存在的问题及展望

固定化微生物技术是未来PAHs污染土壤修复的重要发展方向。将功能降解菌固定在载体上，避免由于机械作用造成微生物细胞、生物酶活性、生化反应稳定性的破坏，降低PAHs污染土壤环境条件对功能微生物的影响。目前，微生物固定化技术的实验室研究已经日趋成熟，但走向大规模应用仍存在一些问题。未来的研究应注重以下几个方面。

（1）载体材料。探寻效果更好的多功能复合载体材料，不同生物质废物制备的载体，能满足不同的土壤环境需求，或者将有机载体与无机载体联合应用，如秸秆和煤渣联合，同时发挥有机载体及无机载体的优势，进一步增强修复效果；在实际应用中载体灭菌对能源需求较大，探究载体灭菌对固定效果和修复效果的影响也具有重要意义。

（2）功能微生物。筛选具有广谱底物降解能力及环境适应性强的微生物，例如兼性菌等，有助于实现PAHs的高效降解；筛选吸附态PAHs的高效降解微生物；探讨对复杂污染体系采用混合菌处理与单一高效菌分级处理效果的对比和优化途径。未来关于固定化微生物的获取及筛选应更关注这些问题。

（3）固定方法。单一的固定方法均存在一定缺陷，在多种固定方法联合应用或者改进固定技术方面仍需要继续研究，如吸附过程中促进微生物快速富集生长于载体表面，避免微生物脱落及死亡等问题。

（4）评价体系。固定化效果的评价标准尚未统一，如微生物负载量或微生物活性哪个更适合评价固定效果、如何去除脱落微生物或死亡微生物的干扰等；在固定化效果与污染土壤修复效果之间建立相关性，形成一套完整的固定化效果评价体系，更好更快地选择高效的固定载体和固定条件等。

（5）生态风险。尚未对固定化微生物菌剂对土壤修复的长期生态影响开展细致的研究和评价，可探究外源降解菌的长期定殖情况、土著菌的群落变化趋势以及土壤环境因子的变化特征；探究表面活性剂促进PAHs从土壤有机质中解吸的作用机制，提高PAHs的解吸-降解效率，具有重要意义。

（6）实际应用。在载体的理化性质、土壤环境、固定参数与固定效果等之间建立相关关系，形成固定化微生物菌剂修复PAHs污染土壤的数据库，后续研究中可以直接根据土壤污染现状及环境条件等选择合适的载体，减少载体筛选、条件优化等过程；开展固定化微生物技术在土壤修复实际应用过程中技术参数的优化和评价，并开展长期效果验证研究；固定化微生物技术在未来大规模应用过程中应考虑与智能技术联合，提高修复的自动化，增强其产业化发展。

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(生态修复网)

（转自：生态修复网）

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