湖泊沉积物中多环芳烃生物降解及其影响因素

张海晨  晏再生  江和龙  杨明忠  吴慧芳

（1．南京工业大学环境学院，江苏南京211816：

2．中国科学院南京地理与湖泊研究所，湖泊与环境国家重点实验室，江苏南京210008）

 摘要：多环芳烃( PAHs)是环境中广泛存在的一类持久性有机污染物，随着环境中PAHs污染的加剧，湖泊沉积物中PAHs含量呈逐年增加的趋势，对湖泊环境造成了潜在的生态风险。生物降解在PAHs的迁移转化、自然分解甚至最终从环境中消失的过程中占有重要的地位，是沉积物中PAHs去除最主要的途径。在介绍国内外湖泊沉积物中多环芳烃污染分布与污染程度的基础上，详细阐述了影响沉积物中多环芳烃生物降解的主要因素：溶解氧、温度、电子受体、电子供体以及降解PAHs的微生物，并探讨了不同因素下PAHs的降解特征及其强化生物降解过程中存在的问题，最后对其今后的研究方向进行了展望。

 关键词：多环芳烃；生物降解；沉积物；影响因素

 多环芳烃( PAHs)是环境中广泛存在的一类持久性有机污染物，主要来源于人类活动和能源利用过程，通过地面径流、污水排放及机动车辆等燃料不完全燃烧后的废气随大气颗粒的沉降进入湖泊等水体。进入水体中的PAHs在水相和颗粒物之间进行分配。被颗粒物吸附的PAHs将沉降于湖泊沉积物中，并逐渐在沉积物中大量积累，高浓度的PAHs存在极大的环境风险。湖泊沉积物中多环芳烃的归宿主要包括挥发、光氧化、生物积累、沉积物吸附及生物降解等。其中，生物降解在PAHs的迁移转化、自然分解甚至最终从环境中消失的过程中占有重要的地位，是沉积物中PAHs去除最主要的途径。然而，因PAHs具有疏水性、亲脂性以及致畸、致癌、致突变等特点，且随着苯环数的增加，其亲脂性、遗传毒性以及致癌性增强，导致PAHs抵制微生物分解，长时间滞留于环境中。因此，深入研究湖泊沉积物中多环芳烃的降解特征及影响因素有助于预测湖泊沉积物中PAHs降解与蓄积速率以及开发原位生物调控措施以降低其潜在生态风险，为受损湖泊生态系统恢复和有效地开展污染环境生物修复提供科学指导。

1湖泊沉积物中多环芳烃的污染特征

近年来，随着环境中PAHs污染加剧，关于湖泊表层沉积物中PAHs的污染状况和污染特征国内外均有相关报道（如表1）。我国学者对南四湖、红枫湖、太湖、巢湖、滇池及洱海等浅水湖泊沉积物中PAHs含量、分布及污染状况进行了调查，发现我国主要淡水湖泊PAHs含量均较高，特别是洱海表层沉积物中PAHs含量达到31 900—269 000 ng/g，为我国沉积物中PAHs最高值。研究还发现太湖全湖区域PAHs含量呈逐年增加趋势，其中以梅梁湾污染尤为突出。此外，我国湖泊沉积物中还以潜在致癌性的高环PAHs占主导。国外对沉积物中PAHs研究表明不同地区沉积物中PAHs浓度差别较大，发达地区PAHs污染普遍严重，这与发达地区工业发展存在一定关系。与国外沉积物中PAHs污染相比较，我国湖泊沉积物中PAHs污染状况仍在加重，污染程度呈上升发展的态势。潜在的风险评价表明这些区域中的PAHs污染可能会对水环境及生物产生负面影响，威胁到人类的健康。因此，有效地控制和修复湖泊沉积物中PAHs污染显得尤为重要和紧迫。籍此，深入探讨影响湖泊沉积物中PAHs生物降解的主要因素。

2影响湖泊沉积物中PAHs生物降解的主要因素

 对沉积物中PAHs生物降解的影响因素的研究主要集中在以下几个方面：溶解氧、温度、电子受体、电子供体以及降解PAHs的微生物。

2.1溶解氧和温度

 影响沉积物中PAHs生物降解的主要的环境因子包括溶解氧、温度。

 溶解氧水平是限制微生物生长代谢的主要因素之一，微生物降解有机物的过程就是对氧的利用过程。一般情况下，淡水沉积物的表层是好氧层，随着深度增加存在着大量缺氧或厌氧区域。沉积物中PAHs首先进行好氧降解；在厌氧条件下，PAHs的自然降解是一个极其缓慢的过程，厌氧条件下沉积物中PAHs的降解速率比好氧条件下低1—2个数量级，高分子量PAHs降解尤其缓慢，必须依靠可以利用的其它电子受体（Fe3、N0.3、S042-等）才能够顺利进行。Boyd等指出控制底层上覆水溶解氧达到饱和溶解氧的70%以上将对表面沉积物中PAHs的生物降解起到极大的促进作用，这一措施可能会限制与温度有关的异氧细菌的产生，但是会优先促进PAHs的降解。

 温度对PAHs生物降解的影响主要表现在其对PAHs的理化性质、化学组成、微生物对PAHs的代谢以及微生物群落结构等的影响。大多数微生物在中温环境下活性较强，在低温或高温环境下活性降低。Mohn等研究表明尽管在20—30℃温度范围内PAHs生物降解效率更高，这一过程仍能在低于5℃的低温环境中持续进行。低温条件对PAHs生物降解的影响主要表现为其在水体中扩散速率、溶解度、生物有效性的降低，同时微生物的代谢作用减缓。然而，PAHs降解菌能够存在于绝大部分生态系统中，包括一些气候严寒的湖泊沉积物中，PAHs生物降解过程正是由这些降解菌来完成。研究表明，在5—45℃温度范围内每升高10℃，PAHs在水一沉积物间的分配系数减小20%—30%，促进了PAHs溶解于水体中。在30—40℃范围内，高温能促进PAHs的代谢。但是超过这个范围，PAHs的膜毒性将会增高。在湖泊修复过程中，温度为不可控因素，设计实际方案时应充分考虑环境温度对PAHs生物降解的影响。

2.2不同电子受体

  在沉积物PAHs的生物降解过程中，大部分区域为缺氧或厌氧区域。在好氧生物修复系统中，通常需要加入曝气系统，机械曝气的成本较高，且曝气将导致沉积物的再悬浮及沉积物中多余养分的释放，所以单纯地通过曝气进行污染沉积物的好氧生物修复存在缺陷。因此，研究厌氧状态下沉积物中PAHs的降解过程及机理才是解决湖泊PAHs污染的可行途径。

2.2.1反硝化作用

  硝酸盐代替氧作为电子受体已经被广泛证明能够使PAHs被厌氧微生物降解，由于不用机械曝气且硝酸盐（如硝酸钙等）价格便宜、容易获得，所以处理成本也相应较低。同时，在降解PAHs的过程中也促进了湖泊中氮的去除，研究结合了持久性有机污染物和富营养化两大环境问题，因此具有较好的应用前景。目前大量的研究应用硝酸盐进行湖泊沉积物的生物修复（如表2所示），低分子量的多环芳烃在硝酸盐还原条件下的降解效果得到了广泛认可。Rockne等首次展示了通过纯培养方式进行依赖硝酸盐作为电子受体的PAHs降解，发现在反硝化条件下萘的降解率大幅变化，从每天7.3 ug/L到1 434ug/L。王英等研究了反硝化条件下含水层沉积物中蒽的降解过程，发现经过180 d的培养后，蒽基本完全降解，同时指出沉积物中的微生物群落结构发生明显改变，而蒽的降解率的变化可能与之有直接联系。然而，硝酸盐作为可溶性电子受体，添加到湖泊生态系统中易于流失，导致硝酸盐还原在实际应用过程中存在持续时间短，不能取得长期稳定治理效果的问题，因此，探索适用于反硝化作用的湖泊环境，使得其能延长治理稳定性应成为反硝化作用促进多环芳烃生物降解研究的热点与难点。

2.2.2硫酸盐还原条件

 硫酸盐还原条件下厌氧降解多环芳烃的可行性已经在许多调查中被证明。硫酸盐主要存在于海洋沉积物中，在湖泊沉积物中的硫酸盐含量远远低于硝酸盐的含量，因此利用硫酸盐作为电子受体降解湖泊沉积物中PAHs的研究较少。然而在一些污水处理研究中发现尽管硝酸盐的氧化还原电位远高于硫酸盐，硫酸盐还原条件下PAHs的降解率比硝酸盐还原条件下要高10倍。Chang等比较了厌氧降解红树林沉积物中PAHs在硫酸盐还原、硝酸盐还原和产甲烷条件下的降解速率，发现硫酸盐还原条件>产甲烷条件>硝酸盐还原条件。研究还表明硫酸盐还原菌是降解多环芳烃（二环到四环）中一个主要的微生物菌属。因此，深入研究硫酸盐作为电子受体降解湖泊沉积物中PAHs的机理对受污染湖泊的生态修复具有指导意义。

2.2.3其他氧化还原条件  ，

 同样，金属离子还原比如Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅱ)等在PAHs降解过程中发挥了重要的作用。已有的研究表明向受污染的沉积物中添加无定型铁( FeOOH)明显促进了沉积物中PAHs的降解。然而，也有研究表明Fe(Ⅲ)的添加对红树林沉积物中PAHs的降解没有显著影响。在研究过程中还发现无定型铁(FeOOH)添加到淡水沉积物中改善了沉积物中高分子量PAHs芘的降解，而通过沉积物微生物燃料电池(SMFC)和无定型铁(FeOOH)组合工艺显著促进了微生物对菲和芘的厌氧降解，经过240 d的培养后，使得菲、芘的去除率分别为( 99.47+0.15)%和(94.79±0.63)%。

 此外，沉积物中微生物要利用离子作为电子受体必须要解决离子在pH为中性的水体中溶解度过低的问题。例如，中性pH的饱和的Fe(OH)。溶液中可溶性的Fe(Ⅲ)只有大约10~19Ⅱi01／L。因此，Fe(Ⅲ)溶解度过低难以被利用，Ramsay等指出pH是影响Fe(Ⅲ)条件下PAHs矿化作用的主要因素，在Fe(Ⅲ) 条件下萘的矿化度为174—292 ug/(L -d)，低于硝酸盐还原条件下的301—552 ug/(L -d)和硫酸盐还原条件下的221—320  ug/(L -d)。

 添加不同电子受体是湖泊沉积物中多环芳烃污染治理的常见手段，不同电子受体适用的湖泊环境及促进效果各不相同，然而单一添加电子受体有时达不到预期效果。因此，深入拓展其他手段与其联用将有广阔发展前景，如与沉积物微生物燃料电池( SMFC)技术、植物修复等联合使用。

2.3  不同电子供体

 电子供体，比如小分子有机酸、酵母提取物、天然有机质、植物根系分泌物等有机物质常作为共基质，研究它们对PAHs生物降解的影响。一般而言，容易降解的共基质可以增加降解细菌的总数，从而增强生物修复。此外，共基质也可以改变沉积物C/N比例，有利于微生物增长，增加参与降解PAHs及其中间体的酶活性。然而，已有的研究也发现电子供体的投加导致了沉积物中异氧菌的数量增加，抑制了PAHs降解菌的数量，从而影响沉积物中PAHs的降解。Yan等通过室内模拟天然有机质进入到湖泊沉积物对芘和苯并(a)芘降解的影响，结果表明，藻源性有机质显著加快了芘和苯并(a)芘的降解，而植物来源有机质阻碍了芘和苯并(a)芘的降解。腐殖质对PAHs降解的影响比较复杂，取决于沉积物中腐殖酸量和环境条件，腐殖酸在碱性环境中对PAHs降解的促进作用要显著优于中性环境。

 因此，添加电子供体的共基质作用通过促进微生物代谢活性或降解底物的降解来提高生物降解效率，这一过程中提高了PAHs的生物可利用性。然而，生物可利用性提高增强生物降解效率的同时还会增加相应的环境风险，包括加速PAHs从沉积物中释放到水体中的速率或产生毒性中间代谢产物等。因此，选用电子供体作为多环芳烃生物修复手段时应充分考虑环境风险。

2.4降解PAHs的微生物

 常见的降解PAHs微生物有假单胞菌属（Pseu -domonas）、分枝杆菌（Mycobacterium）、红球菌属（Rhodococcus）、芽胞杆菌（Bacillus）、黄杆菌属（Flavobacterium）、气单胞菌属(Aeromonas)、副球菌属（Paracoccus sp.）、棒状杆菌属（Corynebacterium）、蓝细菌（Cyanobacteria）等；真菌也具有降解PAHs的能力，研究较多的是白腐真菌(White rot fungi)；有些藻类也能降解PAHs。其中，分支杆菌属（Mycobac-terium）是常见的对芘的降解具有较好促进作用的菌属。Hiroshi等从污染土壤中分离得到分支杆菌属菌株MHP-1，其培养7d对芘的降解达到50%。Luo等发现分支杆菌属菌株Al-PYR能够与藻类能够共同作用促进芘的生物降解，降解过程中细菌降解芘能够减轻芘对藻类的毒性，降解中间代谢产物能够为藻类生长提供营养，而藻类又能促进菌的生长，为芘污染环境提供了一种新的修复手段。此外，毛健等从污染土壤中分离得到副球菌属菌株HPD-2，在3.0 mg/L的苯并(a)芘(BaP)培养基中经5d培养BaP的降解率为89.7%。同时，该菌株与芘和荧蒽培养7d后的降解率分别为47.2%和84.5%。周乐等从石化厂排污口土壤中分离得到一株芽孢杆菌FlOa，在菲(50 mg/L)的条件下，28℃振荡培养27 h，菲的降解率达到98 .12%；静置培养84 h，菲的降解率达到98.47%。

研究还发现，低环PAHs比高环PAHs更易引起微生物群落结构的改变，以适应PAHs污染胁迫，不同微生物菌种会选择适应不同PAHs的污染胁迫，从而逐渐成为该种污染体系中的优势菌群。对于易受PAHs污染的湖泊、河流沉积物体系中同样存在大量微生物资源，其中不乏经过PAHs污染长期驯化的PAHs降解菌，目前从湖泊沉积物中分离得到PAHs降解菌，尤其是降解高分子量PAHs的微生物资源非常有限。近年来湖泊PAHs污染加剧，越来越多的多环芳烃降解菌被人们从湖泊或淡水沉积物环境中分离鉴定出来（表3），为PAHs的强化生物降解提供了高效途径。

3研究展望

 生物降解是环境中PAHs去除的主要途径，是PAHs原位生物修复的主要过程。深入研究PAHs生物降解机制及其影响因素是成功应用生物修复技术的前提。有关低分子量PAHs的好氧生物降解已得到广泛的关注和研究，但以下几方面的研究有待于进一步深入。

 (1)厌氧条件下分离筛选新的PAHs降解菌，特别是能降解湖泊沉积物中四环和四环以上高分子量PAHs的降解菌。

 (2)研究高分子量PAHs微生物降解过程中的共代谢机理，代谢途径和降解过程的中间产物的结构性质变化，进而深入研究某些降解中间产物对PAHs生物降解的影响。

 (3)利用现代分子生物学手段（稳定同位素核酸探针、基因芯片等技术），深入研究降解过程中主要功能微生物群落结构变化，从而实现PAHs降解过程的调控机制研究。