微生物技術在土壤修復行業的發展前景及展望
楊兵 生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心，副研究員
工業化和快速的城鎮化帶來了較為嚴重的土壤汙染問 題。本文梳理了我國面臨的土壤汙染情況，分析土壤修復行業發展現狀，重點闡述微生物修復技術以及特殊情景下微生物修復技術的應用，並對土壤修復行業的發展提出建議，期望為土壤修復行業的可持續發展提供參考價值。
1. 土壤修復行業發展現狀
（1）我國土壤汙染嚴重，亟待修復
根據《全國土壤汙染狀況公報》可知，我國土壤環境狀況總體不容樂觀，部分地區土壤汙染較重，耕地土壤環境質量堪憂，工礦業廢棄地土壤環境問題突出。據統計，全國土壤點位超標率為16.1%。其中耕地、林地、草地土壤點位超標率分別為19.4%、10.0%和10.4%。我國土壤汙染面積總和高達101萬平方公里，分輕微、輕度、中度、重度汙染，以無機型為主，有機型次之，混合型汙染比重較小（見圖1）。土壤汙染物大致可分為無機汙染物和有機汙染物兩大類。無機汙染物主要包括酸、鹼、重金屬、鹽類、放射性元素銫、鍶的化合物、含砷、硒、氟的化合物等。有機汙染物主要包括有機農藥、酚類、氰化物、石油、合成洗滌劑以及由城市汙水、汙泥及廄肥帶來的有害微生物等。根據原國土部和環保部的聯合調查，我國汙染土壤的修復已經刻不容緩。
圖1 我國土壤汙染現狀（數據源於全國土壤汙染狀況公報）
（2）國家政策支撐，中央資金保障
2005年我國開展了首次全國土壤汙染狀況調查並編制了《全國土壤汙染狀況調查公報》。2016年5月28日，我國頒佈《土壤汙染防治行動計劃》，又被稱為“土十條”；2017年頒佈了《汙染地塊土壤環境管理辦法》、《農用地土壤環境管理辦法》；2018年發佈《工礦用地土壤環境管理辦法》；2019年1月1日正式實施了《土壤汙染防治法》。在政策的推動下，我國環保監管加強的壓力下，土壤汙染防治與修復拉開大幕。
《中共中央國務院關於全面加強生態環境保護堅決打好汙染防治攻堅戰的意見》明確，到2020年，受汙染耕地安全利用率達到90%左右，汙染地塊安全利用率達到90%以上。為了完成既定目標，從每年的中央修復資金撥付情況來看，2019年預算額同比大幅增長42.9%至50億元，2020年受新冠肺炎疫情的影響專項資金為35億元。
圖2 汙染土壤防治中央專項資金
（3）土壤修復行業技術現狀分析
我國土壤修復產業起步較晚，土壤修復企業大多由相關環保領域或傳統行業轉入，進入方式從早期的技術研發、人才招攬轉向資本併購，國內產業競爭格局初步形成。與發達國家相比較，我國應用的修復技術相對落後，又因我國地域遼闊、地理條件差異大、土壤汙染源多樣，國外的修復技術無法照搬實現國內的規模化應用，仍然需要土壤修復企業發展適合我國汙染特徵的修復技術。
目前，我國常用汙染土壤修復技術是熱處理技術、異位固化/穩定化技術、洗脫技術、生物修復技術等。熱處理技術在我國屬於起步階段。原位固化/穩化技術在國內尚處於中試階段。洗脫技術在國內發展很快，已有較多工程應用案例。生物堆技術我國發展已比較成熟，相關核心設備已能夠完全國產化，已有用於處理石油烴汙染土壤及油泥的工程應用案例。植物恢復技術在我國發展比較成熟，已廣泛用於重金屬汙染土壤的修復。化學氧化技術國內發展較快，也已有工程應用案例。我國已經擁有具有一定規模的生物/化學試劑技術產品，併成功應用於工程項目，但主要的修復藥劑都是國外進口，目前主要問題是產品可供選擇種類較少、產品價格相對昂貴、產品的穩定性與長效性有待進一步驗證。
表1 常見汙染土壤修復技術
此外，較日本、美國等國家已擁有的成熟的土壤修復設備製造，我國土壤修復設備有相當大差距，近些年我國自主研究的土壤修復設備在重金屬汙染、有機物汙染等場地、農田和礦山工程項目中已經有較多成功應用案例，例如自主研發的土壤淋洗技術裝備在重金屬、多環芳烴複合汙染工業遺留場地的應用都達到了預期的修復效果。
（4）中國土壤修復行業市場發展趨勢分析
根據《生態環境損害鑑定評估技術指南——土壤與地下水》附錄A，常用的土壤修復技術的應用成本分別為：熱處理技術600-2000元/t、生物堆技術300-400元/m3、植物恢復技術100-400元/t、化學氧化技術300-1500元/m3、洗脫技術300-1500元/m3、固化/穩化技術500-1500元/m3，由此可知土壤修復成本為300~1500元/m3，我國土壤汙染面積總和高達101萬km2，按平均治理深度為1m，估算我國土壤修復工程項目需要萬億元的資金投入，土壤修復產業將迎來巨大的市場發展空間。隨著我國城市工業場地土壤汙染的詳查和建檔的完畢，2020年我國土壤修復行業市場規模將達到440億元，到2024年將達到860億元。
圖3 2016-2024年我國土壤修復行業市場規模及預測(華經情報預測)
2. 微生物修復技術的發展
我國土壤汙染總體形勢不容樂觀，利用土壤的自淨能力，週期太長。傳統的物理或者化學方法存在工程量大、成本高、二次汙染等負面影響，生物技術修復具有獨特的天然優勢，尤其是微生物修復技術。微生物修復技術是指利用天然存在或人工篩選的高效有益微生物，在應用的項目環境條件下，充分利用技術參數強化微生物代謝功能，降低有毒汙染物活性或將其降解為無毒物質的修復技術。又因微生物具有分佈廣、種類多、繁殖快、適應強和易變異等特點，具有較強的分解代謝能力和較高的代謝速率，經濟、簡便、二次汙染少，因此微生物修復技術是一種新型環保修復技術，故在汙染土壤修復的研究和工程應用中備受關注。
（1）微生物修復汙染土壤技術的原理
微生物主要通過兩種方式修復有機汙染土壤：一方面微生物分泌胞外酶，依靠氧化作用、還原作用、基團轉移作用、水解作用等反應模式降解有機汙染物；另一方面有機汙染物通過主動運輸、被動擴散、促進擴散、基團轉位及胞飲作用等方式微生物吸收進細胞後，胞內酶完成有機汙染物的降解。
微生物修復重金屬汙染土壤的原理主要包括生物富集、生物轉化等作用方式。生物富集主要表現在胞外絡合、沉澱以及胞內積累三種形式。生物轉化的主要機理包括微生物對重金屬的生物氧化和還原、甲基化與去甲基化，以及重金屬的溶解和有機絡合配位降解轉化重金屬，改變其毒性。
圖4 微生物與重金屬離子之間的作用機制
（2）微生物修復技術的修復汙染土壤方式
微生物修復汙染土壤的修復方式主要分為原位微生物修復（in-situ bioremediation）和異位微生物修復（ex-situ bioremediation）。原位微生物修復不需將汙染土壤搬離現場，直接向汙染土壤投放菌劑或者添加氮、磷等營養物質和增加氧氣含量，促進有益土著微生物或外源功能微生物的代謝活性，降解有機汙染物或者減毒重金屬。原位微生物修復技術主要有生物通風法、生物強化法、土地耕作法和化學活性修復法等。異位微生物修復是把受汙染土壤從發生汙染位置挖掘或抽提出來，然後集中治理的土壤修復技術，主要包括預製床法、堆製法及泥漿生物反應器法。
我國土壤汙染類型多樣，因此，在選擇微生物修復汙染土壤技術時，應充分考慮各種修復方法的優缺點，結合汙染物的類型、汙染場地、汙染狀況等因素，充分發揮微生物修復方法的優勢。
（3）微生物修復汙染土壤技術的展望
我國幅員遼闊，自然環境多樣，微生物資源豐富，菌種資源多樣。豐富的微生物資源為發展微生物修復汙染土壤產業提供了資源保障。近十年，微生物修復技術研究工作主要集中在篩選和馴化特異性高效功能微生物菌株，增強功能微生物在汙染土壤中的活性、長期性和安全性，微生物修復技術參數的優化和pH、營養元素、溫度、溼度等關鍵因子的調整等方面。微生物修復技術的工程化研究必須結合環境工程、環境化學及環境土壤學等多學科知識，構建出一套因地制宜的汙染土壤田間修復工程集成技術，並設計開發出針對性強、高效簡潔、成本低廉的微生物修復設備，以實現微生物修復汙染土壤技術在工程化應用上質的飛躍。因此，微生物修復土壤技術還需要加強的研究方向如下：
①深入研究有機物汙染物降解或重金屬減毒過程中的共代謝機理，為工程應用奠定理論基礎；
②繼續篩選和馴化新的高效功能微生物菌株，增強基因組學研究，構建功能優化的基因工程菌等；
③由於土壤複合汙染的普遍性、特殊性和複雜性，積極發展微生物+複合型土壤修復技術；
④鑑於實驗室修復研究和工程應用環境，研究汙染土壤修復過程與生態風險評估、微生物功能潛力指標與修復水平的評價。
3. 特定環境條件下微生物修復技術
隨著國家和市場資金投入力度的加大、土壤汙染修復治理相關管理及技術規範體系也日趨完善，隨著企業、科研單位、高校積極介入汙染土壤治理工作，土壤修復市場空間及發展潛力巨大，土壤修復行業將成為“十三五”環保產業新的增長點。目前，我國具有微生物修復專業經驗的土壤治理企業不斷湧現，其中有代表性的企業如北京本農科技發展有限公司（以下簡稱：本農科技）在以硫酸鹽還原菌為主導條件下對六價鉻等重金屬的還原穩定化、北京博誠立新環境科技股份有限公司在石油烴降解等領域均實現技術突破和項目實踐。
本農科技依靠自身整體保護、系統修復、綜合治理的核心技術和裝備優勢，在“尊重自然、順應自然、保護自然”的理念下，建設微生物實驗室，研發形成原位微生物修復集成系統(In-situ Bioremediation and Recycle，ISBR)是以原位微生物修復為核心，綠色可循環為目標的環境友好型修復技術，也可配合原位化學氧化還原、固化穩定化等多種技術共同作用，在礦山修復、場地修復、障礙性土壤修復、流域底泥及固/危廢治理業務領域，實現有機物、重金屬等多種汙染物的風險管控與徹底移除，達到綠色可持續環境修復的目的。
Cr(Ⅵ)含量是我國土壤環境質量評價的八個重金屬控制指標之一。鉻在土壤中主要以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)兩種價態存在，當pH大於5時，Cr(Ⅲ)會以沉澱形式存在，易於在土壤中穩定下來。常採用還原穩定化法將汙染土壤中的Cr(Ⅵ)還原為遷移性和毒性較低的Cr(Ⅲ)。目前，利用微生物修復鉻汙染土壤還處在實驗室階段，對於微生物原位修復鉻汙染土壤的工程化研究至今未有報道。本農科技自主研發形成一種六價鉻汙染場地原位微生物修復技術，該技術採用原位注入的方式將微生物菌劑注入地下，原位修復土壤中Cr(Ⅵ)。在浙江某鉻汙染場地，開展了以FeSO4化學還原法為對照，硫酸鹽還原菌原位修復鉻汙染土壤的田間試驗研究。試驗結果表明：微生物法處理後，土壤中Cr(Ⅵ)含量從6.48 mg/kg降至0.95 mg/kg，下降率為85.33%，修復後的土地質量符合國家一類建設用地的標準；土壤浸出液中Cr(Ⅵ)質量濃度從0.162 mg/L降到0.04 mg/L，下降率97%；土壤中硫酸根濃度略有降低，硫酸鹽還原菌的丰度增加了3倍，從0.73%增加到2.87%。該技術的菌劑修復費用約為60元/m3，相比較硫酸亞鐵化學法治理費用200元/方土，節約費用140元/m3。而且該技術所用菌劑為環境友好型綠色修復材料，修復過程不產生額外的廢氣、廢水，不會給環境帶來新的汙染。此外，工程應用過程中不涉及汙染土壤的開挖、轉運等暴露過程，汙染暴露途徑少，消除Cr(Ⅵ)具有潛在致癌性和對環境的持久危害性，不會危害汙染場地區域人民身心健康。該技術的成功工程應用，為鉻汙染土壤的修復開闢了新的途徑。2019年10月，北京生態修復學會鑑定認證了技術成果，鑑定結論是：該項科技成果取得了良好的社會、經濟和生態效益，具有較高的推廣應用價值。
圖5 菌劑現場發酵和注入汙染地層
圖6 微生物菌劑修復汙染場地土壤中六價鉻汙染的結果
綜上所述，我國的土壤修復產業仍處於初級階段，土壤修復技術效果良莠不齊。我國具有萬億級的土壤修復產業市場，微生物修復技術是未來土壤修復技術發展的趨勢，有很大的發展空間。目前，土壤修復產業發展的限制在於不足的修復資金投入和缺乏長期的有效修復技術。因此，需要強化從如下兩方面工作：①建立完善的土壤環境保護體系以及行業標準，嚴格落實環境監督機制，加強環境執法力度，切實增加修復資金的投入；②多元化土壤修復技術類型，尤其重點研發和推廣應用經濟環保型、長期有效性修復技術，提高土壤修復效率和效果，從根本上改善我國汙染土壤現狀，實現土壤開發利用的可持續性發展。
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