微生物技术在土壤修复行业的发展前景及展望
杨兵 生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心，副研究员
工业化和快速的城镇化带来了较为严重的土壤污染问 题。本文梳理了我国面临的土壤污染情况，分析土壤修复行业发展现状，重点阐述微生物修复技术以及特殊情景下微生物修复技术的应用，并对土壤修复行业的发展提出建议，期望为土壤修复行业的可持续发展提供参考价值。
1. 土壤修复行业发展现状
（1）我国土壤污染严重，亟待修复
根据《全国土壤污染状况公报》可知，我国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。据统计，全国土壤点位超标率为16.1%。其中耕地、林地、草地土壤点位超标率分别为19.4%、10.0%和10.4%。我国土壤污染面积总和高达101万平方公里，分轻微、轻度、中度、重度污染，以无机型为主，有机型次之，混合型污染比重较小（见图1）。土壤污染物大致可分为无机污染物和有机污染物两大类。无机污染物主要包括酸、碱、重金属、盐类、放射性元素铯、锶的化合物、含砷、硒、氟的化合物等。有机污染物主要包括有机农药、酚类、氰化物、石油、合成洗涤剂以及由城市污水、污泥及厩肥带来的有害微生物等。根据原国土部和环保部的联合调查，我国污染土壤的修复已经刻不容缓。
图1 我国土壤污染现状（数据源于全国土壤污染状况公报）
（2）国家政策支撑，中央资金保障
2005年我国开展了首次全国土壤污染状况调查并编制了《全国土壤污染状况调查公报》。2016年5月28日，我国颁布《土壤污染防治行动计划》，又被称为“土十条”；2017年颁布了《污染地块土壤环境管理办法》、《农用地土壤环境管理办法》；2018年发布《工矿用地土壤环境管理办法》；2019年1月1日正式实施了《土壤污染防治法》。在政策的推动下，我国环保监管加强的压力下，土壤污染防治与修复拉开大幕。
《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》明确，到2020年，受污染耕地安全利用率达到90%左右，污染地块安全利用率达到90%以上。为了完成既定目标，从每年的中央修复资金拨付情况来看，2019年预算额同比大幅增长42.9%至50亿元，2020年受新冠肺炎疫情的影响专项资金为35亿元。
图2 污染土壤防治中央专项资金
（3）土壤修复行业技术现状分析
我国土壤修复产业起步较晚，土壤修复企业大多由相关环保领域或传统行业转入，进入方式从早期的技术研发、人才招揽转向资本并购，国内产业竞争格局初步形成。与发达国家相比较，我国应用的修复技术相对落后，又因我国地域辽阔、地理条件差异大、土壤污染源多样，国外的修复技术无法照搬实现国内的规模化应用，仍然需要土壤修复企业发展适合我国污染特征的修复技术。
目前，我国常用污染土壤修复技术是热处理技术、异位固化/稳定化技术、洗脱技术、生物修复技术等。热处理技术在我国属于起步阶段。原位固化/稳化技术在国内尚处于中试阶段。洗脱技术在国内发展很快，已有较多工程应用案例。生物堆技术我国发展已比较成熟，相关核心设备已能够完全国产化，已有用于处理石油烃污染土壤及油泥的工程应用案例。植物恢复技术在我国发展比较成熟，已广泛用于重金属污染土壤的修复。化学氧化技术国内发展较快，也已有工程应用案例。我国已经拥有具有一定规模的生物/化学试剂技术产品，并成功应用于工程项目，但主要的修复药剂都是国外进口，目前主要问题是产品可供选择种类较少、产品价格相对昂贵、产品的稳定性与长效性有待进一步验证。
表1 常见污染土壤修复技术
此外，较日本、美国等国家已拥有的成熟的土壤修复设备制造，我国土壤修复设备有相当大差距，近些年我国自主研究的土壤修复设备在重金属污染、有机物污染等场地、农田和矿山工程项目中已经有较多成功应用案例，例如自主研发的土壤淋洗技术装备在重金属、多环芳烃复合污染工业遗留场地的应用都达到了预期的修复效果。
（4）中国土壤修复行业市场发展趋势分析
根据《生态环境损害鉴定评估技术指南——土壤与地下水》附录A，常用的土壤修复技术的应用成本分别为：热处理技术600-2000元/t、生物堆技术300-400元/m3、植物恢复技术100-400元/t、化学氧化技术300-1500元/m3、洗脱技术300-1500元/m3、固化/稳化技术500-1500元/m3，由此可知土壤修复成本为300~1500元/m3，我国土壤污染面积总和高达101万km2，按平均治理深度为1m，估算我国土壤修复工程项目需要万亿元的资金投入，土壤修复产业将迎来巨大的市场发展空间。随着我国城市工业场地土壤污染的详查和建档的完毕，2020年我国土壤修复行业市场规模将达到440亿元，到2024年将达到860亿元。
图3 2016-2024年我国土壤修复行业市场规模及预测(华经情报预测)
2. 微生物修复技术的发展
我国土壤污染总体形势不容乐观，利用土壤的自净能力，周期太长。传统的物理或者化学方法存在工程量大、成本高、二次污染等负面影响，生物技术修复具有独特的天然优势，尤其是微生物修复技术。微生物修复技术是指利用天然存在或人工筛选的高效有益微生物，在应用的项目环境条件下，充分利用技术参数强化微生物代谢功能，降低有毒污染物活性或将其降解为无毒物质的修复技术。又因微生物具有分布广、种类多、繁殖快、适应强和易变异等特点，具有较强的分解代谢能力和较高的代谢速率，经济、简便、二次污染少，因此微生物修复技术是一种新型环保修复技术，故在污染土壤修复的研究和工程应用中备受关注。
（1）微生物修复污染土壤技术的原理
微生物主要通过两种方式修复有机污染土壤：一方面微生物分泌胞外酶，依靠氧化作用、还原作用、基团转移作用、水解作用等反应模式降解有机污染物；另一方面有机污染物通过主动运输、被动扩散、促进扩散、基团转位及胞饮作用等方式微生物吸收进细胞后，胞内酶完成有机污染物的降解。
微生物修复重金属污染土壤的原理主要包括生物富集、生物转化等作用方式。生物富集主要表现在胞外络合、沉淀以及胞内积累三种形式。生物转化的主要机理包括微生物对重金属的生物氧化和还原、甲基化与去甲基化，以及重金属的溶解和有机络合配位降解转化重金属，改变其毒性。
图4 微生物与重金属离子之间的作用机制
（2）微生物修复技术的修复污染土壤方式
微生物修复污染土壤的修复方式主要分为原位微生物修复（in-situ bioremediation）和异位微生物修复（ex-situ bioremediation）。原位微生物修复不需将污染土壤搬离现场，直接向污染土壤投放菌剂或者添加氮、磷等营养物质和增加氧气含量，促进有益土著微生物或外源功能微生物的代谢活性，降解有机污染物或者减毒重金属。原位微生物修复技术主要有生物通风法、生物强化法、土地耕作法和化学活性修复法等。异位微生物修复是把受污染土壤从发生污染位置挖掘或抽提出来，然后集中治理的土壤修复技术，主要包括预制床法、堆制法及泥浆生物反应器法。
我国土壤污染类型多样，因此，在选择微生物修复污染土壤技术时，应充分考虑各种修复方法的优缺点，结合污染物的类型、污染场地、污染状况等因素，充分发挥微生物修复方法的优势。
（3）微生物修复污染土壤技术的展望
我国幅员辽阔，自然环境多样，微生物资源丰富，菌种资源多样。丰富的微生物资源为发展微生物修复污染土壤产业提供了资源保障。近十年，微生物修复技术研究工作主要集中在筛选和驯化特异性高效功能微生物菌株，增强功能微生物在污染土壤中的活性、长期性和安全性，微生物修复技术参数的优化和pH、营养元素、温度、湿度等关键因子的调整等方面。微生物修复技术的工程化研究必须结合环境工程、环境化学及环境土壤学等多学科知识，构建出一套因地制宜的污染土壤田间修复工程集成技术，并设计开发出针对性强、高效简洁、成本低廉的微生物修复设备，以实现微生物修复污染土壤技术在工程化应用上质的飞跃。因此，微生物修复土壤技术还需要加强的研究方向如下：
①深入研究有机物污染物降解或重金属减毒过程中的共代谢机理，为工程应用奠定理论基础；
②继续筛选和驯化新的高效功能微生物菌株，增强基因组学研究，构建功能优化的基因工程菌等；
③由于土壤复合污染的普遍性、特殊性和复杂性，积极发展微生物+复合型土壤修复技术；
④鉴于实验室修复研究和工程应用环境，研究污染土壤修复过程与生态风险评估、微生物功能潜力指标与修复水平的评价。
3. 特定环境条件下微生物修复技术
随着国家和市场资金投入力度的加大、土壤污染修复治理相关管理及技术规范体系也日趋完善，随着企业、科研单位、高校积极介入污染土壤治理工作，土壤修复市场空间及发展潜力巨大，土壤修复行业将成为“十三五”环保产业新的增长点。目前，我国具有微生物修复专业经验的土壤治理企业不断涌现，其中有代表性的企业如北京本农科技发展有限公司（以下简称：本农科技）在以硫酸盐还原菌为主导条件下对六价铬等重金属的还原稳定化、北京博诚立新环境科技股份有限公司在石油烃降解等领域均实现技术突破和项目实践。
本农科技依靠自身整体保护、系统修复、综合治理的核心技术和装备优势，在“尊重自然、顺应自然、保护自然”的理念下，建设微生物实验室，研发形成原位微生物修复集成系统(In-situ Bioremediation and Recycle，ISBR)是以原位微生物修复为核心，绿色可循环为目标的环境友好型修复技术，也可配合原位化学氧化还原、固化稳定化等多种技术共同作用，在矿山修复、场地修复、障碍性土壤修复、流域底泥及固/危废治理业务领域，实现有机物、重金属等多种污染物的风险管控与彻底移除，达到绿色可持续环境修复的目的。
Cr(Ⅵ)含量是我国土壤环境质量评价的八个重金属控制指标之一。铬在土壤中主要以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)两种价态存在，当pH大于5时，Cr(Ⅲ)会以沉淀形式存在，易于在土壤中稳定下来。常采用还原稳定化法将污染土壤中的Cr(Ⅵ)还原为迁移性和毒性较低的Cr(Ⅲ)。目前，利用微生物修复铬污染土壤还处在实验室阶段，对于微生物原位修复铬污染土壤的工程化研究至今未有报道。本农科技自主研发形成一种六价铬污染场地原位微生物修复技术，该技术采用原位注入的方式将微生物菌剂注入地下，原位修复土壤中Cr(Ⅵ)。在浙江某铬污染场地，开展了以FeSO4化学还原法为对照，硫酸盐还原菌原位修复铬污染土壤的田间试验研究。试验结果表明：微生物法处理后，土壤中Cr(Ⅵ)含量从6.48 mg/kg降至0.95 mg/kg，下降率为85.33%，修复后的土地质量符合国家一类建设用地的标准；土壤浸出液中Cr(Ⅵ)质量浓度从0.162 mg/L降到0.04 mg/L，下降率97%；土壤中硫酸根浓度略有降低，硫酸盐还原菌的丰度增加了3倍，从0.73%增加到2.87%。该技术的菌剂修复费用约为60元/m3，相比较硫酸亚铁化学法治理费用200元/方土，节约费用140元/m3。而且该技术所用菌剂为环境友好型绿色修复材料，修复过程不产生额外的废气、废水，不会给环境带来新的污染。此外，工程应用过程中不涉及污染土壤的开挖、转运等暴露过程，污染暴露途径少，消除Cr(Ⅵ)具有潜在致癌性和对环境的持久危害性，不会危害污染场地区域人民身心健康。该技术的成功工程应用，为铬污染土壤的修复开辟了新的途径。2019年10月，北京生态修复学会鉴定认证了技术成果，鉴定结论是：该项科技成果取得了良好的社会、经济和生态效益，具有较高的推广应用价值。
图5 菌剂现场发酵和注入污染地层
图6 微生物菌剂修复污染场地土壤中六价铬污染的结果
综上所述，我国的土壤修复产业仍处于初级阶段，土壤修复技术效果良莠不齐。我国具有万亿级的土壤修复产业市场，微生物修复技术是未来土壤修复技术发展的趋势，有很大的发展空间。目前，土壤修复产业发展的限制在于不足的修复资金投入和缺乏长期的有效修复技术。因此，需要强化从如下两方面工作：①建立完善的土壤环境保护体系以及行业标准，严格落实环境监督机制，加强环境执法力度，切实增加修复资金的投入；②多元化土壤修复技术类型，尤其重点研发和推广应用经济环保型、长期有效性修复技术，提高土壤修复效率和效果，从根本上改善我国污染土壤现状，实现土壤开发利用的可持续性发展。
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