【专题：环境技术解说】生物修复（Bioremediation）

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摘   要：生物修复是一种利用微生物和植物，修复（remediate）受污染的土壤和地下水的技术，该技术始于1970年代的美国，当时主要利用微生物分解石油。本文对以下两类方法——一是向污染土壤中原本生长的微生物提供水分、氧气和营养物质，以促进污染物分解（生物刺激）；另一种是新引入污染物降解菌（生物强化）进行解说。

关键词：生物修复、微生物、生物刺激、生物强化、温和·低成本分解、污染物分解·净化

生物修复是一种利用微生物和植物，修复（remediate）受污染的土壤和地下水的技术，该技术始于1970年代的美国，当时主要利用微生物分解石油。如下图所示，生物修复大致分为两类：一是向污染土壤中原本生长的微生物提供水分、氧气和营养物质，以促进污染物分解（生物刺激）；另一种是新引入污染物降解菌（生物强化）。

生物修复比物理化学处理过程需要更长的处理时间，但其具有能够在温和条件下以低成本处理污染物的优势。目前主要用于汽油等燃料油及其组分如苯、甲苯、其他石油烃以及三氯乙烯等烃类溶剂的净化。此外，在二恶英类和氯类残留农药等方面的应用研究也在积极开展。

日本于2002年制定了《土壤污染对策法》，该法于2003年生效。根据该法，日本都道府县知事指定污染超过指定标准（镉、铅、砷、六价铬、三氯乙烯、四氯乙烯和苯等25项）的工厂或商业场所，如果发现土壤污染存在危害健康的风险，则可以下令采取清理和遏制污染等必要措施。与此同时，由于生物修复可以以低成本去除污染，因此人们对它的期望也越来越高。

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什么是生物修复？

生物修复（bioremediation）是将bio（意为活生物体）和remediate（意为恢复）这两个词组合而成的术语，它是使用生物修复受污染土壤和地下水的技术的总称。虽然使用微生物净化污染的方法是主流，但也有使用植物的方法。具体到使用植物的方法，有时会用到植物修复（Phyto-remediation, Phyto意为植物）这个词。以下的解说将对使用微生物的生物修复进行说明。

通过微生物的生物修复始于1970年代的美国，当时微生物被用于修复管道漏油造成的污染，此后被用于清理其他污染物，如有机溶剂和农药残留等。

生物修复不同于利用高温高压工艺的物理化学净化方法，其特点在于能够在温和条件下以低成本处理污染。由于人们对土壤和水污染防治措施的需求日益增长以及生物技术的进步，未来有望扩大其用途。

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生物修复的概要

1)对象物质

表1显示了生物修复的对象物质。生物修复已被实际用于净化燃料油如汽油及其组分如苯、甲苯、其他石油烃和烃类溶剂如三氯乙烯。此外，在二恶英类和氯类残留农药等方面的应用研究也在积极开展。

对于重金属，不是分解，而是采用将化学存在形式改变为更易溶于水或不易溶于水的形式等方法来除去。

来源：由三菱综合研究所制作

2）微生物的使用方法

在通过微生物的生物修复中，主要有两种使用和管理微生物的方法（图1）。

（1）生物刺激(biostimulation)

受污染的土壤可能含有能够分解污染物的微生物。生物刺激会刺激（stimulate）具有此类特性的有益微生物生长，进而加速污染物的分解。为了使所需微生物能够生长，在许多情况下从外部添加促进微生物生长的物质，例如水、氧气和营养物质。例如，在由石油烃造成的污染情况下，提供氮、磷等营养物质促进微生物生长，并提供其物生长所需的空气。

（2）生物强化(bioaugmentation)

当污染地能够分解污染物的微生物很少时，从外部引入大量培养的微生物来分解污染物。该方法与生物刺激一样，为了促进微生物的生长并提高分解活性，有时会添加空气、氮、磷、碳源等。

图1：生物修复示意图

来源：国立环境研究所“通过微生物净化环境-关于生物修复研究-”https://www.nies.go.jp/kanko/news/18/18-3/18-3-04.html

用于分解污染物的微生物从污染地和其他自然环境中分离出来。此外，还进行了使用转基因微生物进行净化的研究（图2）。

图2 用于生物修复的微生物

左图：通过转基因开发的除汞菌

右图：从土壤中分离出来、用于分解VOC的VOC降解菌（由清水建设株式会社提供）

3）按污染修复地点分类

根据污染地和待净化场地之间的关系，生物修复大致分为两类。

(1)原位（in situ）生物修复

In situ在拉丁语中是“原位置”的意思。原位生物修复是一种在原地（原位）进行净化的方法，无需挖掘出受污染的土壤或抽取地下水。有时被称为原位环境修复。一般来说，生物修复常指原位修复。

(2)非原位（ex situ）或就地生物修复

相对于原位生物修复，将受污染的土壤挖掘出来，运到污染地点以外的地方并进行净化的方法被称为非原位（意思是“在该地点以外”）生物修复。其中一种方法有时被称为就地生物修复，即将挖掘出的受污染土壤堆放在原址附近进行净化。

作为这些方法的组合或改良，包括挖掘受污染土壤、施肥后耕作的方法（土地耕作）；向地下水中注入空气以净化污染的方法（生物喷射）；以及在受污染土壤中加入水和营养盐等、制成泥浆进行生物净化的方法（泥浆反应器）等多种方法（图3）。图4显示了土地耕作中的耕作情况。

图3 生物修复的各种方法（由清水建设株式会社提供）

图4 土壤污染现场的修复情况（土地耕作中的耕作过程）（由清水建设株式会社提供）

在生物修复中，根据污染的原因物质和污染地的情况，从上述各种方法中选择最佳方法进行净化。在实际净化中，污染浓度高时进行物理化学处理以进行修复，而污染浓度低时往往结合生物修复。

4）通过生物修复分解海洋油污染

生物修复不仅可用于土壤和地下水，还可用于净化被油轮溢油污染的海洋。

1998年至2003年，国立环境研究所一直在开发用于修复海洋石油污染的生物修复技术和生态系统影响评估方法。1997年日本海发生霍德卡号溢油污染事故，该研究在受灾的兵库县日本海沿岸以及种子岛太平洋沿岸设立了实证实验场地，在现场对溢油生物修复技术的有效性和安全性进行了研究。

经兵库县的实验（图5）证实，烷烃类和萘类等原油中的半挥发性化合物可以被微生物分解，并且，通过添加肥料可以促进分解（图6）。

图5 兵库县城崎郡香住町佐古谷海岸中稠油生物修复实证实验现场全景

上图:海岸全貌，下图：实验设备位置

来源：国立环境研究所特别研究报告（SR-53-2003）http://www.nies.go.jp/kanko/tokubetu/pdf/sr53.pdf

图6 兵库县现场试验：原油中存在的半挥发性物质的分解

来源：国立环境研究所特别研究报告（SR-53-2003）http://www.nies.go.jp/kanko/tokubetu/pdf/sr53.pdf

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围绕生物修复的动向

1)确保使用生物修复的安全性

在生物修复中，根据《通过微生物的生物修复的使用指南》（2005年经济产业省、环境省告示第4号），将微生物引入环境中进行生物强化时，必须通过不影响生态系统等的方法。根据该《指南》，净化项目的实施者需事先向经济产业省和环境省提交净化工作计划并进行确认申请，经审查后，只有被判断为对生态系统或人体健康没有影响（如致病性）的微生物才会被用于净化（图7)。净化过程中应进行监测，确保不会发生影响人和动植物健康的紧急情况。

图7 通过微生物（非转基因微生物）的生物强化实施流程

来源：环境省中央环境委员会 水环境与土壤农药联合委员会生物修复小组委员会资料http://www.env.go.jp/council/23wat-doj/y231-02/mat04_2.pdf

2）关于微生物的利用及其影响评估相关的研究动向

国立环境研究所在寻找分解和去除有机氯化合物和油类的微生物，阐明和强化它们的功能的同时，一直在分析这些有用微生物等对生态系统的影响并开发其评估方法。

3）日本的实用化状况

目前，在日本，生物修复净化主要通过生物刺激进行，至于生物强化，只有少数商业计划在经济产业省和环境省的统一指导下获得了批准。最近，也有日本企业在中东（科威特）等海外进行生物修复的案例，该领域正在向海外扩张。

日本土壤污染调查数量和土壤污染确诊病例数正在逐年增加，2007年，都道府县发现了732起土壤污染事件。根据现场的污染物和条件，生物修复有望被用作低成本的原位净化方法之一。

翻译：王宁愿

审校：刘   翔

         李   涵

通稿：李   涵

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