微生物修复是指利用大然存在的或人工培养的功能微生物群，在适宜环境条件下，促进或强化微生物代谢功能，从而达到降低有毒污染物活性或降解成无毒物质，减少或避免生态风险的生物修复技术，它已成为污染土壤生物修复技术的重要组成部分。在实际运行中就是利用微生物的作用降解土壤中的有机污染物，或者通过生物吸附和生物氧化、还原作用等改变有毒元素的存在形态，所以微生物修复既可以用于修复受有机物污染的土壤，也可以用于修复某些受重金属污染的土壤。根据对污染土壤的扰动情况，微生物修复可以分为原位修复和异位修复两大类型，在修复实践中受到了广泛的重视(李顺鹏等2004，胡晓芳等2006，李秋玲等2006，藤应等2006,2007，常文越等2007，程国玲等2007，王锐刚等2007，马强等2008，孙赛玉等2008，王红旗等2008，许育新等2008，刘国良等2008，陈红艳等2008，李洁明等2008, Glick2010, Wenzel 2009，Abhilash et al. 2009)。

一、有机物污染土壤的微生物修复

用微生物方法修复受有机物污染的土壤必须具备两方面条件，其一是在土壤中存在能够降解或转化污染物的微生物；其二是有机化合物大部分具有可生物降解性，即在微生物作用下由大分子化合物转变为简单小分子化合物的可能性。只有同时具备上述这两方面的条件，有机物污染土壤的生物修复才能实现。

在生物修复中起作用的微生物可根据其来源分为三种类型：土著微生物、外源微生物和基因工程菌(GEM)。

(一)土著微生物

微生物修复的基础是土壤中常见的各种微生物。土壤遭受污染后，会对微生物产生自然驯化和选择，一些特异的微生物在污染物的诱导下产生分解污染物的酶体系，进而将污染物降解、转化。

在微生物修复工程的实际应用中，目前大多数都是采用土著微生物。其原因一方面是由于土著微生物降解污染物的潜力较大，另一方面因为外源微生物在环境中难以保持较高的活性，基因工程菌的应用目前仍受到较严格的限制。引进外源微生物和基因工程菌时必须注意其对土著微生物的影响。单一微生物很少具有降解多种污染物的能力。因此在污染物的实际处理过程中，必须考虑要接种多种微生物，或者激发多种土著微生物的活性。

(二)外源微生物

土著微生物虽然在土壤中广泛地存在，但其生长速度较慢，代谢活性不高，或者由于污染物的存在造成土著微生物的数量下降，致使其降解污染物的能力降低，因此有时需要在污染土壤中接种一些降解污染物的高效菌。例如在2-氯苯酚污染的土壤中，只添加营养物时，7周内2-氯苯酚浓度从245 mg/kg降为105 mg/kg，而添加营养物并接种
Peseudomonas putita纯培养物后，4周内2-氯苯酚的浓度即明显降低，7周后其浓度仅为2 mg/kg。

接种外源微生物会受到土著微生物竞争的影响，因此要接种大量的微生物才能形成优势菌群，以便迅速促进生物降解过程。研究表明，在实验室条件下，每克土壤接种106个五氯酚(PCP)降解菌，可以使五氯酚的半衰期从2周减少为1天。接种到土壤中用于启动生物修复的最初步骤的微生物称为“先锋微生物”，它们能起到催化作用，加快生物修复的速度。

(三)基因工程菌

近年来，采用遗传工程手段研究和构建高效的基因工程菌已引起人们的普遍关注。构建基因工程菌的技术包括组建带有多个质粒的新菌株，降解性质粒DNA的体外重组，质粒分子育种和原生质体融合技术等。采用这些技术可将多种降解基因转入同一微生物中，使其获得广谱的降解能力。例如将甲苯降解基因从Peseudomonas putida转移给其他微生物，从而使受体菌在0℃时也能降解甲苯。这比简单地接种特定的微生物要有效得多，因为接种的微生物不一定能够成功地适应外界环境的要求。

基因工程菌接种到修复现场后会与土著微生物产生激烈的竟争。因此，基因工程菌必须有足够长的存活时间，其目的基因才能稳定地表达出特定的基因产物—特异的酶。如果在环境中基因工程菌最初没有足够的能源和碳源，就需要添加适当的基质，以促进其增殖并表达其产物。如果没有外加碳源，引入土壤的大多数外源基因工程菌就不能在土壤中生存和增殖。解决这一问题的一条新思路就是为目的基因的宿主微生物创建一个生态位，使其能利用土著微生物所不能利用的“选择性基质”。理想的选择性基质(如某些表面活性剂)应当无毒、价廉且便于使用。选择性基质有时还会成为土著微生物的抑制剂，从而增加基质的有效性，增强其对有毒物质的降解效果。在环境中加入选择性基质会造成土壤微生物系统的暂时失衡，土著微生物需要一段时间才能适应变化，而基因工程菌正好可以利用这段时间建立自己的生态位。由于土著菌群中的某些菌在后期也可利用这些基质，因此在现场修复中，基因质粒的基因工程菌主要适用于一次性处理目标污染物，而不适于反复使用。

尽管利用遗传工程提高微生物生物降解能力的工作已取得了良好的效果，但是目前美国、日本和其他大多数国家对基因工程菌的实际应用有严格的立法控制。在美国，基因工程菌的使用受到“有毒物质控制法(TSCA)”的限制。一些人担心基因工程菌释放到环境中会产生新的环境问题，导致对人和其他高等生物产生新的疾病或影响其遗传基因。但一些微生物学家指出，从科学的观点来看，决定一种微生物是否适宜于释放到环境中，主要是取决于该微生物的生物特性(如致病性等)，而不是看它究竟是如何得来的。他们指出，应该实事求是地对待基因工程菌问题，过分严格的立法和不切实际的宣传会阻碍现代微生物技术在环境污染治理中的推广应用。

二、重金属污染土壤的微生物修复

利用微生物修复受重金属污染的土壤，主要是依靠微生物降低土壤中重金属的毒性，或者通过微生物来促进植物对重金属的吸收等其他修复过程。重金属污染的微生物修复包含两方面的技术，即生物吸附和生物氧化、还原。前者是重金属被活的或死的生物体所吸附的过程；后者则是利用微生物改变重金属离子的氧化、还原状态来降低环境中的重金属水平。与有机污染的微生物修复相比，关于重金属污染的微生物修复方面的研究和应用较少，但近年来已经引起人们的重视。

细菌产生的特殊酶能还原重金属。如Citrobacter sp．产生的酶能使U、Pb和Cd形成难溶磷酸盐；利用细菌也可降低废弃物中Se(硒)、Pb毒性。此外，一些微生物对Cd, Co, Ni，Mn, Zn, Pb和Cu等就有较强的亲和力。微生物吸附的实际应用取决于两个方面，即筛选具有专一吸附能力的微生物和降低培育微生物的成本。最近在提高微生物吸附特定金属离子的能力、收集生物体及采用生物吸附金属的新方法方面取得了进展。

在有毒金属离子中，以Cr污染的微生物修复研究较多。在好氧或厌氧条件下，有许多异养微生物能够催化Cr (Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ)。另一些Fe³⁺还原细菌可以把Co³⁺-EDTA中的Co³⁺还原成Co²⁺。因为放射性Co³⁺-EDTA的水活性很高，而Co²⁺与EDTA结合较弱，可使钴的移动性降低，因此具有较大的实际应用价值。除通过还原金属离子形成沉淀外，微生物还可以把一些金属还原成活性的或挥发性的形态。如一些微生物可以将非活性态的Pu⁴⁺还原成活性态的Pu³⁺。一些微生物可以将Hg²⁺还原成挥发性的Hg⁰。

三、微生物修复技术的优缺点

(一)微生物修复技术的优点

与传统的污染土壤治理技术相比，土壤微生物修复技术的主要优点是：

1)微生物降解较为完全，可将一些有机污染物降解为完全无害的无机物，二次污染问题较小；

2)处理形式多样，操作相对简单，有时可进行原位处理；

3)对环境的扰动较小，不破坏植物生长所需要的土壤环境；

4)与物理、化学方法相比，微生物修复的费用较低，约为热处理费用的1/3～1/4，微生物处理的费用取决于土壤体积和处理时间；

5)可处理多种不同种类的有机污染物，如石油、炸药、农药、除草剂和塑料等，无论污染面积的大小均可适用，并可同时处理受污染的土壤和地下水。

(二)微生物修复技术的缺点

对微生物修复而言，微生物修复技术主要存在下述三方面的限制：

1)当污染物溶解性较低或者与土壤腐殖质、黏粒矿物结合得较紧时，微生物难以发挥作用，污染物不能被微生物降解；

2)专一性较强，特定的微生物只降解某种或某些特定类型的化学物质，污染物的化学结构稍有变化，同一种微生物的酶就可能不起作用；

3)有一定的浓度限制，当污染物浓度太低且不足以维持降解细菌的群落时，微生物修复不能很好地发挥作用；

4)修复地点有一定的限制，在一些低渗透的土壤中可能不宜使用该技术，因为细菌生长过多有可能会阻塞土壤本身或在其中安装的注水井。