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基于文献计量的土壤生物修复技术研究现状及进展分析

李霏 李书鹏 刘渊文 郭丽莉 刘颖 杨乐巍

李 霏, 李书鹏, 刘渊文, 郭丽莉, 刘 颖, 杨乐巍. 基于文献计量的土壤生物修复技术研究现状及进展分析[J]. 土壤通报, 2022, 53(5): 1237 − 1247 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102603
引用本文: 李 霏, 李书鹏, 刘渊文, 郭丽莉, 刘 颖, 杨乐巍. 基于文献计量的土壤生物修复技术研究现状及进展分析[J]. 土壤通报, 2022, 53(5): 1237 − 1247 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102603
LI Fei, LI Shu-peng, LIU Yuan-wen, GUO Li-li, LIU Ying, YANG Yue-wei. Soil Bioremediation Technologies: Bibliometric Analysis, Research Status and Progress[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(5): 1237 − 1247 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102603
Citation: LI Fei, LI Shu-peng, LIU Yuan-wen, GUO Li-li, LIU Ying, YANG Yue-wei. Soil Bioremediation Technologies: Bibliometric Analysis, Research Status and Progress[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2022, 53(5): 1237 − 1247 doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102603

基于文献计量的土壤生物修复技术研究现状及进展分析

doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2021102603
基金项目: 国家重点研发计划项目(2020YFC1807900)资助
详细信息
    作者简介:

    李霏(1989−),男,山西太原,博士,主要研究方向为环境微生物。E-mail: lifei@bceer.com

    通讯作者:

    E-mail: lishupeng@bceer.com

  • 中图分类号: X

Soil Bioremediation Technologies: Bibliometric Analysis, Research Status and Progress

  • 摘要: 随着人类活动对地球环境的影响日益显著,土壤污染问题已成为社会关注的焦点。我国土壤修复起步较晚,且修复技术仅局限于物理、化学等常规手段。随着国家对污染防治攻坚战的深入推进,修复领域亟需高效、低耗、环保的新技术出现,而生物修复可以一定程度弥补现有修复技术的缺陷。因此,通过与传统物理化学修复比较,探究了生物技术(如动物、植物、微生物技术)的优势、使用特点及适用范围,对国内外生物土壤修复技术进行了计量分析。文献调研结果显示:①土壤生物修复主要关注多环芳烃、重金属等污染物,并且微生物技术是研究热点,前期主要探究降解菌的分离鉴定,现阶段则集中于相关机理分析;②动物修复技术的主体模式生物单一,主要利用蚯蚓的生物性和非生物性特性进行修复,在土壤修复中应用较少;③植物修复技术因其多样的修复机理,广泛应用于重金属污染场地,同时可与微生物协同处理污染物;④微生物修复技术主体多样,修复污染物种类多,并且可与其他修复技术联合应用,在生物修复技术中研究最为广泛;⑤对国内土壤修复的发展方向进行展望,以期推动我国修复领域技术的快速发展。
  • 图  1  关键词共现频次密度

    蓝色到黄色代表关键词出现的频次从低到高

    Figure  1.  Keyword co-occurrence frequency density map

    图  2  关键词聚类分析(A)和热点演进(B)

    (A)中颜色代表关键词的分类,(B)中关键词出现的年代由颜色变化展示,关键词圈的大小代表其出现的次数。

    Figure  2.  Keyword cluster analysis(A) and hotspot evolution diagram (B).

    图  3  微生物土壤修复技术分类

    Figure  3.  Classification of microbial soil remediation techniques

    表  1  生物修复法与化学、物理修复方法对比

    Table  1.   Comparison of biological, chemical, and physical remediation strategies for soil

    修复特点
    Feature
    化学方法
    Chemical method
    物理方法
    Physical method
    生物方法
    Biological method
    动物
    Animal
    植物
    Plant
    微生物
    Microorganism
    废物转运量
    对土壤扰动度
    对植物分布影响 中等
    污染物淋失潜力
    对毗邻土壤潜在影响
    对位点条件敏感性 中等
    对污染物敏感性 中等
    技术复杂程度 中等 中等 中等
    修复成本
    修复周期
      注:化学方法以原位化学氧化为例,物理方法以原位热脱附为例,生物方法以原位修复方法为例
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    表  2  出现频率最高的20个关键词

    Table  2.   Top 20 keywords of the most occurring frequency by bibliometric analysis

    关键词
    Keyword
    出现频次
    Frequency
    关联强度
    Link strength
    关键词
    Keyword
    出现频次
    Frequency
    关联强度
    Link strength
    bioremediation 7827 49651 heavy-metals 862 5885
    biodegradation 4689 32669 hydrocarbons 859 5793
    degradation 3555 24835 bioaugmentation 822 6506
    soil 2999 19657 phenanthrene 811 6885
    polycyclic aromatic-hydrocarbons 1923 14935 crude-oil 802 6111
    contaminated soil 1469 10542 microorganisms 778 5515
    bacteria 1387 9416 water 710 4670
    remediation 1200 8531 diversity 672 4821
    phytoremediation 1059 7522 pahs 666 5467
    removal 1022 7348 toxicity 659 4361
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    表  3  植物修复技术分类及其特点

    Table  3.   Classification and characteristics of phytoremediation technologies

    植物修复分类
    Category of phytoremediation
    适用污染物
    Target contaminant
    机理
    Mechanism
    技术优缺点
    Technical advantage and disadvantage
    举例
    Example
    植物提取修复 钴、铬、镍、铅、锌、金、汞、钼、银、镉;放射性锶、铯、铅、铀 利用重金属在植物中的吸收、运输、积累作用,将土壤中的重金属转移到超积累植物体内,通过后续收割、化学处理等方式,将污染物降低到管控值以下。 目前研究较多的植物修复技术,要求所用植物生物量大、生长快、抗虫害的特点,并对多种重金属有富集能力。关键在于寻找或培育超级富集体。 蜈蚣草对砷的富集;东南景天可以对锌、铅和镉超量富集,以锌最突出;印度芥菜对铅的富集;天蓝遏蓝菜(Thlaspi caerulescens)可以超量富集镍、镉、铅、锌;圆叶遏蓝菜(Thlaspi rotundifolium)能够富集锌、镍、铅。
    植物挥发修复 汞、硒、砷、氯代溶剂 利用植物将土壤中的易挥发污染物吸收到植物体内,再通过树叶将污染物以气态物质释放到大气中。 只适用于挥发性污染物,应用范围小,并且将污染物转移到大气中,存在一定风险。 芥菜和拟南芥可将无机硒挥发到大气;蜈蚣草(Pteris vittate)可以将砷挥发。
    植物降解技术 氯代溶剂、酚类、除草剂、TNT等 通过植物自身代谢过程或分泌的酶(如脱氯酶、加氧酶等)将污染物降解成为无毒的物质。 对疏水性适中的污染物适用,而疏水性强的污染物会紧密附着在土壤中,无法转移到植物中。对重金属无效。 羊茅草对PAH降解;鸡冠刺桐对石油泄露污染。
    根际圈生物降解技术 PAH等有机污染物 利用植物根际圈的真菌、细菌、放线菌等微生物的降解作用降解污染物。 依赖于根际圈的微生物种类,实际修复主体是微生物。 木豆(Cajanus cajan)植物影响根际圈生物多样性从而降解油泥。
    植物固定化/稳定化技术 砷、锑、铅、硒等重金属 保护污染土壤不受侵蚀,减少污染土壤的转移;通过植物或根际微生物分泌的物质,降低重金属生物有效性,减少进入食物链的风险。 暂时将污染物固定,并未彻底去除污染物,如果遇到环境变化有可能重新释放到环境中。 羊茅属(Festuca spp.)和剪股颖属(Agrostis spp.)可以固定污染土壤中的铅、锌和铜;白玉草(Silenevulgaris)和细弱剪股颖(Agrostis capillaris)根际分泌的硫化物和磷酸盐能分别与镉和铅形成沉淀。
    植物/根际过滤 镉、砷、汞等重金属;有机物 植物从受污染的水(地表水、废水)中吸收污染物 适用于水体修复,植物多为水系植物。 凤眼蓝、满江红、沼泽鸢尾、狼牙棒和芦苇草等
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    表  4  主要的可降解菌属及降解污染物范围

    Table  4.   Major degrading bacteria and degradable contaminants


    Bacterial genus
    可降解污染物
    Degradable contaminant
    单胞菌属(Pseudomonas spp) 苯、蒽、碳氢化合物、多氯联苯、石油烃、杂环化合物
    产碱杆菌属(Alcaligenes spp) 卤代烃,线性烷基苯磺酸盐,多环芳烃、多氯联苯、石油烃
    节杆菌属(Arthrobacter spp) 苯、碳氢化合物、五氯酚、苯氧乙酸酯、多环芳香、石油烃
    芽孢杆菌属(Bacillus spp) 芳烃、长链烷烃、苯系物、大环内酯类抗生素、卤代烃,苯氧基乙酸盐、石油烃
    棒状杆菌属(Corynebacterium spp) 芳香烃、石油烃
    固氮菌(Azotobacter spp) 苯系物、环烷烃、多氯联苯
    红球菌属(Rhodococcus spp) 芳香烃、多环芳烃、杂环化合物
    分支杆菌属(Mycobacterium spp) 芳香烃、石油烃、多环芳烃、杂环化合物
    诺卡氏菌属(Nocardia spp) 氯代化合物、多环芳烃、多聚物、柴油、煤油
    甲基弯曲菌(Methylosinus spp) 甲烷、氯代烃
    伯克霍尔德菌(Burkholderia spp) 大环内酯类抗生素、杂环化合物、苯系物、多环芳烃
    黄孢原毛平革菌(Phanerochaete chrysosporium 多环芳族化合物、氯化芳族化合物、农药、染料、爆炸物
    甲烷杆菌(Methanobacterium spp) 石油烃
    不动杆菌属(Acinetobacter spp) 石油烃、苯系物、农药类、大环内酯类抗生素
    木霉属(Richoderma spp) 石油烃、农药
    苍白杆菌(Ochrobactrum spp) 大环内酯类抗生素、酚类化合物、尼古丁
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    表  5  微生物土壤修复技术特点

    Table  5.   Characteristics of microbial soil remediation techniques

    分类
    Category
    适用污染物
    Applicable pollutant
    适用土壤
    Applicable soil
    修复周期
    Repair period
    辅助工艺
    Auxiliary technique
    修复成本
    Cost
    修复条件
    Condition
    可监控自然降解 土著微生物可处理污染物 所有类型土壤 极长 分子生物学监测 功能微生物及适宜生长环境
    生物抽提 轻质非水相液体 最深 ~ 7 m 尾水、尾气处理 基建成本 功能微生物及适宜生长环境
    生物通气 好氧微生物可处理污染物 包气带 尾气处理 基建成本 充足气体及适宜的环境
    生物注射 煤油、柴油、苯系物、萘 浅层地下水、土、沉积物 高压注入 高压注入成本 通过高压注入营养物质
    可渗透反应墙 石油烃类、氯代烃、重金属 \ \ 铁粉及活性炭成本 有利于微生物生长繁殖的载体
    生物强化 微生物可处理污染物 渗透性好的土壤 中等 菌剂培养设备 药剂、菌剂成本 外源菌剂增强处理效果
    生物刺激 土著微生物可处理污染物 渗透性好的土壤 \ 药剂成本 外源营养物、电子受体等
    泥浆反应器 微生物可降解污染物 粘土占比≤30% 筛分、脱水 设备能耗、药剂等成本 在混合均匀的泥浆中反应
    土地耕作 易挥发污染物、土著微生物可处理污染物 浅层土壤 极长 机械设备 土地使用成本 \
    堆肥 多数微生物可降解有机物 肥力较强的土壤 尾水、尾气处理 转运及尾水尾气处理成本 充足有机质及适宜的发酵环境
    生物垛 石油碳氢化合物 砂性土
    渗透性好
    尾水、尾气处理 \
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-10-26
  • 录用日期:  2022-04-20
  • 修回日期:  2022-02-19
  • 刊出日期:  2022-09-30

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