生物修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)研究進(jìn)展

劉保平, 王 寧

(1.安徽省環(huán)境工程評(píng)估中心，安徽合肥 230061；2.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230601)

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生物修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)研究進(jìn)展

劉保平1, 王 寧2

(1.安徽省環(huán)境工程評(píng)估中心，安徽合肥 230061；2.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230601)

介紹了生物修復(fù)的特點(diǎn)及分類，從動(dòng)物修復(fù)、微生物修復(fù)、植物修復(fù)、植物-微生物協(xié)同修復(fù)4個(gè)方面，綜述了生物修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)的研究進(jìn)展，并從探尋重金屬超積累植物，開發(fā)生物土壤改良劑和吸附劑，篩選耐重金屬的根際微生物及創(chuàng)新應(yīng)用聯(lián)合修復(fù)技術(shù)幾方面進(jìn)行了展望。

生物修復(fù)；重金屬污染；土壤

我國是世界上耕地資源極其匱乏的國家,近年來土壤污染問題凸顯[1]。農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)查表明，近年來全國24個(gè)省(市)城郊、污水灌溉區(qū)、工礦等經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快地區(qū)的320個(gè)重點(diǎn)污染區(qū)中，污染超標(biāo)的大田農(nóng)作物種植面積為60．6萬hm2，占監(jiān)測(cè)調(diào)查總面積的20%，其中重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量占污染物超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品總量的80%以上，尤其是Pb、Cd、Hg、Cu及其復(fù)合污染最為突出[2-3]。

我國土壤重金屬污染主要來源于污水灌溉、工業(yè)廢渣、城市垃圾、工業(yè)廢棄物堆放及大氣沉降[4]。污水中占較大比例的工業(yè)廢水成分復(fù)雜，不同程度地含有生物難降解的多種重金屬，是土壤重金屬污染物的主要來源[5]。土壤重金屬污染導(dǎo)致土壤環(huán)境質(zhì)量惡化，危害了土壤生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，破壞了人類的生存環(huán)境，對(duì)人們生產(chǎn)和活動(dòng)、糧食安全造成了嚴(yán)重影響[6-9]。重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)等，目前人們逐漸將重金屬污染治理的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向生物修復(fù)技術(shù)[10-13]。生物修復(fù)土壤重金屬污染技術(shù)是利用生物作用，降低土壤中重金屬含量或減小其毒性。生物修復(fù)的機(jī)制一是通過生物作用改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)，使重金屬固定或解毒，降低其在土壤環(huán)境中的移動(dòng)性和生物可利用性；二是通過生物吸收、代謝、揮發(fā)等機(jī)制對(duì)重金屬進(jìn)行削減、凈化與固定。筆者對(duì)生物修復(fù)重金屬污染土壤技術(shù)進(jìn)行了綜述，以期為重金屬污染治理的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

1　生物修復(fù)的特點(diǎn)及分類

1.1特點(diǎn)生物修復(fù)是指利用生物的生命代謝活動(dòng)消除或富集進(jìn)入環(huán)境中的有毒有害物質(zhì)，降低其有效濃度或使其無害化，部分或完全恢復(fù)被污染環(huán)境的生態(tài)環(huán)境功能的過程。研究和實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的物理和化學(xué)修復(fù)技術(shù)存在修復(fù)成本高，污染物去除不徹底，易導(dǎo)致二次污染和存在環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)。而采用環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)時(shí)，最終產(chǎn)物大多是無害、穩(wěn)定的物質(zhì)，如二氧化碳、水、氮?dú)獾?，處理費(fèi)用低，處理效果好，對(duì)環(huán)境的影響小，不易造成二次污染，且適用范圍廣，操作簡(jiǎn)單，可以就地進(jìn)行處理等，越來越受到人們的青睞[10-13]。

1.2分類重金屬污染土壤的生物修復(fù)有多種分類方式，按照被污染土壤的空間位置是否移動(dòng)可分為原位生物修復(fù)和異位生物修復(fù)，原位修復(fù)是指被污染土壤在原址進(jìn)行生物修復(fù)處理，異位修復(fù)是指將被污染的介質(zhì)(土壤或水體)搬動(dòng)或輸送到他處進(jìn)行的生物修復(fù)處理。按生物修復(fù)所利用的生物物種可分為動(dòng)物修復(fù)、微生物修復(fù)、植物修復(fù)和聯(lián)合修復(fù)等。

2　重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)

2.1動(dòng)物修復(fù)技術(shù)動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是利用土壤中某些動(dòng)物吸收土壤中的重金屬，降低污染土壤中重金屬的含量。陳旭飛等[14]應(yīng)用蚯蚓修復(fù)重金屬污染土壤[14]。蚯蚓是陸地生態(tài)系統(tǒng)中生物量最大的無脊椎土壤動(dòng)物，以有機(jī)物為主要食源，通過取食活動(dòng)直接或間接地對(duì)土壤產(chǎn)生積極的影響，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物學(xué)性質(zhì)的演化及植物生長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境的改變等均有舉足輕重的作用。

Ireland[15]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓的黃色細(xì)胞對(duì)Cd和Pb有較強(qiáng)的吸收力，可以利用體內(nèi)的金屬硫蛋白固定金屬，在組織內(nèi)蓄積高質(zhì)量重金屬而不受生理學(xué)影響。蚯蚓經(jīng)腸道吸收的重金屬鎘和鉛，在黃色細(xì)胞的小球形黃色素和囊泡中固定化，生成無生物毒性的鎘-金屬硫蛋白、鉛-金屬硫蛋白形態(tài)，從而富集重金屬。蛞蚓能通過提高土壤重金屬的活性使植物吸收重金屬的效率增加。俞協(xié)治等[16]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓活動(dòng)能明顯提高紅壤Cu的生物有效性，使紅壤中DTPA提取態(tài)Cu的含量明顯增加，從而提高植物對(duì)重金屬的吸收和富積效率。由此可見，在重金屬污染土壤中放養(yǎng)蚯蚓，待其富集重金屬后，采用電激、清水等方法驅(qū)出蚯蚓，集中處理，對(duì)重金屬污染土壤有一定治理效果。

2.2微生物修復(fù)技術(shù)土壤微生物是土壤中的活性膠體，表面大、帶電荷、代射活動(dòng)旺盛。受到重金屬污染的土壤，往往富集多種耐重金屬的土壤微生物，如真菌和細(xì)菌。微生物雖不能將重金屬徹底降解，但是可以對(duì)重金屬進(jìn)行固定、移動(dòng)或轉(zhuǎn)化，改變其在環(huán)境中的遷移特性和形態(tài)，從而進(jìn)行生物修復(fù)。

2.2.1對(duì)重金屬離子的生物吸附和富集。微生物可通過帶電荷的細(xì)胞表面吸附重金屬離子，或通過攝取必要的營(yíng)養(yǎng)元素主動(dòng)吸收重金屬離子，將重金屬離子富集在細(xì)胞表面或內(nèi)部。Bond等[17]研究表明，根霉對(duì)UO22+和Cu2+離子的最大吸附量達(dá)820和210 mmol/kg，木霉、小刺青霉和深黃被包霉即使在pH很低的情況下，對(duì)Zn、Cd、Hg、Pb等仍有很強(qiáng)的富集作用；王亞雄等[18]研究表明，pH為5～6時(shí)，類產(chǎn)堿單胞菌和藤黃微球菌對(duì)Cu2+、Pb2+有較強(qiáng)的吸附。微生物還能與土壤中其他組分競(jìng)爭(zhēng)吸附重金屬離子[19]；Lovley等[20]研究發(fā)現(xiàn)，真菌死細(xì)胞及其組分如纖維素對(duì)Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+的吸附能力較蒙脫石和針鐵礦高[20]。

2.2.2對(duì)重金屬離子的生物轉(zhuǎn)化。

2.2.2.1氧化還原作用。土壤中的一些重金屬元素存在多種化合價(jià)，其生態(tài)毒性也不同。土壤微生物能將高價(jià)金屬離子還原成低價(jià)態(tài)，將有機(jī)態(tài)金屬還原成單質(zhì)，一些金屬在這個(gè)過程中毒性降低甚至消失。戴欣等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在含有200 mg/L HgCl2的液體培養(yǎng)基中，煙草頭孢酶F2生長(zhǎng)16 h，可使溶液中汞含量降低90%，這表明HgCl2能被還原成汞元素，約有12%的汞揮發(fā)，7%的汞被菌體吸附，其余以元素汞的形式沉積在培養(yǎng)液底部。微生物還能氧化一些重金屬元素，有些自養(yǎng)細(xì)菌如硫鐵桿菌類能氧化As3+、Fe2+、Mo4+、Cu+等，使這些金屬離子的活性降低。

2.2.2.2甲基化作用。汞、砷、鎘、鉛等金屬或類金屬離子都能夠在微生物的作用下發(fā)生甲基化反應(yīng)。假單胞菌屬在金屬及類金屬離子的甲基化作用中具有重要貢獻(xiàn)，它們能夠使許多金屬或類金屬離子發(fā)生甲基化反應(yīng)，從而使金屬離子的活性或毒性降低[22]。但有些離子甲基化后毒性會(huì)變強(qiáng)，如甲基汞的生物毒性較無機(jī)汞高出50～100倍[23]。

2.2.3微生物對(duì)重金屬離子的絡(luò)合和沉淀。在土壤環(huán)境中，微生物代謝作用能產(chǎn)生多種低分子量的有機(jī)酸，這些有機(jī)酸能夠與重金屬離子絡(luò)合，從而降低重金屬的生物有效性。如真菌可以通過分泌氨基酸、有機(jī)酸及其他代謝產(chǎn)物絡(luò)合重金屬及含重金屬的礦物。Caccavo等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在營(yíng)養(yǎng)充分的條件下，微生物可以促進(jìn)Cd的淋溶，從土壤中溶解出的Cd主要和低分子量的有機(jī)酸結(jié)合。王瑞興等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中接種菌株，利用其在底物誘導(dǎo)下產(chǎn)生的酶化作用分解產(chǎn)生 CO32-，從而礦化土壤中的有效態(tài)重金屬，使其沉積為穩(wěn)定態(tài)的碳酸鹽。

2.2.4對(duì)重金屬-有機(jī)絡(luò)合物的生物降解。土壤中有些重金屬形成重金屬-有機(jī)質(zhì)絡(luò)合物，影響其在土壤中的生物有效性，一些微生物能夠降解這類絡(luò)合物，所生成的重金屬以氫氧化物或生物吸附的形式沉淀,從而達(dá)到修復(fù)重金屬污染的目的。郭學(xué)軍等[26]開展的根瘤菌對(duì)檸檬酸-重金屬絡(luò)合物的降解試驗(yàn)表明，不同類型的重金屬，其檸檬酸絡(luò)合物的降解速率不同。重金屬離子與低分子量有機(jī)物形成的復(fù)合物的生物穩(wěn)定性主要取決于有機(jī)配體和微生物的種類及重金屬對(duì)微生物的毒性，而與重金屬-有機(jī)復(fù)合體的化學(xué)穩(wěn)定性關(guān)系不大。

2.3植物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)是一種利用自然生長(zhǎng)植物或遺傳培育植物修復(fù)重金屬污染土壤的技術(shù)總稱，通常是利用植物對(duì)重金屬的忍耐性、分泌物、超量積累能力等實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬污染環(huán)境的修復(fù)。

2.3.1植物揮發(fā)法。植物揮發(fā)是利用植物的吸收、積累和揮發(fā)作用減少土壤污染物，也就是將污染物吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)，釋放到大氣中，達(dá)到修復(fù)重金屬污染土壤目的的過程[27]。Meagher等[28]研究表明，楊麻能夠使土壤中的Se3+轉(zhuǎn)化為低毒的甲基硒，并揮發(fā)去除，海藻能吸收并揮發(fā)砷，煙草可使毒性大的Hg2+轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的單質(zhì)汞。另有研究表明，一些轉(zhuǎn)基因植物如擬南芥也能將有機(jī)汞和無機(jī)汞鹽轉(zhuǎn)化為氣態(tài)單質(zhì)汞。

2.3.2植物提取法。植物提取是指利用重金屬積累植物將土壤中的重金屬提取出來，富集并搬運(yùn)到植物根部可收割部分或植物地上的部位,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)受重金屬污染土壤的修復(fù)[29]。這類植物主要有超積累植物和螯合劑誘導(dǎo)積累植物2類。超積累植物是指能超量吸收重金屬，并能將其運(yùn)移到地上部的植物[30]。植物提取的效益取決于植物地上部分重金屬含量及其生物量，因而尋找和培養(yǎng)生物量大、生長(zhǎng)速率快、生長(zhǎng)周期短的超累積植物，是提高植物提取技術(shù)效益的長(zhǎng)期策略，甚至這些植物收割后還能進(jìn)行重金屬提煉，實(shí)現(xiàn)重金屬的回收利用。目前，我國發(fā)現(xiàn)的超積累植物有Mn超積累植物商陸[31]，Cd超積累植物油菜[32]，Pb、Zn超積累植物續(xù)斷菊[33]，As超積累植物蜈蚣草[34]、大葉井口邊草[35]等。螯合誘導(dǎo)累積植物是利用速生的重金屬積累植物與螯合輔助劑EDTA、檸檬酸等配合，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收積累[36]。顧繼光等[37]研究發(fā)現(xiàn)，芥菜可吸收少量Pb，在土壤中加入人工合成的螯合劑，可促進(jìn)芥菜對(duì)Pb的吸收[37]。

2.3.3植物固化法。植物固化法是利用耐重金屬植物或超積累植物根際分泌的一些特殊物質(zhì)固定化土壤中的重金屬，降低重金屬的生物活性和物理化學(xué)活性，減少重金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴(kuò)散進(jìn)一步污染環(huán)境的可能性[38]。在該過程中，植物通過保護(hù)污染土壤少受侵蝕、滲漏來防止金屬污染物的淋移，同時(shí)通過根部積累、沉淀或根表吸收加強(qiáng)重金屬的固定。其中，最有應(yīng)用前景的是鉛和鉻的固化。土壤中鉛離子的生物有效性較高，植物將其固定化為磷酸鹽礦物后就比較難溶和難于被生物所利用。

2.4植物-微生物協(xié)同修復(fù)技術(shù)植物-微生物協(xié)同修復(fù)是指真菌侵染植物根系后形成共生體菌根，菌根分泌的多種酶能分解土壤中的有機(jī)物和礦物質(zhì)，產(chǎn)生多種植物激素和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，調(diào)控植物生理活動(dòng)，促進(jìn)植物健康生長(zhǎng)，提高植物的抗病性和生存能力[39]。

叢枝菌根真菌(Arbuscularmycorrhizalfungi，AMF)廣泛分布于土壤生態(tài)系統(tǒng)中，能與90%以上的陸生高等植物根系建立共生關(guān)系，形成叢枝菌根，是常用的強(qiáng)化植物修復(fù)的真菌[40-42]。楊秀梅等[43]研究發(fā)現(xiàn)，菌根真菌能極大地提高銅在玉米根系中的濃度和吸收量，而玉米地上部分的銅濃度和吸收量變化不顯著，這說明叢枝菌根有助于消減銅由玉米根系向地上部分的運(yùn)輸。Whiting等[44]研究發(fā)現(xiàn)，接種根際細(xì)菌后土壤溶液中的鋅含量增加，遏藍(lán)菜地上部分的鮮重和鋅含量均提高1倍，根部對(duì)鋅的吸收能力增加3倍，這是由于細(xì)菌產(chǎn)生了一種能被根系吸收的鋅螯合載體。趙靜[45]研究發(fā)現(xiàn)，里氏木霉 FS10-C (Trichoderma reesei FS10-C)同時(shí)具有銅抗性、促進(jìn)植物生長(zhǎng)特性、增強(qiáng)植物抗銅脅迫和積累銅特性以及增強(qiáng)土壤銅有效性等多種與銅污染修復(fù)相關(guān)的功能。羅巧玉等[46]研究發(fā)現(xiàn)，AMF能夠增強(qiáng)宿主植物對(duì)土壤重金屬脅迫的耐受性，因此利用AMF開展重金屬污染土壤的生物修復(fù)已經(jīng)引起環(huán)境學(xué)家和生態(tài)學(xué)家的廣泛關(guān)注，正從物理性防御體系的形成、對(duì)植物生理代謝的調(diào)控、生化拮抗物質(zhì)的產(chǎn)生、基因表達(dá)的調(diào)控等角度，探究AMF在重金屬污染土壤生物修復(fù)中的作用機(jī)理和應(yīng)用實(shí)踐。

3　展望

重金屬的生物修復(fù)技術(shù)不僅效果好、實(shí)施簡(jiǎn)便、投資較少、對(duì)環(huán)境干擾少、運(yùn)行費(fèi)用低，杜絕了二次污染，還有利于生態(tài)環(huán)境的改善，在治理污染的同時(shí)，還能獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。目前，重金屬污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)展，但是仍存在一定局限性，如生物修復(fù)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，見效慢，受環(huán)境影響大及不適合于嚴(yán)重污染土壤的修復(fù)等。因此，今后應(yīng)在以下幾個(gè)方面展開深入研究：①繼續(xù)探尋重金屬超積累植物，研究植物的重金屬積累機(jī)理，利用基因工程技術(shù)提高大型植物的重金屬積累量；②從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等方面開發(fā)優(yōu)良的生物土壤改良劑和吸附劑；③研究重金屬污染環(huán)境中植物根系與根際環(huán)境微生物類群的相互作用，篩選可供應(yīng)用的耐重金屬，并促進(jìn)植物生長(zhǎng)的根際微生物；④創(chuàng)新應(yīng)用生物修復(fù)與其他修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。

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Advances in Researches on Bio-remediation Technique for Heavy Metal Polluted Soil

LIU Bao-ping1, WANG Ning2

(1. Anhui Environment & Engineering Evaluation Center, Hefei, Anhui 230061; 2. School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei, Anhui 230601)

Firstly, characteristics and classification of bio-remediation were introduced. Then, from animal remediation, microorganism remediation, plant remediation, plant-microorganism combined remediation, it made an overview of advances in researches on bio-remediation technique for heavy metal polluted soil. Finally, it put forward prospects from exploring super plants, developing biological soil modifying and adsorbing agent, screening out heavy metal tolerant rhizospheric microorganisms, and innovating the application of combined remediation technique.

Bio-remediation; Heavy metal pollution; Soil

劉保平(1978- )，女，安徽樅陽人，工程師，碩士，從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)及評(píng)估研究。

2016-06-15

S 181

A

0517-6611(2016)19-067-03