土壤重金屬污染及其修復(fù)技術(shù)研究進展

張 賀, 許 寧, 楊 賀, 王海波

(揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州 225009)

1 土壤重金屬污染現(xiàn)狀

隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，農(nóng)藥、化學(xué)肥料的施用量以及工業(yè)污水、廢氣的排放量均大量增長，產(chǎn)生的土壤重金屬污染問題也日益加劇[1]。統(tǒng)計資料表明，我國1/6的耕地面積重金屬污染超標(biāo)[2]。而由于土壤重金屬污染的隱蔽性和潛伏性[3]，且重金屬在自然條件下很難被降解，生物鏈中的重金屬積累威脅農(nóng)作物安全，最終危害人體健康[4]，因此土壤重金屬污染問題亟待解決。

2 常見的土壤重金屬污染修復(fù)方法

根據(jù)修復(fù)場地位置的不同，土壤重金屬污染修復(fù)工程可分為原位修復(fù)和異位修復(fù)；而依據(jù)修復(fù)原理的不同，又可劃分為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)等。其中常見的物理修復(fù)方法有換土法、隔離污染土、電動修復(fù)等。換土法，顧名思義，即把重金屬污染嚴重超標(biāo)的土移除，并用未污染的土填埋；隔離法是在地下設(shè)置隔離屏障以防止重金屬污染的擴散；將重金屬離子結(jié)合為穩(wěn)定且可流動的復(fù)合物[5]；固化則與土壤淋洗相反，固化是利用固化劑吸附重金屬離子，最終降低重金屬的遷移性和生物利用度。生物修復(fù)主要有動物修復(fù)、植物修復(fù)等。動物修復(fù)主要通過飼養(yǎng)穴居動物(如蚯蚓)，它們的代謝產(chǎn)物作為優(yōu)良的氧化還原材料，能有效改善土壤養(yǎng)分和質(zhì)地，分泌的羥基化學(xué)基團能酸化土壤并活化重金屬[6]；植物修復(fù)則主要依靠超累積植物，由于這類植物具有特定的能轉(zhuǎn)運某些重金屬的蛋白成分，使其具有超量吸收重金屬的能力，實現(xiàn)對重金屬的吸附和轉(zhuǎn)移[7]。

微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積(MICP)作為一項重金屬污染場地修復(fù)的新技術(shù)，將化學(xué)固定與微生物原位修復(fù)相結(jié)合[8]，修復(fù)過程環(huán)保高效，因而受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。MICP技術(shù)的基本原理為：通過向土壤中灌注高產(chǎn)脲酶的微生物菌液，微生物代謝作用下產(chǎn)生的脲酶將尿素水解為NH4+和CO，其中NH4+為嗜堿菌提供了一個良好的堿性生存環(huán)境，CO在與Ca2+的結(jié)合析出沉淀的同時，介質(zhì)中的某些游離態(tài)重金屬離子以共沉淀形式被固定，進而得到碳酸鹽形式的重金屬，并且相比游離態(tài)重金屬，大大降低了其生物可利用性和可遷移性[9-11]。Achal等[12]通過研究篩選出脲酶產(chǎn)率高、對銅有較強耐受性的革蘭氏陽性菌，并利用MICP方法實現(xiàn)了金屬銅97 %的去除；Li等[13]研究了六種金屬抗性細菌菌株對鎳，銅，鉛，鈷，鋅和鎘的微生物礦化作用，實驗結(jié)果顯示，各菌株在孵育48h后能夠去除88 %～99 %重金屬；另外，Kumari等[14]也證明了MICP在低溫條件(10 ℃)下，鎘污染土修復(fù)的可行性。

3 幾種土壤重金屬污染修復(fù)方法的比較

物理修復(fù)方法由于將污染土體挖除或隔離，所以對多種高濃度重金屬復(fù)合污染的土體修復(fù)效果較好。然而其成本高昂，往往需要投入大量的人力、物力，也限制了其大規(guī)模的發(fā)展。另外，如果挖除的污染土壤得不到適當(dāng)?shù)奶幚硪矔砀蟮奈：Γ换瘜W(xué)修復(fù)的方法在實際的修復(fù)工程中，大多通過添加氨基多羧酸類螯合劑如乙二胺四乙酸(EDTA)，這部分螯合劑與土壤液相中的重金屬離子結(jié)合，降低重金屬的溶解度和生物利用度，增加重金屬的可遷移度進而為后續(xù)修復(fù)處理提供條件[6、15]。然而這類螯合劑不可降解，過量使用會對土壤中的植物和微生物造成毒害，土壤的質(zhì)地和肥力也會受到影響。此外，在土壤液相中移動的重金屬離子一旦浸入到地下水中，會帶來嚴重后果,因此采用化學(xué)修復(fù)的方法，長期的污染監(jiān)控很有必要；動物修復(fù)和植物修復(fù)成本低廉，然而蚯蚓對重金屬污染修復(fù)的有效性和效率受土壤pH值以及營養(yǎng)成分等因素的影響[6]，植物修復(fù)由于采用的超累積植物往往只對特定的重金屬有吸收作用，故二者的修復(fù)效果往往不令人滿意；微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積的方法修復(fù)土壤重金屬污染環(huán)保高效，可以在較短時間內(nèi)改善污染土壤，但MICP技術(shù)尚處于發(fā)展階段，菌液灌注方式、pH、鈣源、反應(yīng)液濃度、外界溫度、土壤粒度分布等因素的綜合影響尚不明確，如何使誘導(dǎo)出的碳酸鹽在土壤中均勻分布、哪種菌株更適宜應(yīng)用于MICP技術(shù)等也是國內(nèi)外學(xué)者正在探討的重要課題。

4 研究展望

土壤的重金屬污染已經(jīng)嚴重威脅到了人類的健康，采取必要的方法修復(fù)污染土壤已刻不容緩。修復(fù)方法的擇取應(yīng)綜合考慮修復(fù)成本、效率、長期穩(wěn)定性等因素。常見的修復(fù)方法雖然能在某些條件下有效地修復(fù)污染土壤，但每種修復(fù)方法都有其局限性，無法達到經(jīng)濟和效率的統(tǒng)一。MICP技術(shù)為修復(fù)重金屬污染土壤提供了一種新思路，將化學(xué)固定與微生物原位修復(fù)相結(jié)合，環(huán)保高效，一定程度上彌補了單一修復(fù)方法的缺陷。很顯然，多種土壤重金屬污染修復(fù)方法相結(jié)合將成為未來研究的趨勢。另外，轉(zhuǎn)基因工程應(yīng)用于生物修復(fù)，如改良超積累植物的轉(zhuǎn)運蛋白進而吸收多種重金屬、培植更適宜誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的菌株等，也將成為研究的重要課題。