微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的作用研究

王兆陽，陸 彬，何彩群，趙 鵬

（浙江一龍環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310000）

重金屬污染既會對周邊的土壤環(huán)境帶來一定損傷，也會造成農(nóng)作物減產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境污染，更會對人們的身體健康帶來負(fù)面影響。因此，加強修復(fù)重金屬污染土壤，是實現(xiàn)生態(tài)化發(fā)展的一項重要舉措?，F(xiàn)階段，修復(fù)重金屬污染土壤的技術(shù)工藝多種多樣，其中微生物修復(fù)技術(shù)具有較為明顯的優(yōu)勢，例如二次污染較小、效果穩(wěn)定以及修復(fù)成本較低等。因此，該技術(shù)在修復(fù)重金屬污染土壤中發(fā)揮出了重要作用，所以得到了較為廣泛的應(yīng)用。

1 微生物重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)概述

土壤是人類社會發(fā)展和農(nóng)作物生長的重要基礎(chǔ)，一旦受到了重金屬的污染，土壤本身的生產(chǎn)能力就會被大幅度削弱，這不僅會對農(nóng)作物的生長帶來較為嚴(yán)重的負(fù)面影響，還會對人體健康造成較為嚴(yán)重的損傷。因此，我國在開展環(huán)境保護工作中，將修復(fù)重金屬污染土壤的工作作為一項重點內(nèi)容，而微生物重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)則是重要手段之一。

通常，微生物修復(fù)重金屬污染土壤是通過應(yīng)用人工培育的微生物群，或土壤中原本已經(jīng)存在的微生物群，使其在適宜的情況下，將具備的代謝功能進行充分發(fā)揮，從而使土壤中的重金屬污染物質(zhì)進行有效降解，并在這種作用下使其轉(zhuǎn)變?yōu)闆]有毒性或是毒性更低的有機物質(zhì)。而且，由于微生物產(chǎn)菌群本身具有非常突出的特性，比如適應(yīng)能力很強、生長速率很快等，所以在土壤環(huán)境發(fā)生改變以后，還可以形成新的酶系，進而使其本身具有的代謝能力得到良好改善，且生成全新的代謝能力。如此一來，其分解土壤環(huán)境中的重金屬污染物質(zhì)的功能就會變得更強。就當(dāng)前的發(fā)展形勢而言，利用微生物治理重金屬污染土壤已成為綜合治理環(huán)境污染的一個重要舉措，因此，研發(fā)此項關(guān)鍵技術(shù)有著很大的必要性和重要性[1]。

在實際修復(fù)重金屬污染土壤中，盡管應(yīng)用微生物修復(fù)方法能取得較為顯著的效果，不過還需要在滿足必需條件的前提下，才能夠切實取得可觀的修復(fù)效果。具體而言，這些條件可細分為三種：第一，被污染且待修復(fù)的土壤本身應(yīng)含有多種多樣的微生物種類，同時，這些多樣化的微生物還能與土壤環(huán)境的變化情況相適應(yīng)，并具備穩(wěn)定的代謝功能，從而才可以真正實現(xiàn)轉(zhuǎn)化或固定土壤中重金屬物質(zhì)的目標(biāo)；第二，在微生物菌群實際開始修復(fù)受污染的土壤時，重金屬在微生物的作用下會呈現(xiàn)出可降解性的特征，這時就可以借助微生物的特性，使原本的大分子化合物轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿踊衔?；第三，在土壤環(huán)境不同的前提下，微生物修復(fù)技術(shù)在實際應(yīng)用期間的效果也會呈現(xiàn)出差異化的現(xiàn)象，例如共代謝機制的不同和土壤所含營養(yǎng)成分的不同等。由此可見，在實際培養(yǎng)微生物菌群的過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整土壤環(huán)境。

2 微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的作用

微生物菌群在實際修復(fù)重金屬污染土壤的過程中，能最大程度地使用微生物代謝中的活性有益菌，進而有效降低了殘留在土壤環(huán)境中的重金屬物質(zhì)的毒性和含量，從而最終使重金屬污染物由原來的有毒、有危害的狀況逐漸轉(zhuǎn)化為無毒、安全的狀況，以此達到修復(fù)重金屬污染土壤的目的。同時，在實際運用微生物修復(fù)方法時，投入成本較低，且在修復(fù)階段產(chǎn)生的二次污染風(fēng)險也非常低，具有很高的生態(tài)保護效果。由此，微生物在重金屬污染環(huán)境恢復(fù)中的效果和作用主要表現(xiàn)在以下三方面。

2.1 吸附作用

微生物包括較多的種類和形態(tài)，比如部分藻類、藍細菌和硫酸菌還原菌等，這些種類的微生物可以在代謝階段產(chǎn)生糖蛋白和多糖等化合物，而這些產(chǎn)物在和土壤中的重金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，會產(chǎn)生部分絡(luò)合物，且這部分物質(zhì)毒性很小甚至不具有毒性，因此，達到了吸收土壤中重金屬物質(zhì)的目的。此外，當(dāng)土壤的重金屬離子和微生物組成絡(luò)合物后，也可以對土壤環(huán)境中的其他各種各樣的重金屬污染物進行合理吸附，從而實現(xiàn)了對重金屬污染土壤環(huán)境的修復(fù)。

2.2 轉(zhuǎn)化作用

在土壤環(huán)境中，對于一些重金屬物質(zhì)而言，在經(jīng)過還原反應(yīng)之后，本身所具備的毒性會減弱，進而也降低了對土壤的危害程度。而微生物土壤修復(fù)技術(shù)就具備推動重金屬物質(zhì)還原的特性，因此，在實際應(yīng)用過程中，可以借助微生物自身的還原特性，使土壤中重金屬物質(zhì)的毒性有效降低，并生成一些有價值的有機物。而這些有機物會對植物生長產(chǎn)生一定的促進作用。舉例來說，有些種類的微生物菌群能在厭氧環(huán)境下還原重鉻酸鹽或鉻酸鹽，且這類鉻酸鹽中所含有的鉻物質(zhì)往往是具有高毒性的6價鉻，而一些微生物就能利用自身的還原特性，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槎拘暂^低的3價鉻，從而實現(xiàn)了對重金屬污染物質(zhì)的有效修復(fù)[2]。

2.3 沉淀作用

在自然界中，本身就存在著多種多樣的微生物菌群，而這之中的一部分微生物擁有誘導(dǎo)成礦的特性。因此，在對受到重金屬物質(zhì)污染的土壤進行修復(fù)時，就可以將這種特定種類的微生物，使其所具備的特種能力進行最大限度地發(fā)揮與利用，以此對碳酸鹽等物質(zhì)進行誘導(dǎo)，促使其有效沉淀。如此一來，土壤中所存留的重金屬物質(zhì)將會被有效固定，并最終將重金屬物質(zhì)降解為無毒或低毒的物質(zhì)。

3 微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的具體應(yīng)用

3.1 微生物吸附法

微生物吸附法在修復(fù)重金屬污染土壤的過程中，其原理基本是生物吸附與富集，即借助微生物的黏液層或細胞壁，直接吸附重金屬物質(zhì)，以此將土壤中存在的團粒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和改善，從而促使重金屬污染物質(zhì)本身的形態(tài)出現(xiàn)變化，最終實現(xiàn)對重金屬物質(zhì)污染的土壤進行有效處理。通常情況下，微生物在對重金屬物質(zhì)進行吸附時，其整個過程較為繁瑣，且反應(yīng)機制也相對復(fù)雜，所以，可將微生物對重金屬離子的作用細分為兩種模式，分別是微生物吸著和微生物累積。

3.1.1 微生物吸著法

該模式在實際應(yīng)用時，基本是在生物細胞表面，并通過化學(xué)絡(luò)合、無機微沉淀、靜電吸附和離子交換等化學(xué)反應(yīng)，使生物體細胞組織表面的醋酸根基團和氫氧根基團與土壤中的重金屬分子進行融合，以達到恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的目的。舉例來說，采用傳統(tǒng)活性污泥法就可以把生態(tài)環(huán)境中殘留的高放射性活度鉛離子進行吸收。

3.1.2 微生物累積法

該模式在具體對重金屬污染土壤進行修復(fù)期間，其基本原理是合成多種多樣的微生物。而最終形成的物質(zhì)將會同時擁有兩種親性物質(zhì)，分別是疏水基團以及親水基，例如芽孢桿菌（Bacillus）、不動桿菌（Acinetobacter）等。立足于分子結(jié)構(gòu)的角度分析，微生物表面活性劑中會存在多元化的多糖蛋白質(zhì)，主要包括磷酸和脂肪酸等，這也意味著其本身的環(huán)境兼容性和生物吸附性處于一個較為良好的狀態(tài)。

3.2 生物通氣法及投菌培養(yǎng)法

生物通氣法和投菌培養(yǎng)法在具體應(yīng)用到重金屬污染土壤修復(fù)的過程中，基本原理都為生物降解。具體來說，主要是利用強迫性氧化的形式，在已經(jīng)被污染且待修復(fù)的土壤中完成若干個通道的搭設(shè)，通道數(shù)量通常為2～3個，之后再借助安裝鼓風(fēng)機和抽真空機這些設(shè)備，將存留在空氣中的氧氣輸送到待修復(fù)的土壤中，然后還要抽離土壤中的空氣。其中，在應(yīng)用生物通氣法的期間，還可以在輸送到土壤中的空氣中添加適量的氨氣，這會使土壤中起到降解功能的微生物菌群獲取較為豐富的養(yǎng)分，從而使土壤中微生物菌群降解能量和降解活性均大幅增強。而在投菌培養(yǎng)法實際使用的過程中，大多是通過將外源污染降解菌種直接接入到已被污染的土壤中的形式，并由此直接向細菌供給促進其生長繁殖的養(yǎng)分。當(dāng)前，我國在采用投菌培養(yǎng)法修復(fù)重金屬污染土壤時，較為普遍的一個方法就是直接把過氧化氫投加到已被污染的土壤中去，從而為起到降解功能的微生物菌群提供一種較為優(yōu)越的養(yǎng)分環(huán)境。同時，基于以上環(huán)境，微生物菌組也可以在礦化作用下，把土壤中的土壤重金屬污染物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為水或二氧化碳。舉例來說，可將氮酸根離子、氧氣、過氧化氫、磷以及氮連續(xù)注入被銅離子污染的土壤中，在經(jīng)過36 h反應(yīng)之后，就會生成許多的銅離子降解細菌[3]。

3.3 微生物礦化固結(jié)重金屬法

在應(yīng)用微生物礦化固結(jié)重金屬方法的過程中，其主要原理是發(fā)揮微生物自身的修復(fù)作用對重金屬物質(zhì)進行溶解和沉淀。具體來說，針對微生物的特性，同時并利用重金屬溶解或沉淀的基本原理，促使環(huán)境中重金屬分子轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)礦鹽。該方法與地質(zhì)礦化方式相比而言，微生物通過礦化或固結(jié)重金屬的方式所利用的主要是無機相結(jié)晶功能，并借助微生物有機質(zhì)的方式，使高分子化合物膜表面的有序基團進行定向結(jié)晶，并以此控制被破壞土壤環(huán)境中重金屬的分布形態(tài)的效果。舉例來說，可利用檸檬酸細菌屬（Citrobacer），由于其屬于革蘭氏陰性菌，所以，通過磷酸酶的催化作用會形成更多的磷酸氫根離子。當(dāng)這類離子與重金屬物質(zhì)在細菌表層發(fā)生作用時，會生成固態(tài)礦物質(zhì)；再比如，借助尿素酶，使其與重金屬離子在氯化鋇溶液中發(fā)生反應(yīng)，并由此生成碳酸鋇。而碳酸鋇這種物質(zhì)具備米棒狀聚集作用，能完成堿性礦物質(zhì)的生成，從而減輕土壤環(huán)境受到的鋇離子的不利影響；此外，借助土壤菌A，在底物誘導(dǎo)的作用下，能有效促進其出現(xiàn)碳酸鹽礦化反應(yīng)，同時將碳酸根離子進行有效分解，從而將重金屬污染土壤中包含的鉛離子、汞離子以及鉻這一類的有效態(tài)重金屬進行礦化固結(jié)，以此實現(xiàn)土壤環(huán)境的有效修復(fù)。

3.4 生物轉(zhuǎn)化法

生物轉(zhuǎn)化法的基本原理是氧化還原反應(yīng)。通常，在眾多的重金屬污染元素中，6價鉻離子是較為常見且比較主要的一種污染物形式，該物質(zhì)本身具有較大的毒性，其遷移能力也處于一個較高的水準(zhǔn)。因此，在對這種重金屬離子進行治理時，可使用微生物技術(shù)對其進行固定，可在三羥甲基氨基甲烷鹽酸鹽（Tris-HCL）緩沖液中固定人蒼白桿菌（Ochrobactrum anthropi）的菌株，在經(jīng)過36 h的培養(yǎng)之后，就能夠?qū)⒃径拘暂^大的6價鉻離子轉(zhuǎn)化為毒性較小的3價鉻離子。一方面，這會促使鉻離子降低對土壤環(huán)境造成的危害；另一方面，與轉(zhuǎn)化之前的6價鉻離子相比，3價鉻離子的遷移能力也更弱，所以重金屬物質(zhì)對土壤的污染毒性也更低。再比如，還可以借助硫酸鹽物質(zhì)對細菌進行還原，主要是使硫酸鹽出現(xiàn)還原反應(yīng)，并生成一定量的硫化物。而這部分硫化物則可以與土壤中存在的重金屬離子之間進行沉淀反應(yīng)，從而使污染物離子鈍化。在此期間，還可以將沸石、碳源這些物質(zhì)加入到土壤中，且經(jīng)過48 h以內(nèi)的鈍化反應(yīng)之后，就能夠交換態(tài)鋇離子和銅離子[4]。

3.5 微生物-植物修復(fù)法

菌根真菌與植物根系共生是微生物-植物修復(fù)法的基本原理，即土壤-物-微生物復(fù)合體系，這能在很大程度上降低土壤中重金屬污染物質(zhì)本身的毒性。舉例來看，受到重金屬物質(zhì)污染的土壤能依托這種方法，并借助叢枝菌根真菌與宿主植物互惠共生體、小葉女貞與根基真菌聯(lián)合共生體的形式實現(xiàn)修復(fù)，這樣就能使土壤環(huán)境中生長的植物具備修復(fù)重金屬污染土壤的能力，并將其中包含的復(fù)合重金屬污染物質(zhì)，如銅離子、鉛離子、鉻離子以及鋅離子等重金屬離子的毒性降低。這樣一來，土壤所承受的重金屬污染物質(zhì)的毒性就能大幅度減輕，同時也為植物生長創(chuàng)造更加良好的環(huán)境，從而實現(xiàn)對土壤環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的有效治理。

4 結(jié)語

綜上所述，在重金屬污染土壤修復(fù)的過程中，微生物修復(fù)技術(shù)具備吸附、轉(zhuǎn)化和沉淀等多重作用，且在實際應(yīng)用期間，也取得了良好的修復(fù)效果，一方面，可有效增強重金屬的吸收率，加速植物的生長和發(fā)育，提升農(nóng)作物的產(chǎn)量；而另一方面，還能將土壤中存留的重金屬物質(zhì)有效降解，從而降低了土壤受到的危害。因此，在未來的發(fā)展中，要不斷創(chuàng)新微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用形式，并引入越來越多樣化的微生物群，以強化修復(fù)效果，從而切實推動我國土壤環(huán)境的健康、長久發(fā)展。