污染土壤的生物修復治理技術研究進展

張強劉彬劉巍任津徐圣張斌

（1.湖北省環境科學研究院，武漢 430072；2.湖北省環境監測中心站，武漢 430072）

污染土壤的生物修復治理技術研究進展

張強1劉彬2劉巍1任津1徐圣1張斌1

（1.湖北省環境科學研究院，武漢 430072；2.湖北省環境監測中心站，武漢 430072）

污染土壤的生物修復技術是一種極具潛力的土壤污染綠色修復治理方法，具有高效低耗、環境友好等特點。通過對動物修復、植物修復、微生物修復及聯合修復等土壤生物修復治理技術進行分析，探討了各種工藝技術對重金屬、有機物等目標污染物的修復性能及優缺點，旨在為我國土壤污染修復治理技術的選擇提供參考。

污染土壤 動物修復 植物修復 微生物修復 聯合修復

伴隨著我國工業化的迅速發展和農業生產中化肥農藥的廣泛使用，大量有機和無機污染物通過各種途徑進入土壤環境，導致我國土壤污染形勢不斷加劇。土壤污染不僅影響植物的生長發育及農產品的數量和質量，還會通過食物鏈影響人類的身體健康和生命安全。土壤污染已成為我國亟待解決的重要環境問題之一。目前，國內外針對土壤的有機和無機污染已經研發了一系列的修復技術。其中，生物修復技術是近年發展起來的一項用于污染土壤治理的綠色修復技術，主要是通過綜合利用動物、植物或微生物的生命代謝活動，使土壤中的有害污染物得以去除化或穩定化，土壤質量得以提高或改善的過程。污染土壤的生物修復技術主要包括動物修復、植物修復、微生物修復及聯合修復等。

1 動物修復

蚯蚓屬環節動物門寡毛綱，是土壤中生物量最大的無脊椎動物，也是目前國內外污染土壤動物修復技術的主要研究對象。Langdon等［1］研究發現在砷（As）污染土壤中長期生活的蚯蚓會對As產生一定的抗性，具有修復As污染土壤的潛力；戈峰等［2］將蚯蚓用于銅礦區廢棄場地的生態恢復中發現，蚯蚓對銅礦土壤中的銅（Cu）富集能力很強，體內組織的富集量可達82.5-1 218.4 mg/kg；戈峰等［3］又通過進一步的試驗發現，蚯蚓對Se也具有很強的富集能力，其體內組織最高硒富集量為332.5 mg/kg。此外，Singer等［4］在多氯聯苯（PCBs）污染土壤中也引入蚯蚓培養，結果發現土壤中PCBs的降解率為55%，而在未培養蚯蚓的污染土壤中，PCBs的降解率僅為39%。目前，僅有上述少數幾種污染物導致的土壤污染有采用蚯蚓修復的研究報道，但是蚯蚓在重金屬及有機污染土壤的生態監測和評價領域中應用非常廣泛，說明其具有一定的重金屬富集及有機物降解能力，而具體修復技術的實施應用有待深入研究。除針對蚯蚓的研究外，王一華和張薇等［5，6］分別對

甲螨、線蟲等土壤動物生物指示作用進行研究發現，這些土壤動物對農藥的富集作用比較明顯，具有應用于農藥污染土壤修復的潛力。

2 植物修復

植物修復技術是利用植物來轉移、容納或轉化環境介質中有毒有害污染物，實現對污染物的無害化處理，進而使污染土壤得到修復與治理。主要包括利用植物超富集或富集性功能的植物提取修復、利用植物根系分泌物控制污染擴散和恢復生態功能的植物固定修復、利用植物轉化功能的植物揮發修復、利用植物根系吸附的植物過濾修復技術，以及利用植物根區微生物群分解代謝作用的根際降解技術等。植物修復的對象通常是土壤中的重金屬、有機物或放射性元素等。

其中，重金屬污染土壤的植物修復技術在國內外都得到了廣泛的研究與應用，主要涉及植物揮發、植物提取和植物固定。植物揮發是指利用植物根系分泌的一些特殊物質或微生物使土壤中的硒（Se）、汞（Hg）、As等轉化為揮發形態以去除的一種方法。Banuelos等［7，8］研究表明，在Se和Hg污染的土壤中分別種植芥菜和煙草，可使土壤中的Se和Hg通過揮發形式得以有效去除；Meagher等［9］研究表明在Se污染的土壤中種植洋麻可使土壤中Se3+轉化為揮發性的甲基硒而得以去除。但值得注意的是，氣態Se、Hg、As等揮發到大氣中易引發二次污染，因此必須妥善處置植物揮發所產生的有害氣體。與植物揮發不同，植物固定則是利用植物根際分泌的特殊物質將根系周圍重金屬污染物包圍使其穩定化的過程。但是，植物固定只是暫時將土壤中的重金屬元素固定，使其生物毒性降低更有利于植物種群的生存，并沒有徹底從土壤環境中去除重金屬，如果環境條件發生變化，重金屬離子會再度活化進入土壤并造成危害。

植物提取是目前研究最為廣泛和深入的重金屬污染植物修復技術，是以植物能耐受和超量富集一種或幾種重金屬為基礎，吸收污染土壤中的重金屬并在地上部分累積，然后通過收割植物地上部分從而達到徹底去除重金屬的目的。該技術的關鍵在于超富集植物的篩選，盡管目前世界上已經發現了大量的重金屬超富集植物，但這些植物普遍存在生物量低、生長緩慢、地域性較強和修復時間較長等缺陷［10］。因此，國內外學者在尋找超富集植物的同時也開始關注對重金屬具有耐性、適應性強、分布廣泛和生物量高的一些能源作物和園林花卉等常見植物。這些植物與超富集植物相比體內重金屬富集量很低，但因植物生物量及生長速度都遠遠大于超富集植物，即使體內重金屬含量未達到臨界含量標準，同樣時間內所積累的重金屬絕對量反而比超富集植物積累的絕對量大，對重金屬污染土壤的修復作用更大。表1為目前國內外學者研究發現的一些對單一或多種重金屬元素，如鉛（Pb）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、錳（Mn）等，具有耐性、富集和超富集能力的野生植物、能源作物和觀賞花卉等。

除上述直接選用超富集植物持續性吸收提取土壤中的重金屬外，學者們還研究發展出了螯合誘導植物提取技術。該技術主要是通過人工添加特定的螯合劑，活化釋放被土壤固相吸附固定的重金屬離子，并使其溶解進入土壤溶液，從而提高超富集植物對重金屬的吸收富集效率［63］。Wu等［64］研究發現，在種植印度芥菜的Cu、Pb污染土壤中施加乙二胺四乙酸（EDTA）可顯著增加印度芥菜地上部分的Cu、Pb含量，相較于未添加EDTA的對照組分別高1倍和2倍；Debra等［65］也發現在利用印度薺菜修復土壤中Cd污染時，添加EDTA可使其體內Cd富集濃度從131 mg/kg提高到1 283 mg/kg；Deram等［66］發現在種植雙葉燕麥草的重金屬污染土壤中施加適量EDTA后，雙葉燕麥草對Cu的累積濃度由200 mg/kg增加到7 500 mg/kg，鈷（Co）由40 mg/kg增加到175 mg/kg，鎳（Ni）由8 mg/kg增加到1 276 mg/kg。除EDTA外，乙二醇雙四乙酸（EGTA）、乙二胺二琥珀酸（EDDS）和二乙基三乙酸（NTA）等也是常用的螯合劑。Zhou等［67］研究表明EGTA可顯著促進超富集植物對土壤中Cd的吸收；裘希雅等［68］的田間小區試驗表明EDDS能顯著提高海州香薷對Cu、Zn、Pb的吸收；Quartacci等［69］發現施加NTA后印度芥菜地上部分Cd、Zn的濃度提高了2倍，Cu的濃度提高了3倍。

在土壤重金屬污染的植物修復技術日趨成熟的同時，土壤有機污染的植物修復技術也取得了長足的進步和發展。Campbell等［70］通過研究發現工業大麻具有一定修復苯并［a］芘和屈污染土壤的能力，可用于苯并［a］芘和屈污染土壤的修復；許端平等［71］研究發現高粱和玉米對石油烴具有一定的降解去除作用，對多環芳烴和直鏈烷烴具有一定的積累與富集作用；蔡順香等［72］種植黑麥草來修復芘污染土壤發現，黑麥草對低含量芘污染的土壤具有較好的修復效果；潘淑穎等［73］研究了喜氯的特異性植物芹菜對有機氯農藥DDT污染土壤的修復，也取得了較好的修復效果；董亞明等［74］還研究了蘆葦、檉柳、沙棗對石油污染土壤的修復效果，結果表明經過80 d的修復，污染土壤中石油烴的去除率可達到

26.50 %-31.27%，明顯高于空白的15.57%-20.34%。

表1 國內外常見重金屬耐性、富集和超富集植物

與傳統的物化修復方法相比，植物修復具有運行費用低、減少土壤侵蝕、不造成二次污染和美化景觀等特點，是一種很有潛力的修復土壤環境污染的綠色技術，具有廣泛的應用前景。但是植物修復技術也尚存在一些缺點，如植物對重金屬污染物的耐性有限、修復耗時長，因此植物修復只適用于中低污染程度的重金屬修復；對于多種重金屬或/和有機物造成的土壤復合污染，單一的植物往往不能取得理想的修復效果等。

3 微生物修復

土壤中微生物數量眾多，某些微生物如細菌和真菌等對重金屬具有吸附、沉淀、氧化還原等作用，從而可降低污染土壤中重金屬的生物有效性，達到修復污染的目的。微生物修復重金屬污染的機制主要有生物吸附、胞外沉淀、生物轉化、生物累積和外排作用。Cernansky等［75］在高As含量的沉積物中分離得到一株As吸收能力較強的耐高溫真菌，發現該真菌幾乎能將所吸收的As全部以氣態形式釋放到體外；Srivastava等［76］研究發現了4種菌株在10 mg/L的As污染介質中培養21 d之后可將22.31%-29.86%的As通過揮發而去除。Desjardin等［77］發現Cr污染土壤中存在的Cr還原菌株能將Cr6+還原成低遷移率的Cr3+，顯著降低Cr的生物有效性；Chai等［78］也發現了一種土著菌可有效去除土壤中的總Cr6+，去除率高達98%。此外，Tiwari等［79］從香蒲根際中分離出了一些菌株能有效鈍化固定土壤中的Cu和Cd；肖根林等［80］發現一種光合細菌 ——球形紅細菌（Rhodobacter sphaeroides）能使土壤中可交換態和碳酸鹽結合態Cd含量降低，顯著降低Cd的生物有效性。

微生物修復有機污染主要是利用微生物的代謝過程將土壤中的有機污染物轉化為二氧化碳、水、脂肪酸等無毒物質的過程。王莉麗等［81］從石油污染土壤中篩選出銅綠假單胞菌和凝結芽孢桿菌用于修復油污土壤，發現投加降解菌后土壤中水溶性有機物的芳構化程度顯著降低；吳濤等［82］研究發現，在含鹽量為0.22%和0.61%土壤中添加耐鹽菌Serratia BF40，降解40 d后，土壤總石油烴降解率可達50%以上；董亞明等［83］利用篩選獲得的石油烴降解混合菌KL9-1對稠油污染土壤進行修復，70 d后石油烴降解率最高可達54.07%。除石油污染外，Fidlej等［84］發現煙管菌屬菌株BOS55對蒽和苯并［a］芘有很好的降解效果，二者的去除率分別高達99.2%和83%；羅雪梅等［85］研究發現枯草芽孢桿菌能夠吸附或降解菲和苯并［a］芘，二者的去除率也分別高達98%和85%。Wang等［86］還研究發現生絲微菌MAP-1對1 000 mg/kg的甲胺磷去除率可達100%（36 h），對100 mg/kg的乙酰甲胺磷去除率可達100%（5 d），對100 mg/kg的水胺硫磷去除率可達73.5%（5 d）。此外，為了進一步提高微生物修復效率，學者們還研究了固定化微生物技術，即將分散、游離的微生物通過物理或化學的方法固定在某一限定空間區域內，以提高微生物細胞的濃度，保持較高的生物活性，同時也屏蔽外界不利因素和土著菌惡性競爭的侵害。Su等［87］用玉米棒吸附固定真菌以修復苯并［a］芘污染土壤，發現固定化菌對環境適應能力更強、反應啟動速度更快，對苯并［a］芘去除效果更好。

微生物修復是一種低成本、高效能的利用生物技術治理土壤污染的綠色修復方法，具有效果好、易操作、無二次污染等特點。但是修復速度慢且周期長以及微生物物種的挑選受多種因素的制約，使其在土壤污染修復中的應用存在一定的困難。目前該技術處于實驗室或模擬試驗階段的研究成果較多，商業化應用則有待該技術的進一步成熟和創新性技術的開發。

4 聯合修復技術

協同兩種或兩種以上修復方法，形成聯合修復技術，不僅可以提高污染土壤的修復速率與效率，而且可以克服單項修復技術的局限性，實現對多種污染物復合污染土壤的修復。Ma等［88］研究了木本豆科植物與蚯蚓協同對Pb、Zn尾礦土壤進行修復，發現蚯蚓的存在可使植物吸收重金屬比率提高16%-53%；馬淑敏等［89］采用甜高粱與蚯蚓協同對Cd污染土壤進行修復，結果表明蚯蚓能顯著提高高粱生物量以及對Cd的吸收量。相對于動植物協同修復而言，植物與微生物協同修復技術的研究和發展則更

為深入和成熟。Rajkumar等［90］給蓖麻接種兩種抗重金屬的植物促生菌后發現蓖麻生物量和體內Zn、Ni、Cu的積累量均顯著增加；Tseng等［91］通過給鬼針草和龍珠果接種叢枝菌根真菌極大地提高了兩種植物對污染土壤中Cu、Pb、Zn的吸收積累；李春榮等［92］等在種植玉米和向日葵的石油污染土壤中添加外源菌（DX-9）后，石油降解率分別提高了30.3%和30.0%；Zhang等［93］通過種植鋪地黍、牛筋草、高羊茅等草本植物以促進土著菌對石油的降解，結果發現種植植物后石油降解速率提高了2.33-3.19倍。此外，卓勝等［94］還研究了黑麥草-蚯蚓-菌根的動植微生物聯合技術修復PCBs污染土壤，結果表明菌根和蚯蚓相互作用可以顯著提高黑麥草修復土壤PCBs的能力，PCBs去除率達到61.05%，說明聯合修復具有良好的應用潛力。

5 結語

特定污染現場的實際情況通常比較復雜，往往同時有多種污染物存在造成土壤的復合污染，較之單一污染治理難度更大。而污染土壤的生物修復技術通常具有運行費用低、修復效果好、減少土壤侵蝕、不造成二次污染等優點，是一種極具潛力的土壤污染綠色修復技術，但同時也具有修復速度慢且周期長、僅適用于中低污染濃度水平等局限性。因此，針對我國日益嚴重的土壤污染形勢和成因復雜的污染現狀，克服單一治理技術的不足，聯合運用生物與物化技術進行綜合治理是污染土壤修復的發展方向。

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（責任編輯 狄艷紅）

The Biological Remediation Technology for the Contaminated Soil

Zhang Qiang1Liu Bin2Liu Wei1Ren Jin1Xu Sheng1Zhang Bin1
（1. Hubei Academy of Environmental Science，Wuhan 430072；2. Hubei Environmental Monitoring Central Station，Wuhan 430072）

Biological remediation of contaminated soil is a potential contamination control technology by its characteristic of high efficiency, low cost and no pollution. The paper analyzed several biological remediation technologies such as animal remediation, phytoremediation, microbial remediation and combined remediation, discussed the technical features of these technologies for treating heavy metals, organic compounds, etc. and provided reference for the remediation of contaminated soil in China by suitable technology.

Contaminated soil Animal remediation Phytoremediation Microbial remediation Combined remediation

2014-02-20

張強，男，博士，工程師，研究方向：污染控制工程；E-mail：d.ang@163.com