生物修復重金屬污染土壤技術研究進展

劉保平, 王 寧

(1.安徽省環境工程評估中心，安徽合肥 230061；2.安徽大學資源與環境工程學院，安徽合肥 230601)

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生物修復重金屬污染土壤技術研究進展

劉保平1, 王 寧2

(1.安徽省環境工程評估中心，安徽合肥 230061；2.安徽大學資源與環境工程學院，安徽合肥 230601)

介紹了生物修復的特點及分類，從動物修復、微生物修復、植物修復、植物-微生物協同修復4個方面，綜述了生物修復重金屬污染土壤技術的研究進展，并從探尋重金屬超積累植物，開發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新應用聯合修復技術幾方面進行了展望。

生物修復；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]。農業部環境監測系統調查表明，近年來全國24個省(市)城郊、污水灌溉區、工礦等經濟發展較快地區的320個重點污染區中，污染超標的大田農作物種植面積為60．6萬hm2，占監測調查總面積的20%，其中重金屬含量超標的農產品產量占污染物超標農產品總量的80%以上，尤其是Pb、Cd、Hg、Cu及其復合污染最為突出[2-3]。

我國土壤重金屬污染主要來源于污水灌溉、工業廢渣、城市垃圾、工業廢棄物堆放及大氣沉降[4]。污水中占較大比例的工業廢水成分復雜，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]。土壤重金屬污染導致土壤環境質量惡化，危害了土壤生態系統的良性循環，破壞了人類的生存環境，對人們生產和活動、糧食安全造成了嚴重影響[6-9]。重金屬污染土壤的修復技術有物理修復、化學修復和生物修復等，目前人們逐漸將重金屬污染治理的研究重點轉向生物修復技術[10-13]。生物修復土壤重金屬污染技術是利用生物作用，降低土壤中重金屬含量或減小其毒性。生物修復的機制一是通過生物作用改變重金屬在土壤中的化學形態，使重金屬固定或解毒，降低其在土壤環境中的移動性和生物可利用性；二是通過生物吸收、代謝、揮發等機制對重金屬進行削減、凈化與固定。筆者對生物修復重金屬污染土壤技術進行了綜述，以期為重金屬污染治理的進一步研究奠定基礎。

1　生物修復的特點及分類

1.1特點生物修復是指利用生物的生命代謝活動消除或富集進入環境中的有毒有害物質，降低其有效濃度或使其無害化，部分或完全恢復被污染環境的生態環境功能的過程。研究和實踐表明，傳統的物理和化學修復技術存在修復成本高，污染物去除不徹底，易導致二次污染和存在環境健康風險。而采用環境生物修復技術時，最終產物大多是無害、穩定的物質，如二氧化碳、水、氮氣等，處理費用低，處理效果好，對環境的影響小，不易造成二次污染，且適用范圍廣，操作簡單，可以就地進行處理等，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有多種分類方式，按照被污染土壤的空間位置是否移動可分為原位生物修復和異位生物修復，原位修復是指被污染土壤在原址進行生物修復處理，異位修復是指將被污染的介質(土壤或水體)搬動或輸送到他處進行的生物修復處理。按生物修復所利用的生物物種可分為動物修復、微生物修復、植物修復和聯合修復等。

2　重金屬污染土壤生物修復技術

2.1動物修復技術動物修復技術是利用土壤中某些動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]應用蚯蚓修復重金屬污染土壤[14]。蚯蚓是陸地生態系統中生物量最大的無脊椎土壤動物，以有機物為主要食源，通過取食活動直接或間接地對土壤產生積極的影響，對土壤生態系統的物理、化學、生物學性質的演化及植物生長、生態環境的改變等均有舉足輕重的作用。

Ireland[15]研究發現，蚯蚓的黃色細胞對Cd和Pb有較強的吸收力，可以利用體內的金屬硫蛋白固定金屬，在組織內蓄積高質量重金屬而不受生理學影響。蚯蚓經腸道吸收的重金屬鎘和鉛，在黃色細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，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。俞協治等[16]研究發現，蚯蚓活動能明顯提高紅壤Cu的生物有效性，使紅壤中DTPA提取態Cu的含量明顯增加，從而提高植物對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蚯蚓，待其富集重金屬后，采用電激、清水等方法驅出蚯蚓，集中處理，對重金屬污染土壤有一定治理效果。

2.2微生物修復技術土壤微生物是土壤中的活性膠體，表面大、帶電荷、代射活動旺盛。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，如真菌和細菌。微生物雖不能將重金屬徹底降解，但是可以對重金屬進行固定、移動或轉化，改變其在環境中的遷移特性和形態，從而進行生物修復。

2.2.1對重金屬離子的生物吸附和富集。微生物可通過帶電荷的細胞表面吸附重金屬離子，或通過攝取必要的營養元素主動吸收重金屬離子，將重金屬離子富集在細胞表面或內部。Bond等[17]研究表明，根霉對UO22+和Cu2+離子的最大吸附量達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Zn、Cd、Hg、Pb等仍有很強的富集作用；王亞雄等[18]研究表明，pH為5～6時，類產堿單胞菌和藤黃微球菌對Cu2+、Pb2+有較強的吸附。微生物還能與土壤中其他組分競爭吸附重金屬離子[19]；Lovley等[20]研究發現，真菌死細胞及其組分如纖維素對Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+的吸附能力較蒙脫石和針鐵礦高[20]。

2.2.2對重金屬離子的生物轉化。

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，其生態毒性也不同。土壤微生物能將高價金屬離子還原成低價態，將有機態金屬還原成單質，一些金屬在這個過程中毒性降低甚至消失。戴欣等[21]研究發現，在含有200 mg/L HgCl2的液體培養基中，煙草頭孢酶F2生長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，7%的汞被菌體吸附，其余以元素汞的形式沉積在培養液底部。微生物還能氧化一些重金屬元素，有些自養細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生甲基化反應。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，它們能夠使許多金屬或類金屬離子發生甲基化反應，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變強，如甲基汞的生物毒性較無機汞高出50～100倍[23]。

2.2.3微生物對重金屬離子的絡合和沉淀。在土壤環境中，微生物代謝作用能產生多種低分子量的有機酸，這些有機酸能夠與重金屬離子絡合，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、有機酸及其他代謝產物絡合重金屬及含重金屬的礦物。Caccavo等[24]研究發現，在營養充分的條件下，微生物可以促進Cd的淋溶，從土壤中溶解出的Cd主要和低分子量的有機酸結合。王瑞興等[25]研究發現，在土壤中接種菌株，利用其在底物誘導下產生的酶化作用分解產生 CO32-，從而礦化土壤中的有效態重金屬，使其沉積為穩定態的碳酸鹽。

2.2.4對重金屬-有機絡合物的生物降解。土壤中有些重金屬形成重金屬-有機質絡合物，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,從而達到修復重金屬污染的目的。郭學軍等[26]開展的根瘤菌對檸檬酸-重金屬絡合物的降解試驗表明，不同類型的重金屬，其檸檬酸絡合物的降解速率不同。重金屬離子與低分子量有機物形成的復合物的生物穩定性主要取決于有機配體和微生物的種類及重金屬對微生物的毒性，而與重金屬-有機復合體的化學穩定性關系不大。

2.3植物修復技術植物修復是一種利用自然生長植物或遺傳培育植物修復重金屬污染土壤的技術總稱，通常是利用植物對重金屬的忍耐性、分泌物、超量積累能力等實現對重金屬污染環境的修復。

2.3.1植物揮發法。植物揮發是利用植物的吸收、積累和揮發作用減少土壤污染物，也就是將污染物吸收到體內后將其轉化為氣態物質，釋放到大氣中，達到修復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+轉化為低毒的甲基硒，并揮發去除，海藻能吸收并揮發砷，煙草可使毒性大的Hg2+轉化為氣態的單質汞。另有研究表明，一些轉基因植物如擬南芥也能將有機汞和無機汞鹽轉化為氣態單質汞。

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，富集并搬運到植物根部可收割部分或植物地上的部位,從而實現對受重金屬污染土壤的修復[29]。這類植物主要有超積累植物和螯合劑誘導積累植物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，因而尋找和培養生物量大、生長速率快、生長周期短的超累積植物，是提高植物提取技術效益的長期策略，甚至這些植物收割后還能進行重金屬提煉，實現重金屬的回收利用。目前，我國發現的超積累植物有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，促進植物對重金屬的吸收積累[36]。顧繼光等[37]研究發現，芥菜可吸收少量Pb，在土壤中加入人工合成的螯合劑，可促進芥菜對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活性，減少重金屬被淋濾到地下水或通過空氣擴散進一步污染環境的可能性[38]。在該過程中，植物通過保護污染土壤少受侵蝕、滲漏來防止金屬污染物的淋移，同時通過根部積累、沉淀或根表吸收加強重金屬的固定。其中，最有應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-微生物協同修復技術植物-微生物協同修復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物和礦物質，產生多種植物激素和生長調節物質，調控植物生理活動，促進植物健康生長，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系統中，能與90%以上的陸生高等植物根系建立共生關系，形成叢枝菌根，是常用的強化植物修復的真菌[40-42]。楊秀梅等[43]研究發現，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輸。Whiting等[44]研究發現，接種根際細菌后土壤溶液中的鋅含量增加，遏藍菜地上部分的鮮重和鋅含量均提高1倍，根部對鋅的吸收能力增加3倍，這是由于細菌產生了一種能被根系吸收的鋅螯合載體。趙靜[45]研究發現，里氏木霉 FS10-C (Trichoderma reesei FS10-C)同時具有銅抗性、促進植物生長特性、增強植物抗銅脅迫和積累銅特性以及增強土壤銅有效性等多種與銅污染修復相關的功能。羅巧玉等[46]研究發現，AMF能夠增強宿主植物對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已經引起環境學家和生態學家的廣泛關注，正從物理性防御體系的形成、對植物生理代謝的調控、生化拮抗物質的產生、基因表達的調控等角度，探究AMF在重金屬污染土壤生物修復中的作用機理和應用實踐。

3　展望

重金屬的生物修復技術不僅效果好、實施簡便、投資較少、對環境干擾少、運行費用低，杜絕了二次污染，還有利于生態環境的改善，在治理污染的同時，還能獲得一定的經濟效益。目前，重金屬污染土壤的生物修復技術研究取得了很大的進展，但是仍存在一定局限性，如生物修復持續時間長，見效慢，受環境影響大及不適合于嚴重污染土壤的修復等。因此，今后應在以下幾個方面展開深入研究：①繼續探尋重金屬超積累植物，研究植物的重金屬積累機理，利用基因工程技術提高大型植物的重金屬積累量；②從經濟效益和社會效益等方面開發優良的生物土壤改良劑和吸附劑；③研究重金屬污染環境中植物根系與根際環境微生物類群的相互作用，篩選可供應用的耐重金屬，并促進植物生長的根際微生物；④創新應用生物修復與其他修復技術的聯合修復技術。

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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，從事環境影響評價及評估研究。

2016-06-15

S 181

A

0517-6611(2016)19-067-03