土壤汞污染生物修復技術研究進展

王立輝嚴超宇王浩張翔宇

（1.中國石油大學（北京）化學工程學院，北京 102249；2.中節能六合天融環保科技有限公司，北京 100082）

土壤汞污染生物修復技術研究進展

王立輝1嚴超宇1王浩2張翔宇2

（1.中國石油大學（北京）化學工程學院，北京 102249；2.中節能六合天融環保科技有限公司，北京 100082）

汞作為常溫下唯一的一種液態金屬，在環境中分布十分廣泛，極易造成土壤污染。生物修復是一種用于土壤汞污染治理的重要修復技術，該技術因具有修復成本低、綠色環保等優點而受到重視。對現有的土壤汞污染生物修復技術進行了評述，主要涉及植物修復技術、微生物修復技術和動物修復技術的研究和應用情況：植物修復技術主要研究汞在植物體內代謝機理和規律，微生物修復技術研究側重于利用外源微生物降解土壤中汞，動物修復技術研究較少，目前僅見有關蚯蚓富集汞的報道。現代生物修復技術已經發展成為一門包括土壤化學、植物生物學、生態學、土壤微生物學、分析化學及分子生物學等多學科融合性技術，借助這些學科力量可以對植物提取汞根際微界面過程和植物體內微界面過程、微生物和動物汞富集機制有更深刻的認識。綜述最后對目前土壤汞污染生物修復技術主要研究方向進行總結和歸納，明確了汞污染生物修復領域存在的幾大問題以及研究方向。

汞污染；土壤；植物修復；微生物修復；動物修復

作為常溫常壓下唯一一種呈液態的金屬，汞在環境中分布十分廣泛。汞可以通過干濕沉降等方式進行長距離遷移，進而被輸送到偏遠地區，因此汞作為一種全球性污染物受到廣泛關注［1］。近年來，土壤汞污染問題日益惡化，僅在我國，被汞污染的農耕土地就達32 000 hm2。土壤汞污染主要來源于礦山開采、金屬冶煉等人為源，在有些礦區，隨著礦山的不斷開發，土壤中汞含量有升高的趨勢，甚至每千克高達數萬毫克［1］。

土壤汞污染問題引起全球關注，各國政府和研究人員陸續開展針對土壤汞污染修復的研究，并形成多種修復技術。與物理修復技術、化學修復技術不同，生物修復技術作為一種原位修復技術，具有修復成本低、二次污染小、綠色環保、潛在經濟效益巨大等優點，在土壤汞污染修復領域中興起，并逐漸占據重要作用。當前，該領域許多研究往往著重于汞在土壤中的形態轉化、生物有效性及鈍化過程，對植物體內微界面、根際微界面過程研究較少。本文對近年來土壤汞污染生物修復技術研究現狀進行評述，重點偏重于汞在植物、微生物體內生物過程的概述，最后對生物修復技術存在的問題進行總結，并對該技術發展趨勢和研究方向進行展望，以期為后續進行該類研究提供思路與參考。

1 植物修復技術（Phytoremediation）

自1977年新西蘭梅西大學Brooks等［2］首次提出“超積累植物（hyperaccumulator）”概念以來，植物修復技術在土壤重金屬污染修復領域已經得到快速發展。植物修復指利用植物及根際微生物減少、去除土壤中重金屬濃度及毒性的一種修復技術［3］。Hg2+在植物體內的運輸與分配過程需經過植物根細胞壁、細胞膜、液泡膜等跨膜傳輸和木質部、韌皮部裝載來完成［4］。按照修復機理的不同，土壤汞污染植物修復分為植物固化修復、植物揮發修復、植物提取修復（圖1）。基因工程和化學調控技術能有效提高植物生物量、增強土壤中汞活性，在植物修復領域得到廣泛使用。

圖1 植物修復機理

1.1 植物固化修復（phytostabilization）

有些植物根系發達，葉芽密集，對汞具有較好的耐性，其根系分泌有機酸等物質來吸收、沉淀土壤中的汞，茂盛的葉芽能促進植物蒸騰作用的不斷進行，阻止重金屬對地下水侵蝕，植物提取的汞大部分被富集在植物根部，從而達到固化土壤中汞污染物的目的。

植物固化修復土壤汞污染包括根際土壤中汞的活化、汞在根部細胞壁固定、在液泡中隔離、汞在根部木質部裝載等過程。植物根圍分泌的碳水化合物、氨基酸等物質能活化土壤中的汞，增大根部汞的可吸收量。大量研究表明，植物根系細胞壁是植物去除汞毒害的第一道屏障：Hg2+除了易于與細胞壁上碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽等陰離子化合物結合，形成不溶性沉淀外［5］，還能與壁上纖維素、半纖維素、木質素、果膠等物質富含含氧配體結合，形成穩定化合物［6］。只有當土壤中汞污染物濃度過高時，多余的汞才會進入細胞，該過程與植物體內IRT1對Hg2+具有一定親和度的吸收轉運能力有關［7］。此外，P-type ATPase與水通道蛋白在Hg2+的跨細胞膜運輸過程中也起一定作用［8］。Hg2+進入細胞質后，誘導植物絡合素合酶形成一種富含Cys的多肽化合物——植物絡合素（phytochelatins，PCs），PCs在汞的細胞解毒過程中起重要作用：PCs以Cys巰基與Hg2+在細胞質絡合生成Hg-PC復合物，該復合物通過液泡膜運輸進入液泡［9］，由于液泡在植物細胞中占據較大體積，其代謝活性低，且Hg-PC復合物較Hg2+毒性低［10］，所以液泡成為根部隔離植物汞污染物主要重要場所。

土壤中其他化學物質的加入對植物固化效果也有影響。As的吸收能夠提高水稻根表面陰離子的量，進而提高根部對汞的吸收，增加水稻根處汞的富集［11］。土壤中硒（Se）的添加能抑制植物地上部分對汞的提取，這可能是因為Se與Hg在植物根圍處生成了難溶物質HgSe［12］。土壤中的汞多以HgS的形式存在，生物有效性低，為了提高植物根部對汞的吸收，常常使用化學螯合劑來強化植物對汞的固化。Lomonte等［13］對KI、（NH4）2S2O3強化香根草富集汞現象進行研究。研究表明，螯合劑加入前后汞均富集于香根草根部，但KI、（NH4）2S2O3的加入明顯提高了植物根部維管束汞的富集量，這一方面因為香根草生物量大，根系長，根系很容易進入深層土壤；另一方面，Hg與Hg-S2O3、Hg-I復合物在植物中運輸機理可能不同：加入螯合劑前，汞在植物根表皮與外皮層會與Cys殘基絡合，阻礙復合物在植物體內運輸；加入螯合劑后，Hg-S2O3、Hg-I復合物與Cys殘基絡合的可能性大大降低，從而有利于植物對汞的提取。作為另一種重要螯合劑，EDTA能脫附土中汞，提高汞在土壤溶液中濃度，促進植物根部對汞的吸收；Hg-EDTA復合物為中性電荷，不會被根被皮細胞表面的羧基或多糖物質吸附，能夠使Hg直接進入植物根部［14］。

植物固化技術要求植物根系發達，生物量大，且固化植物不應用于動物飼料使用。草類由于根系發達，能夠有效減少風蝕和地表徑流，樹木在減少地表徑流方面效果更佳，因此尋求草類與樹木聯合用于植物固化修復能有效提高固化效果。此外，使用植物固化修復應要求污染土壤質地粘重，有機質含量高，這一修復技術常常應用于礦山污染場地修復，在城市土壤污染中應用較少。

1.2 植物提取修復（phytoextraction）

許多研究表明，相比植物地上部分，汞更易于富集在植物根部。Hg2+能穿過細胞膜進入細胞共質體，然后轉運至中柱，進入木質部，進而到達植物地上部分［15］。但由于根部內皮層上凱氏帶作用，使得Hg2+必須進入共質體后才能進入木質部參與運輸，這也抑制了Hg2+向地上部的運輸［16］。與植物固化修復相類似，Hg在植物地上部分室化也包括Hg2+在細胞壁上沉積、液泡內隔離等過程，且汞在液泡內隔離在此過程中扮演著更為重要的作用。研究發現，谷胱甘肽（glutathione，GSH）作為一種強抗氧化劑，可同時作為PCs合成底物參與PCs的合成，且GSH的合成主要發生在植物地上部，然后再轉運到植物根部［9］。此外，通過基因工程方法可以發現金屬硫蛋白基因（metallothioneins，MTs）［17］、谷胱甘肽巰基轉移酶（glutathione-S-transferase）［18］基因可以調節植物氧化應激效應，降低汞在植物中的活性，進而提高植物對汞的富集能力。

由于汞的生物有效性較低，可以通過添加螯合劑、植物激素、表面活性劑等化學物質強化植物對汞的吸收，提高修復效率，有關硫代硫酸鹽等螯合劑強化植物提取修復土壤汞污染的研究最為多見。硫代硫酸鹽在活化土壤中汞的同時，還能促使S2O32-與Hg2+反應生成Hgx（S2O3）y，植物根部細胞膜處可能存在一些特定轉運子將Hgx（S2O3）y提取并優先轉運至植物地上部［19］。由于細胞膜內pH值偏小，Hgx（S2O3）y會分解成Hg2+與硫酸鹽，硫酸鹽會在細胞內同化生成腺苷酰硫酸（adenosine-5'-phosphosulfate，APS）、SO32-、S2-、Cys，Hg2+與S2-在細胞內生產HgS沉淀，大大降低汞的生物毒性［20］。實際上，S主要位于Cys與甲硫氨酸殘基等植物蛋白巰基中，影響蛋白質結構、形成與功能［21］；S2-可增強Hg-PCs復合物的穩定性及Hg2+結合能力［22］。EDTA、（NH4）2S2O3等螯合物能提高根部汞通過根外體進入維管束的流量，使得汞的提取主要由共質體途徑變為質外體途徑［23，24］，大大提高了植物富集效果。近年來，由于螯合劑的添加導致地下水污染問題得到更多重視。氮肥能在一定程度上阻止根部氧化應激效應，提高植物根的生長與汞的提取量［25］。檸檬酸作為一種自然界中廣泛存在的有機酸，能降低土壤pH值，促進汞在土壤中活性，與汞形成復合物，且易降解，不會對地下水造成威脅，在強化植物修復領域逐漸得到重視［26］。

由于目前并沒有篩選出汞超富集植物，因此往往選用高生物量的樹木、灌木類植物研究其汞提取能力，并能取得較為理想結果。但不可否認，相比植物的高生物量，植物具有超富集能力和較好抗性更為重要，超富集植物雖然生物量低，但更易于重金屬的回收、處理；而非超富集植物在重金屬后續處理中更為繁瑣，耗資也會更大，因此現階段研究重點還是應該尋找對汞有較高富集能力的植物。

1.3 植物揮發修復（phytovolatilization）

與植物固化和植物提取修復技術相比，植物揮發修復技術去除土壤汞污染往往受到限制：Hg0從植物葉部揮發受到光照和溫度的影響較大，且Hg0揮發到大氣中會對大氣造成污染，因此植物揮發技術應用并不多，目前多處于實驗室研究階段［27］。

隨著分子生物學的快速發展，基因工程在Hg0的去除過程中發揮著越來越大的作用。其機理就是從汞抗性細菌中提取抗性基因，導入目標植物進行表達，從而達到去除土壤中汞污染目的。大量研究表明，格蘭陰性菌和格蘭陽性菌的mer操縱子對汞具有良好的耐性和轉化性能，細菌中的merA、merB、merR、merD、merT、merP、merC、merF、merG、merE及merH基因在汞抗性細菌中功能各異：merB基因編碼有機汞裂解酶，將有機汞降解為Hg2+（公式1），而merA編碼的汞離子還原酶能在NADPH提供電子供體時將Hg2+還原為Hg0（公式2）［28］，此過程中merT、merC、merF、merE及merH等轉運蛋白［29，30］與merR、merD等調控蛋白［31］的作用也十分明顯。將細菌中merB基因導入ppk/merT轉基因煙草中，merB先將有機汞還原為Hg2+，Hg2+再與ployP螯合生成低毒性的Hg-ployP復合物，增強了植物的汞耐性［32］。

在各種土壤汞污染植物修復技術中，植物揮發修復是最具爭議的一種技術。這種技術往往只是將土壤中的汞轉移到空氣中，并不能對污染場地汞污染物進行有效的去除，且植物提取的Hg0往往量較小，通常需要借助基因工程方法進行強化，而基因工程在目前屬于比較有爭議的話題；加上植物通過葉脈也會吸收空氣中的Hg0，故該修復技術的實際修復效果并不明確。從組織和細胞水平來看，汞在植物葉片中轉化機制并不清楚，這些因素都制約了該技術的應用。

2 微生物修復技術（bioremediation）

土壤中的細菌、真菌具有獨特的生理特性，可以利用它們這些特性達到去除土壤中汞污染物的目的。當前，比較普遍的一種研究方法是利用mer操縱子編碼蛋白，通過去甲基化過程，將有機汞轉化為成Hg0，而Wiatrowski等［33］發現厭氧細菌Shewanella oneidensis MR-1可以在細胞表面結構的作用下還原Hg2+，而無需merA的調節作用，從而拓寬了人們對微生物還原Hg2+機理的認識范圍。

在植物的根系周圍1 mm范圍內，微域土區的生物化學過程與土體差別較大，這部分土區被稱為根際（包括根表面）［34］。植物將光合作用產物轉移至根際處，促進土壤微生物的新陳代謝；土壤中的微生物（主要是細菌和真菌）也能將土壤中有機物轉化成無機物被植物吸收，同時微生物分泌有機酸等提高重金屬生物有效性（10-100倍）［35］。研究發現，叢枝菌根（Arbuscular mycorrhizae，AM）真菌是土壤中分布最為廣泛的菌根，它通過改變植物根際土壤pH值和Eh、根際微生物群落結構，使得重金屬遷移性和生物有效性增強，提高植物對重金屬的耐性［36］。厭氧細菌Geobacter sulfurreducens PCA通過與Hg直接接觸，能同時還原和結合Hg2+，當細胞/Hg2+較小時，此時還原占據優勢，細胞上Hg2+能被SnCl2還原為Hg0［37］。通過對酵母菌株研究可發現，AtABCC1與AtABCC2基因能誘導菌株體內產生PCs，形成Hg-PCs復合物，降低汞的毒性［10］，說明巰基的存在能促進微生物汞的解毒過程。

與無機汞相比較，有機汞（甲基汞）毒性更強，因此利用微生物去甲基化研究尤為重要。汞的微生物去甲基化按照反應機理主要分為還原性去甲基化與氧化性去甲基化［1］，其中還原性去甲基化多與mer操縱子有關，還原產物為Hg0、CH4，在汞的去甲基化過程占據主導地位［38］。氧化性去甲基化過程中多發生在厭氧環境中，細菌利用甲醇、單甲基胺等有機物代謝產生的能量將甲基汞裂解，生成Hg2+，期間不需要mer操縱子的調控［4］。目前，有關產甲烷菌［39］、硫酸鹽還原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB）［40］的氧化去甲基化研究最為廣泛，其反應方程如公式3所示［40］。有些情況下，細菌產生硫化物能與甲基汞反應生成中間產物——（MeHg）2S，中間產物再分解為（CH3）2Hg與HgS，（CH3）2Hg降解為甲基汞與甲烷，從而實現將部分甲基汞轉變成生物毒性較低的HgS［39］。

微生物修復法前景廣闊，但其缺點也較為明顯：土壤中的汞并不能完全被去除；微生物對環境變化感知強烈，而且微生物對汞吸附、沉淀機理研究較為薄弱。目前，尚未有有關微生物修復土壤汞污染田間中試的報道。

3 動物修復技術（animal remediation）

土壤中的某些低等動物能夠通過進食、消化、排泄、分泌、挖掘洞穴等活動改善土壤質量、提高土壤中汞的活性、促進動物/植物/微生物對汞的吸收，從而達到修復土壤污染的目的［41，42］。蚯蚓對土壤中的汞具有良好的耐性，土壤中汞濃度為每千克數百毫克時，蚯蚓存活率仍高達50%［43］。蚯蚓通過分泌-COOH、-NH2、-C=O等活性基團黏膠物質，螯合土壤中的重金屬，激活土壤中重金屬的活性；優化結構群落，促進土壤中微生物的活性；分泌植物激素，提高植物對重金屬的富集能力，因此蚯蚓被稱為“土壤的腸道”、“生態系統工程師”，在動物修復重金屬污染領域占據主導地位［44，45］。

目前，有關蚯蚓對Cd、Pb、Zn、Cu等重金屬富集作用的報道較為常見，但有關蚯蚓富集汞的文獻極少，國內相關研究文獻更是少見。蚯蚓對汞的富集與土壤中汞的形態有關。雖然土壤中無機汞的濃度遠遠大于有機汞濃度，且長期暴露于汞污染場地的蚯蚓體內無機汞含量遠高于有機汞，但蚯蚓對甲基汞富集能力卻是無機汞的數百倍［46］，這可能是因為甲基汞類脂可溶特性，更易于被蚯蚓吸收［47］。對于森林土壤，蚯蚓體內汞含量還與土壤和地面落葉中汞的含量、土壤pH值、土壤陽離子交換能力等因素有關［48］。雖然目前蚯蚓對汞的耐性機理不是十分清楚，但已有研究證實了長期生長在高汞濃度土壤中的蚯蚓其體內GSH與MT的含量明顯增高，這也許是因為GSH與MT在其中充當了抗氧化應激的角色［49］。但也有報道指出，由于蚯蚓腸道處呈缺氧狀態，在硫酸鹽還原菌SRB作用下，無機汞能發生甲基化反應，使其體內甲基汞量增加［46，50］。

和其他生物修復技術一樣，動物修復汞污染也有自己的局限性：（1）修復效率低；（2）蚯蚓對外界環境變化感知劇烈，其對汞的富集能力易受到外界環境影響；（3）蚯蚓作為外來物種，對當地生態系統會造成破壞。此外，除蚯蚓外，尚未見有關其他動物用于汞污染的文獻報道，由于陸生無脊椎動物分布區域廣，繁殖能力強，對重金屬有一定富集作用，因此應加大對此類生物汞富集特性的研究，尋找更多適合動物修復的候選物種。

4 結語

作為經濟發展的副產物，土壤汞污染這一問題受到政府與公眾越來越多的重視，而一種新興修復技術——生物修復技術也被更多地應用到土壤汞污染修復上來。通過對比近年來國內外學者對該問題的研究發現，該研究多集中于以下各方面：考察某種植物汞提取、富集特性；通過基因工程和添加土壤改良劑（主要為螯合劑）強化植物汞提取、富集性能；研究處于汞污染土壤中植物、動物體內不同組織部位PCs、GSH及與重金屬復合物的含量變化，試圖對其吸收、轉運、富集機制進行合理的解釋。

雖然各國研究人員已經對生物技術修復土壤汞污染研究取得一定成果，但我們應同時看到該領域的研究還存在幾大問題：土壤中汞的生物有效性低，螯合劑等物質雖然能有效活化土壤中汞，但卻容易造成地下水污染；植物生長周期漫長，植物修復一般只對表土層和心土層有效，并不能完全去除土壤中的汞，動物、微生物生物活性容易受當地環境的影響；有關植物提取汞的機理性研究匱乏，土壤—根際、根際—植物根部、根部—莖部、莖部—葉片處汞的轉運、富集生理生化機理不清楚，其分子水平研究尚待加強；基因工程有一定的風險，公眾對轉基因技術存在疑慮；多輪種植高富集植物會面臨土壤中汞濃度逐輪減小、BF系數逐輪降低的局面，導致修復效果降低；目前許多研究僅僅處于實驗室研究階段，只有少數處于中試水平，如何將實驗室研究成果應用到實際污染場地將是一大難題。

針對以上提出的生物法修復土壤汞污染存在的幾大問題，筆者認為后續的研究應主要從以下幾方面著手：

（1）研究植物不同生長時期螯合劑的添加對植物提取效率、地下水滲濾風險的影響，并盡快開發一種無毒易降解、新型高效的人工/天然螯合劑，再輔以堆肥等物質處理，在提高植物對汞的提取效率的同時，有效解決螯合劑引起的二次污染風險問題。（2）國家加大對轉基因技術研究支持力度，同時對公眾大力推廣轉基因技術科普宣傳，從根本上扭轉公眾對轉基因技術誤解。研究人員應加快在實驗室環境中篩選汞抗性關鍵調控基因，并及時將該基因導入目標植物中，測定其汞提取效率，并強化對轉基因植物進行廣泛而有效的風險評估。（3）強化生物修復與物理、化學修復之間的聯合使用，在利用物理、化學修復技術的優點（修復周期短、效率高）同時，也能發揮生物修復的優勢。例如可以在污染土壤中通一低強度電場，使土壤中汞得到活化，促進植物提取效率，同時避免了土壤結構遭到破壞。（4）進一步加大生物修復的田間試驗與示范工程，并盡早開展該修復技術的大規模場地修復的實際運用。（5）當前，土壤汞污染生物修復已經發展成為多學科融合性技術，包括土壤化學、植物生物學、生態學、土壤微生物學、環境工程學、土地學、土壤毒理學、分析化學、分子生物學、遺傳學等，而汞在植物微生物中遷移、解毒等機理性研究過程十分匱乏，因此要求我們加大對有關基礎科學的研究，并及時地將相應研究成果運用到應用研究上來。此外，尋找對汞有超富集性能的植物仍然是當前最亟待解決的問題。

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（責任編輯 狄艷紅）

Research Progress on Bioremediation Techniques for Mercurycontaminated Soil

WANG Li-hui1YAN Chao-yu1WANG Hao2ZHANG Xiang-yu2
（1. College of Chemical Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249；2. CECEP Liuhe Talroad Environment Technology Co.，Ltd，Beijing 100082）

Mercury as a sole liquid metal at room temperature， is widely distributed in the environment， which easily results in the soil contamination. Bioremediation technique， as an important technique to remediate the mercury-contaminated soil， has captured attentions due to its low cost and environmental-friendly. This paper sums up the bioremediation techniques for mercury-contaminated soil， mainly on the researches and applications of phytoremediation， microbial remediation and animal remediation. In phytoremediation technology the metabolism mechanism and pattern of mercury in plants mainly are investigated；using exogenous microorganisms to degrade mercury in soil is the focus in the study of microbial remediation；and very little is studied in animal remediation， only enrichment of mercury by earthworms was reported. What is learned from the analysis in this review is that current bioremediation technique has developed to be a multidisciplinary integration technology， covering soil chemistry， plant physiology， ecology， soil microbiology， analytical chemistry and molecular biology. By means of those subjects， we may understand profoundly the rhizosphere micro-interface process in plant extracting mercury， plant internal micro-interface process， and the mechanisms of mercury enrichment by microorganism and animal. Finally， we summarize and induce the current main research trend of bioremediation techniques for mercury-contaminated soil， and clarify several main issues and research directions for the issues in this field.

mercury-contaminated；soil；phytoremediation；microbial remediation；animal remediation

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.02.007

2015-04-02

王立輝，男，碩士，研究方向：土壤重金屬污染治理；E-mail：ywlhui@163.com

嚴超宇，男，博士，副教授，研究方向：氣固流態化研究；E-mail：yanchaoyu@sina.com