土壤重金屬污染的生物修復(fù)技術(shù)及機(jī)制

孟 越 ，孫麗娜 ，2，馬國(guó)峰

（1.沈陽(yáng)大學(xué)環(huán)境學(xué)院；2.區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；

3.沈陽(yáng)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；4.遼寧省先進(jìn)材料制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110044）

土壤是由固體相、液體相、氣體組成的復(fù)雜三相體系，其為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供了良好的生存環(huán)境，土壤中的水、氣、肥等為植物提供了營(yíng)養(yǎng)要素[1]。土壤重金屬污染就是指土壤中的重金屬超過(guò)原始含量，從而對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象[2]。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)階段受重金屬污染的耕地面積達(dá)到2000萬(wàn)hm2，是全國(guó)耕地總面積的1/6[3]。我國(guó)作為糧食需求和產(chǎn)出大國(guó)，每年受重金屬污染的糧食高達(dá)1200萬(wàn)t，其導(dǎo)致糧食產(chǎn)量逐年減少，每年減產(chǎn)約為1000萬(wàn)t，財(cái)產(chǎn)損失累積達(dá)200億元[4]。

從污染治理方式上來(lái)看，重金屬污染土壤修復(fù)分為兩類(lèi)。一類(lèi)主要是為了改變土壤中重金屬的形態(tài)，使生物可利用性及遷移性大大降低；另一類(lèi)是將土壤中重金屬減少或去除，使其存留濃度達(dá)到環(huán)境土壤標(biāo)準(zhǔn)要求。污染修復(fù)的技術(shù)主要分為化學(xué)、物理、生物及聯(lián)合修復(fù)。目前受經(jīng)費(fèi)、工程運(yùn)行參數(shù)等因素影響，很多技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)完全控制，修復(fù)方式尚不能得到有效推廣[5]。生物修復(fù)法包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)和動(dòng)物修復(fù)。生物修復(fù)法因效果好、簡(jiǎn)便易行，現(xiàn)在越來(lái)越受到人們的重視。本文將根據(jù)現(xiàn)實(shí)可實(shí)行生物修復(fù)技術(shù)的治理方案與機(jī)理來(lái)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 生物修復(fù)技術(shù)

1.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)法是通過(guò)植物在生長(zhǎng)周期內(nèi)參與的一系列吸收、揮發(fā)、降解等作用，減少土壤中有毒有害污染物的濃度。植物修復(fù)的機(jī)理有三個(gè)類(lèi)型，即提取、揮發(fā)和穩(wěn)定。目前，植物提取是普遍研究的方法，主要是通過(guò)超累集植物的吸收能力和遷移過(guò)程，將一種或多種重金屬?gòu)耐寥乐修D(zhuǎn)運(yùn)到植物的機(jī)體內(nèi)，進(jìn)而收集植物體并進(jìn)行后續(xù)處理使土壤中重金屬含量降低。由于植物提取技術(shù)所需求的植物生物量大、生長(zhǎng)周期短、耐受性和特異性強(qiáng)，因此它的應(yīng)用具有局限性。同時(shí)，它具有諸多優(yōu)勢(shì)，如處理成本低、對(duì)環(huán)境無(wú)二次污染、將重金屬進(jìn)行回收等。現(xiàn)階段，植物提取的重點(diǎn)還是集中在超累集植物身上。

1.2 微生物修復(fù)

土壤微生物是根際生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，包括與植物根系、共生根際細(xì)菌和菌根真菌相關(guān)的游離微生物。微生物漸漸變異，則可能產(chǎn)生出一些耐重金屬的新群體，繼而可以在重金屬污染環(huán)境中生存。它們體內(nèi)產(chǎn)生的解毒機(jī)制可以抵抗重金屬的危害。微生物對(duì)重金屬的抗性機(jī)制包括生物吸附、生物轉(zhuǎn)化、細(xì)胞外沉淀、生物富集和外排。因?yàn)檫@些功能，微生物可以將被吸收和吸附的重金屬進(jìn)行固化，或者降低重金屬的活性和生物利用度，使重金屬變得無(wú)害，對(duì)于外界沒(méi)有威脅，又或者增強(qiáng)重金屬的活性和生物利用度，促進(jìn)重金屬在植物根部的吸收和運(yùn)輸。目前，大多數(shù)微生物修復(fù)技術(shù)僅限于科學(xué)試驗(yàn)設(shè)想水平。

1.3 動(dòng)物修復(fù)

動(dòng)物修復(fù)利用土壤中的某些低等動(dòng)物如蚯蚓能吸收重金屬的特性，在一定程度上降低重金屬在受污染土壤中的比重，達(dá)到動(dòng)物修復(fù)重金屬污染土壤的目的。有研究表明，當(dāng)土壤中Pb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為170～180 mg/kg時(shí)，蚯蚓的富集因子為0.36。在Pb污染的土壤中投放蚯蚓，待其富集重金屬后，采用電激、清水等方法驅(qū)出蚯蚓集中處理，這對(duì)于治理Pb污染土壤有一定的效果。

2 生物修復(fù)機(jī)制

2.1 植物修復(fù)機(jī)制

植物修復(fù)土壤可以按照機(jī)制來(lái)分為兩個(gè)類(lèi)別：植物先吸收再來(lái)轉(zhuǎn)移重金屬、將重金屬轉(zhuǎn)化成無(wú)害物。前者是先種植植物，讓植物現(xiàn)吸收土壤中的重金屬，等植物組織富集了要收集的污染物后再轉(zhuǎn)移植物，相當(dāng)于轉(zhuǎn)移了污染物。例如，Cunningham的胡蘿卜試驗(yàn)要除去土壤中的二氯二苯基三氯乙烷，可以用胡蘿卜來(lái)先收集，等胡蘿卜富集了要收集的污染物后，收集所得物，將胡蘿卜燃燒完全破壞污染物，讓污染物消失[6]。其間，污染物從土壤進(jìn)入胡蘿卜內(nèi)，相當(dāng)于完全消除污染物。在植物吸收污染物的過(guò)程中，植物的根部發(fā)揮了重要的作用，該作用與植物的根系大小和面積有一定的正相關(guān)關(guān)系。后者則是通過(guò)植物所分泌的化學(xué)物質(zhì)來(lái)工作，化學(xué)物質(zhì)和污染物反應(yīng)，從而降低污染物毒性。在生長(zhǎng)過(guò)程中，植物會(huì)分泌各種高分子物質(zhì)或蛋白酶，它們可以除去污染物。Schnoor等發(fā)現(xiàn)某些植物分泌的硝基還原酶可以將講解硝基有機(jī)化合物，反應(yīng)結(jié)束后污染物被還原成二氧化碳、水以及低毒物[7]。

2.2 微生物的修復(fù)機(jī)制

因?yàn)閺?qiáng)大的適應(yīng)性，微生物被廣泛地運(yùn)用到污染物除去中。土壤環(huán)境為微生物的繁殖生長(zhǎng)創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。某些微生物可以產(chǎn)生某些化學(xué)物質(zhì)來(lái)改良所生存的土壤pH值，從而讓土壤中的離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，改變污染物在土壤中的形態(tài)，使污染物變得更加容易吸收和固定，方便去除。Kunita通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)了銅轉(zhuǎn)化菌在高濃度銅污染的環(huán)境中的生存過(guò)程，也表明了去除銅離子的可能性[8]。另外，Robinson的試驗(yàn)說(shuō)明微生物具有轉(zhuǎn)化和固定土壤重金屬的功能，環(huán)境中根際細(xì)菌對(duì)Cd的富集達(dá)到環(huán)境中的100倍左右[9]。

2.3 動(dòng)物修復(fù)機(jī)制

動(dòng)物修復(fù)機(jī)制主要包括土壤動(dòng)物對(duì)污染物形態(tài)的轉(zhuǎn)化和富集作用。土壤動(dòng)物主要用于分解、消除和吸收對(duì)它們有利的污染物，將其轉(zhuǎn)化為對(duì)植物有利、對(duì)生態(tài)循環(huán)有利的肥料，讓元素再一次進(jìn)入新的循環(huán)之中。糞肥有著大量的有益微生物和許多對(duì)植物有利的活性物質(zhì)，原糞便中的有害生物會(huì)被其他土壤微生物所殺死，剩下的便可以用于植物種植。土壤小動(dòng)物體內(nèi)的腸道微生物也是一類(lèi)對(duì)人類(lèi)有益的生物群體，它們不僅彌補(bǔ)了本土生物的不足，還加快了微生物處理污染物的能力，擴(kuò)大了處理污染物的范圍。鄧?yán)^福等探究了蚯蚓和蜘蛛在污染土壤修復(fù)中是否能發(fā)揮作用[10]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蚯蚓具有很強(qiáng)的富集能力，土壤中的重金屬含量和當(dāng)?shù)仳球倔w內(nèi)的重金屬含量成明顯的正相關(guān)，蜘蛛也是如此。

2.4 植物與微生物相互作用的機(jī)制

植物與微生物之間有著良好的相互作用。土壤本身就是一種多空的介質(zhì)物，里面的營(yíng)養(yǎng)因子是微生物賴(lài)以生存的根本，植物的根部也根插在土壤中，利于微生物的附著，微生物分泌多種化學(xué)激素、化學(xué)物質(zhì)，改善自身生存環(huán)境的同時(shí)，也給植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供助力。例如，微生物可以自身活性，分泌植物不能產(chǎn)生的纖維素等，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。部分微生物卻可以產(chǎn)生相關(guān)的抗病和抗逆作用，這就間接促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)。因此，植物與微生物相互促進(jìn)、相互依賴(lài)而生存，這為植物、微生物修復(fù)技術(shù)提供了新的視野和解決方案。

3 生物修復(fù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 多種修復(fù)技術(shù)的綜合應(yīng)用

雖然目前重金屬污染土壤的修復(fù)方法很多，但是沒(méi)有一項(xiàng)技術(shù)是完美的，每項(xiàng)技術(shù)都有缺點(diǎn)。這些技術(shù)因?yàn)樾省⒔?jīng)濟(jì)成本以及生態(tài)系統(tǒng)的影響等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題都有較大的局限性，無(wú)法廣泛推廣。但是，許多綜合技術(shù)完美地解決了這一問(wèn)題，取得了良好的效果。植物與微生物、化學(xué)物質(zhì)之間可以相互作用，因此，人們可以利用植物-微生物聯(lián)合定向修復(fù)技術(shù)修復(fù)受污染土壤。此外，重金屬污染土壤修復(fù)方法還有植物修復(fù)、化學(xué)修復(fù)等。綜合運(yùn)用各種修復(fù)方法是土壤污染修復(fù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 生物工程、基因工程以及其應(yīng)用

基因庫(kù)是一個(gè)十分重要的概念，人們要收集和豐富基因庫(kù)數(shù)據(jù)，從而加快研究進(jìn)程。通過(guò)基因庫(kù)，人們可以將一些有利的植物基因引入生物體內(nèi)，利用其數(shù)量大、生長(zhǎng)周期短、耐受性強(qiáng)的特性，培育出具有富集特性的植物。隨著生物技術(shù)和基因工程技術(shù)的逐漸成熟和應(yīng)用，超累積植物的選育技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重大突破，推動(dòng)了土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

4 結(jié)論

土壤重金屬污染累積到一定程度，不僅會(huì)影響耕地質(zhì)量，還會(huì)影響糧食安全和人體健康。對(duì)于土壤重金屬污染，人們應(yīng)從源頭進(jìn)行控制，建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)，防止重金屬進(jìn)入食物鏈，確保糧食安全。目前，土壤生物修復(fù)的各種單一作用機(jī)制已有大量研究，接下來(lái)應(yīng)著重研究各機(jī)理之間的關(guān)系。此外，生物修復(fù)土壤的最大缺點(diǎn)是在富集有機(jī)物的過(guò)程中存在二次污染和代謝產(chǎn)物，具有更大毒性。因此，對(duì)富集生物的后續(xù)處理應(yīng)作為重點(diǎn)探究問(wèn)題。近年來(lái)，大量工礦企業(yè)向郊區(qū)搬遷，化學(xué)物質(zhì)泄漏事件時(shí)有發(fā)生，使得土壤重金屬污染場(chǎng)地的修復(fù)成為熱點(diǎn)問(wèn)題。單一生物修復(fù)技術(shù)已無(wú)法起到明顯的效果，而采用化學(xué)法等工程恢復(fù)措施成本很大，未來(lái)，人們要大力探索和研發(fā)聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)，從而改善土壤環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。