鉛污染耕地土壤的生物修復技術研究進展

張勝爽，張凌云

(貴州師范大學 地理與環境科學學院，貴州 貴陽 550025)

土壤是人類賴以生存的自然資源之一，是連接自然環境與人類生活的重要紐帶。但隨著污水灌溉，農藥、化肥及塑料薄膜的過度使用，土壤環境污染成為世界性環境污染問題，而耕地土壤鉛污染問題也很突出。據資料顯示[1]，目前，全世界平均每年約排放鉛500萬t，而中國受污染的耕地面積已達2 000萬hm2，每年出產重金屬污染的糧食約1 200 萬t，造成的經濟損失超過25 億美元。而通過首次公布的全國土壤污染狀況調查公告顯示，全國污染總超標率為16.1%，耕地污染超標率為19.4%。我國部分地區耕地土壤受到不同程度的鉛污染，據報道，鄭州、甘肅、揚州、貴陽、徐州、廣州、成都和廣西的土壤鉛污染濃度分別為17.11 mg/kg、21.44 mg/kg、35.7 mg/kg、43.2 mg/kg、56.2 mg/kg、58 mg/kg、77.27 mg/kg和218.6 mg/kg[2-9]，表明我國許多地區耕地土壤已經受到不同程度的污染。

目前，針對土壤鉛污染的修復技術主要分3類：物理修復、化學修復和生物修復[10-11]。物理修復技術主要是通過某些物理技術將污染物從土壤中去除或隔離的方法，主要包括客土法、換土法、深耕翻土法、隔離包埋法以及熱力恢復法[12-13]。物理修復技術見效快、去除比例高，但工程量大，費用高，有局限性，適用于面積較小，污染濃度高，且急于修復的土壤。化學修復主要通過化學方法或是添加一些物質發生化學反應，使重金屬被固定或去除。包括淋洗法、固化法和化學改良劑法[14-15]。化學修復去除效果好，時間短，易于實施，但添加的化學物質易造成對土壤或是植物的二次污染[16]。生物修復技術主要通過耐性微生物、植物吸收或固定土壤重金屬[17]。根據修復主體的不同可將生物修復技術分為3類：微生物修復、植物修復和動物修復。其中，以微生物修復技術和植物修復技術應用最為廣泛。生物修復技術易于操作、費用低，利用耐性微生物、植物不易造成二次污染，因此生物修復技術是目前重要的一項清潔、經濟的重金屬污染修復技術。生物修復技術開始于20世紀80年代中期，到20世紀90年代才有成功應用的實例。為促進土壤重金屬污染修復技術的進一步發展，筆者等對耕地鉛污染生物修復技術進行綜述，對比不同耐性微生物及超富集植物的鉛污染修復效果，以期為鉛污染土壤的生物修復技術提供參考。

1 微生物修復

1.1 微生物類型及修復效果

利用細菌、真菌、放線菌等各種微生物，通過自身的代謝活動，降低土壤中有害重金屬的濃度。研究表明，不同微生物對重金屬的耐性順序為真菌>細菌>放線菌。在Pb、Zn、As、Cu等復合污染的土壤中，當重金屬總量達658 mg/kg時，細菌和真菌數量分別為對照的29%和45%[18]。曹霞[19]篩選的真菌產黃頭孢霉和頭孢霉對鉛的去除率分別為72.45%和54.82%。曾遠[20]將特異性細菌接種到土壤中，可提高硝酸銨的含量，進而提高鉛的生物有效性。當微生物處于重金屬混合污染時，對不同的重金屬離子吸附效果存在差異，并且混合污染時，某些低濃度的重金屬離子會促進微生物的生長。

1.2 修復原理

從表1可知，不同的微生物修復重金屬的原理不同，但綜合分析主要分3類：生物富集、生物轉化和生物吸附[27]。微生物通過表面絡合、離子交換、氧化還原、無機微沉淀以及酶促作用等方式降低鉛的生物活性，固定游離的鉛離子；或者促進植物對鉛離子的吸收，從而達到降低或去除鉛污染的目的。劉潔[28]篩選的抗鉛細菌，在鉛濃度為1 200 mg/L時仍能正常生長，在鉛離子濃度為200 mg/L、pH為6.0、溫度為35℃的環境條件下，表現出最佳生物吸附的效果。細菌與重金屬的相互作用通常有表面絡合，離子交換等形式。表面絡合是重金屬離子與微生物細胞壁表面的官能團結合，形成絡合物，降低金屬離子的濃度。pH會影響金屬離子與微生物的絡合作用。通過向污染土壤中添加耐性或吸附性強的真菌，降低土壤重金屬含量。某些真菌需要與植物根系共生，不僅降低土壤重金屬含量，還能促進植物生長。朱金山等[29]利用真菌墨汁鬼傘吸收豬糞中的鉛，其最大吸收量為700 mg/kg，將處理后的豬糞施入土壤，在避免二次污染的同時也改善了土壤的微生物平衡。真菌修復土壤污染的過程中通常幾種反應機理同時發生。

表1 重金屬污染土壤中常見的微生物及修復效果Table 1 Microorganisms commonly found in soils contaminated with heavy metals and their remediation effects

1.3 存在的問題

微生物修復作為土壤重金屬污染修復的方式，具有綠色環保，經濟，操作簡單等優勢。但針對微生物修復的研究都是在理想情況下的人為模擬污染下進行的，對于實際土壤的污染狀況，污染土壤中土著微生物的存在與篩選的修復微生物之間的關系的研究較少，而實際污染土壤的條件復雜，土壤微生物，土壤動物存在情況復雜，因此微生物修復技術應急需解決實際應用中復雜的土壤環境對微生物篩選的影響。

2 植物修復

2.1 鉛富集植物

植物修復技術指植物忍耐某種重金屬，或是將重金屬轉化成無毒狀態的一種技術。BROOK在1977年首次提出超積累植物(Hypccumulator)的概念，1983年CUNNINGHAM 等[30]提出運用植物去除土壤中的重金屬污染物，以此達到修復土壤的目的。能從土壤中大量吸收一種或幾種重金屬并將其轉運到地上部的植物稱為超富集植物。目前，世界上發現的超富集植物有400多種，而國內外報道鉛的超富集植物主要有羽葉鬼針草、綠葉莧菜、圓錐南芥、東南景天、蒼耳、小飛蓬、圓葉遏藍菜(Thlaspirotundifolium)、夏至草等[31-33]，這為植物修復鉛污染的土壤提供了豐富的物種資源。劉秀梅等[34]通過室內砂培盆栽試驗研究了小麥、水稻、玉米和油菜對重金屬鉛的耐性和提取能力，4種作物體內鉛含量依次為小麥>水稻>玉米>油菜。此外，不同作物體內鉛的分布也不同，小麥和水稻的根系含鉛量高于莖，玉米和油菜相反，莖葉的含鉛量高于根系；低濃度的重金屬污染可以促進植物生長，但是高濃度的污染會抑制植物生長。郭平等[35]研究了向日葵幼苗對鉛的耐性，結果表明，當重金屬濃度為1.00 mmol/L時，向日葵幼苗莖葉中的鉛含量是864.24 μg/g，根中鉛含量是43 575.76 μg/g，向日葵幼苗對鉛有很強的富集能力，根系是主要的富集器官。同時有研究報道，高粱是可以有效吸收重金屬的作物，并且具有生物量大，吸收量高等優勢[36]。農作物富集重金屬，人類食用之后對人類的健康造成危害。何泳輝等[37]研究了市郊公路邊的農作物中重金屬的富集結果發現，食用番薯葉、食用南瓜葉、豆角、莧菜和灰菜中鉛含量為0.30～0.83 mg/kg，均超過國家限量標準。常曉歌等[38]對2015—2016年洛陽市市售蔬菜中重金屬含量進行分析的結果表明，鉛的超標率為10%，較鎘、汞嚴重。針對以上研究分析，農作物、蔬菜富集重金屬后通過食物鏈的傳遞，危害人類健康。因此，在鉛富集農作植物蔬菜的選擇上應慎重，盡量選擇根莖等不可食用部分富集效果好，對人體健康無危害的作物進行鉛污染耕地土壤的修復。

2.2 發展方向

植物修復土壤鉛污染的研究，應篩選生物量大、易存活的植株。前人的研究篩選的超富集植物多數是當地的優勢植物，存在一定的地域性，對于其他地區的使用有外來物種入侵的危險。因此，植物修復土壤重金屬鉛污染應向生物量大、地域性小，具有一定的經濟或觀賞價值的方向努力，在保證土壤重金屬污染得到修復的同時保證土地的經濟價值。

3 動物修復

3.1 修復原理

動物修復技術是利用土壤中大量的動物及腸道微生物等進行的一系列生命活動來分解、吸收、富集土壤中的重金屬，使土壤中的污染物濃度降低的一種修復技術。MORGAN等[39]研究發現Cd、Pb、Zn富集在蚯蚓消化組織細胞的囊泡中，與磷鍵結合，形成難溶性的金屬磷酸鹽礦物，達到降低重金屬濃度的目的。STüRZENBAUM等[40]研究發現，重金屬在蚯蚓體內與小分子蛋白質結合形成金屬結合蛋白金屬絡合元素，降低其體內的毒性或是增強抵抗性。蚯蚓的另一種解毒機制是利用體內的溶酶體和細胞質粒抑制重金屬的活性。蚯蚓的取食、做穴等生命活動直接或間接影響重金屬的生物有效性。MABOETA等[41]報道蚯蚓活動使土壤中Pb的有效態增加48.2%。同時發現，不同的土壤接種蚯蚓后其土壤pH會發生變化，間接影響土壤重金屬生物有效性。

3.2 發展方向

目前，針對鉛的動物修復多集中于蚯蚓的研究，并且集中在實驗室的理想條件下。但現實中的土壤環境復雜多變，土壤動物、微生物種類繁多，蚯蚓與土壤中其他動物、微生物的相互作用的研究甚少，今后應分析蚯蚓與其他動物、微生物的作用機制，為蚯蚓修復重金屬污染提供更完善的數據支撐。同時，蚯蚓吸附重金屬后，體內重金屬嚴重超標，針對蚯蚓的后續處理，不要造成對土壤的二次污染也應是今后的研究方向。

4 聯合修復

4.1 微生物-植物聯合修復效果

單一的修復技術對污染的修復存在周期長、修復對象單一，效果不顯著等弊端。因此，將現有的修復技術進行有效地整合，2種或2種以上修復技術聯合修復是現在及未來的研究趨勢。而其中的微生物-植物聯合修復技術因其操作簡單、避免二次污染等優勢成研究熱點。據報道，微生物的代謝活動不僅可以促進植物生長，增加植物干重，而且會分泌一些有機酸、鐵載體，影響土壤pH及重金屬的形態，間接促進植物吸收重金屬，或抑制重金屬活性，減少對植物的危害[42-43]。JING 等[44]從礦區植物毛竹的根際土壤分離出2株對鉛和鎘具有耐性的細菌JYX7和JYX10，并進行了與油菜聯合修復的盆栽試驗，結果表明，接種了菌株的處理組，由于菌株的活動產生了有機酸、鐵載體，改變了土壤pH及重金屬活性，不僅提高了油菜的地上部干重，也增加了對重金屬的吸收量；同時有研究發現[45]，添加“雙耐”細菌不僅能提高香根草的生物量，促進其地上部、地下部對鉛、鎘的吸收，而且降低了香根草根際土壤中有效態鉛、鎘的含量。CHIICHING等[46]發現，接種叢枝菌根真菌提高了鬼針草和龍珠果對Cu、Pb、Zn的吸收積累。JIANG等[47]通過給印度芥菜、玉米和番茄接種特異性伯克霍爾德氏菌(Burkholderiasp.J62)發現，該微生物不僅提高了植物根際土壤中Pb的醋酸銨提取態，也促進玉米、番茄兩種植株的生長，增強玉米根系對鉛的吸收。

4.2 發展方向

隨著《土壤污染防治行動計劃》(土十條)的逐漸落實，以及人口基數大，土地資源少的基本國情，保證國家糧食供應充足，耕地土壤承擔的責任尤為重要。因此，選擇有利于實現生態、環境效益相統一的聯合修復技術對當今的耕地土壤重金屬修復尤為重要。而微生物-油料作物、微生物-經濟作物及不同農作物套種、輪播等方法非常適合當下中國人均地少的現狀。經濟作物(甜高粱、玉米)及油料作物(向日葵、花生、油菜)具有生物量大及重金屬耐性、積累特性強的特征。據報道，接種產鐵載體細菌后，提高了甜高粱的生物量及重金屬吸收含量，同時促進了甜高粱對土壤礦質營養元素Fe和P的吸收[48]。王帥等[49]研究了大豆、花生、向日葵、蓖麻4種油料作物對鉻、鉛的耐受性及積累特性，結果表明，花生對2種重金屬的耐性較強，可優先考慮作為修復重金屬污染的潛在植物。同時，添加耐鎘的土壤微生物可以有效促進油菜的生長，提高其對Cd 和Pb 的吸收效率，提高比例分別為16%～74%和59%～131%[50]。因此，發展經濟作物及油料作物與耐性微生物的聯合修復是未來耕地土壤污染修復的研究方向，而重點是篩選耐性強的土著微生物及耐性強的作物品種，以期尋找安全有效的重金屬修復方式。

5 展望

隨著全國土地污染調查的開展，人們對土壤污染的認識越來越深入，對耕地土壤污染的危害也有了深刻了解。因此，對耕地土壤污染的修復刻不容緩，而生物修復及聯合修復是未來研究的重點，想要在此方面取得突破性的進展，必須解決以下問題：首先，針對我國人口基數大，耕地資源有限的基本國情，篩選耐性及累積特性強的植物是未來植物修復耕地土壤污染的關鍵。因此，需加強篩選優良的經濟作物及高效的作物品種方面的研究。其次，隨著人們對環境保護認識的深入，修復技術需朝著綠色生態方面發展，微生物不僅可以有效避免對土壤的二次污染，而且可以影響土壤的pH、重金屬活性。但微生物對土著微生物的影響研究較少，應加強微生物對土著微生物的長期影響，篩選耐性強的土著微生物等方面的研究，利用基因工程等高新技術將篩選的耐性基因與土著微生物結合，減少外來微生物的潛在危害。同時，聯合修復技術是應對現在土壤復合污染的有效技術之一，因農田土壤的特殊性，對修復效果的要求更高，不僅要除去污染物，還要保證土壤肥力，保證耕地的正常使用。因此微生物-植物-動物聯合修復技術是關鍵，保證土壤污染修復的綠色經濟可行性。同時應增加大田試驗的開展及商業化的發展。最后，應加強對土壤修復的長期監測，修復技術對周圍環境及土壤肥力等的影響進行風險評估，保證修復效果的長期有效及穩定性。