土壤重金屬污染的生物修復(fù)技術(shù)簡(jiǎn)析

楊家寶 沈瑞杉

(1、浙江歐雅菲環(huán)境檢測(cè)有限公司，浙江 永康321300 2、泉州市城東中學(xué)，福建 泉州362000)

土壤，被譽(yù)為地球的“ 皮膚”，作為地球生命活動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)流動(dòng)中大氣圈、生物圈、水圈、巖石圈四大圈層的交互界面，扮演的重要角色是不言而喻的。目前我國(guó)土壤重金屬的污染，日益影響著我國(guó)土壤質(zhì)量和糧食生產(chǎn)安全。 據(jù)環(huán)保部2014 全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)顯示，我國(guó)土壤總的超標(biāo)率為16.1%，以無機(jī)型污染為主，重金屬污染物主要有鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳等8 種。 土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性，可通過生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)與能量循環(huán)流動(dòng)，農(nóng)作物的吸收和生物鏈的富集效應(yīng)等，最終對(duì)人類的健康造成巨大、嚴(yán)重的威脅。

土壤重金屬污染引起了國(guó)內(nèi)外眾多科研工作者的關(guān)注，各種包括客土法、物理、化學(xué)在內(nèi)的傳統(tǒng)方法等污染物治理修復(fù)手段也在方興未艾的發(fā)展。 近些年來，新興的生物修復(fù)方法，以其不破壞土壤結(jié)構(gòu)、 環(huán)境友好特性引發(fā)廣泛的研究熱潮。 生物修復(fù)技術(shù)是指包括植物、微生物、動(dòng)物等在內(nèi)的各種生物體利用自身的生命活動(dòng)代謝或不同生物物種之間的協(xié)同作用從污染的土壤中吸收、轉(zhuǎn)化、降解環(huán)境中有機(jī)污染物和無機(jī)物污染物，實(shí)現(xiàn)凈化修復(fù)土壤生態(tài)環(huán)境的治理方法。

1 生物修復(fù)技術(shù)的類型

1.1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)（ phytoremediation）利用具有超積累的自然植物或現(xiàn)代遺傳學(xué)改良的植物，通過吸收、提取、分解、轉(zhuǎn)化或固定等方式來消除土壤中污染物。植物修復(fù)技術(shù)通常有兩條途徑：一是植物通過生命活動(dòng)積累、代謝和固定重金屬和化合物或形成揮發(fā)性氣體，分散到大氣中；二是通過根際分泌有機(jī)酸、螯合物等化合物等方式來改變污染物在土壤環(huán)境中的形態(tài)，從而降低重金屬的生物有效性和可移動(dòng)性。目前按照修復(fù)機(jī)理和過程的不同，可分為植物提取、植物固定、植物揮發(fā)、根系過濾等。

植物提取技術(shù)是指通過種植天然或者轉(zhuǎn)基因超富集植物盡最大限度的吸收積累污染土壤的重金屬，將其吸收累計(jì)到植物的地上部或根部，將其收割處理，以有效去除土壤中的污染物。 超富集植物普遍被定義為在具有高濃度污染物的土壤中可以正常生長(zhǎng)植物，其地上部分重金屬含量達(dá)到普通植物100 倍。 目前用于土壤重金屬污染治理的研究的常用超富集植物有：砷超富集植物蜈蚣草、鋅超富集植物東南景天、油菜、十字花科、植酸模草、工業(yè)用的大麻等。

植物固定技術(shù)是指利用一些植物將原來高毒性形態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)化到低毒性狀態(tài)的過程。 植物通過生命活動(dòng)沉淀、螯合、氧化還原等過程降低土壤重金屬的有效性，或是通過根際的生命活動(dòng)改變?nèi)缤寥赖母H環(huán)境pH、氧化還原電位等來改變污染物的化學(xué)形態(tài)。 該技術(shù)的缺點(diǎn)是土壤重金屬污染物并未徹底被清除，僅是被以固化的形式存在于土壤中，暫時(shí)失去生物有效性，一旦被固化重金屬周圍的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，污染物的生物有效性可能又會(huì)恢復(fù)。

植物揮發(fā)技術(shù)主要是針對(duì)土壤中可形成易揮發(fā)性化合物的汞、硒、砷等金屬，通過根系吸收該類金屬，在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化形成可揮發(fā)性的氣態(tài)化合物，釋放到環(huán)境空氣中，達(dá)到修復(fù)土壤，去除污染物的效果。 如煙草揮發(fā)甲基汞、印度芥菜降解硒化合物等。

根系過濾是指利用耐性植物特有的龐大根系過濾、沉淀、富集污染物，達(dá)到修復(fù)土壤污染的目的。 過濾的植物包括有向日葵、印度芥菜、煙草等。水科植物浮萍、水葫蘆可以有效吸收清除水體的鎘，銅和砷等重金屬。 目前應(yīng)用較多的有人工濕地技術(shù)和生物塘工程。

植物修復(fù)技術(shù)相較于傳統(tǒng)土壤重金屬理化修復(fù)技術(shù)， 優(yōu)勢(shì)在于綠色環(huán)保、耗費(fèi)低、原位修復(fù)、具有不破壞土壤環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是現(xiàn)實(shí)情況中污染場(chǎng)地常常具有具多種有機(jī)污染物和無機(jī)污染物復(fù)合型污染，受污染范圍不局限于的表層的土壤，污染超積累植物修復(fù)能力往往只是有一種或少數(shù)幾種的重金屬； 許多超積累植物屬于表層根系，自身生物量有限，而且生長(zhǎng)發(fā)育較為緩慢，導(dǎo)致重金屬富集量有限；修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)；超積累植物的再處理問題等。

1.2 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)是指利用天然或基因工程改造的微生物菌株，在自然環(huán)境或人工優(yōu)化生存環(huán)境下， 通過在生命和新陳代謝活動(dòng)過程中，富集、吸附、降解土壤的有毒污染物，從而修復(fù)受污染的土壤。微生物對(duì)重金屬的修復(fù)機(jī)理有生物富集、生物固定和氧化還原、水解聚合等方法。目前研究的微生物主要包括細(xì)菌、真菌、放線菌、藻類微生物等， 研究熱點(diǎn)包括菌根修復(fù)、 根際微生物對(duì)土壤重金屬解毒機(jī)制、生物刺激技術(shù)等，研究的新興方法包括基因組測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組、代謝組學(xué)等在內(nèi)的各種生物信息學(xué)技術(shù)。

微生物修復(fù)技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)原位修復(fù)、 可以同時(shí)修復(fù)土壤和地下水、基本不會(huì)產(chǎn)生二次污染物、適用范圍廣等。 缺點(diǎn)是：（ 1）對(duì)重金屬污染物吸收有一定容量；（ 2）微生物自身容易遺傳變異、穩(wěn)定性差、而且可能與土著微生物菌株產(chǎn)生生境上的競(jìng)爭(zhēng)；（ 3）容易受到如pH 值、溫度、濕度等各種環(huán)境影響，導(dǎo)致不同環(huán)境適應(yīng)性具有很大差異，修復(fù)效率差異較大。

1.3 動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是指土壤中的某些低等動(dòng)物、 原生動(dòng)物等通過自身的生命活動(dòng)、新陳代謝功能直接富集、轉(zhuǎn)化、鈍化污染土壤的重金屬亦或通過協(xié)同微生物作用，降低、消解土壤污染物，從而達(dá)到減少對(duì)環(huán)境的危害。 目前研究表明關(guān)于動(dòng)物富集污染土壤重金屬生理機(jī)理主要包括：（ 1）動(dòng)物體內(nèi)包含較多的金屬硫蛋白，可以絡(luò)合土壤中的重金屬，形成無毒、或低毒的化合物；（ 2）動(dòng)物體內(nèi)生命活動(dòng)代謝產(chǎn)生的含-SH 多肽物質(zhì)，可以螯合重金屬，改變其有效性；（ 3）動(dòng)物體內(nèi)富含的編碼金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因，可以有效提高其對(duì)重金屬的耐性。具體的機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓等動(dòng)物對(duì)重金屬元素有較強(qiáng)的富集能力，特別是對(duì)土壤鋅、鎘具有良好的富集作用，而且能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的肥力。

土壤動(dòng)物除了自身可以直接富集污染土壤的重金屬外，還可以通過自身的生命活動(dòng)可以將土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸，鈍化重金屬，使其失去活性。 亦可通過與植物、微生物的協(xié)同作用富集、鈍化轉(zhuǎn)化重金屬的活性，促進(jìn)菌根遷移轉(zhuǎn)化重金屬。成杰民等研究了蚯蚓- 菌根在植物修復(fù)鎘污染土壤中的修復(fù)效果，結(jié)果表明二者的協(xié)同效應(yīng)可以有效增加黑麥草對(duì)于重金屬鎘的吸收，達(dá)到更好的修復(fù)目標(biāo)。

2 展望與建議

近年來國(guó)內(nèi)外研究者在土壤重金屬污染的生物修復(fù)做了大量的工作，如超富集植物品種的甄別與篩選、植物對(duì)重金屬的響應(yīng)機(jī)制的研究、金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白克隆與超富集轉(zhuǎn)基因植物修復(fù)的研究、高效污染物降解微生物菌株與種質(zhì)資源、植物與微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)中的菌根修復(fù)技術(shù)等。 目前還有許多工作值得我們深入研究。

2.1 篩選出更多新的超積累植物， 深入解析超積累植物重金屬分子吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、忍耐和解毒利用的生理和生物學(xué)機(jī)制，為土壤重金屬高效超積累植物的分子設(shè)計(jì)育種奠定理論基礎(chǔ)。

2.2 土壤系統(tǒng)的多樣性以及現(xiàn)實(shí)中土壤污染的多源性、復(fù)合型，單純的生物修復(fù)技術(shù)往往難達(dá)到預(yù)期的修復(fù)效果。 通過化學(xué)、物理、土壤化學(xué)、生物學(xué)、植物生理學(xué)、作物栽培學(xué)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏蛋白質(zhì)組、統(tǒng)計(jì)學(xué)等多學(xué)科交叉研究，因地制宜，科學(xué)施策，聯(lián)合治理修復(fù)土壤的重金屬污染，從而達(dá)到較為理想的污染治理效果。

2.3 加快發(fā)展生物修復(fù)配套的設(shè)備和技術(shù)， 將實(shí)驗(yàn)室理論的修復(fù)技術(shù)運(yùn)用到在實(shí)際場(chǎng)地污染修復(fù)中，解決土壤重金屬的植物修復(fù)技術(shù)所需配套種植管理措施和超積累作物地上部的回收利用處理設(shè)備和技術(shù)。

2.4 轉(zhuǎn)基因技術(shù)修復(fù)應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。轉(zhuǎn)基因植物可能對(duì)土壤微生物結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響以及與其他類型植物雜交繁殖，造成基因漂移的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

土壤作為復(fù)雜的“ 黑箱”生態(tài)系統(tǒng)，很大程度上決定了污染土壤修復(fù)是一項(xiàng)積日累月的系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)單一的修復(fù)技術(shù)往往很難取得最佳的修復(fù)效果，未來聚焦多學(xué)科交叉研究，耦合傳統(tǒng)物理、化學(xué)修復(fù)方法，針對(duì)不同場(chǎng)地污染地塊，不同污染類型，研發(fā)更加高效專用的聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)將會(huì)是未來土壤重金屬污染治理的最重要修復(fù)技術(shù)之一。