土壤鉻污染生物修復(fù)研究現(xiàn)狀

王春勇，姜亞源，商井遠(yuǎn)，朱博，陳玥琪

土壤鉻污染生物修復(fù)研究現(xiàn)狀

王春勇1*，姜亞源1，商井遠(yuǎn)2，朱博1，陳玥琪1

（1. 遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001； 2. 葫蘆島市生態(tài)環(huán)境保護(hù)服務(wù)中心，遼寧 葫蘆島 125000）

論述了鉻污染土壤生物修復(fù)（包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)及植物與微生物聯(lián)合修復(fù)）的研究現(xiàn)狀，之后介紹了不同修復(fù)方式的優(yōu)勢(shì)及局限性。此外，還重點(diǎn)闡述了典型修復(fù)植物李氏禾（Swartz）和其他修復(fù)植物，以及微生物修復(fù)方式中生物吸附和生物還原。最后對(duì)土壤鉻污染生物修復(fù)前景進(jìn)行了展望。

鉻；污染土壤；植物修復(fù)；微生物修復(fù)；植物與微生物聯(lián)合修復(fù)

1 土壤鉻污染現(xiàn)狀

重金屬鉻（Cr）常被應(yīng)用于防腐蝕，尤其是在冶金、電鍍、制革、木材、不銹鋼制造、油漆生產(chǎn)和顏料等行業(yè)[1-3]。隨著上述行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量鉻渣和含鉻廢水。有統(tǒng)計(jì)表明我國(guó)年產(chǎn)鉻渣量已達(dá)45萬(wàn)t[4]。不同行業(yè)產(chǎn)生的含鉻廢物百分比如表1所示。

表1 不同行業(yè)產(chǎn)生的含鉻廢物百分比[5]

2 土壤中鉻的形態(tài)轉(zhuǎn)化及其毒性

在土壤環(huán)境中，鉻主要有Cr(III)和Cr(VI)兩種主要形態(tài)，且Cr(III)比Cr(VI)穩(wěn)定[6]。但Cr(VI)毒性高于Cr(III)至少100倍[7]。Cr(VI)能誘發(fā)癌癥以及引起生物體的DNA損傷[8-9]。此外，Cr(VI)和Cr(III)還能對(duì)植物產(chǎn)生影響。例如，當(dāng)Cr(VI)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)5 mg·kg-1，會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒性[10]。這些毒性具體表現(xiàn)為對(duì)植物細(xì)胞DNA損傷、減少CO2固定、瓦解葉綠體等[11-13]。而土壤中Cr(III)對(duì)植物產(chǎn)生的毒性要小于Cr(VI)[6]。鑒于土壤中鉻的上述危害，有必要對(duì)鉻污染土壤開(kāi)展修復(fù)工作。本文對(duì)鉻污染土壤生物修復(fù)研究進(jìn)行了綜述，并對(duì)生物修復(fù)前景進(jìn)行了展望，為后續(xù)修復(fù)工作提供參考。

3 鉻污染土壤生物修復(fù)

生物修復(fù)主要是指基于土壤中植物或者微生物的代謝活動(dòng)使土壤中重金屬被富集，或改變重金屬形態(tài)，從而達(dá)到固定或解毒重金屬的目的[14-15]。

3.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)指某些植物能富集鉻的特性。這些植物經(jīng)過(guò)收割后可以統(tǒng)一進(jìn)行處理。一般將地上部分富集鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1 000 mg·kg-1的植物稱(chēng)為鉻超積累植物[16]。

3.1.1 鉻超積累植物

李氏禾（Swartz）是比較典型的鉻超積累植物，其具有繁殖能力強(qiáng)及生長(zhǎng)迅速等特點(diǎn)，廣泛地分布于熱帶地區(qū)的沼澤地等[17-18]。李氏禾不僅能富集鉻，還能對(duì)銅和鎳等重金屬有較強(qiáng)的富集效果[19]。李氏禾主要是通過(guò)葉片和根莖來(lái)富集鉻[18-19]。張學(xué)洪等[18]研究發(fā)現(xiàn)李氏禾葉片中鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可以達(dá)到2 977.7 mg·kg-1，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約是根莖中鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)的9倍。伍嬋翠[20]等研究表明李氏禾根系的分泌物能活化土壤中鉻，并且其對(duì)Cr(III)的活化能力高于Cr(VI)，在營(yíng)養(yǎng)充足的條件下，更有利于活化作用。此外，這種活化作用能將土壤中難溶態(tài)的鉻轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)鉻，從而更有利于李氏禾對(duì)土壤中鉻的吸 收[20]。

關(guān)于李氏禾對(duì)鉻污染土壤修復(fù)研究已有報(bào)道，例如LIU[21等]研究表明李氏禾能有效地修復(fù)中等程度的鉻污染土壤，而對(duì)高度污染土壤的修復(fù)較為緩慢，但是可以通過(guò)施肥等手段，增強(qiáng)其修復(fù)效果。陶笈汛[22]等先將電鍍污泥與土壤按不同質(zhì)量百分比混合形成不同污染程度的土壤，之后研究了李氏禾對(duì)上述土壤中鉻的富集程度，結(jié)果表明李氏禾地上部富集的鉻含量能達(dá)到每株70.87 μg。此外，草酸等物質(zhì)可以促進(jìn)李氏禾對(duì)鉻的富 集[23-24]，TAN[23]等研究表明草酸能促進(jìn)李氏禾將土壤中鉻從根部轉(zhuǎn)移到可收獲的地上部分，從而提高對(duì)土壤的修復(fù)效果。

此外，植物Wild以及Wild也都屬于鉻超積累植物[25]。雙穗雀稗（）葉片中能富集鉻平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 718.86 mg·kg-1[26]。特別地，應(yīng)用鉻超積累植物修復(fù)土壤時(shí)存在局限性，例如鉻超積累植物一般植株矮小且生長(zhǎng)較為緩慢[27-28]，再就是鉻超積累植物根系較淺（一般在0～30 cm），僅對(duì)淺層土壤修復(fù)效果較好，對(duì)于深層土壤修復(fù)較為困難[27]。

3.1.2 其他植物

除了李氏禾，其他植物也被報(bào)道能富集土壤中鉻，例如柳枝稷（L.）、巴拉草（(Forssk) Stapf）、紫檀（）、麻風(fēng)樹(shù)（）、臭椿（）、蘆葦（）、胡盧巴（L.）、菠菜（L.）、白菜型油菜（L.）、芥菜（）、高粱（）、蒲公英（）、野莧菜（）和黑麥（）幼苗等[26,28-31]。

3.2 微生物修復(fù)

微生物對(duì)鉻污染土壤的修復(fù)主要包括生物吸附和生物還原。

3.2.1 生物吸附

通過(guò)生物吸附，可以達(dá)到對(duì)鉻的消減、凈化和固定作用，從而降低土壤鉻污染[32]。微生物（細(xì)菌、真菌和藻類(lèi)等）對(duì)鉻的生物吸附屬于物理化學(xué)過(guò)程，某些微生物通過(guò)靜電吸附等作用將鉻吸附在細(xì)胞上[33]。吸附后的鉻被微生物通過(guò)胞外絡(luò)合、胞外沉淀和胞內(nèi)積累固定，從而降低了鉻的移動(dòng)性和生物可利用性[32-34]。微生物對(duì)鉻的吸附作用中，微生物細(xì)胞壁某種程度上能決定吸附量的多少[35]。已報(bào)道能吸附土壤中鉻的微生物，如黑曲霉菌，其能在 15天內(nèi)去除75%土壤中鉻酸鹽（初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為250 mg·kg-1）[36]。生物吸附的局限性是較難應(yīng)用于實(shí)際鉻污染土壤的修復(fù)。

3.1.2 生物還原

生物還原指某些微生物能將土壤中Cr(VI)轉(zhuǎn)化成毒性較低的Cr(III)。GUPTA[37]等從鉻污染農(nóng)田土壤中篩選出了sp. strain CPSB4，其在培養(yǎng)7天后能還原95%的50 mg·kg-1Cr(VI)。POLTI[38]等研究表明菌株sp. MC1能在7天之內(nèi)將土壤中50 mg·kg-1的Cr(VI)降低到5 mg·kg-1。綜上所述，無(wú)論是使用篩選的Cr(VI)還原菌株，或是通過(guò)外源的營(yíng)養(yǎng)來(lái)促進(jìn)土著菌株的生長(zhǎng)，都可以修復(fù)鉻污染土壤。

微生物修復(fù)可以進(jìn)行原位或異位修復(fù)，而且修復(fù)效率高[39-40]，是最具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的技 術(shù)[41]。微生物修復(fù)局限性主要是目前較難用于大規(guī)模鉻污染土壤的修復(fù)工程中。

3.3 植物與微生物聯(lián)合修復(fù)

植物與微生物聯(lián)合修復(fù)時(shí)，微生物可以對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)化等進(jìn)行調(diào)控[42]。二者聯(lián)合修復(fù)過(guò)程中，一方面植物的根系分泌物能給微生物提供能量，另一方面微生物活動(dòng)等行為可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，還能促進(jìn)植物對(duì)鉻的吸收和富集[43]。使用植物與微生物聯(lián)合修復(fù)鉻污染土壤的研究已經(jīng)開(kāi)展，例如POLTI[38]等研究放線菌（sp. MC1）和玉米（）聯(lián)合修復(fù)鉻污染土壤，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明二者聯(lián)合后，在7天內(nèi)能將含50 mg·kg?1Cr(VI)的土壤中94% Cr(VI)降解。植物與微生物聯(lián)合修復(fù)比單一植物或微生物修復(fù)效率更高，但是植物與微生物聯(lián)合修復(fù)也存在局限性。這類(lèi)技術(shù)目前只能在實(shí)驗(yàn)室條件下開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)室條件下的修復(fù)干擾小，因此修復(fù)效果較好，但目前推廣到大規(guī)模的實(shí)際鉻土壤修復(fù)中較為困難[27]。

4 展 望

本文綜述了鉻污染土壤的生物修復(fù)，其屬于一種環(huán)境友好型修復(fù)方式，具有較好修復(fù)前景。未來(lái)工作可以開(kāi)展對(duì)生物修復(fù)機(jī)理的研究包括：

1）以通過(guò)優(yōu)化修復(fù)條件，提升植物和微生物對(duì)鉻污染土壤的修復(fù)效果。

2）可以利用基因工程等技術(shù)，構(gòu)建工程菌，促進(jìn)微生物對(duì)鉻污染土壤的修復(fù)。

3）在聯(lián)合植物和微生物修復(fù)基礎(chǔ)上，可結(jié)合物理或化學(xué)修復(fù)，構(gòu)建多種聯(lián)合修復(fù)模式，提高修復(fù)效率。

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Research Status of Bioremediation of Chromium Contaminated Soil

1*,1,2,1,1

（1. School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001, China;2. Ecological Environmental Protection Service Center of Huludao City, Huludao Liaoning 125000, China）

The research status of bioremediation of chromium-contaminated soil was discussed, including phytoremediation, microbial remediation and plant-microbe remediation, and then the advantages and limitations of different remediation methods were introduced. In addition, the typical restoration plant ofSwartz and other restoration plants, as well as the microbial restoration methods including the biosorption and bioreduction, were also discussed. Finally, the development trendof bioremediation of chromium contaminated soil was prospected.

Chromium; Contaminated soil; Phytoremediation; Microbial remediation; Plant-microbe remediation

遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JQL202015402、JFL202015403）。

2020-01-07

王春勇(1987-)，男，遼寧省朝陽(yáng)市人，講師，博士，研究方向：土壤重金屬。

X53

A

1004-0935（2021）06-0828-03