土壤重金屬污染危害及微生物修復

李 威

（廊坊市農業農村局 河北 廊坊 065000）

1 土壤重金屬污染危害

據調查數據顯示，目前我國耕地土壤重金屬污染形勢嚴峻，污染面積大，且污染重金屬種類多、含量高，全國有重金屬污染耕地約2 000 hm2，約占全國總耕地面積的16.7%，部分受污染耕地內重金屬含量超過安全限值100 倍。耕地土壤重金屬污染具有以下特性：

1.1 重金屬污染物毒性大。重金屬濃度較低就可產生致毒效應，一般重金屬元素濃度在1～10 mg/L 范圍內即可產生生物毒性，并易與化肥、農藥以及抗生素等有機物結合，生成具有更強聯合毒性的有機金屬化合物，極大影響并危害生物體正常生長。不同種類的重金屬污染物對人體危害不同，如鉛污染，會對人體的神經、消化系統和心腦血管有較明顯傷害；鎘進入人體后，會與鈣離子發生取代反應，引起骨骼疏松和變形，還會導致腎、肝功能失調，致癌致畸；砷進入人體后會在肝、腎、肺等部位積累，造成肝病、疼痛，甚至誘發惡性腫瘤。

1.2 重金屬污染物易積累。重金屬污染物被土壤顆粒吸附，一般聚集在20～30 cm 深度范圍，與大多數農作物根際深度相同，在降低土壤微生物活性、抑制植物根系對營養元素吸收的同時，也極易被農作物吸收富集。由于重金屬污染物的遷移、富集特性，生物體中的重金屬濃度可能倍增到環境介質中的上萬倍，而重金屬沿食物鏈逐級進入人體內并長期富集積累后，會對人體產生巨大危害，因此微量的重金屬也同樣具有潛在的危險性。

2 微生物修復土壤重金屬污染技術

修復耕地土壤重金屬污染的兩種主要途徑是去除化和穩定化，去除化是將土壤中的重金屬污染物提取出去；穩定化是將重金屬在土壤中的存在形態改變，消除生物毒性，降低活性。其中，微生物修復技術是利用微生物對重金屬的親合、吸附、轉化效應，降低土壤中重金屬的有效濃度。微生物法治理土壤重金屬污染成本低、效率高，一般不需要停耕，可進行原位修復，對土壤環境影響小，同時能改善土壤環境、提升土壤肥力；但微生物治理法同時具有對重金屬固定性有限、代謝能力不佳、微生物流逝或吞噬等缺點。因此，能提升微生物生物活性和增強修復效果的微生物強化修復、聯合修復方法在實際應用中更具優勢。

3 生物強化修復法

微生物強化技術主要有施加輔助營養源、構建基因工程菌、施加固定載體等方式，可選擇單一方式或幾種方式同時使用。施加輔助營養源，是為微生物的生長提供碳源、氮源等能源物質，促進微生物生長，提高微生物處理重金屬污染物效率；構建基因工程菌，是通過射線照射、化學試劑處理等誘變育種方式，提高活性菌種重金屬耐受性，獲得高效高耐受性菌株；施加固定載體，是將微生物先吸附于木炭、粘土、瓊脂等生物或化學材料載體上，再復合施入土壤體系，為微生物提供保護區域和營養源，減少微生物流失、被其他微生物吞噬等現象。

3.1 枯草芽孢桿菌與生物炭復合修復重金屬污染土壤。王婷[1]等人選取枯草芽孢桿菌經紫外誘變的高耐菌株(B38)，與自制生物炭進行復合，研究了生物炭載體強化活性菌株后，對土壤中多種重金屬離子的吸附行為。高耐菌株(B38)由枯草芽孢桿菌經紫外誘變5 min得到，對重金屬有高耐受性，且對Cd、Cr、Hg、Pb等4 種金屬離子有強吸附力，初期吸附速度快，形成的絡合物較為穩定，可作為復合重金屬污染土壤的修復劑。生物炭是在高溫下熱解玉米秸稈、豬糞制備得到，其表面具有大量活性官能團和密集空隙，吸附能力強，可提升土壤孔隙度和透氣性，增加陽離子交換容量及有機質含量，加強植物對營養元素的吸收效果，改良土壤性質，增加作物產量。王婷等人將B38與生物炭復合，對土壤重金屬污染(Cd、Cr、Hg、Pb 濃度分別為2.11 mg/kg、83 mg/kg、0.7 mg/kg、51 mg/kg)進行修復試驗，試驗結果表明：B38 和生物炭的加入能促進植物生長、降低重金屬的可利用態含量，豐富土壤中微生物種類。在B38 施用量為20 ml/kg(2%)，生物炭施用量2%的條件下，油麥菜可食用部分重金屬含量大幅下降，Cd、Cr、Hg、Pb 下降分別可達87.65%、69.95%、80.66%、96.06%。B38 協同生物炭修復土壤重金屬污染，實現了原位修復，并有效利用了農業生產廢棄物，為生物強化技術修復污染土壤提供了一種新的修復劑。

3.2 里氏木霉與苜蓿粉混合制劑修復土壤銅污染。田曄[2]等人選取1 株有銅抗性的里氏木霉FS10-C，與苜蓿粉混合，研究了該復合制劑對海州香薷土壤中銅離子的吸附行為和修復效應。木霉菌生長繁殖速度快，易于分離純化和培養，可為植物提供生物防御，并對植物有促生作用；同時木霉對重金屬有吸附和積累作用，能通過自身的代謝活動對重金屬進行生物轉化和生物沉淀。苜蓿粉是將采自田間的新鮮紫花苜蓿清洗殺青后經80 ℃烘干，粉碎過10 目篩得到，原料產量大、制作簡單，且含豐富的碳水化合物、纖維素、多種礦物元素及維生素，能滿足木霉生長需要，為其提供足夠的營養條件和生長空間。FS10-C 和苜蓿粉混合的復合制劑，能促進植物海州香薷發育，減少黃化現象，提高土壤中有效Cu 含量最高達48.0%，海州香薷銅吸收能力最高達到112.0%，土壤速效磷含量最高達88.8%，土壤微生物碳含量最高達12.1 倍，同時也顯著提升了土壤酶活性及土壤質量等指標。復合制劑發揮了土壤修復劑和土壤微生物肥料的雙重功效。該木霉制劑制備簡單，且不需要額外的營養物質即可顯著促進海州香薷生長發育，減少土壤銅污染，初步具備應用于實際環境銅污染修復的前提條件。

4 微生物聯合修復法

微生物聯合修復是將植物修復與微生物修復協同使用，提高修復效果，實現重金屬高效代謝分離，并能修復具有重金屬、有機物等多種污染物的復合污染土壤。微生物-植物聯合處理法對重金屬污染修復有顯著優勢，微生物與植物共生，能大幅增強植物的重金屬耐性，提高植物耐病性、存活率，促進植物生長發育，加快植物對重金屬的吸收和向地上部分轉運。

4.1 木霉菌-油菜聯合修復土壤鎘污染。高永東[3]等人從木霉REMI(限制性內切酶介導的基因整合)突變株中篩選出對Cd 高耐受、強吸附的菌株(T23)，與甘藍型油菜(滬油20)聯合作用，構建了木霉菌與油菜共生體，進行土壤中Cd 修復研究。木霉是一類重要植物病害的生防真菌，可以通過螯合或降解作用來溶解金屬氧化物，提高作物營養利用的能力，促進植物生長；甘藍型油菜株體較大，根系發達，具有超富集植物的農藝性狀特點；甘藍型油菜和木霉菌都有吸附土壤中多種重金屬的能力，但又有一定局限性。研究結果表明：T23 與滬油20 組合明顯提高了滬油20 對Cd污染土壤的凈化率(Cd 含量100 mg/kg 時，凈化率可達0.625%)，同時增強了油菜菌核病菌的防病效果，可達84.2%。甘藍型油菜適應力強，可在長江中下游廣泛種植，是比較理想的重金屬修復植物，木霉菌-油菜組合的實際應用效果顯著。

4.2 密旋鏈霉菌與黑麥草、籽粒莧聯合，修復土壤中鉛鎘污染。曹書苗[4]等人選取了1 株密旋鏈霉菌Act12，該菌有較強的Pb、Cd 抗性(Pb、Cd 的最低抑制濃度分別為1 200 mg/kg、120 mg/kg)、耐旱性、促生特性。在半干旱缺水及鉛脅迫下(0～1 000 mg/kg)，Act12 與黑麥草聯合修復土壤中的鉛污染試驗結果表明，Act12 能促進黑麥草生長，增強黑麥草鉛耐受性，土壤Pb 濃度為200～ 1 000 mg/kg 時，黑麥草株重、株高都顯著增加；黑麥草體內Pb 濃度及單株Pb 吸收量(P＜0.05)大幅提高，轉移因子、富集系數大幅提高，根系積累Pb 最高可達1 396.06 mg/kg，滿足超富集植物標準；土壤磷酸酶和蔗糖酶活性增率可達26.2%和13.5%，根際土壤中生物有效性Pb 的含量提高可達37.2%，非根際土壤中生物有效性Pb 的含量降低可達14.1%。同時，曹書苗等人也研究了Act12 同籽粒莧聯合修復半干旱土壤鎘污染。在半干旱缺水及鎘脅迫下(0～100 mg/kg)，加入Act12 試驗組的籽粒莧株重、株高都顯著增加，鎘污染耐受性提高；對Cd 的生物富集濃度和修復效率提高，地上部分和根系Cd 積累增率分別可達170.0%、60.0%，土壤Cd 殘留總量降低，生物有效性Cd 含量提高可達84.8%，籽粒莧吸收Cd 總量增加1 倍多。密旋鏈霉菌與黑麥草、籽粒莧聯合對半干旱土壤重金屬鉛鎘污染的修復效果明顯，有很大的潛力和應用價值。