重金屬污染土壤生物修復的原理與技術應用

申屠靈女

（中國石油化工股份有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510726）

土壤是人類和生物賴以生存與發展的環境要素，如果土壤被污染，就會對生態環境造成極大影響。2018年8月31頒布了《中華人民共和國土壤污染防治法》，對土壤污染風險管控和修復、監測提出了一系列的要求，也頒布了相應的土壤污染控制標準。在《土壤環境質量標準》（GB15618-1995）和《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB36600-2018）中對鎘、鉛、鉻、銅、鋅、鎳、汞、砷等8種重金屬規定了標準限值。而重金屬在土壤中是持久性，不可降解的，因此對其污染的控制尤為重要。要研究土壤污染管控方法，首先要了解污染的來源。

在農業生產過程，為追求農業生產的高效，在生產期間，各種農藥與化肥的使用量較大，對土壤造成極大污染，同時也會對附近的河流及地下水產生污染。在土壤中有著豐富的微生物，一旦土壤被污染，就會對其造成極大危害。

在工業生產過程，物料泄漏、含有重金屬的廢催化劑無序堆放等均會給土壤環境帶來污染。對于一些環境中已有但低濃度存在的物質如重金屬、放射性元素及天然有機化學品，人類的工業技術將這些物質濃縮和富集，對一些局部土壤環境造成污染。同時，人類合成大量新物質，其中一部分已被證明對環境造成危害如DDT、狄氏劑、艾氏劑等。

在人類生活活動中，大量的廢棄物會不斷向生態系統中排放，比如攜帶大量動植物油類、洗滌劑及富營養N、P的生活廢水排放，又如含大量合成塑料、建筑廢料的垃圾的堆放會污染土壤環境，另外垃圾掩埋和焚燒也會造成土壤二次污染。

所以這些年在對于重金屬污染土壤修復技術的研究也成為重點。

1 土壤生物修復

土壤受到污染后，尤其是高濃度難降解污染物，會影響土壤生態系統正常的生態功能，并通過與地下水、大氣等生態系統的交換擴散作用和食物鏈的傳遞作用危害人類身體健康。土壤修復技術多樣，包括物理修復、生物修復等，其中，近些年來土壤生物修復技術發展迅速，包括場地修復和異地修復，采用培養專有菌種吸收降解、種植專屬植物吸收等各種先進技術達到恢復土壤質量的目標。

土壤生物修復按照修復機理不同分為植物修復、動物修復和微生物修復三種類型，分別是利用土壤中的植物、土壤動物和微生物吸收、降解和轉化土壤中的污染物。利用生物降解污染物的技術在廢水處理中的應用具有較長的時間，包括常見的好氧生物處理和厭氧生物處理技術在城市生活污水和工業廢水處理中的應用，但是將生物處理技術大規模應用于受污染的土壤治理則尚處于起步階段[1]。

土壤生物修復與傳統物理化學修復方法相比，具有成本低、環境破壞性小、可回收利用、公眾易接受等優點[2]。土壤生物修復技術被認為有廣泛的發展前景。但會受限于場地和修復時間長的因素。

土壤中常見的污染物包括兩大類，重金屬污染物和有機污染物，由于兩者在化學性質、土壤中存在形式及微生物作用機理上存在很大的不同。土壤中有機污染物相對穩定且容易被微生物吸收和降解，而重金屬污染由于其存在形態的多變性，毒性隨存在形態不同而有所差異，使得大多數重金屬的遷移途徑相當復雜，且具難分解性、累積性和難修復性，因此本文重點介紹重金屬污染土壤生物修復的原理和常見技術應用。

2 重金屬污染土壤的生物修復

土壤中重金屬可以隨著雨水淋溶作用進入地表水、地下水，可以被土壤種植的果蔬吸收進而進入人體。重金屬污染的土壤產生的顆粒物可以被人或動物吸收，尤其是重金屬進入食物鏈會給人體健康和生態系統帶來危害。此外，當土壤中有重金屬時，由于其危害較大，難以轉化與分解，所以其產生的污染過程具有隱蔽性、長期性及不可逆性的特征，因此目前世界各國都很重視重金屬污染土壤修復技術的研究。

在土壤中的重金屬污染，是無法自行消減的，只能從一種形態轉化為另一種形態，整個過程會從高濃度開始變化，然后轉變為低濃度，還會累積在生物體內，因此在對重金屬的生物修復期間，一般有兩種方法[1]：

（1）根據各類植物對不同類別的重金屬吸收性能，選擇適宜的植物進行處理，比如經濟作物或者野生植物等。

（2）可以利用生物化學等手段，將重金屬進行形態轉化，對毒性產物進行控制；也可以利用重金屬與微生物的親合性和生物學活性耦合最佳的機會，降低重金屬的毒性和遷移能力。

目前應用比較廣泛的重金屬污染土壤生物修復技術主要包括植物修復和微生物修復兩種技術，也存在著二者與其他修復方法聯合使用的技術，下面分別對這三類生物修復技術進行介紹。

3 重金屬污染土壤的植物修復技術

植物修復技術在實際應用中發揮著重要作用，理論基礎為植物忍耐和超量積累某種或某些化學元素。狹義上的植物修復技術就是在對污染土壤進行處理期間使用植物清潔，植物修復技術在廣義上則有植物凈化空氣等，對土壤中的有機污染物進行凈化[3]。

植物修復技術主要通過兩種途徑來達到對土壤中重金屬的凈化作用：

（1）改變土壤中重金屬的存在形態，發揮植物對土壤中固定重金屬的移動作用，進而達到凈化土壤目標。

（2）通過植物吸收、揮發及降解代謝達到對重金屬的削減、凈化和去除作用[3]。

按照植物修復的具體原理，可以將植物修復技術分為植物吸收、植物揮發和植物固化三類技術。

3.1 植物吸收

植物吸收是利用自然生長的植物或人工培育的專屬植物來修復重金屬污染土壤的技術，其原理主要依賴于植物的超積累現象及其對金屬毒性的耐受力。超積累現象一般指某些植物的地上部分能夠較普通作物累積10～500倍以上的某種金屬。Reeves建議了Ni超積累現象的定義：生長在自然群落的某種植物地上部分，干物質中Ni的濃度只要達到1000mg/kg以上,就可以稱為Ni的超積累現象[4]，于是便產生了相應的Zn、Hg等的超積累現象。具有超積累現象的植物被稱為超富集植物，它們往往對某種或某幾種金屬具有超積累作用和超常的忍受力。此種方法可以用于重金屬生產行業的廠區內多種植適宜的植物。

超富集植物對土壤溶液中的金屬離子吸收過程可能有主動吸收的過程，但超富集植物對于金屬離子的吸收并不能隨著土壤溶液中離子濃度的升高而增加，這受限于根部對于特定金屬吸收的載體的容量；普通植物的根部金屬濃度往往高于地上部分，但是對于超富集植物，地上部分濃度往往高于根部，這可能是由于金屬離子與氨基酸或羧酸形成金屬絡合物而降低了金屬對于地上部分的毒害作用，相關的研究參見文獻[5]。人類對超富集植物的報道可以追溯到19世紀，早在1885年，Baumann報道了遏藍菜屬(Thlaspi alaminare)植物莖葉灰分中的ZnO含量達17%；1948年，Minguzzi和Vergnano在1948年報道,一種庭薺屬植物(Alyssum berbolonii)干物質中含Ni量達1%,而灰分中達10%[6]。如今利用超富集植物來修復重金屬污染的土壤，讓超富集植物的研究進入了一個新的時代。

植物吸收技術的關鍵是尋求合適的超富集植物來治理不同的重金屬污染，利用超富集植物對重金屬的超累積能力，將重金屬從土壤中轉移到植物的地上部分，然后再對植物的地上部分進行收割處理，從而達到對土壤質量修復的目的。目前總結的植物往往針對某種特定的金屬，能修復Zn 污染的主要 植 物 種 類 有:Arabidopsis halleri，Brassica juncea，Cepseifolum vila calaminaria等；能修復Cd 污染的植物種類有: Arabidopsis haller，Brassica juncea等；能修復Ni 污染的植物種類有: Alyssum bertoloni，Bornmllea tymphacea等；能 修 復Pb 污 染的 植 物 種 類 有：America martitima va balleri，Mimuaritia verna等；能修復Cu 污染的植物種類有: Aellanthus biformifolius，Haumaniastorum robertti；能修復Co 污染的植物種類有：Aellanthus biformifolius，Haumaniastorum robertti；能修復Cr 污染的植物種類有：Dicoma niccolifero，Sutera fodilina[7]。

超富集植物通常具有種屬特征，對于某種金屬，往往一個種屬的植物對其都具有超累積能力。王慶仁等人總結了國內外有關超富集植物的報道，對于Zn、Ni、Cd、Se、Cu、Co以及Mn的超富集植物見表1[8]。

表1 某些植物種對重金屬的超富集狀況及其來源

表1羅列的超富集植物大多是上世紀90年代之前的成果，近年來關于超富集植物的報道出現很多，R. Bennicelli等人發現一種小型蕨類植物Azolla caroliniana對于修復Hg和Cr污染的土壤，效果良好[9]；旋花植物（Convolvulus arvensis L.）可以對Cr產生超累積現象，葉子干重中Cr的濃度可達到2100mg/kg[10]；P. Vervaekea等人研究發現一種柳樹（Salix viminalis L.）對于Cd也有一定的累積作用[11]。

從上面的分析中，我們可以看出，超富集植物的種類很多，涵蓋了蕨類、草本、木本等多種植物，我們可以利用基因等技術手段，保留與超累積現象有關的基因并使之放大，是我們利用超富集植物進行土壤修復的一個重要出路。利用相關的技術，我們可以改良植物的性狀，使其地上部分的生物量變大，提高植物對于重金屬毒性的忍受能力，從而提高植物修復重金屬土壤污染的能力[12]?？傊贸患参锏纳磉^程來修復土壤中重金屬污染只能解決某些特定種類金屬污染問題，而且對于植物吸收方法富集到的重金屬，要妥善處置，否則容易造成二次污染。盡管這類技術還存在著很大的不足，但是隨著基因技術的引入，植物修復技術對于重金屬的土壤污染問題的解決將擁有更廣闊的前景。

3.2 植物揮發

植物揮發技術是指利用植物吸收、積累和揮發的過程，使土壤中的污染物質吸收到植物體內后轉化為氣態物質，擴散到大氣中以減少土壤重金屬污染。目前研究最多的是金屬Hg和非金屬元素Se，但是尚未見到植物揮發As的報道。通過植物或與微生物復合代謝，形成甲基砷化物或砷氣體是有可能的[13]。

在相關研究中顯示，在植物擬南芥屬（Arabidopsis）中轉入細菌體內對汞的抗性基因（汞還原酶基因），這就是轉基因植物轉化汞，可以將植物從環境中吸收的汞還原為元素汞，從而形成汞氣體而揮發[13]。研究證明，當生物中毒后，可以在這種條件下實現轉基因植物的生長，然后對土壤中的離子態汞進行還原。汞的植物揮發過程如下式所示。

同時，有研究證明紫云英、窄葉野豌豆、雙槽毒野豌豆、帝王羽狀花及印度芥菜[2], 還有水稻、花椰菜、卷心菜、胡蘿卜、大麥和苜蓿也能揮發Se。硒的植物揮發過程如下式所示：

由于這種方法只適用于揮發性污染物，應用范圍很小，并且將污染物質轉移至大氣中，容易帶來新的問題，因此應用有所限制。

3.3 植物固化

土壤中有毒金屬的移動性的降低，是通過植物固化技術達到的，通過耐重金屬植物的作用實現的，這樣就可以對金屬被淋濾到地下水的情況進行控制，減少對環境造成的污染。主要通過三個途徑實現：一是植物對土壤的固定作用，防止土壤被侵蝕，從而造成重金屬元素的轉移；二是通過植物根表對重金屬元素的吸附作用，減小重金屬的遷移性；三是通過植物根部的調節改變周圍土壤的pH值和電位，使得金屬的有效態濃度降低，從而降低其毒性[14]。

相對不宜移動的物質是這種技術的最佳使用場所，這種技術在很多區域的使用比較廣泛，比如一些礦區污染區域等。需要注意的是，這種技術僅僅是將金屬暫時固定，使其毒性暫時性的降低，當外界條件改變，金屬的毒性還可以被重新釋放出來，因此，這種方法并不是一個從根本上解決問題的技術。

3.4 重金屬污染土壤植物修復技術展望

植物修復技術是一種很有前途的新技術，它可以在低成本的前提下對污染土壤產生良好的綜合生態效應，同時該技術在理論體系、修復機理和修復技術工藝上還有不完善之處，目前國內外學者對該技術日后的展望大致有如下幾點：①尋找更多的野生超積累植物；②利用分子生物學和基因工程技術，開發能同時超高效積累多種重金屬的植物，并縮短植物生長周期，加快繁殖速度，提高植物修復重金屬污染土壤的效率。③加強耐重金屬和超積累植物及其根際微生物共存體系的研究。

4 重金屬污染土壤的微生物修復技術

微生物修復重金屬污染土壤是利用微生物對于自身周圍不利其生長的因素產生抗性以及個別嗜金屬類微生物進行修復。通常而言，微生物往往具有變異快，優良性狀遺傳性好的特點，因此微生物對于重金屬污染的土壤，會產生一定內部的抗性機制，具體包括莢膜保護、細胞壁結合、生物膜保護、細胞內隔離、主動外排系統、酶脫毒、降低金屬敏感性以及抗性質粒等[15]。

除了上述的內部機制之外，微生物分泌物質，如胞外高聚體、鐵載體等，也能直接與重金屬發生沉淀作用和胞外絡合作用而減少重金屬的毒性。另外，微生物在對重金屬進行轉化期間，也可以在生物甲基化作用、揮發等作用下實現[16]。以修復鉻污染的土壤為例，表2列舉了能夠還原六價鉻的菌株[17]，通過將六價鉻還原為三價鉻，使鉻的毒性降低，從而達到修復的目的。

表2 近年來報道的能還原六價鉻的菌株

需要指出的是，對于微生物修復技術，引入外來微生物種一定要慎重，只有在本地菌種對于污染物沒有去除作用或者污染物導致本地菌種毀滅性的結果時才考慮引入外來種；引入微生物要注意微生物馴化過程中對于新環境的適應程度和影響其生長的因素等問題。宋玉芳等人總結了土壤微生物修復技術中應當注意的問題和細節，對于實際工作的指導很有幫助[18]。

微生物對于重金屬污染土壤的修復擁有廣闊的前景，但是如何將微生物和土壤分離是研究工作的重點；因此，微生物修復技術的規模有限，在野外放大過程中，往往容易出問題，需要與其它的技術相配合。

對于金屬污染土壤的微生物修復技術，未來應該在基因工程菌的培養和篩選上加強研究，使工程菌在不危害土壤微生態系統的情況下更高效地固定、移動或轉化重金屬。

5 重金屬污染土壤的生物修復配合技術

前面分別介紹了一些植物和微生物修復重金屬污染土壤的機理和具體方法，在實際工作中，往往不能利用單一的某種植物或某種微生物來解決具體的問題，也不可能完全依賴生物修復方法，需要各種技術配合使用。

5.1 立體植物修復技術

所謂立體植物修復技術，是指利用多種生物相互配合來修復受重金屬污染土壤的技術。自然界中，受重金屬污染的土壤，通常不只含有一種金屬元素，往往是含有多種元素的復合污染，這就表明，僅依靠某種超富集植物無法徹底解決土壤污染問題，需要多種植物配合。

賴發英等人驗證了楊樹和銅草、杜鵑和狼把草、紅楓及元寶楓和酸模草三個組合對于Cu、Cd、Zn復合污染的修復效果，這主要是利用了木本植物和草本植物的結合來改善當地的土壤性狀，體現了一種垂直結構的變化，從而達到協同修復的目的[19]。

很多學者認為，蚯蚓對于改善土壤性狀，提高植物對重金屬的富集能力有很大作用。蚯蚓可以利用自身對重金屬的耐性吸收重金屬；此外，蚯蚓可通過改善土壤肥力，使得土壤pH、電位等參數發生變化，降低重金屬毒性[20]。這些觀點的提出，表明我們可以利用土壤中的一些小型動物來配合土壤修復工程，為土壤重金屬污染的修復開辟了一條新路。

此外，目前提出了利用農田生態系統恢復重金屬污染的土壤。在農田中，通過輪種、改變作物品種等措施可以修復重金屬污染的土壤：在污染嚴重的地區，可以種植觀賞植物、花卉、經濟林木；在重金屬輕污染區，種植耐重金屬性強的作物品種。

總之，通過立體植物修復技術，可以營造一個從木本到草本，從地表到地下的完整的生態系統，各種生物相互配合，可以取得很好的效果。

5.2 螯合劑-植物修復技術

該技術是通過向土壤中施加螯合劑，提高重金屬的生物可利用性，促進超富集植物對于重金屬元素的吸收，達到修復重金屬污染土壤的目的。如EDTA、DTPA、CDTA、EGTA及檸檬酸可以明顯促進印度芥菜對鎘和鉛吸收的效果[21]；F. Madrid等人發現使用EDTA可以促進植物對于Cd、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn等元素的吸收[22]。

總之，螯合技術可以顯著提高重金屬的生物可利用性，提高土壤修復效果。

5.3 清洗劑-微生物修復技術

由于目前微生物處理水體中的重金屬污染技術已經相當成熟，于是有人提出利用清洗劑將土壤中的重金屬元素洗脫出來，然后將清洗液進行集中處理來解決問題。這項技術的本質是將土壤污染問題轉為水體污染問題，從而達到土壤修復目的[21]。

5.4 電壓-植物修復技術

在電壓作用下，電極附近土壤溶液發生電化學元素反應改變土壤中氧化 還原電位、pH等理化性質，重金屬在被土壤吸收時，速度可以加快，提高土壤溶液中重金屬的含量，通過植物的吸收等作用，加快對土壤的修復[21]。

6 結論

利用生物修復技術可以有效地去除土壤中的重金屬污染物，應用最廣泛的是植物修復技術、微生物修復技術以及它們和其他物理化學修復技術的協同使用。重金屬污染的生物修復技術發展從微觀上應該結合分子生物學，尋找更高效的植物和微生物；從宏觀上應該加強修復技術的現場推廣和應用，積累應用生物修復技術的經驗。