試論土壤中鉛污染的微生物修復

李曉楠 郝秋芳

（1.河南大學邁阿密學院，河南 開封 475004；2.河南省安陽市生態環境局龍安分局，河南 安陽 455000）

1.鉛污染現狀

鉛元素在自然界中分布廣、用途多，我國的含鉛產品消費主要集中在蓄電池、鉛材等行業，被回收再利用的鉛僅占總比例的約25%，剩余大部分鉛都通過“三廢”等不同形式排放到環境中，導致鉛污染。其中，土壤鉛污染最普遍。

1.1 土壤中鉛的形態

土壤中鉛的形態大致分礦物態、吸附態、水溶態和有機絡合態四種。礦物態的鉛可分為方鉛礦（PbS）、紅鉛礦（PbO2）、白鉛礦（PbCO3）、硫酸鉛礦（PbSO4）四種；吸附態以鐵錳氧化鈦為主；水溶態的鉛離子很少。而土壤中的大部分鉛以Pb(OH)2、PbCO3、Pb(SO4)2等難溶沉淀形式存在，除了Pb(NO3)2溶于水以外，其他鉛鹽均難溶或者不溶于水。

1.2 土壤中鉛的來源

土壤中的鉛來自天然形成和人為污染。自然情況下，土壤中的鉛主要來源于母巖和殘落的生物物質，一般情況下含量比較低，不會對人體及生態系統造成危害。而人為活動作用才是造成土壤鉛污染的重要原因，城鎮化建設、固體廢棄物堆積，以及為提高農業生產，施用化肥、農藥、污水灌溉，都可以使鉛在土壤中大量積累。

2.鉛的毒性

鉛在自然條件下不會被降解，只會發生形態或者價態的變化。大量的鉛在自然環境條件下長期存在著，隨著人為活動逐步影響周邊的動物、植物和微生物，且在食物鏈中有著十分明顯的生物放大現象，最終鉛可以通過食物鏈進入人體，從而危害人類身體健康。

2.1 鉛對人體的危害

鉛是污染物中毒性很大而且以神經毒性為主的一種重金屬污染元素。作用于人體各系統和器官，主要傷及人體神經系統、血液系統以及免疫系統等。還可以通過消化道和呼吸道進入人體，特別是對孕婦、嬰兒和兒童的健康危害較大。鉛化合物也可以通過與皮膚接觸進入人體。鉛在人體內的半衰期長，對許多器官、系統和生理功能均能產生危害。

2.2 鉛對植物的危害

土壤中過量的鉛對植物會造成一種脅迫，當脅迫超過植物本身的忍耐限度后，就會對植物產生傷害，且這種傷害可能影響植物生長，嚴重時會導致植物死亡。當植物體內的鉛元素積累到一定數量，就會影響到植物對各營養元素的吸收、植物的光合作用、細胞分裂等正常的生理活動，最終因影響植物品質與生物量，造成傷害甚至死亡。

2.3 鉛對土壤微生物的影響

鉛是造成土壤重金屬污染的重要元素，具有生化毒性能明顯影響土壤微生物的群落結構，改變土壤微生物活性，降低土壤微生物數量等。土壤微生物的基礎呼吸會隨著鉛濃度增加而呈現上升趨勢。土壤中高濃度的鉛污染會使土壤的微生物量顯著降低，其中土壤細菌、放線菌和真菌數量下降明顯，且微生物生理生態參數也會發生明顯的變化，微生物生物量碳、微生物生物量氮及基礎呼吸和微生物代謝上也會隨重金屬濃度增加而明顯下降，土壤脫氫酶、脲酶、酸性磷酸酶活性的下降幅度也較為明顯，過氧化氫酶、蔗糖酶活性則次之，蛋白酶活性則較為穩定。

3.鉛污染土壤的微生物修復

傳統的化學和物理修復技術去除污染物不夠徹底，常導致二次污染，帶來一定環境健康風險。而微生物修復技術則是利用細菌、藻類、酵母等微生物對重金屬元素進行吸收、沉淀、氧化還原等作用，以達到降低重金屬毒性的目的。微生物的活動通過改變土壤中溶液的 pH 和土壤結構，影響植物的根系分泌等過程，進而影響土壤對重金屬的吸附以及重金屬的形態，降低重金屬的生物有效性。微生物修復處理費用相對較低，效果好，且對環境影響低，操作簡便，可以進行就地處理等。

3.1 微生物修復鉛污染的原理

3.1.1 微生物對重金屬離子的生物吸附作用。微生物吸附重金屬的機理較為復雜，大概可概括為幾個方面，包括表面生物大分子吸收轉運、細胞代謝、空泡吞飲、生物吸附和氧化還原反應等。研究表明，它們對金屬的作用可分成微生物吸著和微生物累積兩個不同的生化階段。

3.1.2 微生物對鉛的轉化。微生物可以通過氧化還原、甲基化及去甲基化作用對重金屬進行轉化，將有毒重金屬轉化為無毒或低毒物質。如Barton等選用濃度為10mmol/LPb2+的土壤中分離出來的菌種，發現該菌種能夠將 Pb2+轉化成為Pb，使膠態的Pb不但不具毒性，且結構穩定。而陳洋進行了接種白腐真菌堆肥處理含 Pb垃圾的研究，結果表明，白腐真菌在降解垃圾中有機污染物的同時將 Pb 轉化為結合態和殘留態的形式存在， 白腐真菌對Pb的鈍化作用也比較明顯，經過發酵過程以后，Pb 的水溶交換態量減少到幾乎為零。

3.2 鉛污染土壤的微生物修復

微生物修復主要是借助微生物本身的生化反應來降低或 穩定環境中的鉛，主要有生物吸附，生物還原沉淀和生物甲基化等。

生物吸附是利用某些生物體本身的化學結構及成分特性來吸附溶于水中的金屬離子的過程，且該過程不依賴于生物體細胞的新陳代謝。用于重金屬的生物吸附的材料有很多種。目前，人們研究的用于重金屬吸附的微生物包括：細菌（如：Bacillus subtillis）、 絲狀真 菌 （如 Rhizopus arrhizus）、 酵母（如 Saccharan yces cerevisae）、藻類、基因工程菌等。其中對鉛離子吸附容量較高的有：堅強芽孢桿菌（Bacillus firmus）、谷氨酸棒桿菌(Corynebacterium glutamicum)，對鉛離子的吸附容量分別達到了467、567.7（mg·g-1）。生物還原沉淀是應用硫酸還原菌(SRB) 將 SO42-還原為 H2S，再與 Pd2+生成不溶性的 Pb2S，使溶液中 Pb2+得以去除，該技術多用于工業廢水處理。微生物能通過氧化、甲基化合區甲基化等作用轉化重金屬離子，將重金屬由有毒狀態轉化為低毒或無毒狀態。

目前利用的微生物修復方法包括投菌法、生物培養法、堆肥法等等。

3.3 微生物修復土壤鉛污染的弊端

相對于其他修復方法，微生物修復鉛污染具有很多優點，如：不破壞土壤環境、無二次污染，操作簡單方便，費用低等。但微生物修復也存在一定的弊端。

3.3.1 土壤微生物活性受外界環境條件的影響明顯。土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分，其活性直接關系到土壤生態系統的運轉，土壤微生物活性是衡量微生物促進土壤環境物 質轉化的重要指標。土壤微生物活性受土壤有機質含量、pH 值、外界溫度、含水量等環境條件的影響，也受到施肥方式、耕作方式及灌溉方式的人為管理的影響。加入修復現場中的微生物可能會與土著菌株競爭或難以適應環境從而導致作用效果不理想。

3.3.2 不同微生物吸附效果不一樣。前期研究結果表明，不同的微生物對鉛的吸附容量有很大差異。絕大多數細菌對Pd2+的吸附容量集中在50～150mg/g，而真菌對Pb2+的吸附容量集中在5～300mg/g。

3.3.3 微生物修復系統存在潛在危險。微生物通過各種途徑降低重金屬毒性，但由于重金屬的不可降解性、富集性，微生物修復存在著無法徹底清除的缺陷，重金屬的分布仍舊不均勻分布在土壤中，有可能只是短時間的毒性降低，可能隨著土壤環境的變化，因此其毒性存在恢復的潛在危險。

3.4 植物-微生物聯合修復

微生物修復和植物修復技術具有廣闊的應用前景，但各自均存在一定的局限性。微生物只能影響重金屬在土壤環境中的遷移和轉化，不能降解和破壞重金屬鉛，在土壤污染修復方面作用有限，將其與植物修復技術聯合使用，能夠發揮二者最大的污染修復能力。微生物與植物共生，發達的菌絲大大提高植物根系對重金屬的吸收能力，促進植物對土壤中鉛的吸收累積，同時，由于真菌對重金屬鉛的較高耐性，可有效降低重金屬鉛的毒害作用，促進植物的生長發育，提高植物鉛修復能力。另外，高等植物一方面可以提供微生物生長所需的碳源和能源，一方面又可以提供良好的微環境，刺激微生物對重金屬的轉化。