礦區土壤重金屬污染微生物生態修復技術研究

李會杰　劉雨

摘要：高濃度的重金屬會抑制微生物的生長，且礦區土壤重金屬含量和組成差異較大，從而影響修復效果。為此，研究礦區土壤重金屬污染的微生物生態修復技術。采樣分析礦區土壤重金屬種類及含量等相關值；建立地累積指數模型及土壤重金屬污染評價函數，分析重金屬污染的生物毒性雙權評價值與整體污染評價指數；分析各微生物的整體修復作用，以此達到土壤重金屬污染微生物生態修復的目的。經實驗表明，所提技術能夠快速有效的對礦區土壤重金屬污染展開修復作用，為礦區土壤健康提供保障。

關鍵詞：重金屬污染；微生物修復；生態修復技術；污染評價模型；土壤污染系數

中圖分類號：X53 文獻標志碼：B

前言

礦區土壤重金屬污染是由于礦產資源開采和冶煉過程中的廢棄物和排放物對土壤造成的嚴重污染問題。微生物生態修復作為一種環境友好、可持續的修復技術，已成為研究熱點。某些微生物可以耐受重金屬、吸附或還原重金屬，對于修復重金屬污染的土壤具有潛在的生物修復潛力。隨著礦區的不斷開采，各類的土壤污染事件也隨著而來，其中以重金屬污染最為嚴峻。經研究發現，在礦區開采過程中，會因管理疏漏或開采技術有限等原因使得各類重金屬元素通過大氣、水源、固體廢物以及自然擴散等方式對礦區土壤產生影響。經研究發現，重金屬在土壤特性作用下，使得其整體在土壤中的運移、稀釋等過程較為漫長，同時使得其出現不易降解的情況，經過不斷累積，會導致土壤中重金屬毒性不斷增大，進而對生態系統造成危害。

為了降低礦區重金屬污染所帶來的風險，提出礦區土壤重金屬污染的微生物生態修復技術研究，該技術作為一種環境友好、可持續的修復技術，已成為研究熱點。微生物生態修復可以通過利用微生物的多樣性和功能來提高修復效果，并促進土壤恢復。此外，微生物生態修復技術還與植物修復相結合，形成協同作用，加速修復過程。

1 數據來源及微生物污染修改方法

1.1 土壤重金屬含量分析

以河南礦區為例，在研究區選取55個礦區土壤表層對其展開重金屬含量檢測，得到的結果見表1。

表1中，汞的變異系數達到68．01%，表明其整體變異程度最高；而鉻的變異系數僅有9.93%，表明該金屬污染物的整體變異程度最小。將礦區土壤重金屬所具備的平均變異程度由小到達排列為：鉻、銅、鎳、鋅、鎘、鉛、砷、汞。

以此為基礎開展礦區土壤重金屬污染評價操作。

1.2 土壤污染程度分析

1.2.1 地累積指數

在獲取礦區土壤重金屬污染物種類以及各地區污染指數分布后，可以通過地累積指數模型對其展開分析1，其中，地累積指數模型Jgeoj的具體表述如式（1）所示：

式（1）中，Dj代表土壤中實際j污染物的平均含量；Cj代表j的地球化學背景值；l表示背景波動的相關系數。以Jgeo為依據可以將土壤重金屬污染程度分為七級，具體表現見表2。

1.2.2 污染綜合評價模型分析

設定Dj=（D1j，D2j，D3j）和Cj=（C1j，C2j，C3j）表示待修復土壤所含重金屬污染物的濃度以及其所具備的地球化學背景值，引入三角模糊數參數，得到經過三角模糊化后的地累積指數土壤污染模型Jgeoj為式（2）：

將獲取的礦區土壤重金屬污染物地累積指數與α-截集技術結合，獲取相應的區間數，引入隸屬度函數以達到確定土壤污染等級的目的。若得到的土壤污染地累積指數區間為[Jgeo1，Jgeo2]，則該區間于[Jgeo1*，Jgeo2*]之間存在的隸屬度B（μ）可以定量表述如式（3）：

1.3 微生物生態修復步驟

1.3.1 微生物的吸附、富集機理

將微生物對重金屬的吸附、富集作用轉換為其對環境中所含重金屬的吸附、富集作用。由于大多數微生物表面存在如氨基、羥基等的陰離子基團，此類基團使得微生物表面顯示電負性的效果（具體表現見表3）。

對于微生物的吸附能力，已有研究對其吸附容量給出相關數據，其具體表述見表4。

引入細胞表面展示技術，將酵母菌金屬硫蛋白與酵母菌細胞表面結合。微生物在代謝過程中產生的EPS可以達到對Mg2+、Pb2+以及Cu2+快速固定的目的，且其對于Pb2+的親和力較高。將微生物的吸附容量與現代基因組學技術結合，以此增強微生物的整體吸附容量。微生物的富集以絡合物或沉淀等形式將重金屬實施積累和固定的過程。胞內的金屬硫蛋白與Cd2+結合形成多磷鹽酸或復合物沉淀，降低Cd毒性。經過重組后的大腸埃希菌釋放Cd2+螯合多肽，增加Cd在胞內的富集狀態。

1.3.2 生物轉化

微生物在代謝時產生的汞還原酶可以與離子態汞發生作用，使其轉化為元素態汞，降低汞元素對土壤的威脅。

針對As（砷）元素，展開甲基化處理，得到低毒性的甲基化產物。利用mer對子編碼作用蛋白展開操作，對汞元素去甲基化處理。甲基汞在有機汞裂酶和汞還原酶的作用下可轉化為甲烷與元素態汞，以達到降低汞對于土壤的危害程度。而產甲烷菌與SRB（硫酸鹽還原菌）作用可以將甲基汞分解為二氧化碳和汞離子等，達到改變環境介質對重金屬吸附特性的目的，轉化公式具體可以表述如式（6）：

1.3.3 生物表明活性劑

若土壤中重金屬濃度超過微生物的耐受程度，經過轉化的重金屬粒子可以與微生物表面活性劑發生作用，因此通過其它方式與土壤分離。將重金屬離子與生物表面活性劑之間的相互作用總結為：從膠束中分離出的微生物表面活性劑通過吸附作用固定在土壤表面；在土壤兩相界面環境下，由表面活性劑產生的單分子層會出現重排情況，通過與土壤中重金屬產生絡合作用，形成較為穩定的可溶物，以此達到去除土壤中重金屬的目的。

2 結果與分析

明確土壤中重金屬修復效率ι的計算方式，即式（7）：

式（7）中，D0代表微生物修復前土壤中重金屬質量分數；D1代表經微生物修復后土壤中重金屬的質量分數。

礦區土壤在相同的環境下，將土壤中常見重金屬（以鋅、鎘、鉛為例）的含量變化作為對比條件，推導出研究提出的修復方法的整體修復效率和效果，具體過程見圖1。

由圖1可以看出，微生物生態修復技術應用后土壤重金屬含量隨時間的增長下降速度較快。由此可以看出，微生物生態修復技術能夠較為高效的對礦區土壤的重金屬污染展開修復，且具有較好的修復效果。

3 結束語

為了降低重金屬對土壤的污染情況，研究了一種礦區土壤重金屬污染的微生物生態修復技術。通過對河南各個礦區55個區域的土壤采樣可知，該區域重金屬的主要成分為鉛、鎘、銅、鋅、鉻、汞、砷，其中汞元素的變異程度最高；根據地累積指數模型，明確土壤重金屬污染程度等級，并以此為基礎對河南礦區土壤的重金屬污染展開評價，獲取各礦區土壤重金屬污染的生物毒性雙權評價值與整體污染評價指數；微生物對于土壤中重金屬的作用效果主要有溶解、吸附、轉化三種，對各個作用展開具體分析并總結，可以達到對土壤中重金屬物質剝離和分解的目的，由此實現礦區土壤重金屬污染微生物生態修復的目的，為礦區土壤健康提供保障。