浅谈生物修复治理重金属污染土壤

摘 要：本文论述了生物修复的优点与缺点，并分析了几种重金属污染土壤生物修复技术。

关键词：生物修复；重金属污染土壤

1 引言

这些年来，各国愈来愈重视土壤污染修复技术的探究，荷兰、日本、美国等都对土壤污染修复技术的相关研究投入大量成本[1]。就我国来说，因为各方面的影响，土壤环境污染情况令人堪忧，2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示：全国土壤总的超标率为16.1%，其中无机污染物超标点位数占总的82.8%。土壤重金属污染物在无机污染物中较为突出，主要是由大气沉降、污水灌溉、矿业活动、农药和化肥等因素所致。

2 生物修复的优点与缺点

生物修复技术是借助生物代谢活动治理环境污染的技术，降解转化土壤中有机化合物，或对重金属进行转化固定，使其处于无害形态。相对于物理和化学修复来说，该技术经济有效，成本较低，对环境扰动小，防止二次污染，产物大多是稳定、无害的物质，比如水、氧气、二氧化碳等。最近几年，生物修复技术和应用在美国占有10％左右的市场份额，在国内也有一定的应用。生物修复也有一定的局限性，例如精确控制难度大，时间跨度长等。以巨菌草为例，要将土壤镉含量为2mg/kg降到0.3mg/kg，理论上需用4-5年，很大程度受制于生物的代谢活动和生长周期。

3重金属污染土壤生物修复技术

3.1动物修复技术

动物修复技术是利用可以在土壤中生存的，对某些污染物有吸收作用的动物进行修复的技术。这些动物能吸收污染土壤中的重金属，减少其含量，进而减轻污染水平。比如蚯蚓就是以有机物为主要食物，通过对土壤中有机物的取食活动影响土壤的理化性质变化，降低土壤的污染程度。而且蚯蚓的活动能促进土壤中植物的生长，改善周围的生态环境，具有十分积极的生态作用。有研究表明，蚯蚓可以吸收土壤中的重金属铅和镉，将之铅/镉-金属硫蛋白复合物，将这两类重金属进行富集，从而减轻污染[2]。

3.2 微生物修复技术

在重金属污染的土壤中，一般会富集多种抗重金属的微生物，从中筛选出合适的抗性微生物。这些微生物可以改变重金属的形态和特性，对其进行固定、转化或移动等，以此减轻污染。

一是可以借助微生物的吸附和富集作用。部分微生物可以借助电荷的存在，吸附相关金属离子，或将其富集在表面等。比如根霉菌可有效吸附铜离子；类产碱单胞菌能在弱酸条件下有效吸附铜离子和铅离子；绿色木霉可以有效吸附锌离子和铅离子[3]。

二是可以借助微生物的生物转化作用。比如氧化还原反应，部分微生物可以改变金属离子的价态，或者可以将离子的有机态变成单质，部分重金属在此过程中会降低甚至消除有害性。有研究发现，烟草头孢酶F2在含有二氯化汞的液体培养基中生长，最终会将溶液中的汞含量降低90%左右，这说明头孢酶F2可以将二氯化汞还原成汞元素，在这个过程中，少数汞会被挥发和吸附，大部分会沉积在培养液底部。另外，甲基化与去甲基化、络合物反应等，都能使重金属的毒害作用减轻或者消除，进而降低污染的可能。

3.3植物修复技术

植物修复技术是借助种植针对某些重金属，可以耐受或超积累的植物，借助植物的生长过程，对这部分重金属进行富集，然后将植物收集后进行无害化处理（如灰化焚烧等），从而将该重金属从土壤中移出，达到修复目的[5]。

一是植物提取法。

该方法是借助植物的富集功能，通过生长阶段的进行，提取土壤中的重金属，转移到自身可收割的部位（花、果实等），再通过集中处理，减少重金属含量和污染。一般植物对土壤中重金属的提取能力有限，而超富集植物的提取能力是一般植物的100倍以上。例如，将土壤含锌量从444mg/kg降低到300mg/kg的欧盟标准，需要种植萝卜2046次，油菜832次，而种植遏蓝菜理论上只需要13-14次[4]。目前，经过多年的研究，全世界已经发现500多种超富集植物：商陆、鼠麴草能超富集Mn；绿叶苋菜、裂叶荆芥、麻疯树等能超富集Pb等。部分植物还能超富集多重金属，如印度芥菜能超富集Pb、Cr、Ni、Cd等。

二是植物挥发法。该方法主要运用在挥发性重金属（如汞和硒等）污染的土壤中。借助特殊的植物，将将带来污染的重金属转化为气态，挥发出去，减少土壤中的含量，从而减轻污染。有研究表明，杨麻可以将土壤中的三价硒离子转变成甲基硒，继而挥发出去，去除土壤的硒污染；烟草可以将Hg2+转化为气态的单质Hg。除了天然植物，部分转基因植物也有该种作用，比如说拟南芥 [2]。

三是植物稳定法。该方法是利用植物根系分泌出能与重金属离子相结合的有机酸、氨基酸和多肽等物质的功能，再借助与土壤等环境介质的共同作用，将重金属钝化固定，降低其迁移性和有效性。此方法虽然没有减少重金属在土壤中的分量，但是其无法再进入水体和食物链中。养麦未来比较有前景的是对铅和铬的固化。

四是植物-微生物协同修复技术。该技术借助植物-微生物-土壤形成的复合环境来降解重金属污染物，一般是依靠真菌侵袭植物根部，形成菌根，其可以分泌多种酶，分解土壤中的有机物以及矿物质；同时，还可以产生植物激素等物质，促进植物的生长，提高抵抗力。比如丛枝菌根真菌，可以与目前所知的90%以上高等陆生植物建立这种共生关系。有实验发现，杨柳对Zn、Cu、Cd的富集能力在形成菌根后有显著提升。

4重金属污染土壤生物修复技术的展望

目前来说，重金属生物修复技术相比过去有很大的进步，新的研究成果不断出现，但在实际实施过程中，需要考虑众多因素。该技术不适合用于污染严重的土壤，且修复时间跨度较长等。

未来对于重金属生物修复技术的发展，应从以下方面加强理论研究和实际应用：一是筛选高效降解污染物菌种，采用基因重组等生物技术培育新的工程菌，提高对于污染的抵抗能力和治理能力，以及高效降解能力。二是利用分子生物学等技术筛选超富集植物，最好是根据地方环境，诱导培育当地植物，使其具有超积累和高富集能力。三是创新生物修复技术与物理、化学等其他技术的联合应用，进行多种修复方式组合研究，充分发挥各自修复技术的优势，达到最佳修复效果。

原标题：浅谈生物修复治理重金属污染土壤