土壤重金屬污染的生物修復技術及機制

孟 越 ，孫麗娜 ，2，馬國峰

（1.沈陽大學環境學院；2.區域污染環境生態修復教育部重點實驗室；

3.沈陽大學機械工程學院；4.遼寧省先進材料制備技術重點實驗室，沈陽 110044）

土壤是由固體相、液體相、氣體組成的復雜三相體系，其為植物生長發育提供了良好的生存環境，土壤中的水、氣、肥等為植物提供了營養要素[1]。土壤重金屬污染就是指土壤中的重金屬超過原始含量，從而對生態環境造成嚴重破壞的現象[2]。據相關資料統計，我國現階段受重金屬污染的耕地面積達到2000萬hm2，是全國耕地總面積的1/6[3]。我國作為糧食需求和產出大國，每年受重金屬污染的糧食高達1200萬t，其導致糧食產量逐年減少，每年減產約為1000萬t，財產損失累積達200億元[4]。

從污染治理方式上來看，重金屬污染土壤修復分為兩類。一類主要是為了改變土壤中重金屬的形態，使生物可利用性及遷移性大大降低；另一類是將土壤中重金屬減少或去除，使其存留濃度達到環境土壤標準要求。污染修復的技術主要分為化學、物理、生物及聯合修復。目前受經費、工程運行參數等因素影響，很多技術難以實現完全控制，修復方式尚不能得到有效推廣[5]。生物修復法包括植物修復、微生物修復和動物修復。生物修復法因效果好、簡便易行，現在越來越受到人們的重視。本文將根據現實可實行生物修復技術的治理方案與機理來對這一問題進行探討。

1 生物修復技術

1.1 植物修復

植物修復法是通過植物在生長周期內參與的一系列吸收、揮發、降解等作用，減少土壤中有毒有害污染物的濃度。植物修復的機理有三個類型，即提取、揮發和穩定。目前，植物提取是普遍研究的方法，主要是通過超累集植物的吸收能力和遷移過程，將一種或多種重金屬從土壤中轉運到植物的機體內，進而收集植物體并進行后續處理使土壤中重金屬含量降低。由于植物提取技術所需求的植物生物量大、生長周期短、耐受性和特異性強，因此它的應用具有局限性。同時，它具有諸多優勢，如處理成本低、對環境無二次污染、將重金屬進行回收等?，F階段，植物提取的重點還是集中在超累集植物身上。

1.2 微生物修復

土壤微生物是根際生態系統的組成部分，包括與植物根系、共生根際細菌和菌根真菌相關的游離微生物。微生物漸漸變異，則可能產生出一些耐重金屬的新群體，繼而可以在重金屬污染環境中生存。它們體內產生的解毒機制可以抵抗重金屬的危害。微生物對重金屬的抗性機制包括生物吸附、生物轉化、細胞外沉淀、生物富集和外排。因為這些功能，微生物可以將被吸收和吸附的重金屬進行固化，或者降低重金屬的活性和生物利用度，使重金屬變得無害，對于外界沒有威脅，又或者增強重金屬的活性和生物利用度，促進重金屬在植物根部的吸收和運輸。目前，大多數微生物修復技術僅限于科學試驗設想水平。

1.3 動物修復

動物修復利用土壤中的某些低等動物如蚯蚓能吸收重金屬的特性，在一定程度上降低重金屬在受污染土壤中的比重，達到動物修復重金屬污染土壤的目的。有研究表明，當土壤中Pb的質量分數為170～180 mg/kg時，蚯蚓的富集因子為0.36。在Pb污染的土壤中投放蚯蚓，待其富集重金屬后，采用電激、清水等方法驅出蚯蚓集中處理，這對于治理Pb污染土壤有一定的效果。

2 生物修復機制

2.1 植物修復機制

植物修復土壤可以按照機制來分為兩個類別：植物先吸收再來轉移重金屬、將重金屬轉化成無害物。前者是先種植植物，讓植物現吸收土壤中的重金屬，等植物組織富集了要收集的污染物后再轉移植物，相當于轉移了污染物。例如，Cunningham的胡蘿卜試驗要除去土壤中的二氯二苯基三氯乙烷，可以用胡蘿卜來先收集，等胡蘿卜富集了要收集的污染物后，收集所得物，將胡蘿卜燃燒完全破壞污染物，讓污染物消失[6]。其間，污染物從土壤進入胡蘿卜內，相當于完全消除污染物。在植物吸收污染物的過程中，植物的根部發揮了重要的作用，該作用與植物的根系大小和面積有一定的正相關關系。后者則是通過植物所分泌的化學物質來工作，化學物質和污染物反應，從而降低污染物毒性。在生長過程中，植物會分泌各種高分子物質或蛋白酶，它們可以除去污染物。Schnoor等發現某些植物分泌的硝基還原酶可以將講解硝基有機化合物，反應結束后污染物被還原成二氧化碳、水以及低毒物[7]。

2.2 微生物的修復機制

因為強大的適應性，微生物被廣泛地運用到污染物除去中。土壤環境為微生物的繁殖生長創造基礎條件。某些微生物可以產生某些化學物質來改良所生存的土壤pH值，從而讓土壤中的離子發生氧化還原反應，改變污染物在土壤中的形態，使污染物變得更加容易吸收和固定，方便去除。Kunita通過研究發現了銅轉化菌在高濃度銅污染的環境中的生存過程，也表明了去除銅離子的可能性[8]。另外，Robinson的試驗說明微生物具有轉化和固定土壤重金屬的功能，環境中根際細菌對Cd的富集達到環境中的100倍左右[9]。

2.3 動物修復機制

動物修復機制主要包括土壤動物對污染物形態的轉化和富集作用。土壤動物主要用于分解、消除和吸收對它們有利的污染物，將其轉化為對植物有利、對生態循環有利的肥料，讓元素再一次進入新的循環之中。糞肥有著大量的有益微生物和許多對植物有利的活性物質，原糞便中的有害生物會被其他土壤微生物所殺死，剩下的便可以用于植物種植。土壤小動物體內的腸道微生物也是一類對人類有益的生物群體，它們不僅彌補了本土生物的不足，還加快了微生物處理污染物的能力，擴大了處理污染物的范圍。鄧繼福等探究了蚯蚓和蜘蛛在污染土壤修復中是否能發揮作用[10]。結果發現，蚯蚓具有很強的富集能力，土壤中的重金屬含量和當地蚯蚓體內的重金屬含量成明顯的正相關，蜘蛛也是如此。

2.4 植物與微生物相互作用的機制

植物與微生物之間有著良好的相互作用。土壤本身就是一種多空的介質物，里面的營養因子是微生物賴以生存的根本，植物的根部也根插在土壤中，利于微生物的附著，微生物分泌多種化學激素、化學物質，改善自身生存環境的同時，也給植物的生長發育提供助力。例如，微生物可以自身活性，分泌植物不能產生的纖維素等，從而促進植物生長。部分微生物卻可以產生相關的抗病和抗逆作用，這就間接促進了植物的生長。因此，植物與微生物相互促進、相互依賴而生存，這為植物、微生物修復技術提供了新的視野和解決方案。

3 生物修復技術發展趨勢

3.1 多種修復技術的綜合應用

雖然目前重金屬污染土壤的修復方法很多，但是沒有一項技術是完美的，每項技術都有缺點。這些技術因為效率、經濟成本以及生態系統的影響等現實問題都有較大的局限性，無法廣泛推廣。但是，許多綜合技術完美地解決了這一問題，取得了良好的效果。植物與微生物、化學物質之間可以相互作用，因此，人們可以利用植物-微生物聯合定向修復技術修復受污染土壤。此外，重金屬污染土壤修復方法還有植物修復、化學修復等。綜合運用各種修復方法是土壤污染修復的發展趨勢。

3.2 生物工程、基因工程以及其應用

基因庫是一個十分重要的概念，人們要收集和豐富基因庫數據，從而加快研究進程。通過基因庫，人們可以將一些有利的植物基因引入生物體內，利用其數量大、生長周期短、耐受性強的特性，培育出具有富集特性的植物。隨著生物技術和基因工程技術的逐漸成熟和應用，超累積植物的選育技術實現了重大突破，推動了土壤重金屬污染修復技術的發展和應用。

4 結論

土壤重金屬污染累積到一定程度，不僅會影響耕地質量，還會影響糧食安全和人體健康。對于土壤重金屬污染，人們應從源頭進行控制，建立監測網，防止重金屬進入食物鏈，確保糧食安全。目前，土壤生物修復的各種單一作用機制已有大量研究，接下來應著重研究各機理之間的關系。此外，生物修復土壤的最大缺點是在富集有機物的過程中存在二次污染和代謝產物，具有更大毒性。因此，對富集生物的后續處理應作為重點探究問題。近年來，大量工礦企業向郊區搬遷，化學物質泄漏事件時有發生，使得土壤重金屬污染場地的修復成為熱點問題。單一生物修復技術已無法起到明顯的效果，而采用化學法等工程恢復措施成本很大，未來，人們要大力探索和研發聯合生物修復技術，從而改善土壤環境，實現可持續發展。