土壤重金屬污染聯合修復技術研究進展

盛紅坤 張晨 李國東 高相艷

摘要：近年來，我國國民經濟、工業化進展的不斷發展以及城鎮人口的急劇增加，導致工業和生活廢棄物大量排放，土壤污染問題越發凸顯。重金屬污染是土壤污染的主要原因之一，修復方法多樣化，而聯合修復技術是土壤重金屬污染重要而安全的治理技術。本文綜述土壤重金屬污染聯合修復技術的研究進展，通過分析多種聯合修復技術的特點，對聯合修復技術進行探討和展望，旨在引導人們選擇科學的聯合修復技術治理土壤重金屬污染。

關鍵詞：土壤;重金屬污染;聯合修復技術

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）04-00-02

Abstract：In recent years， with the continuous development of Chinas national economy and industrialization， as well as the rapid increase of urban population， has led to a large number of industrial and domestic waste emissions， and the pollution of soil has become more and more prominent. Heavy metal pollution is the main causes of soil pollution， and the repair methods are diversified， and the joint repair technology is an important and safe treatment technology for the heavy metal pollution of soil. This paper reviews the research progress of the joint repair technology for the heavy metal pollution of soil， and by analyzing the characteristics and discussion of various joint repair technology， in order to guide people to choose scientific joint repair technology to control soil heavy metal pollution.

Key words：Soil;Heavy metal pollution;Joint repair technology

我國人口眾多，土地資源短缺，而工業和生活廢棄物大量排放，許多重金屬通過多種途徑進入土壤，導致土壤重金屬元素污染，主要以鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳等重金屬為主[1]。重金屬污染土壤的修復方法多樣，但已有的修復技術在效率、成本和對生態環境干擾等方面存有各自局限性，導致無法大面積推廣。物理修復、化學修復以及工程修復技術往往會破壞土壤的理化性質，造成二次污染，對于污染面積大且污染程度輕的土壤基本難以應用[2]。生物修復方法的周期較長，僅能超量富集生長范圍內且有效性較高的重金屬，具有很大的局限性[3]，此外對單一金屬污染修復較好，對復合污染的土壤修復效果不佳[4]。因此，很多研究嘗試著多種修復技術綜合應用進行土壤修復，并取得較好效果。例如植物-微生物聯合修復技術、改良劑-植物聯合修復技術、螯合劑-植物修復技術、電壓-植物聯合修復技術、基因工程-植物聯合修復技術等。多種修復技術的聯合應用必將是土壤修復技術研究的趨勢[5]。本文通過各種聯合修復技術的分析比較，為土壤重金屬污染修復工作提供理論參考，對于實現生態文明的建設具有重要的實踐意義。

1 土壤重金屬污染概況

相對密度大于5.0g/cm3的所有金屬元素成為重金屬，主要包括汞、鎘、砷、鉻、鎳、銅、鋅、釩、錳、銻等，其中前五種因其毒性大被稱為“五毒元素”。目前全世界土壤都存在不同程度的重金屬污染，全世界平均每年排放Hg約1.5萬t、Cu為340萬t、Pb為500萬t、Mn為1500萬t、Ni為100萬t[6]。目前中國糧食主產區耕地土壤重金屬點位超標率為21.49%，自20世紀80年代以來，在我國糧食主生產區耕地土壤重金屬含量呈增加趨勢，整體上點超標率增加了14.91%，主要污染為Cd、Ni、Cu、Zn、Hg，超標率分別為17. 39%、8. 41%、4. 04%、2. 84%、2. 56%。四川盆地、長江中游及江淮地區、黃淮海平原、松嫩平原和三江平原的耕地點位超標率分別為43. 55%、30. 64%、12. 22%、9. 35%和1. 67%，礦業、工業、灌溉水以及人為活動是主要的污染源[7]。

據我國環境保護部統計，2009年環境保護部接報12起重金屬、類金屬污染事件，致使4035人血鉛超標，182人鎘超標，引發32起群體事件。土壤重金屬污染具有不可降解性、隱蔽性、滯后性以及較強的累積性，一旦進入到土壤中會呈現生物富集現象[8]，直接或間接通過食物鏈威脅著食品安全、生態系統和人類健康[9]，例如，汞被食入后直接沉入肝臟，對大腦視力神經破壞極大;鎘會導致高血壓;鉛超標可以直接傷害人的腦細胞等。任何一種重金屬都能引起人的頭痛、失眠、神經錯亂、癌癥等。

2 聯合修復技術

2.1 植物-微生物聯合修復技術

植物對重金屬的富集能力與土壤中微生物的種群分布存在著一定的關系。微生物通過多種渠道影響土壤中重金屬的生物效應。根區是植物根系和根際微生物作用的場所，微生物的活動可以改變土壤溶液的pH，從而改變土壤對重金屬的吸附特性;還可以產生H2S等，可與重金屬反應，而微生物的細胞壁或黏液能直接吸收或吸附重金屬。有兩種形式：專性菌株與植物聯合修復和菌根與植物聯合修復。修復機理分為三種：①重金屬從土壤轉移到植物根部過程，植物作用的土壤內某些不溶態的重金屬可以被植物累積、微生物活化，提升植株攝取效果;②重金屬從根系轉運到地上部的過程;③超積累植物體內的有機物對重金屬離子的螯合，超富集植物體內的有機酸可以和重金屬發生絡合作用減弱其毒害作用，增進重金屬的運輸;④超累積植物對重金屬離子的儲存，經過吸收、轉運的不同重金屬離子會儲存在植物的不同部位[10]。

2.2 改良劑-植物聯合修復技術

在土壤中加入土壤改良劑（如磷酸鹽、石灰、硅酸鹽、生物炭等），與重金屬發生化學反應形成穩定的化合物來，調節土壤營養及物理化學條件，降低土壤中重金屬的遷移能力，抑制植物對重金屬的吸收以達到治理和修復的目的。石灰、生物炭的施加可以改善土壤酸性環境，將土壤pH由酸性顯著提高至中性，降低土壤重金屬生物有效性，重金屬溶解態和懸浮態在徑流中均在植物修復過程中得到降低，土壤中重金屬污染的擴散得到有效控制[11]。在盆栽試驗中，施用改良劑對大白菜的生長具有促進作用，可提高土壤的pH值和降低土壤中的有效Cd含量，同時可顯著降低大白菜中Cd和Pb的含量[12]。

2.3 螯合劑-植物聯合修復技術

在植物修復過程中使用適當的螯合劑，能夠打破重金屬在土壤液相和固相之間的平衡，減弱重金屬-土壤鍵合常數，使平衡關系向著利于重金屬解吸的方向發展，使大量重金屬進入土壤溶液，從而促進植物吸收和從根系向地上部運輸金屬[13]。Hu等對沙壤土進行EDTA聯合植物修復，通過EDTA柱浸出實驗，當其濃度為50 mmol/kg時，Cd、Cu、Pb、Zn的柱浸出除去率分別達到90%、88%、90%、67%[14]。王學峰等研究發現，一定濃度的EDTA和檸檬酸可提高向日葵對重金屬Cd、Ni的吸收。孫小峰研究發現在添加EDDS能在一定程度上提高海洲香薷對Cu、Zn、Pb的吸收量，對地下水水質影響不大，且對于地下水的潛在淋濾風險比較小[15]。

2.4 電動-植物聯合修復技術

在電壓作用下，電極附近土壤溶液發生電化學反應，改變了土壤的氧化-還原電位、pH等理化性質，加快土壤固體上重金屬的解吸，提高土壤溶液中重金屬的含量，從而有利于植物的吸收、積累，加快修復過程。OConnor等研究發現，在直流電場的作用下，重金屬從陽極向陰極移動，并且對土壤pH有顯著改變，植物能夠在此情況下生長且吸收一定量的重金屬元素[16]。電場和EDTA的共同作用下印度芥菜地上部Pb的吸收比僅施加EDTA提高2-4倍[17]。電場對黑麥草地上部生長有一定的促進作用，且可以促進對Cu的吸收[18]。另外有大量的研究獲得相似的結論：在一定的電場作用可以提高植物對重金屬的吸收[19-22]。影響電動-植物聯合修復效果的因素有電壓施加方式、電場強度、添加劑的使用等。

2.5 基因工程-植物聯合修復技術

利用基因重組技術將具有金屬累積特性的基因導入生物量大且易收貨的植物中，并利用該植物特定的受體細胞與載體一起得到復制和表達，使受體細胞獲得新的遺傳特性，最后將轉基因植物進行田間試驗，已確定是否達到目的。這些能夠富集金屬或有金屬抗性的基因是從細菌、真菌和動植物中分離克隆出來[23]。主要分子生物學途徑有：提高植物根際金屬離子的生物利用率;克隆轉金屬離子跨膜運載蛋白;利用植物體對特殊金屬離子的轉化和轉移作用;過表達金屬螯合肽或者復合物等。

3 結語

隨著更多國家經費的投入和技術創新發展，土壤重金屬污染修復技術研究水平有了較快提升，聯合修復技術是主要趨勢，但是很多是處于基礎階段。從聯合修復技術的近期發展來看，最經濟且安全的聯合修復技術是植物-微生物聯合修復技術和基因工程-植物聯合修復技術。聯合修復技術的效果受到重金屬種類、濃度及價態等理化性質和環境因素的影響。因此，對于不同聯合修復技術的組合，需要因地制宜，考慮技術和環境因素，選擇最科學高效的修復方法和組合，同時不要局限于兩種技術的聯合修復，可以三種或者更多技術聯合修復，實現對復合重金屬污染土壤的有效治理。

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收稿日期：2019-03-07

作者簡介：盛紅坤（1988-），男，研究生，研究方向為重金屬污染防治研究。