土壤重金屬污染生物修復技術

吳顯鑫

南京白云環境科技集團股份有限公司，江蘇南京 210047

引言：生態系統中，土壤子系統是人類及一切陸生動植物賴以生存發展的物質基礎之一。土壤系統自身具有一定的緩和及減少污染的自凈能力，可通過自身的物理、化學和生物的復雜作用，使進入系統的污染物質逐漸轉化、減毒、消失，最終使土壤系統重新達到平衡狀態，恢復原有的生態功能。然而，這種自凈能力是具有一定限度的。一旦進入系統的污染物總量超過了系統本身的耐受度，會導致土壤污染的發生。土壤一旦受到污染，本身的物理、化學性質便發生改變,如土壤板結、肥力降低、土壤被毒化等，污染物還可通過雨水淋溶，由土壤流入地下水或地表水，造成水質的污染和惡化。受污染的土壤上生長的生物，吸收、積累和富集土壤污染物后，會通過食物鏈進入人體，最終對人體造成危害。嚴重的土壤污染還可導致農作物生長發育減慢甚至枯萎死亡，生物多樣性迅速下降。

1 生物修復的類型

1.1 植物修復

植物對土壤重金屬污染的修復包括植物降解、植物提取、植物揮發、根系鈍化以及植物固定。其內在機理可能包括回避、吸收排除、細胞壁防御、重金屬胞內區域化、重金屬與各種有機酸絡合、酶適應、滲透調節等機制。

植物降解指重金屬進入植物體內，通過植物機體生化過程，改變重金屬離子價態，降低其生物毒性。植物提取是利用富集或超富集植物將土壤中的重金屬提取出來，運輸并富集到植物可收獲部分，最終可通過收獲植株、集中處理，使重金屬脫離土壤。提取修復包括兩個階段，首先是將土壤中束縛態重金屬轉化為非束縛態，其次是將重金屬向植物可收獲的地上部運輸。植物根系鈍化是指植物根系分泌有機酸、氨基酸、多肽等與重金屬離子結合，降低重金屬的移動性和生物可利用性，減小重金屬被淋溶到地下水或通過空氣擴散進一步污染環境的風險，并減輕對植物的毒害作用。植物體內存在一種金屬硫蛋白(MT)，富含半胱氨酸，半胱氨酸上的巰基易與重金屬結合，形成低毒或無毒的絡合物。此過程僅改變重金屬離子的形態，并未減少土壤中重金屬的含量。植物氣化是利用植物根系分泌的一些特殊物質使土壤中的重金屬轉化為可揮發態，或者植物將土壤中的重金屬吸收到體內后將其轉為氣態物質釋放到大氣中，從而凈化土壤。植物氣化技術應用于修復重金屬污染土壤，能有效去除土壤中的重金屬，但同時使重金屬揮發到環境中，可能造成二次污染。因此在采用植物氣化技術時應持謹慎態度。植物提取修復技術是目前應用最多、最有發展前景的土壤重金屬污染植物修復技術。

我國野生植物資源豐富，生長在天然的污染環境中的野生超積累植物和耐重金屬植物不計其數，因此開發與利用這些野生植物資源對植物修復的意義十分重大。據有關資料顯示，大量水生植物對重金屬Zn、Cr、Pb、Cd、Co、Ni、Cu 等有很強的吸收積累能力。仙丹花、鵝掌藤、馬齒莧、變葉木、美人蕉、孔雀草以及向日葵等，這些植物吸收重金屬的能力以及在污染場址的生長狀態都不錯。木本植物生物量大，修復效果好于草本植物，如池杉富集Pb 和Cd 能力優于蘆葦。陸生植物具有發達的根系，將幼小的陸生植物種苗用于水體中重金屬的去除會更加有效。然而，目前利用野生抗性植物進行重金屬污染土壤的治理還未取得理想結果。這主要是因為超富集植物一般只能積累某些重金屬元素，植物物種的選取受不同地理氣候條件的限制，同時富集植物和超富集植物生物量一般較少，生長速度慢，積累效率低。目前，大多數學者都試圖通過基因工程的方法來獲得重金屬超富集植物（如蕓苔屬植物）。如導入金屬硫蛋白基因或引入汞離子還原酶的半合成基因，以及其他與重金屬耐性有關的基因，以此來增加植物對重金屬的耐受性，最后規模種植這些超富集植物體來回收土壤中的重金屬元素。

1.2 微生物修復

微生物修復是指利用野生或人工培養的具有特定功能微生物群，在適宜環境條件下，通過自身的代謝活動，降低有毒污染物活性或降解成無毒物質的生物修復技術。近年來，微生物修復技術已成為污染土壤生物修復技術的重要組成部分。

微生物修復重金屬污染土壤的原理主要包括生物富集、生物吸著以及生物轉化3 個方面。生物富集是指有毒金屬被吸收后貯存在細胞的不同部位或被結合到胞外基質上，通過代謝過程，這些離子可被沉淀，或被輕度螯合在可溶或不溶性生物多聚物。微生物積累重金屬也與金屬結合蛋白和肽以及與特異性大分子結合有關。微生物能夠通過自身的代謝活動作用于重金屬元素是因其體內攜帶重金屬抗性基因。重金屬抗性基因是微生物在自然條件或人工誘導下產生的抗重金屬毒性的遺傳因子，可以激活和編碼金屬硫蛋白、操縱子、金屬運輸酶和透性酶等，通過利用這些物質與重金屬結合、形成失活晶體或促進重金屬排出體外等機制對重金屬進行解毒。

1.3 綜合修復技術

現實中土壤中污染物種類繁多，復合污染普遍，污染程度與厚度差異大，同時地球表層的土壤類型多，其組成、性質、條件的區域差異明顯，而且修復后土壤再利用式的空間規劃要求不同。因此，單項修復技術往很難達到修復目標，而開發復合修復模式就成為土壤污染修復的主要研究方向。現今開始投入應用的復合修復技術的主要類型有植物/微生物聯合修復、動物/植物聯合修復以及化學/物化-生物聯合修復。

2 結束語

綜上所述，土壤重金屬污染問題有很多解決辦法，微生物修復技術的不斷提高使得污染問題的解決有了很多的渠道和思路。各種修復技術都具有不可替代的優點和局限，單一推廣某種技術很難達到全面的效果。土地重金屬污染修復作為一個綜合性治理項目，既需要微生物學、生態學、化學等多種學科的研究和進步，也需要各種技術的綜合運用，發揮各自獨特的優勢，使其為解決污染問題作出最大的貢獻。