土壤重金屬污染的生物修復技術簡析

楊家寶 沈瑞杉

(1、浙江歐雅菲環境檢測有限公司，浙江 永康321300 2、泉州市城東中學，福建 泉州362000)

土壤，被譽為地球的“ 皮膚”，作為地球生命活動和物質循環流動中大氣圈、生物圈、水圈、巖石圈四大圈層的交互界面，扮演的重要角色是不言而喻的。目前我國土壤重金屬的污染，日益影響著我國土壤質量和糧食生產安全。 據環保部2014 全國土壤污染狀況調查公報顯示，我國土壤總的超標率為16.1%，以無機型污染為主，重金屬污染物主要有鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳等8 種。 土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性，可通過生態系統的物質與能量循環流動，農作物的吸收和生物鏈的富集效應等，最終對人類的健康造成巨大、嚴重的威脅。

土壤重金屬污染引起了國內外眾多科研工作者的關注，各種包括客土法、物理、化學在內的傳統方法等污染物治理修復手段也在方興未艾的發展。 近些年來，新興的生物修復方法，以其不破壞土壤結構、 環境友好特性引發廣泛的研究熱潮。 生物修復技術是指包括植物、微生物、動物等在內的各種生物體利用自身的生命活動代謝或不同生物物種之間的協同作用從污染的土壤中吸收、轉化、降解環境中有機污染物和無機物污染物，實現凈化修復土壤生態環境的治理方法。

1 生物修復技術的類型

1.1 植物修復技術

植物修復技術（ phytoremediation）利用具有超積累的自然植物或現代遺傳學改良的植物，通過吸收、提取、分解、轉化或固定等方式來消除土壤中污染物。植物修復技術通常有兩條途徑：一是植物通過生命活動積累、代謝和固定重金屬和化合物或形成揮發性氣體，分散到大氣中；二是通過根際分泌有機酸、螯合物等化合物等方式來改變污染物在土壤環境中的形態，從而降低重金屬的生物有效性和可移動性。目前按照修復機理和過程的不同，可分為植物提取、植物固定、植物揮發、根系過濾等。

植物提取技術是指通過種植天然或者轉基因超富集植物盡最大限度的吸收積累污染土壤的重金屬，將其吸收累計到植物的地上部或根部，將其收割處理，以有效去除土壤中的污染物。 超富集植物普遍被定義為在具有高濃度污染物的土壤中可以正常生長植物，其地上部分重金屬含量達到普通植物100 倍。 目前用于土壤重金屬污染治理的研究的常用超富集植物有：砷超富集植物蜈蚣草、鋅超富集植物東南景天、油菜、十字花科、植酸模草、工業用的大麻等。

植物固定技術是指利用一些植物將原來高毒性形態的重金屬轉化到低毒性狀態的過程。 植物通過生命活動沉淀、螯合、氧化還原等過程降低土壤重金屬的有效性，或是通過根際的生命活動改變如土壤的根際環境pH、氧化還原電位等來改變污染物的化學形態。 該技術的缺點是土壤重金屬污染物并未徹底被清除，僅是被以固化的形式存在于土壤中，暫時失去生物有效性，一旦被固化重金屬周圍的環境發生變化時，污染物的生物有效性可能又會恢復。

植物揮發技術主要是針對土壤中可形成易揮發性化合物的汞、硒、砷等金屬，通過根系吸收該類金屬，在植物體內轉化形成可揮發性的氣態化合物，釋放到環境空氣中，達到修復土壤，去除污染物的效果。 如煙草揮發甲基汞、印度芥菜降解硒化合物等。

根系過濾是指利用耐性植物特有的龐大根系過濾、沉淀、富集污染物，達到修復土壤污染的目的。 過濾的植物包括有向日葵、印度芥菜、煙草等。水科植物浮萍、水葫蘆可以有效吸收清除水體的鎘，銅和砷等重金屬。 目前應用較多的有人工濕地技術和生物塘工程。

植物修復技術相較于傳統土壤重金屬理化修復技術， 優勢在于綠色環保、耗費低、原位修復、具有不破壞土壤環境等優點。缺點是現實情況中污染場地常常具有具多種有機污染物和無機污染物復合型污染，受污染范圍不局限于的表層的土壤，污染超積累植物修復能力往往只是有一種或少數幾種的重金屬； 許多超積累植物屬于表層根系，自身生物量有限，而且生長發育較為緩慢，導致重金屬富集量有限；修復時間較長；超積累植物的再處理問題等。

1.2 微生物修復技術

微生物修復技術是指利用天然或基因工程改造的微生物菌株，在自然環境或人工優化生存環境下， 通過在生命和新陳代謝活動過程中，富集、吸附、降解土壤的有毒污染物，從而修復受污染的土壤。微生物對重金屬的修復機理有生物富集、生物固定和氧化還原、水解聚合等方法。目前研究的微生物主要包括細菌、真菌、放線菌、藻類微生物等， 研究熱點包括菌根修復、 根際微生物對土壤重金屬解毒機制、生物刺激技術等，研究的新興方法包括基因組測序、轉錄組、代謝組學等在內的各種生物信息學技術。

微生物修復技術主要優點實現原位修復、 可以同時修復土壤和地下水、基本不會產生二次污染物、適用范圍廣等。 缺點是：（ 1）對重金屬污染物吸收有一定容量；（ 2）微生物自身容易遺傳變異、穩定性差、而且可能與土著微生物菌株產生生境上的競爭；（ 3）容易受到如pH 值、溫度、濕度等各種環境影響，導致不同環境適應性具有很大差異，修復效率差異較大。

1.3 動物修復技術

動物修復技術是指土壤中的某些低等動物、 原生動物等通過自身的生命活動、新陳代謝功能直接富集、轉化、鈍化污染土壤的重金屬亦或通過協同微生物作用，降低、消解土壤污染物，從而達到減少對環境的危害。 目前研究表明關于動物富集污染土壤重金屬生理機理主要包括：（ 1）動物體內包含較多的金屬硫蛋白，可以絡合土壤中的重金屬，形成無毒、或低毒的化合物；（ 2）動物體內生命活動代謝產生的含-SH 多肽物質，可以螯合重金屬，改變其有效性；（ 3）動物體內富含的編碼金屬轉運蛋白的基因，可以有效提高其對重金屬的耐性。具體的機理有待進一步深入研究。研究發現蚯蚓等動物對重金屬元素有較強的富集能力，特別是對土壤鋅、鎘具有良好的富集作用，而且能夠改良土壤結構，提高土壤的肥力。

土壤動物除了自身可以直接富集污染土壤的重金屬外，還可以通過自身的生命活動可以將土壤有機物轉化為有機酸，鈍化重金屬，使其失去活性。 亦可通過與植物、微生物的協同作用富集、鈍化轉化重金屬的活性，促進菌根遷移轉化重金屬。成杰民等研究了蚯蚓- 菌根在植物修復鎘污染土壤中的修復效果，結果表明二者的協同效應可以有效增加黑麥草對于重金屬鎘的吸收，達到更好的修復目標。

2 展望與建議

近年來國內外研究者在土壤重金屬污染的生物修復做了大量的工作，如超富集植物品種的甄別與篩選、植物對重金屬的響應機制的研究、金屬離子轉運蛋白克隆與超富集轉基因植物修復的研究、高效污染物降解微生物菌株與種質資源、植物與微生物聯合修復技術中的菌根修復技術等。 目前還有許多工作值得我們深入研究。

2.1 篩選出更多新的超積累植物， 深入解析超積累植物重金屬分子吸收、轉運、忍耐和解毒利用的生理和生物學機制，為土壤重金屬高效超積累植物的分子設計育種奠定理論基礎。

2.2 土壤系統的多樣性以及現實中土壤污染的多源性、復合型，單純的生物修復技術往往難達到預期的修復效果。 通過化學、物理、土壤化學、生物學、植物生理學、作物栽培學、分子生物學、基因組學、轉錄組學、宏蛋白質組、統計學等多學科交叉研究，因地制宜，科學施策，聯合治理修復土壤的重金屬污染，從而達到較為理想的污染治理效果。

2.3 加快發展生物修復配套的設備和技術， 將實驗室理論的修復技術運用到在實際場地污染修復中，解決土壤重金屬的植物修復技術所需配套種植管理措施和超積累作物地上部的回收利用處理設備和技術。

2.4 轉基因技術修復應用的風險評價。轉基因植物可能對土壤微生物結構和生態系統的潛在影響以及與其他類型植物雜交繁殖，造成基因漂移的環境風險。

土壤作為復雜的“ 黑箱”生態系統，很大程度上決定了污染土壤修復是一項積日累月的系統工程，傳統單一的修復技術往往很難取得最佳的修復效果，未來聚焦多學科交叉研究，耦合傳統物理、化學修復方法，針對不同場地污染地塊，不同污染類型，研發更加高效專用的聯合生物修復技術將會是未來土壤重金屬污染治理的最重要修復技術之一。