生物修復技術處理重金屬污染土壤的研究進展

田文鋼 姚佳斌 蔣尚 劉勇

摘要：隨著重工業的迅速發展，土壤的重金屬污染問題已經成為目前一項重要的環境問題，對自然生態和人類健康形成巨大威脅。不同的修復技術如物理法、化學法和生物法已經被用于從環境中去除重金屬污染物。生物技術是去除土壤中重金屬（及其膠體）的最佳方法之一，其主要包括植物修復技術和微生物修復技術兩大類。

關鍵詞：生物技術;土壤污染;重金屬;土壤修復;超積累植物;微生物

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）12-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.12.018

Research progress of bioremediation technology in the treatment of heavy metal contaminated soil

Tian Wen'gang，Yao Jiabin，Jiang Shang，Liu Yong

（Shanghai Aojiang Ecological Environment Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200120，China）

Abstract：With the rapid development of heavy industry， the pollution of heavy metals in soil has become an important environmental problem at present， posing a huge threat to natural ecology and human health. Different remediation techniques such as physical， chemical and biological methods have been used to remove heavy metal pollutants from the environment. Biotechnology is one of the best methods to remove heavy metals （and colloids） in the soil， and it mainly includes two categories： phytoremediation technology and microbial remediation technology.

Key words：Biotechnology;Soil pollution;Heavy metals;Soil remediation;Hyperaccumulators;Microorganisms

“重金屬”是指密度大于4-5 g/cm3的元素，其即使在極低的濃度下也會對人體產生毒性[1]。常見的重金屬有鉑族元素、銅、鐵、鉛、砷、汞、銀、鉻、鋅和鎘等。以任何方式將重金屬（單質、離子或膠體）引入環境都可能導致其擴散到環境的不同組成部分，如土壤、水體和動植物體內。即使在北極，水體、土壤沉積物和植物中也發現了濃度不等的重金屬[2]。土壤重金屬的來源和含量取決于母巖、人類活動和土壤的理化性質。隨著重工業的迅速發展，大量重金屬（及其膠體）會經由工業廢水的排放和固體廢物的產出而進入到自然環境中，對土壤和水體造成嚴重污染。其中土壤由于同時受到廢水和固廢排放的雙重影響，其受重金屬污染的問題日趨嚴重，而了解重金屬的人為來源及其在土壤中的積累和相互作用是環境監測的重點。

重金屬的生物有效性一般是指環境中重金屬元素在生物體內的吸收、積累或毒性程度。重金屬在土壤中轉化為不同的形態，其有效性隨時間而降低[3]。重金屬不是永久固定在土壤和沉積物中，而是通過離子交換、吸附、沉淀等各種賦存方式分布在整個土壤和沉積物成分中。通過不同的修復技術（如物理法、化學法和生物法）改變重金屬在土壤中的賦存方式，或是控制其積累和遷移途徑從而降低其有效性，可以實現土壤重金屬的去除修復。一些歐洲國家正在加大投資修復受重金屬污染的土地，其相應出臺了許多法律法規，如資源保護和《恢復法案》（RCRA）、《超級基金修正案》（superfund amendments）和《重新授權法案》（Reauthorization Act， SARA），這些法案都側重于提升相關的土壤修復技術的標準和水平[4]。

1 土壤重金屬污染的生物修復技術

當前研究中的主要的兩類生物修復技術分別是植物修復法和微生物修復法。前者主要利用的是植物根系對土壤中重金屬離子的提取能力，將其從土壤中去除;后者主要通過馴化不同類型的微生物（包括真菌和細菌），通過改變重金屬的物理和化學性質來轉化其賦存狀態，降低其有效性。

1.1 植物修復法

植物修復是一組利用不同的植物種類對污染區域進行固定、降解和減少人為污染源所產生的環境毒素的技術。植物修復技術涉及到利用不同植物的不同類型的植物修復過程來去除受污染地點的金屬污染，其基本原理是通過植物根系將污染物從土壤中提取出來，并在植物體內通過代謝作用分解為毒性較小的物質，進而將其儲存在植物的莖葉中。各種研究表明，通過添加螯合劑、肥料、有機改良劑和改善pH值，可以增強金屬的生物可利用性和植物對金屬的吸收效果。因此，在受污染土壤修復的領域中，植物修復技術受到了廣泛的關注。

有幾種植物表現出了積累高濃度重金屬的能力，被稱為“超積累植物”?！俺e累植物”一詞最先是由Brooks等在1977年提出的，當時用以命名莖中鎳（Ni）含量（干重）大于1 000 mg/kg的植物，植物對重金屬的吸收能力是普通植物的50～500倍，這導致了植物提取技術的革命性進步。Minguzzi和Vergnano在意大利Tuscany地區的富鎳蛇紋石風化土壤中找到了一種叫布氏香芥的植物，該植物葉片中Ni的含量極高。目前已知的超蓄能器植物約有400種（不到被子植物總數的0.2%），主要屬于菊科、大豆科、豆科、花椒科、十字花科、石竹科、唇瓣科、禾本科、堇菜科，一些典型物種。這些植物能耐受高濃度的金屬，并具有驚人的吸收金屬的能力，這對植物的提取非常重要。對于植物提取來說，植物必須是超積累物種，具有高生長速度和產生更多生物量的潛力，可產生的生物量應該超過20t/hm2/a。一些研究已經報道了超積累植物擁有通過生物積累來修復受重金屬污染土壤的潛力，通過植物修復技術是替代物理和化學修復法的一種可行方式，可作為環境修復的重要解決方案。

1.2 微生物修復法

由于微生物不能直接降解重金屬，因此微生物法是通過改變重金屬在土壤中的物理和化學性質，并轉化其賦存狀態，從而降低其有效性，達到降低重金屬對土壤環境造成的影響。微生物法的修復機制包括細胞外絡合、細胞內積累和沉淀或氧化還原過程。微生物群落具有不同的生物吸附能力，而這一能力在不同種類的微生物之間差異顯著。不僅如此，每個微生物細胞的吸附能力取決于其預處理效果和實驗條件。Galal等人的研究表明微生物浸出法對于提取土壤中的金屬而言是一種簡單有效的方法;除了用于土壤修復以外，微生物法還可用于污水污泥、工業廢物的解毒。

1.2.1 細菌

De等人研究了不同類型的抗汞細菌對Cd和Pb的去除作用，包括糞產堿桿菌、短小芽孢桿菌、綠膿桿菌和產碘短桿菌，等;他們的浸出實驗結果表明：綠膿桿菌和糞產堿桿菌分別能去除70%和75%的Cd，在72h內兩者分別能使鎘濃度從1 000mg/L降低到17.4mg/L和19.2mg/L;而短小芽孢桿菌和產碘短桿菌的鉛（Pb）去除率能達到88%左右，并且在96h內能使鉛濃度從1 000mg/L降低到1.8mg/L。

Singh等人研究了蠟樣芽孢桿菌（一種兼性厭氧細菌）對六價鉻（Cr）的解毒作用。在鉻酸鹽濃度為1 000 g/mL的實驗條件下，蠟樣芽孢桿菌具有72%的六價鉻（Cr （VI））去除率。這種細菌能在較寬的溫度（25 ～ 40℃）和pH（6 ～10）范圍內降低Cr （VI）的濃度，其中最適的溫度為37℃，最適的初始pH為8.0。蠟樣芽孢桿菌在內的許多不同種類的細菌都能對多種重金屬產生生物吸附作用，主要歸功于其菌體集群具有較高的比表面積，以及細胞壁外上的磷壁酸能產生具有潛在活性的化學吸附位點。

有研究提出，細菌在多物種混合培養時能夠更穩定地存活和繁殖。因此，培養復合菌群更有利于金屬的生物吸附，更適合于場地修復應用。Abioye等人研究了不同菌群對制革廢水中Pb、Cr和Cd的生物吸附，所用菌種包括枯草芽孢桿菌，巨孢桿菌，黑曲霉和青霉菌;其結果表明：巨孢桿菌的Pb去除率最高（從2.13 mg/L 降至 0.03 mg/L），其次是枯草芽孢桿菌（從2.13mg/L降至0.04 mg/L）;而黑曲霉去除Cr的效果最佳（從1.38 mg/L 降至 0.08 mg/L），其次是青霉菌（從1.38 mg/L 降至 0.13 mg/L）;枯草芽孢桿菌對Cd的去除能力最強（從0.4 mg/L 降至 0.03 mg/L），其次是巨孢桿菌（從0.4mg/L 降至 0.06 mg/L）。Kim等人使用復合脫硫弧菌群落設計了一種沸石固化系統去除Cr （VI）、Cu和Ni，去除率分別為99.8%、98.2%和90.1%。Ashruta等人報道了某種復合菌群在2h接觸時間內去除Cr、Zn、Cd、Pb、Cu和Co的效果，去除率可達75%～85%。

1.2.2 真菌

真菌被廣泛用作去除有毒金屬的生物材料，具有良好的金屬攝取和回收能力。多數研究表明，活性和失活真菌細胞在無機化學物質的粘附中都能發揮重要作用。墨汁鬼傘菌被證實在Cd2+濃度為1mg /L時可以通過生物積累作用去除76%的Cd2+，而在Pb2+濃度為800mg /L時可以去除94.7%的Pb2+;因此，它被證明是一種有效的重金屬離子儲存體，可用于真菌修復技術處理土壤中的重金屬污染。Park等人的研究中報道了失活死亡的黑曲霉菌群、米根霉菌群、釀酒酵母菌群和產青霉菌群可將毒性較大的Cr （VI）轉化為毒性較小或無毒的Cr （III）。Luna等人還觀察到，假絲酵母產生的生物表面活性物質對Zn和Pb的去除率分別為90%和79%;這些表面活性物質能在揮散之前與金屬離子形成絡合物，從而改變Zn和Pb的賦存狀態，并降低其在土壤中的遷移能力。念珠菌能從土壤中攝取并積攢大量Ni和Cu，但這一過程受到初始金屬離子濃度和pH（最優3-5）的影響。

2 結論

土壤被認為是地球生態系統的唯一組成部分，在植物生長、退化和死亡生物量的循環利用方面發揮著重要作用。但目前，由于各種資源的排放導致金屬和金屬的積累，使土壤受到污染，這是環境學家非常關心的問題。文中討論了生物修復技術在處理受重金屬污染土地中的研究與應用，其主要包括植物修復技術和微生物修復技術兩大類。對前者而言，國內外皆有發現不同的超積累植物對土壤中不同重金屬的吸收富集能力，并且該能力在不同植物之間以及同株植物的不同部位之間存在差異。而微生物修復技術可以利用細菌和真菌改變土壤中重金屬的賦存狀態，從而降低其毒性和遷移能力，有些物種也可以吸收降解離子態重金屬。研究指出，培養復合菌群更有利于金屬的生物吸附，更適合于場地修復應用。

生物修復技術的選擇標準包括：（1）長期和短期有效修復以實現目標;（2）更有效地減少污染物的體積;（3）降低污染物的毒性;（4）盈利能力;其中以第四點為實際修復工程應用，中需要考慮的重點。值得指出的是，植物修復的成本效益較低，是最便宜的土壤修復方法。

參考文獻

[1]陳懷滿，鄭春榮，涂從，等.中國土壤重金屬污染現狀與防治對策[J].AMBIO-人類環境雜志，1999（02）：130-134.

[2]王志廣.極地多環境介質中重金屬的分布及特征研究[D].青島：青島科技大學，2013.

[3]丁炳紅，俞巧鋼，葉靜，等.土壤重金屬有效性影響因素及其防治對策[J].浙江農業科學，2012（5）：729-732.

[4] Kim SO， Moon SH， Kim KW. Removal of heavy metals from soils using enhanced electro kinetic soil processing[J].Water Air Soil Pollut，2001，125（08）：259–272.

收稿日期：2020-10-10

作者簡介：田文鋼（1995-），男，漢族，大學本科，研究方向為土壤修復。