土壤重金屬污染微生物修復概述

山東建筑大學市政與環(huán)境工程學院 周冉

土壤作為一個龐大的生命載體,土壤健康與環(huán)境、人類和動物健康都是緊密地聯(lián)系在一起的。重金屬由于其毒性、不可生物降解性和作物吸收利用性,是重要的農業(yè)土壤污染物,是農作物和全球食品的重要有害物質。重金屬污染的土壤有難治理、治理費用高等特點,這就需要我們國家和公民加強對土壤重金屬污染嚴重危害性的了解,提高大家的防范意識。分析重金屬污染的解決方法,進而建立有效的土壤污染防治措施。物理修復、化學修復和生物修復是近年來土壤中重金屬修復的常用手段。由于傳統(tǒng)的修復方法存在較大的局限性，所以利用生物對重金屬土壤污染進行修復逐漸被廣泛應用。生物修復是利用自然存在的動植物將有害物質分解成對環(huán)境污染危害較小或者無污染的一種處理方法,概括為微生物修復和植物修復。本文通過介紹微生物在土壤重金屬污染中的作用機理、適用性和優(yōu)缺點,指明了微生物修復在重金屬污染修復領域的戰(zhàn)略前景。

一、微生物修復機理

微生物修復是指利用真菌、細菌等對土壤中的重金屬進行富集、結合、氧化和還原。微生物的新陳代謝速度驚人,通過本身的生理作用,可以利用土壤中各種有毒化合物作為生長、發(fā)育、繁殖的能量來源。微生物本身的細胞結構可以識別捕捉金屬離子,并將土壤中重金屬離子結合到細胞壁的特定的結核位置上,這個通過從土壤中獲得離子以達到微生物表面電荷平衡的過程稱為微生物的吸附。此過程中吸附重金屬的量取決于微生物細胞表面的電荷量以及重金屬離子的種類。該過程速度快,修復效果見效快。而且微生物表面帶電的生理特征可以使其主動吸附重金屬離子。由于微生物對特定污染物產生不同類型的降解酶,它們進化出多種維持穩(wěn)態(tài)和抵抗重金屬的機制,以適應生態(tài)系統(tǒng)中的有毒金屬。例如,有研究發(fā)現小白菜根際有兩種產脲酶細菌,可以使小白菜免受Cd和Pb毒害,增加了小白菜的產量,為農田蔬菜安全生產提供了有力的依據。眾所周知,大部分重金屬離子具有很強的毒性,其毒性可以破壞微生物的生物膜甚至可以使微生物失活,但微生物本身的活性和適應能力可以發(fā)展防御機制,幫助他們克服毒性并且吸收重金屬離子。例如細菌中的重金屬抗性基因能通過重金屬的誘導產生應答，土壤中銅離子濃度的增加，變形菌門的相對豐度增加,酸桿菌門和芽單胞菌門的相對豐度降低，部分基因的濃度也相應增加；WilliamPietro-Souza等人利用內生真菌對汞進行修復,通過檢測32株內生真菌在添加重金屬濃度的培養(yǎng)基中對汞的抗性,發(fā)現接種了Aspergillussp.A31,LindgomycetaceaeP87的土壤中汞濃度明顯降低,內生細菌的分泌的酶使植物組織的揮發(fā)和積累機制顯著提升。微生物對土壤中重金屬離子等毒性物質能夠迅速做出反應，對于土壤中重金屬污染的修復微生物的生理響應通常分為四個方面。首先通過細胞壁成分或細胞內金屬結合蛋白和多肽(如金屬硫蛋白(MT)和植物螯合素以及化合物來隔離有毒金屬；其次改變生物化學途徑,阻礙金屬吸收；然后酶將金屬轉化成無害的形式；最后,利用精確射流系統(tǒng)降低細胞內金屬濃度。

二、微生物修復特點

微生物修復土壤重金屬污染是一種替代物理修復和化學修復的更加綠色環(huán)保的修復方法,在土壤重金屬修復中發(fā)揮著重要的作用。不僅可以幫助土壤恢復到健康的自然狀態(tài),而且具有長期的生態(tài)收益和成本效益。微生物修復土壤中重金屬是一個自然的過程,在生物降解轉化等過程中不產生任何二次污染物,更不會把土壤中重金屬污染從一種環(huán)境介質轉移到另一種環(huán)境介質,甚至完全銷毀有害重作用的金屬離子也是可能的。除此之外,微生物修復過程通常為原位修復，不會對正常的活動形成干擾。微生物在修復的同時,也可以參與土壤中的物質循環(huán),提高土壤各類物質的轉化效率。與此同時,微生物修復重金屬污染的土壤也存在一些弊端，微生物對重金屬離子污染的修復通常是高度特異性的,修復效果取決于微生物種群,要有適宜的生長環(huán)境條件，適當的營養(yǎng)水平和污染物濃度水平。但是，如果使得微生物高效的進行土壤重金屬的污染,需要通過不斷地實驗探究，找出合適的微生物種群參與土壤污染的修復和土壤中各組分的循環(huán)轉化。

三、生物修復技術的發(fā)展趨勢

大量研究表明,微生物修復作為土壤重金屬修復手段較傳統(tǒng)的物理化學修復更有效、更環(huán)保且成本低。微生物具有更好的生物修復機制,他們能夠在重金屬離子的脅迫下生存并從環(huán)境中清除重金屬。微生物作用過程中，利用沉淀、生物吸附、金屬酶轉化、絡合作用；微生物利用吸附、固定、揮發(fā)等作用有效的修復技術。然而,有效的生物修復也需要適宜的修復環(huán)境條件。如果沒有恰當的環(huán)境條件，微生物修復作用將受到阻礙，所以我們必須致力于尋找合適的微生物種群。重金屬土壤污染修復任務任重而道遠，為了更有效地治理重金屬污染土壤,多元化的修復方法需要我們發(fā)展和推廣。

相關鏈接

土壤無機污染物中以重金屬比較突出，主要是由于重金屬不能為土壤微生物所分解，而易于積累．轉化為毒性更大的甲基化合物，甚至有的通過食物鏈以有害濃度在人體內蓄積，嚴重危害人體健康。土壤重金屬污染物主要有汞、鎘、鉛、銅、鉻、砷、鎳、鐵、錳、鋅等，砷雖不屬于重金屬，但因其行為與來源以及危害都與重金屬相似，故通常列入重金屬類進行討論。就對植物的需要而言，金屬元素可分為2類：①植物生長發(fā)育不需要的元素，而對人體健康危害比較明顯，如鎘、汞、鉛等。②植物正常生長發(fā)育所需元素，且對人體又有一定生理功能，如銅、鋅等，但過多會造成污染，妨礙植物生長發(fā)育。同種金屬，由于它們在土壤中存在形態(tài)不同，其遷移轉化特點和污染性質也不同，因此在研究土壤中重金屬的危害時，不僅要注意它們的總含量，還必須重視各種形態(tài)的含量。土壤中重金屬元素主要有自然來源和人為干擾輸入兩種途徑。在自然因素中，成土母質和成土過程對土壤重金屬含量的影響很大。而在各種人為因素中，工業(yè)、農業(yè)和交通等來源引起的土壤重金屬污染所占比重較高。土壤是由巖石風化而來，不同的巖石含有各種重金屬元素，成土母巖的化學元素決定了土壤中化學的最初含量，影響著土壤中重金屬元素的環(huán)境背景值：同時母巖在形成土壤過程中的影響因素也影響著土壤中的重金屬含量，如抗風能力強的石英質巖石對發(fā)育于其上的土壤中重金屬含量起控制作用，然而抗風能力弱的碳酸鹽類巖石對其上發(fā)育的土壤中重金屬含量控制作用則不強。大氣中重金屬降塵也是影響土壤中重金屬含量的主要自然因素之一。火山爆發(fā)、森林火災、海浪飛濺、植被排出、風力揚塵等過程使很多重金屬塵浮于空中。空氣中的重金屬元素部分被植物吸收，部分通過塵降進入水體、土壤。在自然界中土質污染也影響著土壤重金屬的含量。