土壤鉻污染生物修復研究現狀

王春勇，姜亞源，商井遠，朱博，陳玥琪

土壤鉻污染生物修復研究現狀

王春勇1*，姜亞源1，商井遠2，朱博1，陳玥琪1

（1. 遼寧工業大學 化學與環境工程學院，遼寧 錦州 121001； 2. 葫蘆島市生態環境保護服務中心，遼寧 葫蘆島 125000）

論述了鉻污染土壤生物修復（包括植物修復、微生物修復及植物與微生物聯合修復）的研究現狀，之后介紹了不同修復方式的優勢及局限性。此外，還重點闡述了典型修復植物李氏禾（Swartz）和其他修復植物，以及微生物修復方式中生物吸附和生物還原。最后對土壤鉻污染生物修復前景進行了展望。

鉻；污染土壤；植物修復；微生物修復；植物與微生物聯合修復

1 土壤鉻污染現狀

重金屬鉻（Cr）常被應用于防腐蝕，尤其是在冶金、電鍍、制革、木材、不銹鋼制造、油漆生產和顏料等行業[1-3]。隨著上述行業的發展，產生了大量鉻渣和含鉻廢水。有統計表明我國年產鉻渣量已達45萬t[4]。不同行業產生的含鉻廢物百分比如表1所示。

表1 不同行業產生的含鉻廢物百分比[5]

2 土壤中鉻的形態轉化及其毒性

在土壤環境中，鉻主要有Cr(III)和Cr(VI)兩種主要形態，且Cr(III)比Cr(VI)穩定[6]。但Cr(VI)毒性高于Cr(III)至少100倍[7]。Cr(VI)能誘發癌癥以及引起生物體的DNA損傷[8-9]。此外，Cr(VI)和Cr(III)還能對植物產生影響。例如，當Cr(VI)質量分數超過5 mg·kg-1，會對植物產生毒性[10]。這些毒性具體表現為對植物細胞DNA損傷、減少CO2固定、瓦解葉綠體等[11-13]。而土壤中Cr(III)對植物產生的毒性要小于Cr(VI)[6]。鑒于土壤中鉻的上述危害，有必要對鉻污染土壤開展修復工作。本文對鉻污染土壤生物修復研究進行了綜述，并對生物修復前景進行了展望，為后續修復工作提供參考。

3 鉻污染土壤生物修復

生物修復主要是指基于土壤中植物或者微生物的代謝活動使土壤中重金屬被富集，或改變重金屬形態，從而達到固定或解毒重金屬的目的[14-15]。

3.1 植物修復

植物修復指某些植物能富集鉻的特性。這些植物經過收割后可以統一進行處理。一般將地上部分富集鉻質量分數大于1 000 mg·kg-1的植物稱為鉻超積累植物[16]。

3.1.1 鉻超積累植物

李氏禾（Swartz）是比較典型的鉻超積累植物，其具有繁殖能力強及生長迅速等特點，廣泛地分布于熱帶地區的沼澤地等[17-18]。李氏禾不僅能富集鉻，還能對銅和鎳等重金屬有較強的富集效果[19]。李氏禾主要是通過葉片和根莖來富集鉻[18-19]。張學洪等[18]研究發現李氏禾葉片中鉻質量分數最高可以達到2 977.7 mg·kg-1，其質量分數約是根莖中鉻質量分數的9倍。伍嬋翠[20]等研究表明李氏禾根系的分泌物能活化土壤中鉻，并且其對Cr(III)的活化能力高于Cr(VI)，在營養充足的條件下，更有利于活化作用。此外，這種活化作用能將土壤中難溶態的鉻轉化為可溶態鉻，從而更有利于李氏禾對土壤中鉻的吸 收[20]。

關于李氏禾對鉻污染土壤修復研究已有報道，例如LIU[21等]研究表明李氏禾能有效地修復中等程度的鉻污染土壤，而對高度污染土壤的修復較為緩慢，但是可以通過施肥等手段，增強其修復效果。陶笈汛[22]等先將電鍍污泥與土壤按不同質量百分比混合形成不同污染程度的土壤，之后研究了李氏禾對上述土壤中鉻的富集程度，結果表明李氏禾地上部富集的鉻含量能達到每株70.87 μg。此外，草酸等物質可以促進李氏禾對鉻的富 集[23-24]，TAN[23]等研究表明草酸能促進李氏禾將土壤中鉻從根部轉移到可收獲的地上部分，從而提高對土壤的修復效果。

此外，植物Wild以及Wild也都屬于鉻超積累植物[25]。雙穗雀稗（）葉片中能富集鉻平均質量分數為1 718.86 mg·kg-1[26]。特別地，應用鉻超積累植物修復土壤時存在局限性，例如鉻超積累植物一般植株矮小且生長較為緩慢[27-28]，再就是鉻超積累植物根系較淺（一般在0～30 cm），僅對淺層土壤修復效果較好，對于深層土壤修復較為困難[27]。

3.1.2 其他植物

除了李氏禾，其他植物也被報道能富集土壤中鉻，例如柳枝稷（L.）、巴拉草（(Forssk) Stapf）、紫檀（）、麻風樹（）、臭椿（）、蘆葦（）、胡盧巴（L.）、菠菜（L.）、白菜型油菜（L.）、芥菜（）、高粱（）、蒲公英（）、野莧菜（）和黑麥（）幼苗等[26,28-31]。

3.2 微生物修復

微生物對鉻污染土壤的修復主要包括生物吸附和生物還原。

3.2.1 生物吸附

通過生物吸附，可以達到對鉻的消減、凈化和固定作用，從而降低土壤鉻污染[32]。微生物（細菌、真菌和藻類等）對鉻的生物吸附屬于物理化學過程，某些微生物通過靜電吸附等作用將鉻吸附在細胞上[33]。吸附后的鉻被微生物通過胞外絡合、胞外沉淀和胞內積累固定，從而降低了鉻的移動性和生物可利用性[32-34]。微生物對鉻的吸附作用中，微生物細胞壁某種程度上能決定吸附量的多少[35]。已報道能吸附土壤中鉻的微生物，如黑曲霉菌，其能在 15天內去除75%土壤中鉻酸鹽（初始質量分數為250 mg·kg-1）[36]。生物吸附的局限性是較難應用于實際鉻污染土壤的修復。

3.1.2 生物還原

生物還原指某些微生物能將土壤中Cr(VI)轉化成毒性較低的Cr(III)。GUPTA[37]等從鉻污染農田土壤中篩選出了sp. strain CPSB4，其在培養7天后能還原95%的50 mg·kg-1Cr(VI)。POLTI[38]等研究表明菌株sp. MC1能在7天之內將土壤中50 mg·kg-1的Cr(VI)降低到5 mg·kg-1。綜上所述，無論是使用篩選的Cr(VI)還原菌株，或是通過外源的營養來促進土著菌株的生長，都可以修復鉻污染土壤。

微生物修復可以進行原位或異位修復，而且修復效率高[39-40]，是最具發展潛力和應用前景的技 術[41]。微生物修復局限性主要是目前較難用于大規模鉻污染土壤的修復工程中。

3.3 植物與微生物聯合修復

植物與微生物聯合修復時，微生物可以對重金屬的吸收和轉化等進行調控[42]。二者聯合修復過程中，一方面植物的根系分泌物能給微生物提供能量，另一方面微生物活動等行為可以促進植物生長，還能促進植物對鉻的吸收和富集[43]。使用植物與微生物聯合修復鉻污染土壤的研究已經開展，例如POLTI[38]等研究放線菌（sp. MC1）和玉米（）聯合修復鉻污染土壤，實驗結果表明二者聯合后，在7天內能將含50 mg·kg?1Cr(VI)的土壤中94% Cr(VI)降解。植物與微生物聯合修復比單一植物或微生物修復效率更高，但是植物與微生物聯合修復也存在局限性。這類技術目前只能在實驗室條件下開展，實驗室條件下的修復干擾小，因此修復效果較好，但目前推廣到大規模的實際鉻土壤修復中較為困難[27]。

4 展 望

本文綜述了鉻污染土壤的生物修復，其屬于一種環境友好型修復方式，具有較好修復前景。未來工作可以開展對生物修復機理的研究包括：

1）以通過優化修復條件，提升植物和微生物對鉻污染土壤的修復效果。

2）可以利用基因工程等技術，構建工程菌，促進微生物對鉻污染土壤的修復。

3）在聯合植物和微生物修復基礎上，可結合物理或化學修復，構建多種聯合修復模式，提高修復效率。

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Research Status of Bioremediation of Chromium Contaminated Soil

1*,1,2,1,1

（1. School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001, China;2. Ecological Environmental Protection Service Center of Huludao City, Huludao Liaoning 125000, China）

The research status of bioremediation of chromium-contaminated soil was discussed, including phytoremediation, microbial remediation and plant-microbe remediation, and then the advantages and limitations of different remediation methods were introduced. In addition, the typical restoration plant ofSwartz and other restoration plants, as well as the microbial restoration methods including the biosorption and bioreduction, were also discussed. Finally, the development trendof bioremediation of chromium contaminated soil was prospected.

Chromium; Contaminated soil; Phytoremediation; Microbial remediation; Plant-microbe remediation

遼寧省教育廳科學研究經費項目（項目編號：JQL202015402、JFL202015403）。

2020-01-07

王春勇(1987-)，男，遼寧省朝陽市人，講師，博士，研究方向：土壤重金屬。

X53

A

1004-0935（2021）06-0828-03