重金屬污染土壤的修復技術及修復實踐探討

李晶晶

（安徽銀杉環保科技有限公司，安徽 合肥 230088）

土壤屬于生態環境中最基礎的組成部分之一，與食物安全及人體健康有緊密聯系，可以說土壤是陸地生態系統食物鏈的首端。近幾年，我國工業發展速度迅猛提升，農業發展過程也應用了大量的化學物質，產生了嚴重的土壤環境污染問題，對人體健康構成了直接或間接的危害，也對農業經濟的發展產生了明顯的負面影響。重金屬污染在眾多土壤環境污染問題中尤為突出，砷（As）、鉻（Cr）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、銅（Cu）、鎳（Ni）和鋅（Zn）等都屬于常見的污染土壤的重金屬元素，其在土壤中難以進行有效遷移。重金屬元素通過生態食物鏈富集，如果進入人體并不斷累積，會引發嚴重的健康問題[1]。因此，我們應當科學應用相應的修復技術對被重金屬污染的土壤進行修復，同時積極探索修復技術應用策略，不斷總結成功的土壤修復經驗。

1 重金屬污染來源及危害

重金屬主要是指密度大于4 g/cm3～5 g/cm3的金屬元素，這類金屬元素即使濃度極低，也會對人體產生明顯的毒害作用，農業污染、工業污染以及生活污染都屬于主要的土壤重金屬污染來源。農業生產為了達到高產效果，存在長期過量施肥的情況，導致土壤出現明顯的酸化板結，不僅對土壤肥力產生明顯的負面影響，還干擾到土壤耕地層質量，化肥和農藥在土壤中不斷堆積，使土壤中積累大量的重金屬元素[2]；在工業生產過程中，會產生廢渣、廢氣以及廢水等，若無妥善處理便直接排放，通過大氣沉降、地面漫流及垂直入滲至土壤當中，也會導致土壤中重金屬的逐漸累積；此外，生活垃圾填埋過程中產生的垃圾滲透液和生活垃圾焚燒產生的飛灰等，也是造成土壤內高濃度重金屬離子增加的原因。

如果單純依靠自然環境無法有效降解土壤中大部分的金屬物質，土壤理化性質將會發生巨大改變，最后會對土壤、動植物乃至人類產生巨大威脅。重金屬會對農作物吸收土壤中的營養元素產生阻礙，不利于農作物的正常生長，嚴重情況下會導致農作物死亡[3]。土壤當中的重金屬還會在雨水下滲作用下污染水體，進而對飲用水源產生破壞，影響人類健康。重金屬污染目前已成為人類諸多疾病的誘因。

2 常用的重金屬污染土壤修復技術

2.1 物理化學修復技術

應用物理化學修復技術主要是實現土壤當中重金屬的去除、固化以及穩化。在修復污染面積相對較小的土壤時，可以選擇土壤置換、除土以及深耕等修復方法。以土壤置換為例，主要是利用干凈的土壤置換出重金屬污染土壤，之后加工處理污染土壤以有效去除重金屬；除土則是直接挖走重金屬污染土壤，以達到減少土壤中重金屬的效果[4]；深耕修復技術主要是將被重金屬污染的土壤置換到土壤深處，降低土壤表層的重金屬含量，以此降低重金屬對周邊動植物的負面影響，同時也可以達到降低土壤重金屬遷移能力的效果；固化和穩定技術主要是將穩定化藥劑添加到土壤中，以此來有效控制金屬物質的影響，不過固化劑和穩定藥劑可能會造成二次污染。從整體情況來看，應用物理化學修復技術具有明顯的局限性，大概率會引發對土壤的其他破壞或者二次污染問題，化學藥劑還可能危害周邊動植物健康生長，因此需要將其與生物修復技術等進行有效的結合[5]。

2.2 植物修復技術

在對重金屬污染土壤進行修復時，應用植物修復技術可以取得突出的綠色清潔效果，并且不需要復雜的操作，具有良好的成本效益，可以運用該項技術修復中低度重金屬污染土壤。在耕種特異性的修復植物時，應當充分結合土壤的理化性質，在植物完成生長發育的同時，實現土壤的修復。從修復機制的角度出發，可以將植物修復技術進一步細分為植物揮發修復技術、植物固定修復技術以及植物提取修復技術等。首先，植物揮發修復主要是通過植物根系對土壤中的重金屬離子進行吸收，通過體內的轉運結合以及莖葉蒸騰作用轉化重金屬離子為氣態物質[6]，以轉基因煙葉吸收土壤當中Hg為例，可以將其轉化為HgO進行揮發，但植物揮發修復具有明顯的應用局限性，難以有效修復重金屬重度污染土壤，并且揮發物質還可能對空氣造成二次污染；植物固定修復技術主要是通過根系分泌物和重金屬離子發生絡合反應，在根系滲流帶中固定金屬離子，譬如東方香蒲可以有效降低土壤中Cd和Pb的移動性，為了獲得更加理想的修復效果，可以將植物固定技術和其他修復技術聯合使用，該項修復技術不僅不會引發二次污染，還可以對土壤養分進行改善，但是其難以降低土壤重金屬含量，作用停留在降低重金屬的移動性方面；植物提取修復技術主要是通過超積累植物（可超量吸收積累重金屬的植物）對土壤當中重金屬進行有效清除，現階段比較常見的超積累植物包括羊茅Festuca ovinal、普通蕎麥Fagopyrum esculentum、天藍遏藍菜Noccaea caerulescens、柔毛堇菜Viola principis以及金邊吊蘭Phnom Penh C hlorophytum等，這一修復技術的應用范圍十分廣泛，不僅不會產生二次污染，還能切實降低土壤重金屬濃度[7]。

2.3 微生物修復技術

微生物修復技術主要是利用微生物對重金屬賦存狀態進行有效轉化，以此來降低重金屬的危害性，實現重金屬降解。主要做法是對特異性菌株進行提取和篩選，之后將其培育為菌粉，施于重金屬污染土壤，便可以實現土壤修復，該技術主要分為細菌修復和真菌修復兩種技術。微生物修復技術的綠色環保特性非常突出，但是對土壤理化性質要求較高，一些滲透性較低的土壤就不適合應用微生物修復技術[8]。并且，特異性微生物只能對特定金屬物質進行識別和吸收，化合物形態發生改變會導致修復效果大打折扣，而且其修復周期相對來說比較長。在應用細菌修復技術時，主要是利用細菌分泌的特異性胞外物質，降低重金屬在土壤內的移動性。真菌生長代謝過程會產生大量的低分子量有機酸，為土壤中重金屬溶解和結合提供加速作用，工作人員主要從植物根莖細胞中提取可以修復重金屬污染土壤的真菌，比如從油菜體內提取的芽孢桿菌可以吸收和降解土壤當中的Cu2+。圖1所示為解磷微生物修復土壤金屬污染的作用機理。

圖1 解磷微生物修復土壤金屬污染作用機理圖

2.4 水泥窯協同處置技術

水泥窯協同處置技術的應用可提升土壤的整體修復效果，其主要是充分利用了水泥回轉窯內部高溫氣體長時間停留的特點，對污染土壤進行焚燒固化處理，利用高溫將土壤有機污染物轉變為無機化合物，有效抑制酸性物質排放，固定化處理硫、氯等物質。利用生料配料系統輸送重金屬污染土壤至水泥窯，在水泥熟料中固定重金屬。土壤預處理系統以及水泥回轉窯共同組成了水泥窯協同處置系統，配套的監測系統通過焚燒煙氣中氮氧化物和二氧化物指標的變化，可及時發現和處理污染土壤處理過程中的問題[9]，大大提升污染土壤的處理效果。但是該項修復技術在國內應用還比較少，并且具有較高的專業技術要求。

3 植物修復技術和其他技術的聯用

3.1 植物修復技術和基因工程技術的聯用

植物修復技術和基因工程技術的聯合應用，主要是通過控制關鍵植物的關鍵基因，進一步提升植物對重金屬污染土壤的修復能力。轉運蛋白、金屬還原酶以及金屬硫蛋白等在提高植物修復能力方面都扮演著重要角色，現階段主要研究相關金屬轉運蛋白，主要包括鐵鋅轉運蛋白家族（ZIP）、巨噬細胞蛋白家族（NARMP）、重金屬三磷酸腺苷（ATP）酶蛋白家族等。近年來，研究人員應用CRISPR／Cas9基因編輯技術，靶向編輯NARMP等基因的表達方式及表達量，進一步提高植物吸收能力和耐受重金屬的能力[10]。譬如，利用基因編輯技術敲除水稻金屬轉運蛋白的OsARM1基因，促進水稻對As的耐受性；在植物中轉入可以對植物螯合素以及金屬配體基因進行調控的基因，可以明顯提高修復重金屬污染土壤的能力。基因工程技術與植物修復技術的聯用具有巨大的發展空間，但是其科研難度和應用難度較大，且今后還需進一步論證轉基因植物的生態安全問題。

3.2 植物修復技術和微生物技術的聯用

微生物技術和植物修復技術的聯用可以有效改變土壤理化性質，實現金屬形態的改變，并且還可以分泌有機酸以及表面活性劑改變重金屬形態，使植物對土壤重金屬的吸收效率進一步提高。植物根際促生細菌不僅可以抵抗重金屬污染等外部環境的壓力，還可以有效維持土壤肥力，主要是因為其可以產生生物表面活性劑，以促進重金屬復合物的形成，還可以通過降低土壤和水之間的界面張力來解析土壤中的重金屬，在促進重金屬生物有效性提高的基礎上，實現植物修復效率的全面提高。另外，植物根際促生細菌還可以利用固氮作用、溶磷作用等促進植物生長，其還可以分泌生長素增強植物對不良環境的抵抗能力。今后，研究人員應當對植物根際促生細菌--根系分泌物--植物之間的物質交換和信息交流機制進行深入研究，菌根真菌同樣可以對植物修復重金屬污染土壤產生明顯影響，有助于在重金屬污染條件下，有效改善植物的生長發育情況，為了進一步提升植物修復重金屬污染土壤的能力，應當對菌根真菌和寄生植物之間的共生關系進行全面研究。

3.3 植物修復技術和土壤改良劑及螯合劑的聯用

在利用植物修復技術的過程中，經常遇到修復植物難以維持正常生長的情況，相關人員可以聯合應用土壤改良劑及螯合劑等，提升修復植物的生存率。土壤改良劑可以利用農作物殘渣、家禽糞便等燃燒之后產生的生物炭，在對土壤重金屬進行有效吸附的同時，促進土壤肥力的有效提高。比如，將玉米秸稈生物炭施用在重金屬污染土壤中，可以提高甜菜對Cd的積累量；海泡石同樣屬于可以降低重金屬對植物危害作用的土壤改良劑，主要是因為其含有大量的官能團以及礦物質等。螯合劑可以和重金屬形成具有水溶性的螯合物，賦予重金屬良好的流動性，使其更容易被修復植物所吸收。

4 重金屬污染土壤修復實踐

（1）我們以環江縣某土壤修復項目為例，對重金屬污染土壤修復技術應用進行探討。該項目主要是修復選礦廠尾礦庫及周邊污染土壤。首先清理被堵塞的截洪溝，為了有效防范再次堵塞，在截洪溝外側修建漿砌石護坡，同時進行生態綠化封場。為了滿足場地風險管控需求，工作人員還建造了30 m的擋土墻和漿砌石護坡以及10 m的排水管，在2號尾礦砂堆放場建設相應的截排水系統和滲濾液收集池，收集池還配備了物理沉淀過濾系統。此項目是利用化學穩定方法對尾礦砂無序堆放，導致底部受污染的土壤以及尾礦庫下游受污染底泥進行處理，將受污染的土壤和底泥送至指定地點進行固化填埋處理，并利用附近山體表層粘土客土修復處理周邊安全利用類農田，有效消除選礦廠尾礦庫對周邊土壤環境污染的隱患。

（2）珠江三角洲存在明顯的土壤重金屬污染問題，因為人類活動頻繁以及工業生產的不斷發展，使得鉛同位素成為主要的沉積物重金屬。在處理重金屬污染土壤之前，工作人員先開展相應的科學實驗對當地重金屬污染概況以及相關指標進行全面把握，對不同指標規律及具體情況進行全面搜集和記錄，以此為后續土壤修復工作提供支撐。工作人員還將生物控制技術應用在實際的土壤修復工作中，對作物的遺傳潛力進行充分挖掘，定向培養可以低積累和低轉移污染物的作物新品種，充分發揮植物細胞壁過濾機制的重要作用，有效吸收重金屬物質。

（3）廣東省惠州市十分重視電鍍行業重金屬污染防治工作的開展，相關人員對惠州市惠城區宏達五金廠重金屬污染情況進行了調查，利用X射線熒光分析儀明確各類污染因子的實際情況，發現該廠舊址存在嚴重的鉻和鎳等重金屬超標的問題。以鎳的分析值為例，其超出風險篩選指導值613倍。工作人員在進行土壤修復時，主要應用了客土、換土、深翻、化學固定修復以及生物修復等技術。以生物修復為例，該工程主要采用植物劍葉鳳尾蕨吸收土壤中的銅元素和鉛元素等，不但獲得了良好的處理效果，投入成本也較低，該工程重金屬污染土壤修復技術應用效果情況對比見表1。

表1 某重金屬污染土壤修復工程技術應用效果對比表

在實際的重金屬污染土壤修復工作中，工作人員應結合當地經濟發展情況以及具體問題，制定最佳的土壤修復方案。

5 結語

綜上所述，土壤重金屬修復技術的應用可以為我國環保事業的發展提供重要的指導作用。物理化學修復技術、植物修復技術、微生物修復技術、水泥窯協同處置技術都屬于應用頻率較高的重金屬污染土壤修復技術，為了獲得更理想的植物修復效果，可以將基因工程、微生物、材料化學技術等與植物修復技術進行聯合應用。在實際修復重金屬污染土壤的過程中，工作人員應當注重開展科學實驗，因地制宜，選擇最適合的土壤修復方案。