微生物技術在重金屬污染土壤修復中的應用研究

劉曉

（河南工業職業技術學院電子信息工程學院 河南，南陽 473000）

受人類活動影響，土壤中積累的微量金屬元素含量超過背景值，便會形成重金屬污染，重金屬污染不僅會破壞土壤結構及生態環境，還會直接引發一系列食品安全問題。重金屬污染的表現較復雜，且大多具有隱蔽性、積累性，如果得不到有效緩解會在社會中造成不良影響。隨著科技進步，相關領域已將微生物技術應用于土壤修復，該技術具有極強安全性，且操作簡單，修復效果較佳，不僅在重金屬污染土壤修復中得以應用，也成為相關領域的重點研究對象。從應用現狀來看，已將吸附技術、植物聯用技術等用來修復重金屬污染土壤，修復效果會受重金屬濃度、溫度、鹽濃度等因素影響。從整體來看，微生物技術的應用可以有效降低土壤中的重金屬含量，使土壤得到修復，減少重金屬對生態環境造成的破壞。

1 微生物技術在重金屬污染土壤修復中的具體應用

1.1 吸附技術的應用

吸附技術主要是指利用微生物改變土壤中存在的重金屬形態，以此來降低對土壤的負面影響。該技術可在微生物胞內、胞外及表面完成吸附。胞內吸附主要是指當重金屬元素進入微生物細胞內會被微生物所吸收。在微生物區域化作用下，將以離子形式存在的重金屬轉移至線粒體等代謝活動較緩慢的細胞器中，再進行封閉處理；也可以把重金屬元素與絡合素等相結合后形成熱穩定蛋白，使重金屬元素毒性在該過程中得到弱化或消失。胞外吸附是指利用微生物生理反應產生脂類、蛋白質等多種代謝物，再將其與重金屬元素聚合后構成胞外聚合物，以此來吸附重金屬元素。表面吸附是指利用粘液層、細胞壁等結構，將重金屬元素吸附在細胞表層。當微生物存在差異時，對重金屬元素的吸附性各不相同，即使采用同一微生物進行吸附，若吸附環境存在差異吸附性也不同，通過微生物吸附土壤中的重金屬能改善污染情況。重金屬在土壤中的存在形態主要包含結構態、價態、結合態等多方面，具有多樣性特點。重金屬可在土壤環境中以某種分子、離子的形式存在，吸附技術的應用則可以影響重金屬存在形態，影響其生物有效性。比如，Cr（VI）還原菌株可以把土壤中存在的Cr6+還原成Cr3+，有效降低鉻（Cr）的毒性，以及對土壤造成的破壞度。光合細菌球形紅細菌可以影響鎘（Cd）在土壤中的存在形態，并降低其含量，增加鐵錳氧化物殘渣態、結合態可有效降低鎘的生物有效性。細菌胞外多聚物可以增加銅（Cu）、鉛（Pb）的釋放速度，使土壤得到有效修復。可以看出，微生物吸附技術能有效修復土壤，促使土壤中存在的微量金屬元素含量得到有效減少，以此來達到土壤修復目的。

1.2 植物聯用技術的應用

在修復重金屬污染土壤中，應用植物聯用技術主要可分為兩種方式。一種是利用微生物產生分泌表面活化劑或有機酸，加快重金屬元素的移動速度，使植物可以快速吸收土壤中的重金屬。另一種則是利用植物根際細菌與菌根真菌增加植物生物量，可有效提高微量金屬元素量積累量。比如，利用海州香薷根際中提取到的菌株，可有效增加水溶態中的銅（Cu）含量，影響銅生物有效性，該菌株同時也可以提高海洲香薷上的銅積累量。植物促生菌可以提高蓖麻的生物量，增強蓖麻銅（Cu）、鎳（Ni）、鋅（Zn）等重金屬元素的積累量。將叢枝菌根真菌和其他植物相結合，可以有效降低土壤中的砷（As）元素含量，提高野牡丹等植物對砷的積累量。在應用植物聯用技術時，需要將微生物和植物相組合，在該過程中必須了解微生物與植物的作用機制，以此來提高組合有效性，使該技術在土壤修復中發揮作用。

1.3 微生物聯用技術

微生物聯用技術主要是指將化學鈍化物與微生物有機結合，這是相關領域的研究方向之一?；瘜W鈍化主要是指在土壤中融入適量鈍化劑，再通過一系列氧化還原、吸附、絡合等過程影響重金屬元素生物有效性，以此來達到土壤修復目的。在重金屬污染土壤修復過程中較常用的化學鈍化劑可分為有機、無機及混合鈍化劑。比如，在被鋅（Zn）污染的土壤中添加磷灰石，可以增加鋅（Zn）的殘渣態，在被鉛（Pb）污染的土壤中施加有機肥，可降低鉛（Pb）的生物有效性。把微生物和化學鈍化物相結合，能夠達到雙重修復功效。如在土壤中融入工程菌和諾沃肥可有效降低鎘（Cd）含量，若單獨在土壤中添加工程菌，對于鎘（Cd）濃度沒有太大影響，如果只添加諾沃肥則可顯著降低鎘（Cd）含量，將兩者有機結合可以起到雙倍修復作用。工程菌均可以發揮重金屬元素吸附作用，而諾沃肥則可為工程菌均作用的發揮提供所需營養，兩者之間相互配合才可起到良好的土壤修復效果。此外，將工程菌和草木灰相結合可以減少鎘（Cd）元素對小麥籽粒的影響。在使用微生物聯用技術時，應了解化學鈍化的修復機理，選擇綜合功效較強的化學鈍化劑，并考慮不同鈍化劑對土壤環境的影響及修復功能，應盡量避免土壤中的重金屬元素再次被活化、釋放。

2 微生物技術在重金屬污染土壤修復中應用的影響因素

2.1 重金屬濃度

在利用微生物技術修復重金屬污染土壤時，會受重金屬濃度影響。通常情況下，若重金屬元素濃度與規定數值范疇不符，無論過大或過小，都會直接影響修復效果。例如，使用大腸桿菌屬吸附鉛（Pb）元素，200mg/L 濃度下的吸附性最強。使用變形假單胞菌去除土壤中的汞（Hg）元素時，10-15mg/L濃度下的修復效果最佳，并且，當汞（Hg）元素濃度逐漸提升時，土壤修復效果越差。使用鏈霉菌或鉻泥土去除土壤中的鉻（Cr）元素時，1800mg/L濃度下的去除效果最佳。從實踐中可發現，重金屬濃度會直接影響土壤修復效果，重金屬元素及微生物菌不同，最適合的修復濃度也存在差異。由于各種重金屬最佳的修復濃度差異較大，在進行修復前應仔細分析、計算適當濃度范疇，將實際濃度控制在范疇內，以此來提高重金屬污染土壤的修復效果。

2.2 溫度

溫度對微生物技術土壤修復效果有著較大影響，與重金屬濃度一樣，若溫度與規定數值范疇不符便會影響修復效果。微生物對溫度要求較嚴格，當溫度不符合微生物生長條件時，便會導致微生物吸附、降解等作用得不到發揮，進而影響土壤修復結果。比如，在使用哈茨木霉菌株降解土壤中的鎘（Cd）時發現，溫度低于28℃時的降解效果最好，溫度超過28℃降解效果較差。使用青霉吸附鎘（Cd）時發現，隨著溫度不斷增加，菌體的表面吸附性逐漸增強，若溫度大于青霉菌體的適當生長條件，細胞壁則會變形，吸附性遭到削弱。

2.3 鹽濃度

對于微生物技術而言，修復重金屬污染土壤時，適量鹽可以維持細胞內外滲透壓，但鹽濃度過高則會導致細胞脫水。在使用粘質沙雷氏菌吸附鎘（Cd）時發現，當氯化鈉濃度等于0時，微生物對鎘（Cd）的去除率較高，隨著氯化鈉濃度不斷上升，重金屬元素去除效果隨之減弱。不難看出，鹽濃度對微生物技術作用的發揮具有一定影響，需在適當鹽濃度范疇內加以應用，才能達到理想土壤修復效果。

2.4 微生物種類

修復重金屬污染土壤時，應用微生物技術涉及細菌、真菌等微生物，當微生物種類存在差異時，對應的修復效果自然不同。通常，真菌的修復效果高于細菌，真菌的接觸面大于細菌，且生長速度比細菌快，對于土壤環境要求較低，在重金屬污染土壤修復中的應用較廣泛。到目前為止，已經發現并用來吸附重金屬元素的真菌主要有類酵母、木霉屬、青霉屬、叢生菌根等。叢生菌根可以有效減少土壤中的鐵（Fe）含量，對于盆栽土壤環境而言，應用叢生菌根可以形成鐵載體，以此來實現對鐵（Fe）的吸附。在重金屬污染土壤修復中應用較多的細菌主要包括產堿菌、耐性細菌等，不同細菌對重金屬土壤的修復程度不同。比如，在盆栽土壤環境下使用產堿菌，可有效削弱土壤中的鉻（Cr）含量。當鎘（Cd）、鉛（Pb）濃度均為0時，使用耐性細菌可提高植物生物量，加強植物對重金屬元素的吸收量。

3 微生物技術在重金屬污染土壤修復中的現狀及發展趨勢

3.1 現狀

從當前微生物技術的土壤修復現狀來看，應用微生物技術并不會對土壤環境造成污染，維持土壤原生結構，整個過程所消耗的成本較少，修復效果較佳。但是，由于微生物技術的修復作用與微生物生長條件、溫度等因素密切相關，這也是發揮微生物技術作用的關鍵，在該方面還有著局限性。大部分重金屬污染物并不具備水溶性，很難和微生物有機組合，這給微生物降解、吸附污染元素造成阻礙。為解決這一問題，可以添加適量活化劑，提高重金屬元素吸收量。若重金屬會抑制微生物生長，則可利用降解菌分解重金屬，或是添加能促進微生物生長的藥劑，以此來降低重金屬元素毒性，加快分解速度。溫度、鹽濃度及微生物種類均會影響土壤修復效果，土壤環境本身便是一個龐大系統，微生物進入土壤系統后，土壤顆粒大小、溫度、水分等要素會影響微生物作用發揮。夏季時溫度普遍較高，此時最適合微生物生長，土壤中的營養成分必須滿足微生物生長及繁殖需求，添加適量氮、磷等營養可促進微生物生長，加強對土壤中重金屬元素的降解、去除功效。

3.2 發展趨勢

縱觀我國土壤污染事件不難發現，重金屬造成的土壤污染率較高，重金屬污染對生態環境、人體健康都會造成不良影響，加強重金屬污染土壤修復勢在必行?，F階段，隨著工業化發展速度不斷加快，在長期累積下土壤環境面臨嚴重的重金屬污染風險，對已經遭受重金屬污染的土壤加以修復既是提高土壤質量的必要舉措，同樣也是保障食品安全及人體健康的有效方法。微生物技術憑借多種優勢已在重金屬污染土壤修復中得到廣泛應用，但技術應用不能局限于現有成就，應在此基礎上進行研發、創新，深入挖掘更多微生物技術功能、優勢，在根本上提高重金屬污染土壤修復效果。在將來發展中，可能向以下幾方面發展：

其一，聯用技術研究及應用。當前，在修復重金屬污染土壤中應用較多的聯用技術主要為植物聯用與微生物聯用，相對來說修復聯用技術較單一，還有著較多的發展空間，將來應加強多種技術聯合應用，開發出多種不同的組合修復方式。例如，可將動物、植物及微生物三合一，將化學氧化與生物降解相結合等。

其二，綠色環保方向發展。當代社會，全球各國均面臨不同程度的生態污染問題，我國近年來的環境污染情況也層出不窮，給生態環境造成嚴重破壞。重金屬污染本就是一種生態破壞方式，對土壤結構、生態環境及食品安全都會帶來影響，微生物技術的應用可以起到土壤修復作用，綠色環保仍是微生物技術的研發方向之一。

4 結束語

綜上所述，重金屬對土壤造成的污染愈加嚴重，解決重金屬污染土壤問題迫在眉睫。微生物技術作為一種集安全性、高效性等優勢為一體的修復技術，已在重金屬污染土壤修復中發揮積極作用。目前，微生物吸附、植物聯用及微生物聯用等技術已經得到廣泛應用，但在實際應用中，由于受重金屬濃度、溫度、鹽濃度以及微生物種類等因素影響，導致微生物技術修復效果與預期不符，需根據土壤中的具體污染元素合理應用微生物，才能有效發揮技術優勢達到修復目的。以長遠視角來看，為全面改善我國重金屬污染土壤問題，推動科技研發進步，需加快聯用技術研究應用，實現微生物技術的高效綠色環保。