土壤重金屬污染及生物修復技術研究

黃艷玲 羅開萍

（崇左市環境科學研究所，廣西崇左 532200）

近年來，隨著工業化進程的加快，各種污染層出不窮，土壤重金屬污染也日趨嚴重。土壤重金屬污染具有污染種類多、分布區域廣、治理困難等特點，給農業的可持續發展和人類的生存和健康產生嚴重的負面影響。因此，土壤重金屬污染成為當前研究的熱點領域之一。

1 土壤重金屬污染現狀

目前，我國土壤正遭受不同程度的重金屬污染。據統計，我國受重金屬污染的耕地面積約2000萬hm2，約占耕地總面積的20%；每年重金屬污染造成的糧食減產和糧食污染分別約為1 000萬t和1 200萬t，兩者累加產生的經濟損失至少達200億元[1]。2005—2013年，生態環境部全國土壤污染情況調查分析結果顯示，我國土壤污染總超標率為16.1%，其中Cd、Pb、Hg、As等土壤無機重金屬物污染超標點位數占總超標點位數的82.8%[2]。另外，農業部環境監測結果顯示，我國24個省（市）的320個重點污染區中，重金屬含量超標的農產品產量與面積約占污染物超標農產品總量與面積的80%以上[3]。孟 敏等[4]對我國設施農田土壤重金屬污染的分析表明，我國南部地區設施農田土壤重金屬Cd、Hg、Pb污染最嚴重，北部地區設施農田As、Cu、Cr含量最高，西部地區Ni含量最高。趙慶齡[5]研究表明，2000—2008年，關于土壤重金屬污染方面的研究論文每年約以30%的增速在學術期刊上發表。這些研究結果表明我國土壤重金屬污染問題越來越嚴重，我國對土壤重金屬污染問題越來越重視。

2 土壤重金屬污染造成的危害

2.1 威脅人類生命健康

土壤是農作物生長的重要介質，土壤中超標的重金屬被農作物吸收后在農作物體內累積，通過食物鏈被人體攝入后引發人體各種疾病，進而產生生物放大效應，影響人類生命安全和健康。20世紀60年代，在日本發生的由重金屬Cd污染引起的骨痛病和由重金屬Hg污染引起的水俁病引起全世界的廣泛關注[6]。我國近年頻報的“鎘大米”“兒童血液鉛超標”“癌癥村”等事件均是由重金屬污染引起的。另外，研究表明：Pb攝入過多可引發兒童發育遲緩、智力減退等癥狀；體內Cu水平過高會使人出現焦慮、抑郁和神經衰弱等癥狀；大量接觸Cd會引起呼吸系統疾病等。重金屬超標嚴重威脅人類生命安全與健康。

2.2 影響植物正常生長發育

土壤是植物賴以生存的基礎，植物生長發育所需要的水分、礦質養分等均從土壤中獲得。土壤受重金屬污染后，植物也不必可避免地受到脅迫。在Pb污染土壤中生長的植物，植株細胞膜系統會遭到攻擊，導致大量鹽類和有機物從細胞中滲出。膜系統被破壞后，外界大量重金屬離子進入細胞內，影響細胞器正常結構與功能，造成植物生理代謝紊亂[7]。何翠屏等[8]研究結果顯示，生長在過量Cd土壤中的植物，其根、莖生長遲緩，葉片出現失綠、卷曲等現象。朱涵毅等[9]研究結果表明，Cd污染土壤上生長的植株光合作用、蒸騰作用受到抑制，進而引起膜脂過氧化，損害細胞膜作用機制。

2.3 影響農業可持續發展

土壤被重金屬污染后，其基本理化性質、微生物種類和數量、土壤酶活等受到不同程度的影響，對土壤結構和功能產生負面作用，從而降低植物從土壤中攝取水分及礦質元素的能力，造成農業減收、減產。另外，污染嚴重的土壤無法再次耕種，還需花費大量的人力、物力對重金屬污染土壤進行修復，在一定程度上妨礙了農業的可持續發展。

3 土壤重金屬污染治理的生物修復技術

在減緩土壤重金屬污染的眾多修復技術中，生物修復技術具有成本低、無二次污染、處理效果好、可大面積推廣應用等優點。

3.1 植物修復技術

在植物修復技術中，超富集植物是研究的重點內容之一。超富集植物對某種化學元素的吸收量可比普通植物高100倍以上，且吸收該元素后不影響自身正常生命活動。國內外研究者均十分重視超富集植物的研究工作。目前，我國被鑒定為重金屬超富集植物的約有92科700種植物，其中，近3/4為Ni超富集植物[10]；被鑒定為 Cu、Co、Se、Pb、Mn、As 超累積植物的種類分別有37種、30種、20種、17種、13種和5種[11]。韋朝陽等[12]發現，大葉井口邊草為As超富集植物，鴨跖草為Cu超富集植物；薛生國等[13]發現，商陸為Mn的超富集植物；陳同斌等[14]發現，蜈蚣草為As超富集植物。我國研究者對超富集植物展開了大量深入的研究，但具有大面積推廣價值的超富集植物因植株生物量小且生長緩慢等而尚未被大規模應用。

3.2 微生物修復技術

關于微生物修復的研究，注重對重金屬降解菌株的篩選與馴化工作。目前，科研工作者已篩選出多種降解效率高、特異性強的功能性菌株，但對這些降解菌株的研究多停留在實驗室和小面積示范階段，尚未發展到推廣應用層面。國外關于利用微生物降解土壤重金屬的研究相對更為深入，已發展到應用層面。例如，用細菌吸附廢水中的Cd，起到良好的修復效果[15]。

3.3 聯合修復技術

3.3.1 植物-微生物聯合修復技術。植物-微生物聯合修復是利用植物與微生物之間的互生互促作用來提高重金屬污染修復效率的一種強化修復技術手段，具有成本低廉、降解速度快等優點。植物根系分泌的糖類、氨基酸類等物質可為微生物提供養分，有利于微生物的生長繁殖。另外，微生物分泌的有機酸可活化土壤中枸溶性的礦質元素，提高植物對礦質元素的吸收效率，促進植物健壯生長，從而緩解重金屬污染對植物產生的毒性。目前，植物-微生物聯合修復重金屬污染問題的研究主要集中在高效降解菌株及其共生植物的篩選階段，還需大量驗證工作支撐其大范圍推廣應用。

3.3.2 植物-螯合劑聯合修復技術。施入土壤的螯合劑（如EDTA、EDDHA、氨基酸以及小分子有機酸等）可螯合土壤中重金屬離子，降低土壤溶液中重金屬離子濃度，提高超富集植物對重金屬離子的螯合及貯存效率，從而降低重金屬離子的毒性。在植物-螯合劑聯合修復過程中，提升重金屬離子與螯合劑之間的螯合效率是提高螯合強化修復效率的關鍵因素。

3.4 基因工程修復技術

利用基因工程技術可以將具有重金屬累積功能的基因導入到生長快、收獲容易且不進入食物鏈的植物中。該方法是獲得土壤重金屬污染治理新突破的關鍵手段之一。

4 結語

生物修復技術具有廣泛的應用前景，但該技術的推廣落地目前還處在試驗、示范階段，還需大量轉化成果的驗證支撐。從長期發展考慮，生物工程修復技術（基因工程、細胞工程等）、聯合修復技術及高效降解微生物組合應用等將是今后生物修復技術的主要發展方向。