重金属污染土壤生物修复技术及研究进展

刘海华，吴 奇

(西安航空学院 能源与建筑学院，陕西 西安 710077)

重金属污染土壤生物修复技术及研究进展

刘海华，吴 奇

(西安航空学院 能源与建筑学院，陕西 西安 710077)

重金属污染土壤的修复是环境工程领域的重要研究方向，处理重金属污染的主要方法有物理方法、化学方法和生物方法。而微生物处理法是最广泛使用且处理效果较好的方法之一。对重金属污染形态、对环境和人体的危害进行了分析。分析了修复处理重金属污染的作用机理，着重介绍微生物在修复中的重要性，讨论了微生物修复的方法和效果，归纳总结了使用不同方法处理重金属污染的优缺点，引用国内外成功处理案例进行了分析，并预测了未来的主流发展趋势。

土壤修复；重金属污染；微生物；生物转化

0 前 言

土壤是人类赖以生存和发展的物质基础，是农业生产的基本生产资料。但随着工业化和城市化不断深入发展“三废”的大量排放，导致土壤生态环境质量日益恶化，其中以重金属和石油烃类物质污染最为严重。从2005年4月到2013年12月的全国土壤污染状况调查结果显示，我国部分地区土壤污染情况较为严重，农业用地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出；从调查点位情况来看，全国土壤总的点位超标率为16.1%，以无机型为主，占全部超标点位的82.8%，主要是Hg、Cu、Pb、Zn、Cd、As、Ni、Cr中无机污染物[1]。每年因土壤重金属污染而减产粮食约1 000万t，重金属含量超标粮食达1 200万t，造成直接经济损失超200亿元[2]。

1 重金属污染的分类及主要处理方法

1.1重金属的形态

目前，土壤金属形态的操作定义主要是根据研究的目的和对象来确定的。连续提取法是Tessier提出的一个代表方法，该法将重金属的形态划分为可交换态、铁锰氧化物结合态、碳酸盐结合态、残渣态和有机物结合态等5种形态[3], 可交换态是指土壤胶体表面的吸附和可被中性盐替代，同时也易被植物吸收部分；铁锰氧化物结合态是土壤中氧化铁锰或粘粒矿物的专性交换位置所吸收的部分，不能被中性盐溶液交换，只能被亲和力更强的金属离子置换；碳酸盐结合态是石灰性土壤中是重要存在形式，一般用醋酸钠醋酸布提供溶液作为萃取剂；残渣态是指残留在土壤中的铝硅酸盐矿物晶格结合金属离子，一般情况下很难释放，不易被植物吸收；有机物结合态是指通过化学键结合的重金属与土壤有机质，萃取剂的选择主要是过氧化氢，次氯酸钠等[4]。重金属在土壤中的不同形态决定了重金属的迁移和重金属的生物有效性。不同形态的重金属，迁移性不同，水溶态和交换态具有最大的迁移性，其次是有机结合态，溶解态重金属在土壤中的含量很低，只占一小部分，但这部分却具有最大的生物利用度，可吸收部分危害性最大，因此，具有十分重要的意义，在重金属污染的修复过程中[3]。

1.2重金属修复的方法

目前重金属污染修复主要有物理修复、化学修复和生物修复3大类。

1.2.1 物理/化学修复重金属污染土壤的方法

物理修复是在保持金属化学形态不变的情况下，通过离子交换、溶剂萃取以及膜分离等技术进行处理。主要的物理修复技术包括改土法(此项技术在20世纪90年代前应用较广，目前已经被新型处理方法所取代)、电动修复法和玻璃化技术。电动修复法主要是在土壤中插入一对电极，电极两端通入直流电，在土壤中形成电场梯度，使重金属在电场的作用下移向电极两端，然后经过集中收集进行处理。近年来，电动修复技术有着快速的发展。在国外，研究人员发展了Lasagna TM 技术、ElectroKlean TM 电动分离技术等多种土壤电动修复技术，并在实际处理中取得良好的修复效果[5]。在国内，罗启仕[6]等研究出了一种新的非均匀电动力学修复技术，相比于传统技术对土壤的PH、水分等影响较小处理效果较好但更加消耗电能。

化学修复是一种基于土壤污染化学行为的主要改进措施，如添加改性剂、抑制剂等化学物质，降低土壤重金属的水溶性，生物有效性和扩散性，使重金属毒性低或低流动性的化学组成，以便减少污染，重金属对生态与环境[4]。

1.2.2 微生物修复重金属污染的土壤

生物修复是一种利用天然的或人工的，将环境污染物整体或分组处理的生物转化方法，具有投资少、效率高、在环境治理中可以原位处理低浓度污染物的特点，表现出了巨大的潜力，目前的研究主要集中在微生物、植物和动物的生物环境治理领域。微生物处理技术得到广泛应用。

微生物法脱除重金属的机理[7]因微生物种类、金属元素以及外界因素的不同而存在差异。综合目前文献资料，微生物(包括活体和非活体)脱出重金属机理主要有：吸附作用(细胞表面吸附、胞外吸附和胞内积累)、转化作用、淋滤作用以及微沉淀作用等如图1所示，其中M2+、m2+为不同种类的金属离子。

图1 微生物与重金属之间的相互作用[8]

土壤中含有多种微生物，其中有大量的抗重金属活性的真菌微生物，如真菌、细菌和放线菌，这些具有特定功能的微生物通过生物代谢物质改变土壤中重金属的化学形态，从而影响其迁移和生物利用性，并固定或降低重金属毒性。生物修复有两种机制：生物富集和生物转化[3]。

生物富集作用：微生物可以通过积累各种微生物的生物修复机制和在环境中的吸附，通过细胞壁和粘液层与一定量的电荷相互作用，使重金属离子在微生物细胞表面富集或内部富集。富集形式包括胞外络合、胞外沉积和细胞内积累3种形式[3]。

生物转化：土壤中对重金属具有抗性的微生物可以对重金属进行生物转化，转化方法有3种：a在细胞内或细胞外螯合物产生，特异性结合和重金属离子，从而降低重金属的毒性；b酶来源于微生物体内，与金属离子发生催化氧化反应，重金属离子由毒性较高的价态转变为无毒或低毒的价态；c微生物有编码离子转运机制外排系统和细胞膜基因特定的传输机制，具有阻挡重金属离子进入细胞内或将重金属离子排出细胞的功能，以保持其在土壤中的活性，微生物的代谢产物中含有有机酸，具有多种溶解金属效果的有机酸复合物[3]。

目前，国内外许多专家都在研究微生物对重金属的修复作用，发现了大量的微生物,如真菌、放线菌和藻类等生物对重金属具有一定的修复能力，放线菌在土壤微生物中占有很大比例，放线菌能在代谢过程中产生絮凝活性物质，这些物质分泌出来后,重金属的价态可以被改变，从而降低重金属的生态毒性；除放线菌外真菌也有很大一部分类群对金属具有较高的吸附能力，如黑根霉可大量快速地吸附多种重金属离子(Ni2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+等)；陈灿[9]等人发现，酵母细胞表面除了吸附Pb(Ⅱ)外，还产生大量较高浓度的Pb(Ⅱ)沉淀物，导致溶液中Pb(Ⅱ)的去除。朱生翠[10]等人在不同Cd浓度和抗真菌的毛霉接种，相比之前在贵州油菜植株接种后，发现吸附Cd浓度的变化，油菜植株接种真菌毛霉后抗Cd从57.81 mg/kg增加到69.83 mg/kg最大积累量。这表明，真菌的毛霉提高油菜对镉的富集效应。

此外，在长期受重金属污染地区，解磷微生物也是一类具有高耐性和抗性的微生物，这类微生物能够耐受重金属的毒性，并通过其代谢活动和非代谢活动对移动重金属和固定起着重要的作用，如排斥金属离子远离目标靶位点，金属离子可以被排泄出体外，金属结合蛋白或其他细胞成分与金属离子形成络合物，降低重金属的毒性或进行甲基化/去甲基化作用[8,11]。Park[12]研究发现2株解磷细菌Pantoeasp．和 Enterobacter sp．可以提高有机酸的分泌显著降低了土壤pH值，提高溶解的磷酸盐离子，从而增加土壤中Pb的固定量，因此这种解磷细菌在促进植物生长，提高植物修复重金属污染土壤具有很大的应用前景。

1.2.3 植物修复重金属污染土壤

利用植物及植物内生菌治理重金属污染也是一种发展方向，植物内生菌是驻留在植物体内但不引起植物的具体症状的微生物，它们栖息在植物的根，茎和叶当中，并且随着植物所处环境条件的改变而改变。在各种环境中，包括重金属、烷烃和稀土污染土壤，都能与寄生植物形成互利共生。在重金属污染的环境中，寄主植物不仅能增强抗重金属毒害能力，使植物生长良好，而且还能加速植物中提取土壤中重金属和植物在土壤中的稳定性[13]。

Agnello AC[14]等利用单一植物修复技术(种植紫花苜蓿)以及微生物植物联合修复技术分别对受到复合污染的土壤进行盆栽试验，通过分析苜蓿生长过程中根，茎，叶不同部位金属的含量得出了其对土壤中铜，锌，铅具有一定的去除效果，且利用微生物—植物联合修复技术(铜绿假单胞菌与紫花苜蓿)处理复合污染土壤时修复效率有显著提高。

2 重金属污染土壤修复面临的问题

从目前国内针对土壤污染治理研究取得的成果以及一些相关标准的制定和法律的缺失可以看出，我国污染土壤的修复事业目前还处在起步阶段，基础比较薄弱，处理技术尚不成熟。这就导致了在实际的土壤修复和工程管理过程中具有很大的困难和挑战[1]。

土壤修复技术涉及环境科学、环境工程和土壤科学等10多个学科。总体上，修复分为两类，即原位修复和异位修复，这是环境技术研究的前沿领域[1]。目前，我国现有的土壤修复技术大多存在技术有限、应用成本高、处理范围有限和难以大规模推广等问题。目前通常采用对污染土壤焚烧置换的方法，垃圾和其他有害物质填埋，对不同类型的污染处理方案有针对性的处理缺乏[15]。虽然能降低污染物的环境风险，但是不能快速去除土壤中的污染总量。

另一方面，目前国内采用的大多数处理设施为进口产品，不能很好地实现技术与设备的对接，这就导致了在实际工程当中一旦遇到了问题，改变了原有的修复方案将无法及时的得到配套的设备进行实施，从而加大了人工的需求。如此，不仅增加了修复的成本降低了治理效率，还变相的增加了人工承担的风险。因此在提高处理技术的同时还要加强配套设施的研发，加大投入研发高效、环保、安全、价廉的新技术、新装备。

3 结 语

综上所述，微生物处理法以其处理效果好，污染程度低，且成本较低等优点是目前针对修复土壤复合污染采用的比较广泛的方法，经过大量专家的研究，目前国内外已有许多报道利用微生物(细菌、藻类和酵母等)来减轻或消除重金属污染，并且不断开发出一些新的处理方式，例如植物修复法、微生物强化技术、土壤堆肥技术、植物—微生物联合修复技术(今后主要发展方向)以及动物修复法(目前主要利用蚯蚓、鼠类等大型土壤动物进行修复)等。但由于影响生物修复效率的因素复杂多样，尤其是在原位(原地)进行大规模生物修复实验时，存在很多不可控的环境因素，无法保证生物修复的效果，因此未来的实验研究应当充分考虑并模拟现实环境中可能出现的各种不利因素如风化程度、水流能量、盐度等，进行充分验证并能调整治理方案，最终达到科学的预测生物修复的结果。

[1] 周静,崔红标，梁家妮，等.重金属污染土壤修复技术的选择和面临的问题——以江铜贵冶九牛岗土壤修复示范工程项目为例[J].2015,47(2):283-288.

[2] 高翔云,汤志云,李建和,等.国内土壤环境污染现状与防治措施[J].环境保护,2006,(4)：50-53.

[3] 安凤秋，董祥芝.利用微生物技术修复修复重金属污染土壤的方法探讨[J].陕西农业科学，2016(6)：67-70.

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ABioremediationTechnologyandResearchProgressofContaminatedSoilwithHeavyMetal

LIU Haihua, WU Qi

(CollegeofEnergyandArchitecture,Xi'anAeronauticalUniversity,Xi'an,Shanxi710077,China)

The remediation of contaminated soil heavy metal is an important research direction in the field of environmental engineering. The main methods of treating heavy metal pollution are physical, chemical and biological methods. A microbial treatment method is one of the methods, which is widely used in better effect. We have analyzed the pollution mechanism of heavy metals, including the harm to environment and human body, the mechanism of heavy metal pollution treatment by emphasizing the importance of microorganisms in soil remediation of heavy metal pollution. The author discusses the methods and effects of microbial remediation in summarizing different methods The advantages and disadvantages of dealing with heavy metal pollution will be cited and analyzed in the success of domestic and foreign cases to predict the future development trend of the mainstream.

Soil remediation; Heavy metal pollution; Microbes; Biotransformation

2017-08-05

西安航空学院级科研项目(2017KY1227)

刘海华(1977-)，女，硕士，讲师，研究方向：环境与能源生物技术中的热物理问题及气液两相流动的研究及教学，手机：13571902983，E-mail:haihualiu@126.com

X53

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.05.039