微生物技术在重金属污染土壤修复中的应用研究

刘晓

（河南工业职业技术学院电子信息工程学院 河南，南阳 473000）

受人类活动影响，土壤中积累的微量金属元素含量超过背景值，便会形成重金属污染，重金属污染不仅会破坏土壤结构及生态环境，还会直接引发一系列食品安全问题。重金属污染的表现较复杂，且大多具有隐蔽性、积累性，如果得不到有效缓解会在社会中造成不良影响。随着科技进步，相关领域已将微生物技术应用于土壤修复，该技术具有极强安全性，且操作简单，修复效果较佳，不仅在重金属污染土壤修复中得以应用，也成为相关领域的重点研究对象。从应用现状来看，已将吸附技术、植物联用技术等用来修复重金属污染土壤，修复效果会受重金属浓度、温度、盐浓度等因素影响。从整体来看，微生物技术的应用可以有效降低土壤中的重金属含量，使土壤得到修复，减少重金属对生态环境造成的破坏。

1 微生物技术在重金属污染土壤修复中的具体应用

1.1 吸附技术的应用

吸附技术主要是指利用微生物改变土壤中存在的重金属形态，以此来降低对土壤的负面影响。该技术可在微生物胞内、胞外及表面完成吸附。胞内吸附主要是指当重金属元素进入微生物细胞内会被微生物所吸收。在微生物区域化作用下，将以离子形式存在的重金属转移至线粒体等代谢活动较缓慢的细胞器中，再进行封闭处理；也可以把重金属元素与络合素等相结合后形成热稳定蛋白，使重金属元素毒性在该过程中得到弱化或消失。胞外吸附是指利用微生物生理反应产生脂类、蛋白质等多种代谢物，再将其与重金属元素聚合后构成胞外聚合物，以此来吸附重金属元素。表面吸附是指利用粘液层、细胞壁等结构，将重金属元素吸附在细胞表层。当微生物存在差异时，对重金属元素的吸附性各不相同，即使采用同一微生物进行吸附，若吸附环境存在差异吸附性也不同，通过微生物吸附土壤中的重金属能改善污染情况。重金属在土壤中的存在形态主要包含结构态、价态、结合态等多方面，具有多样性特点。重金属可在土壤环境中以某种分子、离子的形式存在，吸附技术的应用则可以影响重金属存在形态，影响其生物有效性。比如，Cr（VI）还原菌株可以把土壤中存在的Cr6+还原成Cr3+，有效降低铬（Cr）的毒性，以及对土壤造成的破坏度。光合细菌球形红细菌可以影响镉（Cd）在土壤中的存在形态，并降低其含量，增加铁锰氧化物残渣态、结合态可有效降低镉的生物有效性。细菌胞外多聚物可以增加铜（Cu）、铅（Pb）的释放速度，使土壤得到有效修复。可以看出，微生物吸附技术能有效修复土壤，促使土壤中存在的微量金属元素含量得到有效减少，以此来达到土壤修复目的。

1.2 植物联用技术的应用

在修复重金属污染土壤中，应用植物联用技术主要可分为两种方式。一种是利用微生物产生分泌表面活化剂或有机酸，加快重金属元素的移动速度，使植物可以快速吸收土壤中的重金属。另一种则是利用植物根际细菌与菌根真菌增加植物生物量，可有效提高微量金属元素量积累量。比如，利用海州香薷根际中提取到的菌株，可有效增加水溶态中的铜（Cu）含量，影响铜生物有效性，该菌株同时也可以提高海洲香薷上的铜积累量。植物促生菌可以提高蓖麻的生物量，增强蓖麻铜（Cu）、镍（Ni）、锌（Zn）等重金属元素的积累量。将丛枝菌根真菌和其他植物相结合，可以有效降低土壤中的砷（As）元素含量，提高野牡丹等植物对砷的积累量。在应用植物联用技术时，需要将微生物和植物相组合，在该过程中必须了解微生物与植物的作用机制，以此来提高组合有效性，使该技术在土壤修复中发挥作用。

1.3 微生物联用技术

微生物联用技术主要是指将化学钝化物与微生物有机结合，这是相关领域的研究方向之一。化学钝化主要是指在土壤中融入适量钝化剂，再通过一系列氧化还原、吸附、络合等过程影响重金属元素生物有效性，以此来达到土壤修复目的。在重金属污染土壤修复过程中较常用的化学钝化剂可分为有机、无机及混合钝化剂。比如，在被锌（Zn）污染的土壤中添加磷灰石，可以增加锌（Zn）的残渣态，在被铅（Pb）污染的土壤中施加有机肥，可降低铅（Pb）的生物有效性。把微生物和化学钝化物相结合，能够达到双重修复功效。如在土壤中融入工程菌和诺沃肥可有效降低镉（Cd）含量，若单独在土壤中添加工程菌，对于镉（Cd）浓度没有太大影响，如果只添加诺沃肥则可显著降低镉（Cd）含量，将两者有机结合可以起到双倍修复作用。工程菌均可以发挥重金属元素吸附作用，而诺沃肥则可为工程菌均作用的发挥提供所需营养，两者之间相互配合才可起到良好的土壤修复效果。此外，将工程菌和草木灰相结合可以减少镉（Cd）元素对小麦籽粒的影响。在使用微生物联用技术时，应了解化学钝化的修复机理，选择综合功效较强的化学钝化剂，并考虑不同钝化剂对土壤环境的影响及修复功能，应尽量避免土壤中的重金属元素再次被活化、释放。

2 微生物技术在重金属污染土壤修复中应用的影响因素

2.1 重金属浓度

在利用微生物技术修复重金属污染土壤时，会受重金属浓度影响。通常情况下，若重金属元素浓度与规定数值范畴不符，无论过大或过小，都会直接影响修复效果。例如，使用大肠杆菌属吸附铅（Pb）元素，200mg/L 浓度下的吸附性最强。使用变形假单胞菌去除土壤中的汞（Hg）元素时，10-15mg/L浓度下的修复效果最佳，并且，当汞（Hg）元素浓度逐渐提升时，土壤修复效果越差。使用链霉菌或铬泥土去除土壤中的铬（Cr）元素时，1800mg/L浓度下的去除效果最佳。从实践中可发现，重金属浓度会直接影响土壤修复效果，重金属元素及微生物菌不同，最适合的修复浓度也存在差异。由于各种重金属最佳的修复浓度差异较大，在进行修复前应仔细分析、计算适当浓度范畴，将实际浓度控制在范畴内，以此来提高重金属污染土壤的修复效果。

2.2 温度

温度对微生物技术土壤修复效果有着较大影响，与重金属浓度一样，若温度与规定数值范畴不符便会影响修复效果。微生物对温度要求较严格，当温度不符合微生物生长条件时，便会导致微生物吸附、降解等作用得不到发挥，进而影响土壤修复结果。比如，在使用哈茨木霉菌株降解土壤中的镉（Cd）时发现，温度低于28℃时的降解效果最好，温度超过28℃降解效果较差。使用青霉吸附镉（Cd）时发现，随着温度不断增加，菌体的表面吸附性逐渐增强，若温度大于青霉菌体的适当生长条件，细胞壁则会变形，吸附性遭到削弱。

2.3 盐浓度

对于微生物技术而言，修复重金属污染土壤时，适量盐可以维持细胞内外渗透压，但盐浓度过高则会导致细胞脱水。在使用粘质沙雷氏菌吸附镉（Cd）时发现，当氯化钠浓度等于0时，微生物对镉（Cd）的去除率较高，随着氯化钠浓度不断上升，重金属元素去除效果随之减弱。不难看出，盐浓度对微生物技术作用的发挥具有一定影响，需在适当盐浓度范畴内加以应用，才能达到理想土壤修复效果。

2.4 微生物种类

修复重金属污染土壤时，应用微生物技术涉及细菌、真菌等微生物，当微生物种类存在差异时，对应的修复效果自然不同。通常，真菌的修复效果高于细菌，真菌的接触面大于细菌，且生长速度比细菌快，对于土壤环境要求较低，在重金属污染土壤修复中的应用较广泛。到目前为止，已经发现并用来吸附重金属元素的真菌主要有类酵母、木霉属、青霉属、丛生菌根等。丛生菌根可以有效减少土壤中的铁（Fe）含量，对于盆栽土壤环境而言，应用丛生菌根可以形成铁载体，以此来实现对铁（Fe）的吸附。在重金属污染土壤修复中应用较多的细菌主要包括产碱菌、耐性细菌等，不同细菌对重金属土壤的修复程度不同。比如，在盆栽土壤环境下使用产碱菌，可有效削弱土壤中的铬（Cr）含量。当镉（Cd）、铅（Pb）浓度均为0时，使用耐性细菌可提高植物生物量，加强植物对重金属元素的吸收量。

3 微生物技术在重金属污染土壤修复中的现状及发展趋势

3.1 现状

从当前微生物技术的土壤修复现状来看，应用微生物技术并不会对土壤环境造成污染，维持土壤原生结构，整个过程所消耗的成本较少，修复效果较佳。但是，由于微生物技术的修复作用与微生物生长条件、温度等因素密切相关，这也是发挥微生物技术作用的关键，在该方面还有着局限性。大部分重金属污染物并不具备水溶性，很难和微生物有机组合，这给微生物降解、吸附污染元素造成阻碍。为解决这一问题，可以添加适量活化剂，提高重金属元素吸收量。若重金属会抑制微生物生长，则可利用降解菌分解重金属，或是添加能促进微生物生长的药剂，以此来降低重金属元素毒性，加快分解速度。温度、盐浓度及微生物种类均会影响土壤修复效果，土壤环境本身便是一个庞大系统，微生物进入土壤系统后，土壤颗粒大小、温度、水分等要素会影响微生物作用发挥。夏季时温度普遍较高，此时最适合微生物生长，土壤中的营养成分必须满足微生物生长及繁殖需求，添加适量氮、磷等营养可促进微生物生长，加强对土壤中重金属元素的降解、去除功效。

3.2 发展趋势

纵观我国土壤污染事件不难发现，重金属造成的土壤污染率较高，重金属污染对生态环境、人体健康都会造成不良影响，加强重金属污染土壤修复势在必行。现阶段，随着工业化发展速度不断加快，在长期累积下土壤环境面临严重的重金属污染风险，对已经遭受重金属污染的土壤加以修复既是提高土壤质量的必要举措，同样也是保障食品安全及人体健康的有效方法。微生物技术凭借多种优势已在重金属污染土壤修复中得到广泛应用，但技术应用不能局限于现有成就，应在此基础上进行研发、创新，深入挖掘更多微生物技术功能、优势，在根本上提高重金属污染土壤修复效果。在将来发展中，可能向以下几方面发展：

其一，联用技术研究及应用。当前，在修复重金属污染土壤中应用较多的联用技术主要为植物联用与微生物联用，相对来说修复联用技术较单一，还有着较多的发展空间，将来应加强多种技术联合应用，开发出多种不同的组合修复方式。例如，可将动物、植物及微生物三合一，将化学氧化与生物降解相结合等。

其二，绿色环保方向发展。当代社会，全球各国均面临不同程度的生态污染问题，我国近年来的环境污染情况也层出不穷，给生态环境造成严重破坏。重金属污染本就是一种生态破坏方式，对土壤结构、生态环境及食品安全都会带来影响，微生物技术的应用可以起到土壤修复作用，绿色环保仍是微生物技术的研发方向之一。

4 结束语

综上所述，重金属对土壤造成的污染愈加严重，解决重金属污染土壤问题迫在眉睫。微生物技术作为一种集安全性、高效性等优势为一体的修复技术，已在重金属污染土壤修复中发挥积极作用。目前，微生物吸附、植物联用及微生物联用等技术已经得到广泛应用，但在实际应用中，由于受重金属浓度、温度、盐浓度以及微生物种类等因素影响，导致微生物技术修复效果与预期不符，需根据土壤中的具体污染元素合理应用微生物，才能有效发挥技术优势达到修复目的。以长远视角来看，为全面改善我国重金属污染土壤问题，推动科技研发进步，需加快联用技术研究应用，实现微生物技术的高效绿色环保。