矿区土壤重金属污染微生物生态修复技术研究

李会杰　刘雨

摘要：高浓度的重金属会抑制微生物的生长，且矿区土壤重金属含量和组成差异较大，从而影响修复效果。为此，研究矿区土壤重金属污染的微生物生态修复技术。采样分析矿区土壤重金属种类及含量等相关值；建立地累积指数模型及土壤重金属污染评价函数，分析重金属污染的生物毒性双权评价值与整体污染评价指数；分析各微生物的整体修复作用，以此达到土壤重金属污染微生物生态修复的目的。经实验表明，所提技术能够快速有效的对矿区土壤重金属污染展开修复作用，为矿区土壤健康提供保障。

关键词：重金属污染；微生物修复；生态修复技术；污染评价模型；土壤污染系数

中图分类号：X53 文献标志码：B

前言

矿区土壤重金属污染是由于矿产资源开采和冶炼过程中的废弃物和排放物对土壤造成的严重污染问题。微生物生态修复作为一种环境友好、可持续的修复技术，已成为研究热点。某些微生物可以耐受重金属、吸附或还原重金属，对于修复重金属污染的土壤具有潜在的生物修复潜力。随着矿区的不断开采，各类的土壤污染事件也随着而来，其中以重金属污染最为严峻。经研究发现，在矿区开采过程中，会因管理疏漏或开采技术有限等原因使得各类重金属元素通过大气、水源、固体废物以及自然扩散等方式对矿区土壤产生影响。经研究发现，重金属在土壤特性作用下，使得其整体在土壤中的运移、稀释等过程较为漫长，同时使得其出现不易降解的情况，经过不断累积，会导致土壤中重金属毒性不断增大，进而对生态系统造成危害。

为了降低矿区重金属污染所带来的风险，提出矿区土壤重金属污染的微生物生态修复技术研究，该技术作为一种环境友好、可持续的修复技术，已成为研究热点。微生物生态修复可以通过利用微生物的多样性和功能来提高修复效果，并促进土壤恢复。此外，微生物生态修复技术还与植物修复相结合，形成协同作用，加速修复过程。

1 数据来源及微生物污染修改方法

1.1 土壤重金属含量分析

以河南矿区为例，在研究区选取55个矿区土壤表层对其展开重金属含量检测，得到的结果见表1。

表1中，汞的变异系数达到68．01%，表明其整体变异程度最高；而铬的变异系数仅有9.93%，表明该金属污染物的整体变异程度最小。将矿区土壤重金属所具备的平均变异程度由小到达排列为：铬、铜、镍、锌、镉、铅、砷、汞。

以此为基础开展矿区土壤重金属污染评价操作。

1.2 土壤污染程度分析

1.2.1 地累积指数

在获取矿区土壤重金属污染物种类以及各地区污染指数分布后，可以通过地累积指数模型对其展开分析1，其中，地累积指数模型Jgeoj的具体表述如式（1）所示：

式（1）中，Dj代表土壤中实际j污染物的平均含量；Cj代表j的地球化学背景值；l表示背景波动的相关系数。以Jgeo为依据可以将土壤重金属污染程度分为七级，具体表现见表2。

1.2.2 污染综合评价模型分析

设定Dj=（D1j，D2j，D3j）和Cj=（C1j，C2j，C3j）表示待修复土壤所含重金属污染物的浓度以及其所具备的地球化学背景值，引入三角模糊数参数，得到经过三角模糊化后的地累积指数土壤污染模型Jgeoj为式（2）：

将获取的矿区土壤重金属污染物地累积指数与α-截集技术结合，获取相应的区间数，引入隶属度函数以达到确定土壤污染等级的目的。若得到的土壤污染地累积指数区间为[Jgeo1，Jgeo2]，则该区间于[Jgeo1*，Jgeo2*]之间存在的隶属度B（μ）可以定量表述如式（3）：

1.3 微生物生态修复步骤

1.3.1 微生物的吸附、富集机理

将微生物对重金属的吸附、富集作用转换为其对环境中所含重金属的吸附、富集作用。由于大多数微生物表面存在如氨基、羟基等的阴离子基团，此类基团使得微生物表面显示电负性的效果（具体表现见表3）。

对于微生物的吸附能力，已有研究对其吸附容量给出相关数据，其具体表述见表4。

引入细胞表面展示技术，将酵母菌金属硫蛋白与酵母菌细胞表面结合。微生物在代谢过程中产生的EPS可以达到对Mg2+、Pb2+以及Cu2+快速固定的目的，且其对于Pb2+的亲和力较高。将微生物的吸附容量与现代基因组学技术结合，以此增强微生物的整体吸附容量。微生物的富集以络合物或沉淀等形式将重金属实施积累和固定的过程。胞内的金属硫蛋白与Cd2+结合形成多磷盐酸或复合物沉淀，降低Cd毒性。经过重组后的大肠埃希菌释放Cd2+螯合多肽，增加Cd在胞内的富集状态。

1.3.2 生物转化

微生物在代谢时产生的汞还原酶可以与离子态汞发生作用，使其转化为元素态汞，降低汞元素对土壤的威胁。

针对As（砷）元素，展开甲基化处理，得到低毒性的甲基化产物。利用mer对子编码作用蛋白展开操作，对汞元素去甲基化处理。甲基汞在有机汞裂酶和汞还原酶的作用下可转化为甲烷与元素态汞，以达到降低汞对于土壤的危害程度。而产甲烷菌与SRB（硫酸盐还原菌）作用可以将甲基汞分解为二氧化碳和汞离子等，达到改变环境介质对重金属吸附特性的目的，转化公式具体可以表述如式（6）：

1.3.3 生物表明活性剂

若土壤中重金属浓度超过微生物的耐受程度，经过转化的重金属粒子可以与微生物表面活性剂发生作用，因此通过其它方式与土壤分离。将重金属离子与生物表面活性剂之间的相互作用总结为：从胶束中分离出的微生物表面活性剂通过吸附作用固定在土壤表面；在土壤两相界面环境下，由表面活性剂产生的单分子层会出现重排情况，通过与土壤中重金属产生络合作用，形成较为稳定的可溶物，以此达到去除土壤中重金属的目的。

2 结果与分析

明确土壤中重金属修复效率ι的计算方式，即式（7）：

式（7）中，D0代表微生物修复前土壤中重金属质量分数；D1代表经微生物修复后土壤中重金属的质量分数。

矿区土壤在相同的环境下，将土壤中常见重金属（以锌、镉、铅为例）的含量变化作为对比条件，推导出研究提出的修复方法的整体修复效率和效果，具体过程见图1。

由图1可以看出，微生物生态修复技术应用后土壤重金属含量随时间的增长下降速度较快。由此可以看出，微生物生态修复技术能够较为高效的对矿区土壤的重金属污染展开修复，且具有较好的修复效果。

3 结束语

为了降低重金属对土壤的污染情况，研究了一种矿区土壤重金属污染的微生物生态修复技术。通过对河南各个矿区55个区域的土壤采样可知，该区域重金属的主要成分为铅、镉、铜、锌、铬、汞、砷，其中汞元素的变异程度最高；根据地累积指数模型，明确土壤重金属污染程度等级，并以此为基础对河南矿区土壤的重金属污染展开评价，获取各矿区土壤重金属污染的生物毒性双权评价值与整体污染评价指数；微生物对于土壤中重金属的作用效果主要有溶解、吸附、转化三种，对各个作用展开具体分析并总结，可以达到对土壤中重金属物质剥离和分解的目的，由此实现矿区土壤重金属污染微生物生态修复的目的，为矿区土壤健康提供保障。