生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)在土壤重金屬污染治理中的應(yīng)用

文_袁凱燕 南京博環(huán)環(huán)保有限公司

1 土壤重金屬污染的現(xiàn)狀

根據(jù)2014年環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源局于2014年聯(lián)合發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查報(bào)告》，我國(guó)地表土壤環(huán)境污染狀況總體不容樂觀。污染類型以無機(jī)為主，其中鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳等8種重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。

表1 代表性重金屬在典型行業(yè)產(chǎn)業(yè)中污染存在情況

2 重金屬污染的危害

重金屬污染物具有不可降解，形態(tài)多變，有機(jī)化后毒性增強(qiáng)，遷移轉(zhuǎn)化途徑多樣，致毒效應(yīng)濃度較低等特點(diǎn)，對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)、產(chǎn)量和品質(zhì)都有非常大的影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)受污染耕地約有1.5億畝，每年因重金屬污染的糧食達(dá)1.2×107噸，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，而且重金屬能通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康。

2.1 對(duì)土壤肥力的影響

氮、磷、鉀被稱為植物生產(chǎn)必需的三大要素。在被重金屬污染的土壤中，土壤有機(jī)氮的礦化勢(shì)明顯降低，土壤供氮能力下降。重金屬進(jìn)入土壤后，土壤對(duì)磷的吸持固定作用增強(qiáng)，使土壤磷有效性下降。重金屬還會(huì)影響土壤磷的形態(tài)，使土壤可溶性磷、銅結(jié)合態(tài)磷、閉蓄態(tài)磷的比例發(fā)生變化。重金屬對(duì)鉀的影響，一方面表現(xiàn)在影響鉀在土壤中的吸附、解吸和形態(tài)分配；另一方面，導(dǎo)致土壤中植物對(duì)鉀的吸收能力減弱，土壤鉀素流失加劇。因此土壤重金屬污染最終影響土壤中氮、磷、鉀的保持和供應(yīng)。

2.2 對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的生命組分。大多數(shù)重金屬在低濃度下，會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生刺激作用，而在高濃度下則抑制微生物生長(zhǎng)。微生物能吸附和轉(zhuǎn)化重金屬及其化合物，但當(dāng)土壤中重金屬的濃度增加到一定限度時(shí)，就會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)代謝，甚至導(dǎo)致微生物死亡。

2.3 對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶與土壤微生物密切相關(guān)，土壤中很多酶由微生物分泌，并且與微生物一起參與土壤中物質(zhì)和能量的循環(huán)。重金屬對(duì)土壤酶的活性有較明顯的影響。一方面重金屬對(duì)酶活力產(chǎn)生直接影響，使酶類活性基團(tuán)空間結(jié)構(gòu)受到破壞，從而降低其活性。另一方面，重金屬抑制土壤微生物的生產(chǎn)繁殖，減少微生物體內(nèi)酶的合成和分泌量，最終導(dǎo)致土壤酶活性降低。

2.4 對(duì)土壤生化過程的影響

土壤中的重金屬對(duì)土壤有機(jī)殘落物降解具有抑制作用。如Cr能抑制土壤纖維素的分解，當(dāng)Cr濃度大于40mg/kg時(shí)，纖維分解在短時(shí)間內(nèi)全部受到抑制。

土壤中的重金屬對(duì)土壤呼吸有一定的抑制作用。其中As對(duì)吸附的抑制作用最強(qiáng)。土壤呼吸作用的強(qiáng)弱意味著土壤系統(tǒng)代謝旺盛程度，與微生物數(shù)量、土壤有機(jī)質(zhì)水平、N和P的轉(zhuǎn)化強(qiáng)度、pH值、中間代謝產(chǎn)物等因素相關(guān)。

2.5 重金屬對(duì)人體健康的影響

重金屬污染土壤的最終后果是影響人畜健康。通常重金屬污染嚴(yán)重的土壤，其農(nóng)作物重金屬含量也很高。如果通過食物鏈進(jìn)入體內(nèi)，或人體長(zhǎng)期暴露在重金屬污染土壤的揚(yáng)塵環(huán)境，重金屬?gòu)暮粑肋M(jìn)入人體，都會(huì)對(duì)人體健康造成直接或間接的影響。重金屬污染具有隱蔽性、積累性和不可逆性，因此一旦發(fā)生污染危害時(shí)，往往已經(jīng)到了非常嚴(yán)重的程度。

3 重金屬污染土壤生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)

生物強(qiáng)化技術(shù)可以分為生物強(qiáng)化和生物促進(jìn)。生物強(qiáng)化是指施加對(duì)目標(biāo)污染物具有一定處理能力的外源微生物，利用其新陳代謝反應(yīng)進(jìn)行修復(fù)；生物促進(jìn)是指直接向遭受污染的土壤添加外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或電子受體，來刺激土著微生物的活性，以達(dá)到降低目標(biāo)污染物風(fēng)險(xiǎn)。因此區(qū)別于一般的生物修復(fù)技術(shù)，生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)需要接種外源微生物。所接種的外源微生物可以是自然界中篩選出來的優(yōu)勢(shì)菌種，或通過人工馴養(yǎng)的活性菌種，也可以是通過基因工程手段得到的基因工程菌。

3.1 生物強(qiáng)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

生態(tài)強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)，國(guó)外已經(jīng)探索研究了40年，并且在土壤重金屬修復(fù)領(lǐng)域取得了良好的修復(fù)效果。我國(guó)也在該領(lǐng)域取得了一定的研究成果。文中以南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院孫紅文教授課題研究組試驗(yàn)的誘變菌株B38、生物炭為例，介紹生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及成果。

3.2 生物強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用

3.2.1 高效誘變菌對(duì)土壤重金屬污染修復(fù)的應(yīng)用

以枯草芽孢桿菌（Bacillus subtillis）為出發(fā)菌種，利用紫外誘變5分鐘獲得一株對(duì)Cd具有高耐受的誘變菌株B38，并將部分菌株烘干、粉碎、高溫滅菌，得到B38死體菌株吸附劑。

利用活體菌株、死體菌株對(duì)3種重金屬陽(yáng)離子Cd（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）和1種重金屬陰離子Cr（Ⅵ）分別進(jìn)行吸附研究，研究結(jié)果如表2所示。

表2 活體菌株、死體菌株最高吸附效率 / %

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，活體菌株吸附劑和死體菌株吸附劑對(duì)4種重金屬離子的吸附能力依次為：活體菌株，Cd≈Hg＞Pb＞Cr；死體菌株P(guān)b＞Cd＞Cr＞Hg。誘變菌株B38作為一種以Cd（Ⅱ）為目標(biāo)物質(zhì)篩選出來的高抗性菌株，其活體菌株吸附劑對(duì)重金屬陽(yáng)離子表現(xiàn)出較高的吸附能力，對(duì)Cd、Hg的親和性最高；而B38死體菌株對(duì)4種重金屬離子均表現(xiàn)出較高的吸附性能。因而誘變菌株B38可作為處理多種金屬離子符合污染的優(yōu)良吸附劑。

3.2.2 生物炭質(zhì)材料對(duì)土壤重金屬的影響

生物炭是由生物殘?bào)w，如植物秸稈、動(dòng)物糞便等在完全或部分缺氧情況下，經(jīng)高溫慢熱產(chǎn)生的一種難溶解、穩(wěn)定、富含碳素、高度芳香化的固態(tài)物質(zhì)。

生物炭能補(bǔ)償土壤的有機(jī)質(zhì)消耗，提高土壤肥力，實(shí)現(xiàn)能量和物質(zhì)循環(huán)的效益最大化，提高作物產(chǎn)量。生物炭作為改良劑加入土壤，可以改變土壤微生物的活性，為微生物生產(chǎn)提供養(yǎng)分，同時(shí)作為微生物生產(chǎn)的載體，減少了微生物的損失。生物炭具有良好的吸附性能，固定土壤中的重金屬。

根據(jù)研究表明，生物炭對(duì)土壤Cu（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）具有固定作用，其主要機(jī)理有：①生物炭的施加提高了土壤pH值，從而影響重金屬的形態(tài)和活性；②重金屬離子通過d軌道與生物炭表面的π電子之間的相互吸引作用而吸附于生物炭表面；③重金屬離子與生物炭發(fā)生專項(xiàng)吸附作用。

3.2.3 生物質(zhì)載帶誘變菌對(duì)重金屬污染的吸附

生物炭作為微生物載體，為微生物提供了良好的棲息環(huán)境。生物炭可以通過靜電引力作用將微生物固定在生物炭表面。另外，由于生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)生物炭孔徑是微生物的2～5倍時(shí)，微生物還可以吸附在微孔內(nèi)。同時(shí)生物炭?jī)?nèi)部含有多種微生物生產(chǎn)必需的微量元素，能促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖。

動(dòng)物源生物炭、豬糞生物炭（PCB）為表面凹陷的多孔顆粒狀結(jié)構(gòu)，表面凹陷形成塌陷的空腔，可以為重金屬離子提供更多的吸附位點(diǎn)，為微生物吸附提供更大的空間。FT-IR光譜和XPS能譜研究發(fā)現(xiàn)，B38與PCB結(jié)合，可增加PCB表面官能團(tuán)的種類和數(shù)量，顯著促進(jìn)植株生長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，誘變菌株對(duì)多種重金屬離子均具有較高的吸附能力；生物炭作為一種新型的環(huán)境材料，不僅能夠吸附重金屬，而且能提高土壤肥力，改善土壤環(huán)境，為微生物的生產(chǎn)繁殖提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和棲息場(chǎng)所。微生物和生物炭協(xié)同固定土壤重金屬，實(shí)現(xiàn)了土壤重金屬的原位修復(fù)，為土壤重金屬修復(fù)提供了一個(gè)新的途徑。