土壤重金屬污染以及微生物修復(fù)技術(shù)探討

張 艷，鄧揚悟，羅仙平，周 朦

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

（School of Resource and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China）

土壤重金屬污染以及微生物修復(fù)技術(shù)探討

張 艷，鄧揚悟，羅仙平，周 朦

（江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

重金屬通過各種途徑進入到環(huán)境中，對生態(tài)環(huán)境和人類的生存造成了潛在的威脅.文中對生態(tài)環(huán)境中重金屬的來源、特征以及其在土壤中的環(huán)境行為特征研究成果進行分析，并對利用微生物修復(fù)技術(shù)修復(fù)土壤重金屬污染的有效性和可行性做了相關(guān)探討.

重金屬污染；土壤；微生物修復(fù)技術(shù)

（School of Resource and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China）

重金屬是指密度4.0以上約60種元素或密度在5.0 以上的 45 種元素，主要包括鉛（Pb）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鉻 （Cr）、鋇(Ba)、銅 （Cu）、銀(Ag)、 鋅 （Zn）、 鎳（Ni）等.砷（As）和硒（Se）雖非嚴(yán)格意義上的重金屬，但因其某些性質(zhì)及生態(tài)毒性與重金屬相似，故通常列入重金屬類進行研究討論.

隨著科技的迅猛發(fā)展，重金屬在生活、生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用.然而，對重金屬產(chǎn)品的不當(dāng)處理、處置，已經(jīng)對人類的生產(chǎn)生活環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染.而最引起人們關(guān)注和擔(dān)憂的是其危害的隱蔽性、不可逆性和長期性[1].由于環(huán)境中的重金屬不能被自然降解，因此土壤一旦被重金屬污染，就很難徹底消除[2].重金屬可以通過空氣、水、土壤等途徑進入動植物體，并經(jīng)由食物鏈放大富集進入人體，損害人體健康[3]，重金屬在極低濃度下就能破壞人體正常的生理活動，危害程度極大，對生態(tài)環(huán)境以及人類生存構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅.為此，摸清土壤重金屬污染的主要來源及其在土壤中的環(huán)境化學(xué)特征、轉(zhuǎn)化遷移規(guī)律，探索并建立其相應(yīng)的有效治理技術(shù)方法，具有重要的理論和現(xiàn)實意義.

1 重金屬污染來源

土壤重金屬污染主要由采礦、冶煉、電鍍、化工、電子、制革等工業(yè)產(chǎn)生的含重金屬的廢棄物進入土壤，以及污灌、農(nóng)藥、化肥、垃圾、粉煤灰和城市污泥的不合理施用引起.傳統(tǒng)上可以分為工業(yè)來源、農(nóng)業(yè)來源和城市生活來源.

（1）工業(yè)來源.工業(yè)生產(chǎn)中煤和石油等能源的燃燒所釋放的大量含重金屬的有害氣體和粉塵等，以及其他工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，如采礦、選礦、礦物加工、冶煉等產(chǎn)生的富含重金屬的廢氣、廢水和廢渣.

（2）農(nóng)業(yè)來源.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重金屬污染主要來自農(nóng)田污水灌溉，以及化肥和殺蟲劑的濫用等.

（3）城市生活來源.主要來源于汽車尾氣的排放及汽車輪胎磨損所產(chǎn)生的大量含重金屬的有害氣體和粉塵.

2 土壤重金屬污染特征

大多數(shù)重金屬是過渡元素，由于其特有的電子層結(jié)構(gòu)，使得重金屬在土壤環(huán)境中的化學(xué)行為具有以下特點[4]：①重金屬具有可變價態(tài)，在特定環(huán)境條件下，會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，重金屬的活性和毒性隨其價態(tài)變化而變化；②重金屬可以與土壤中的一些無機酸反應(yīng)生成硫化物、碳酸鹽、磷酸鹽等，同時，也易于在土壤環(huán)境中發(fā)生水解反應(yīng)生成氫氧化物.由于生成的化合物在土壤溶液中的溶解度較小，使得重金屬在土壤中不易遷移，從而不斷累積，造成更為嚴(yán)重的土壤環(huán)境問題；③重金屬作為中心離子，能夠接受多種陰離子，如 OH-、Cl-、F-等，并且能結(jié)合簡單分子的獨對電子，生成配位絡(luò)合物，還可與一些大分子有機物，如蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)、多糖類等生成螯合物.若形成的絡(luò)合物和螯合物是可溶性的，則可能滲入地下水或通過其他途徑發(fā)生遷移，使其污染范圍進一步擴大蔓延.

由于重金屬具有以上環(huán)境化學(xué)特性，其在土壤中的行為極其多變.因此，直接導(dǎo)致重金屬在土壤環(huán)境中的遷移難以準(zhǔn)確預(yù)測，加大了土壤重金屬污染防治的難度.

3 重金屬在土壤環(huán)境中的行為特征

3.1 土壤中重金屬的賦存形態(tài)

重金屬在土壤溶液中，主要以簡單離子、有機或無機絡(luò)離子的形態(tài)存在.

土壤中痕量重金屬化學(xué)形態(tài)分布連續(xù)提取的方法種類繁多.但以Tessier五步連續(xù)提取法最為經(jīng)典，受到國內(nèi)外眾多研究學(xué)者推崇[5].Tessier用連續(xù)提取法將土壤環(huán)境中重金屬的賦存形態(tài)分為：可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)[6].盡管Tessier法對土壤中重金屬的形態(tài)進行了較詳細的劃分并在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，但由于沒有統(tǒng)一的分析標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)物以及各形態(tài)間可能會發(fā)生竄相，仍存在分析結(jié)果可比性較差、數(shù)據(jù)無法驗證對比、再現(xiàn)性不高等問題[7-12].因此，基于該法基礎(chǔ)之上又提出了其他連續(xù)提取法.例如，BCR法是1992年由歐共體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局 (European Community Bureau of Reference)提出的一種三級四步提取法[13]，此法再現(xiàn)性顯著好于Tessier法[14].

近年來，大多數(shù)研究學(xué)者在分析土壤中重金屬形態(tài)組分時，按浸提劑的不同將土壤環(huán)境中重金屬的賦存形態(tài)分為：水溶態(tài)（以去離子水浸提）、交換態(tài)（如以MgCl2溶液為浸提劑）、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)（如以NH2OH-HCl為浸提劑）、碳酸鹽結(jié)合態(tài) （如以NaAc-HAc為浸提劑）、有機結(jié)合態(tài)（如以H2O2為浸提劑） 以及殘渣態(tài) （如以HClO4-HF消化、1∶1HCl浸提）.各賦存形態(tài)重金屬的化學(xué)活性和生理毒性各異.其中，水溶態(tài)和交換態(tài)的化學(xué)活性和生理毒性最大，各種結(jié)合態(tài)次之，殘渣態(tài)最小[15].

3.2 重金屬元素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化及其影響因素

重金屬在土壤中的動態(tài)與土壤種類、利用方式、結(jié)構(gòu)以及氧化還原電位等物理化學(xué)條件有關(guān)，其遷移轉(zhuǎn)化途徑主要有[16]：①通過離子交換反應(yīng)被土壤膠體吸附；②與土壤有機、無機配位體，如羧基、氨基、磷酸基等電子供體形成絡(luò)合物或螯合物.例如二價重金屬離子可與腐殖質(zhì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，見圖 1.也可與碳原子共價結(jié)合形成有機金屬化合物；③土壤中的重金屬處于溶解與沉淀反應(yīng)的動態(tài)平衡之中，土壤溶度積常數(shù)的大小、氧化還原電位Eh、土壤pH等都會影響其溶解度；④重金屬元素多屬變價元素，其價態(tài)會在氧化還原反應(yīng)中發(fā)生轉(zhuǎn)變，其作用效應(yīng)亦隨之發(fā)生相應(yīng)變化.

圖1 土壤二價重金屬離子與腐殖質(zhì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)

影響重金屬在土壤中遷移轉(zhuǎn)化的因素主要包括：①土壤膠體對重金屬的吸附作用；②重金屬的配合作用；③土壤中重金屬的沉淀和溶解作用；④土壤對重金屬的氧化還原作用.

4 微生物修復(fù)技術(shù)

4.1 微生物的特點

微生物與動植物相比，有以下5個顯著優(yōu)點：①個體微小，比表面積大；②繁殖快，代謝能力強；③種類多，分布廣；④適應(yīng)性強；⑤容易培養(yǎng).造就了其在自然界物質(zhì)循環(huán)、污染土壤修復(fù)改良中的獨特地位.

4.2 微生物修復(fù)重金屬污染土壤的技術(shù)原理與方法

微生物在修復(fù)被重金屬污染的土壤方面具有獨特的作用，其主要作用是降低土壤中重金屬的毒性，吸附并累積重金屬，以此來凈化有毒金屬污染或回收有經(jīng)濟價值的金屬；與此同時，微生物還可以通過改變根際微環(huán)境，從而提高植物對重金屬的吸收、揮發(fā)或固定率[17-18].

由于微生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用成本低，對土壤肥力和代謝活性負面影響小，可以避免因污染物轉(zhuǎn)移而對人類健康和環(huán)境產(chǎn)生影響[19]，近年來在生態(tài)修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域備受關(guān)注.利用微生物對土壤中的重金屬進行修復(fù)是土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)研究的新熱點.

微生物主要是通過吸附作用、溶解作用、氧化還原作用以及菌根真菌作用對重金屬污染土壤進行修復(fù)[20]：①吸附作用是指微生物通過帶電荷的細胞表面物質(zhì)吸附重金屬離子，將重金屬離子富集在細胞表面或內(nèi)部.如茁芽短梗霉(Aureobasidium Pullulans)分泌胞外聚合物（EPS）可將Pb2+積累于細胞表面，且隨著EPS分泌增多，細胞表面的Pb2+水平提高4倍左右[21].②溶解作用是指土壤微生物能夠利用土壤中的有效營養(yǎng)和能源，在土壤濾瀝過程中通過分泌有機酸絡(luò)合并溶解土壤中的重金屬.Siegel等報道，真菌可以通過分泌有機酸、氨基酸以及其它代謝產(chǎn)物絡(luò)合并溶解重金屬及含重金屬的礦物[22].③氧化還原作用是指微生物氧化還原作用能使某些重金屬元素的價態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而使其活性和毒性降低.例如，在含高濃度重金屬的污泥中，加入適量的硫，部分微生物如嗜酸硫桿菌（Acidithiobacillus）即可把硫氧化成硫酸鹽，降低污泥的pH，提高重金屬的移動性；又如，綠銅假單胞菌（P.aeruginosa）、大腸埃希菌（E.coli）、變形桿菌（Proteus）等，可使無機或有機化合物中的二價汞離子還原為單質(zhì)汞.這種轉(zhuǎn)移方式可暫時或永久地將金屬從生物接觸的環(huán)境中清除出去[23].④菌根真菌作用是指菌根真菌能借助有機酸的分泌活化某些重金屬離子，并通過離子交換、分泌有機配體等作用間接影響植物對重金屬的吸收.Thompson通過盆栽實驗表明，在長期拋荒的土壤中接種VA（Vesicalar-Arbuscular）菌根，可以促進亞麻（Linum usitatissimum）對磷、鋅的吸收[24].

4.3 微生物修復(fù)技術(shù)國內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，利用微生物對重金屬污染土壤進行修復(fù)的技術(shù)開始興起且發(fā)展迅猛.在國內(nèi)，王瑞興等[19]對利用微生物礦化固結(jié)土壤中的重金屬進行了研究，篩選到一種土壤菌-菌株A，并對其進行了深入分析，得到如下結(jié)果：①菌株A在生長繁殖中產(chǎn)生的酶誘導(dǎo)底物分解產(chǎn)生CO32-，使得重金屬離子以碳酸鹽沉淀的形式礦化固結(jié)，從而降低了其溶解度，削弱了重金屬在土壤中的遷移能力；②Ca2+與Cd2+共結(jié)晶實驗顯示，重金屬離子被菌體細胞膜界面處帶負電荷的水可溶有機質(zhì)(SM)螯合，使菌體周圍廣域微量重金屬離子轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛吆矿w系，從而在菌體表面成核結(jié)晶，晶體按照Ca0.67Cd0.33CO3化學(xué)計量形式從液相中沉積，形成CaCO3和CdCO3的共結(jié)晶沉積物；同時菌株分泌出制約沉積晶體晶格生長的有機質(zhì)，沉積晶體普遍為直徑1～10 μm的球形，與化學(xué)沉積過程存在顯著差異；③將適當(dāng)?shù)孜锾砑拥奖恢亟饘?Cd、Cu、Pb、Zn等)污染的土樣中并接種菌株A，發(fā)現(xiàn)8 d后土壤中有效態(tài)的重金屬明顯減少，去除（固結(jié)）率可達50%～70%.因此，利用微生物礦化固結(jié)土壤中的重金屬的技術(shù)不僅工藝簡單，有較高的實用價值，而且，在建設(shè)環(huán)境友好型社會下，具有大面積推廣使用的可能性.又如，曹德菊[25]利用常規(guī)微生物資源（枯草桿菌、酵母菌、大腸桿菌等），對重金屬離子Cd2+、Cu2+進行生物修復(fù)試驗，其結(jié)果表明，在環(huán)境中Cu2+、Cd2+濃度較低的情況下，微生物具有良好的修復(fù)性能，去除（固結(jié)）率可達25%～60%.

在國外，對含有重金屬的土壤中土著(Indigenous)降解菌的篩選及其應(yīng)用有較深入的研究.如L.L.Barton等[26]從受 Cr(VI)、Zn2+和 Pb2+污染的土壤中分離的菌種 P.maltophilia和 Pseu domonas mesophilica，可將亞硒酸鹽、硒酸鹽和二價鉛轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不具毒性的膠態(tài)鉛和膠態(tài)硒.Kuhn[27]用海藻酸鈉固定生枝動膠菌，用于含Cd廢液的處理，溶液中Cd2+的去除率可達95.95%.Butter[28]用細菌作為生物吸附劑處理含Cd廢水，實驗效果較好，具有一定的可行性.

4.4 微生物修復(fù)技術(shù)的局限性

微生物修復(fù)技術(shù)也具有一定的局限性.首先，微生物存在遺傳穩(wěn)定性差、易發(fā)生變異，一般不能將污染物全部去除等問題.其次，微生物對重金屬的吸附和累積容量有限，而且須與土著菌株展開生存競爭，最終有可能因難以適應(yīng)環(huán)境（競爭失利）而被淘汰.最后，由于利用微生物對重金屬污染土壤進行修復(fù)受環(huán)境條件的影響顯著，因此，為確保應(yīng)用效果，除了篩選過程，應(yīng)用前較為繁瑣的培植、馴化過程也必不可少，這也在一定程度上制約了微生物修復(fù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用.

5 結(jié)束語

利用微生物對重金屬污染土壤進行修復(fù)，具有修復(fù)成本低、無二次污染等特點，可在一定程度上帶來經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，是一種較理想的生物修復(fù)方法.但是，由于微生物易受環(huán)境條件的影響發(fā)生變異，再加之其吸附累積容量有限，使得該法在一定程度上受到限制.在這種形勢下，應(yīng)該更著力于技術(shù)方法的突破和創(chuàng)新，將其與其他生物修復(fù)技術(shù)（如植物修復(fù)技術(shù)）有效的結(jié)合起來，打破現(xiàn)行方法的局限性，實現(xiàn)對重金屬污染土壤的有效治理.

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On soil contamination by heavy metal and microbial remediation technology

ZHANG Yan,DENG Yang-wu,LUO Xian-ping,ZHOU Meng

Heavy metal hid in the soil poses great potential threats to the ecological environment and human survival.This paper summarizes the general sources,chemical speciation and environmental behavior of heavy metals in soil by discussing the advances,effectiveness and feasibility of using microbial techniques for remediation of heavy metal contaminated soils.

heavy metal pollution;soil;microbial remediation technology

X131.3

A

1674-9669（2012）01-0063-04

2011-12-06

“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAC11B07）；江西省自然科學(xué)基金項目（20114BAB213019）

張 艷（1988- ），女，碩士研究生，主要從事脆弱生態(tài)環(huán)境生物修復(fù)方面的研究，E-mail:yeahjian9677@qq.com.