重金屬鎘污染生物修復的研究進展

肖春文，羅秀云，田 云，盧向陽

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學生物科學技術學院，湖南 長沙410128；2.湖南省農(nóng)業(yè)生物工程研究所，湖南 長沙410128）

鎘屬于第二副族的重金屬元素，是比較稀有的元素，在地殼中的含量約為十萬分之二[1］。鎘具有較強的化學活性，比其它重金屬更容易進入植物體內(nèi)，大量積累后會對植物體造成危害。當植物體內(nèi)鎘含量達到1mg·kg－1時，就表現(xiàn)出一系列不適應癥狀，植物生物量下降甚至死亡[2］。由于鎘的隱蔽性，植物在不影響生長的情況下往往會積累較高濃度的鎘，并且通過食物鏈的富集作用進入人體，危害人體健康[3］。鎘類化合物通常不容易被腸道吸收，但可以經(jīng)過呼吸系統(tǒng)進入人體，并逐漸累積于肝臟或腎臟，尤其對腎臟造成明顯的損害[4］。鎘積累還會降低人體對鈣、磷的吸收，從而導致維生素D的代謝異常，進而引起腎臟和骨的病變[5］，如日本曾經(jīng)爆發(fā)的著名的“疼疼病”[6］。人體攝入過量的鎘及其化合物會導致“三致效應”，即致突變、致畸、致癌[7］。鎘的排出速度非常慢，在人體內(nèi)主要通過腎臟經(jīng)尿液排出，還有一部分通過肝臟經(jīng)由膽汁以糞便的形式排出，鎘在體內(nèi)的半衰期長達20～40年，因此治療非常困難[8］。

隨著科學技術、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，鎘資源的開發(fā)和鎘化合物的應用范圍不斷擴大，其造成的污染也日益嚴重，鎘污染的治理迫在眉睫。

作者在此概述了鎘污染的現(xiàn)狀，系統(tǒng)闡述了鎘污染的生物修復研究進展，擬為鎘污染生物修復的實際應用提供指導。

1 鎘污染的現(xiàn)狀

鎘是毒性最強的幾種重金屬之一[9］，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署曾經(jīng)提出12種具有全球性意義的危險化學物質(zhì)，其中鎘列在第一位[10］。

鎘的用途極為廣泛，如能與很多金屬元素形成多種性能優(yōu)異的合金、可制作核工業(yè)中原子反應堆的控制棒以及制備鎳鎘和銀鎘電池等[11］。隨著鎘及其制品的不斷應用，重金屬鎘的污染也日益嚴重。

目前，我國鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染的耕地面積近2000萬hm2，約占全國總耕地面積的20%，其中用鎘污染水灌溉的農(nóng)田面積達330多萬hm2[12］，并且逐年擴大；東北地區(qū)沈陽張士灌區(qū)是污染面積最大、污染最嚴重的鎘污染區(qū)，約2500余hm2[13］。每年全國因重金屬污染而減產(chǎn)的糧食達到1×107多t，每年生產(chǎn)的鎘超標農(nóng)產(chǎn)品約1.46×109kg[14］，特別是“鎘米”事件頻發(fā)；2007年，潘根興教授和他的研究團隊（南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所）在華東、華中、東北、華北、西南和華南縣級以上市場隨機采購91份大米樣品，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10%左右的市售大米鎘超標[12］。

近年來發(fā)生了很多有重大影響并且造成巨大損失的鎘污染事件，如2009年8月湖南瀏陽鎘污染、2011年9月云南曲靖鎘污染以及2012年1月廣西河池市龍江鎘污染等[15］。

根據(jù)我國對26個國控湖泊、水庫和7大水系的監(jiān)測數(shù)據(jù)，我國的水源鎘污染形勢不容樂觀，其中長江水系的鎘是僅次于汞、排在第二位的重金屬污染物；黃河水系、淮河干流、灤河的鎘超標率都在16%以上，屬于嚴重污染[16］；湖南等有色金屬大省是重金屬鎘污染的重點地區(qū)，湘江是中國重金屬鎘污染最嚴重的河流之一[11］。2011年3月，國務院批準了全國第一個重金屬污染治理試點方案《湘江流域重金屬污染治理實施方案》，表明湖南已開始加強湘江的重金屬污染治理建設[16］。

2 鎘污染的生物修復

鎘類化合物毒性很大，鎘和環(huán)境中其它元素的協(xié)同作用還會增大其毒性。如何有效治理鎘污染、修復生態(tài)環(huán)境，是全社會高度關注的問題。鎘污染不同于有機物污染，后者在環(huán)境中可被微生物降解，或者通過化學反應而分解；鎘的治理只能改變其存在的方式和轉(zhuǎn)移位置，而不能消除其毒性[4］。

目前，關于鎘污染的治理主要有物理化學修復法和生物修復法。其中物理化學修復法，如化學沉淀法、離子交換法、反滲透法、萃取法、活性炭吸附法等不同程度地存在著投資大、能耗高、操作困難、易產(chǎn)生二次污染等缺點[17］。生物修復法是20世紀80年代興起的一種經(jīng)濟、高效、環(huán)保的綠色生物技術，是指利用生物的生命代謝活動來減少環(huán)境中對人體有毒有害物質(zhì)的濃度或者使其轉(zhuǎn)化為對環(huán)境完全無害的物質(zhì)，具有廣闊的應用前景[8］。生物修復法主要包括植物修復、微生物修復和動物修復[18］。

2.1 植物修復

植物修復是指利用綠色植物來轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化有毒污染物使其變得對環(huán)境無害[19］。

植物修復技術主要包括三個方面，即植物提取、植物揮發(fā)和植物鈍化[20］。植物提取是指利用超富集植物對重金屬的富集作用，結(jié)合土壤改良技術，將有毒污染物從地下轉(zhuǎn)移到地上部分，隨后收割地上部分（莖和葉）進行集中處理，達到降低土壤或者水體中重金屬含量的目的[8］；植物揮發(fā)是指通過植物將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化成毒性較小的揮發(fā)態(tài)物質(zhì)，從而減輕重金屬的危害[21］；植物鈍化是指通過植物的生理活動來降低重金屬在土壤中的有效態(tài)，比如通過植物根系過濾、固定和鈍化從而使重金屬吸附于土壤表面，達到減輕重金屬污染的效果[22］。

目前，學術界對超富集植物還沒有完全統(tǒng)一的定義，一般認為超富集植物應該具有以下幾種顯著的特性：（1）能在體內(nèi)積累較高濃度的重金屬，即植物葉片或地上部分（干質(zhì)量）的鎘含量達到100mg·kg－1以上[19］；（2）在重金屬濃度較低時也有較高的積累率，并能將其遷移到地上部分[20］；（3）生長速度較快，生物量大，具有一定的抗病蟲害能力[8］。

近年來，我國在鎘超富集植物的尋找和應用基礎研究方面進展較為迅速，取得了不少研究成果，如表1 所示。

表1 部分典型的鎘超富集植物Tab.1Some typical cadmium hyperaccumulation plants

2.2 微生物修復

微生物在鎘污染修復方面具有獨特的作用[1］。主要通過兩個方面來實現(xiàn)，即生物氧化－還原和生物吸附[3］。生物氧化－還原是利用微生物改變重金屬離子氧化－還原的狀態(tài)來降低重金屬的毒性及其含量；而生物吸附是重金屬被活的或死的微生物所吸附從而導致環(huán)境中重金屬含量降低的過程。

微生物修復具有費用低、效果好、易于管理與操作等優(yōu)點，愈來愈受到人們的重視，成為鎘污染生物修復研究的熱點[17］。

已篩選的吸附鎘的微生物見表2 。

2.3 動物修復

動物修復是指通過環(huán)境中（主要是土壤中）動物群的吸收、轉(zhuǎn)化和分解，改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力、促進植物和微生物的生長從而修復土壤污染的過程[11］。

通過研究蚯蚓－菌根在植物修復鎘污染土壤中的作用，發(fā)現(xiàn)接種菌根不僅能促進黑麥草對鎘的吸收，而且還能促進鎘從植物的根部向地上部分轉(zhuǎn)移，由于接種蚯蚓可以提高菌根的浸染率，所以二者具有促進鎘向地上部分轉(zhuǎn)移的協(xié)同作用，這對提高植物修復的效率很有意義[38］。

表2 已篩選出的吸附鎘的微生物Tab.2 The screened microorganisms for adsorbing cadmium

3 結(jié)語

根據(jù)國家環(huán)保法的規(guī)定，鎘是一類污染物。但隨著工農(nóng)業(yè)廢棄物和生活污水的肆意排放，受污染環(huán)境中鎘的含量卻逐年上升，已經(jīng)嚴重影響到了人們的正常生活，鎘污染的治理勢在必行。由于重金屬污染的生物修復技術綠色環(huán)保、社會生態(tài)綜合效益良好且易為公眾所接受，尤其是治理費用比傳統(tǒng)技術低，并且對重金屬污染土壤的治理成效具有永久性，已成為環(huán)保領域的世界性、前沿熱點研究課題，普遍認為生物修復技術將成為環(huán)保領域的朝陽產(chǎn)業(yè)。然而，由于該項技術起步時間不長，在基礎理論、修復機理及技術工藝方面還需進行大量研究[39］。以下幾方面的工作需要重點加強和突破：

（1）目前發(fā)現(xiàn)的鎘超富集植物不多，并且大都比較矮小、生物量小、生長周期長、修復效率相對較低，所以尋找合適的鎘超富集植物一直是植物修復的研究熱點之一。

（2）目前篩選的吸附鎘微生物大多是耐單一重金屬的菌株，很少有篩選到耐多種重金屬菌株的報道，這不利于鎘的復合型污染的治理。國內(nèi)學術界對微生物修復的研究仍然停留在實驗室層面或小規(guī)模的現(xiàn)場試驗中，實際應用于環(huán)境治理的報道尚不多見。

（3）聯(lián)合生物修復各種技術，開展以植物修復為主，輔以物理、化學和微生物手段綜合修復環(huán)境鎘污染的研究；特別要加大動物、微生物和超富集植物聯(lián)合修復技術的開發(fā)。在系統(tǒng)水平上研究有共代謝關系的細菌－細菌、細菌－植物之間的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，提高生物修復的效率。

（4）植物對鎘的超量吸收、積累及其解毒機理等一系列的基礎理論問題有待深入研究。

（5）隨著分子生物學和轉(zhuǎn)基因技術的發(fā)展，對不同植物和微生物鎘耐受相關基因的研究將會越來越多，包括耐受相關基因分離、克隆和功能鑒定；嘗試將超富集植物甚至微生物的相關基因克隆到生物量較高的植物中去，培育出生長迅速、生物量大、富集能力強、能夠適應不同土壤或氣候環(huán)境同時能富集多種重金屬的超富集植物，也可以構(gòu)建更加高效的工程菌。

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