重金屬污染土壤的生物修復技術研究進展

摘要簡述了土壤重金屬污染的危害及我國當前土壤重金屬污染的形勢與現(xiàn)狀。與傳統(tǒng)、物理化學技術相比，生物修復技術具有簡單、高效的優(yōu)點，具有廣闊的發(fā)展前景與研究價值。生物修復包括植物修復、微生物修復、動物修復以及聯(lián)合修復，目前該技術尚處于研究與發(fā)展階段，在實際大規(guī)模重金屬修復應用中仍存在一定的缺陷和不足。從植物修復技術、微生物修復技術、動物修復技術及其聯(lián)合修復技術4個方面簡述了生物修復技術在重金屬污染土壤治理中的研究進展與其各自的優(yōu)點和缺點，最后探討了生物修復技術現(xiàn)存在的不足之處及未來的研究方向。

關鍵詞重金屬污染；植物修復；動物修復；微生物修復；聯(lián)合修復

中圖分類號S181.3文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）05-224-04

Research Progress of Bioremediation on Heavy-Metal Contaminated Soil

LUO Hui， ZHU Yi-Chun*， FENG Xiu-juan （The School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou， Jiangxi 341000）

Abstract This paper provides a brief introduction to the hazards and situation of soils contamination by heavy metals in China. Compared with the traditional physical and chemical technologies， bioremediation technology has the advantages of simplicity and high efficiency with wide developing and research prospects. However， bioremediation technology is still at the stage of research and development at present with some shortcomings in the actual application of large-scale heavy metal remediation， including phytoremediation， micro-remediation， animal remediation and associated remediation. The progress in the research of bioremediation for heavy-metal contaminated soil is reviewed， including phytoremediation， micro-remediation， animal remediation and associated remediation， and their advantages and disadvantages. Finally， some disadvantages of bioremediation in soil pollution treatment are presented and the future of this research field is looked into.

Key words Heavy metal pollution； Phytoremediation； Animal remediation； Micro-remediation； Associated remediation

基金項目國家自然科學基金（51364015）資助。

作者簡介羅輝（1988- ），男，江西新余人，碩士研究生，研究方向：污水處理。*通訊作者，副教授，碩士生導師，從事污水處理等方向的研究與教學。

收稿日期2014-12-26

土壤重金屬污染是指由于人類活動使得土壤中的重金屬含量明顯超過背景值，造成生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象。重金屬污染物進入土壤后難以被降解，其具有隱蔽性、不可逆性、累積性等特點，對動植物的生存、人類健康及社會發(fā)展存在極大危害[1-2]。白義等發(fā)現(xiàn)土壤動物的數(shù)量及群落多樣性均隨重金屬污染嚴重程度的增加而不斷減少、下降[3]。高濃度重金屬污染能顯著降低小節(jié)肢類土壤動物的個體密度[4]。隨著土壤鉻污染程度的增加，草本植物株高和葉片葉綠素含量會顯著下降[5]。湘南某農(nóng)田中種植的莧菜、空心菜等葉菜類蔬菜的Pb和Cd含量超過國家食品衛(wèi)生標準限值[6]，重金屬通過食物鏈進入人體，不同重金屬元素對人體健康的危害不同[7]，如鎘易造成骨質(zhì)疏松、萎縮、變形等癥狀；甲基汞會造成神經(jīng)系統(tǒng)受損；鉛能引起末梢神經(jīng)炎及運動和感覺障礙等[8]。當前，我國土壤重金屬污染形勢相當嚴峻。據(jù)統(tǒng)計，我國耕地土壤的重金屬污染面積為16.67%左右，約占我國耕地總量的1/6，其中，遼寧、河北等14個省、市和自治區(qū)是我國耕地重金屬污染的多發(fā)區(qū)域[9]。遼寧各土壤污染區(qū)面積均超過1 000 km2，湖南土壤重金屬污染面積已達71.5萬hm2[10]，以及其他多個城市地區(qū)均受到不同程度的污染[11-12]。土壤重金屬污染的隱蔽性和滯后性等特點注定了治理土壤重金屬污染的任務繁重、過程復雜、道路漫長。

隨著土壤的重金屬污染問題日趨嚴重，近年來，國內(nèi)外對于如何降低、減小，甚至消除大面積土壤重金屬污染做了大量研究工作，主要分為物理法、化學法和生物法3個方面。物理修復是指通過各種物理過程將污染物從土壤中去除或分離的技術，主要包括土壤淋洗法、工程措施法、電熱修復法等；化學修復是通過向重金屬污染土壤中添加改良劑、抑制劑，以調(diào)節(jié)和改變土壤的理化性質(zhì)，使重金屬發(fā)生沉淀、吸附、拮抗和氧化還原等化學反應，降低其生物有效性[14]。物理化學技術修復重金屬污染土壤不僅費用昂貴、治理效果一般，難以應用于大面積污染土壤的改良，化學治理后的土壤中重金屬容易再度活化，而且常常造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞，導致土壤生物活性和肥力下降，引起二次污染等。而生物修復技術是一種起步較晚但發(fā)展?jié)摿薮蟮男屡d技術，其與傳統(tǒng)的物理、化學修復技術相比，具有操作管理簡單、處理費用低、對周邊環(huán)境擾動小、不產(chǎn)生二次污染等特點，是一種經(jīng)濟、有效且非破壞性的修復技術，在處理土壤重金屬污染方面具有廣闊研究前景。

1生物修復技術

生物修復是指生物通過生命代謝活動將環(huán)境中的有毒有害物質(zhì)完全分解成二氧化碳和水或轉(zhuǎn)化為無毒害作用的中間產(chǎn)物的過程。目前生物修復分為植物修復、微生物修復、動物修復、植物-微生物聯(lián)合修復和植物-動物-微生物聯(lián)合修復。

1.1植物修復技術

植物修復技術是通過利用特定的植物吸收、降解、固定、富集重金屬，降低重金屬在土壤中的濃度，從而修復被重金屬污染的土壤的技術。植物修復機理主要包括植物提取、植物固定和植物揮發(fā)3個方面。

植物提取是在受重金屬污染的土壤中連續(xù)種植重金屬超積累植物，植物吸取土壤中一種或幾種重金屬，富集并輸送到植物根部的可收割部分或植物的地上枝條部位，隨后收割并集中處理，使土壤中重金屬濃度降低到可接受水平。超積累植物是植物提取的關鍵之一，是指能夠超量吸收和積累重金屬的植物，如天藍遏藍菜能超富集Cd和Zn[13]。目前，已發(fā)現(xiàn)超富集植物有700種以上，且廣泛分布于約50科中，并主要集中在十字花科[14]。趙盈麗等經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)商陸能夠?qū)⑼寥乐械腻i轉(zhuǎn)運到地上部位，一棵商陸可以富集平均13 mg的Mn，表明商陸對錳有較強的富集能力，是一種優(yōu)良的修復錳污染土壤的物種[15]。康薇指出，超積累植物蓖麻對Cu不僅有極強的耐性和較高的吸收、轉(zhuǎn)運能力，并且對生長環(huán)境中酸堿度的適應能力很強，有利于在重金屬污染土壤的生態(tài)修復中大規(guī)模應用[16]。

植物固定又稱植物鈍化，是通過吸收、分解、氧化還原和沉淀固定等過程， 促進重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榈投拘孕螒B(tài)，降低重金屬在土壤中的遷移性和毒性。Fánor等表示馬蹄蓮對鐵具有一定耐受性并大量固定在根部，適合用于重金屬污染濕地修復[17]。除了借助植物本身的特性，在土壤中添加EDTA、CDTA、檸檬酸、肥料等， 可提高重金屬在土壤根系中的活性[18]。張鑫等發(fā)現(xiàn)PASP對玉米修復重金屬污染土壤有明顯的強化作用[19]。汪楠楠等通過盆栽試驗發(fā)現(xiàn)檸檬酸和EDTA對吊蘭富集量的影響與其對土壤中銅的活化能力呈顯著性正相關，檸檬酸對土壤銅有較強的活化作用，能夠有效提高吊蘭對銅的吸收，且在濃度為5 mmol/L時效果最為明顯[20]。

植物揮發(fā)是利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)使土壤中重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓳]發(fā)的形態(tài)，或者是植物吸收重金屬在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中的過程，目前主要是針對Hg和Se的研究[21]。但將污染物釋放到大氣后，存在環(huán)境污染和危害人類健康的風險。

植物修復技術修復成本低，操作過程簡單，且植物修復過程中不僅不會對修復區(qū)域造成生態(tài)環(huán)境破壞，還能防風固沙，減少水土流失和土地荒漠化，凈化空氣和水，改善當?shù)厣鷳B(tài)及生物棲息地，形成自然景觀，美化地表環(huán)境。但目前，超積累植物缺乏完備的數(shù)據(jù)庫，且其長期在重金屬脅迫環(huán)境下，往往生長緩慢、植株矮小、生物量低，使得修復效率變低、修復周期延長。被污染土壤常常是同時受到多種重金屬復合污染，而一種植物通常只忍耐或吸收一、兩種重金屬元素，對其他濃度較高的重金屬可能表現(xiàn)出某些中毒癥狀，且外來物種的引種存在較高生物入侵風險。植物穩(wěn)定只是將重金屬轉(zhuǎn)化為低毒態(tài)，并沒有根本去除，外部環(huán)境的變化可將其重新激活。此外，隨著季節(jié)更迭，植物的枯枝落葉也可能使重金屬返回土壤。

1.2微生物修復技術

微生物修復技術是指微生物通過轉(zhuǎn)化作用和固定作用改變土壤重金屬形態(tài)，降低重金屬毒性、移動性和生物可利用性，從而達到治理重金屬污染土壤的目的[22-23]。微生物一般采用天然存在的土著微生物，有時也加入經(jīng)過人工馴化和特別培養(yǎng)的微生物以及商品化的適宜微生物菌劑。

微生物對重金屬的轉(zhuǎn)化作用包括氧化還原作用和甲基化與去甲基化作用，常見的有對鉻、汞、硒和砷等的轉(zhuǎn)化[22]。通過生物還原反應，微生物能將六價鉻還原為三價鉻，目前已有多種對Cr（Ⅵ）有還原作用的菌種被分離出來，如硫酸鹽還原菌、芽孢桿菌屬、埃希氏菌屬、陰溝桿菌、大腸桿菌、假單胞菌屬等[24]。彭祚全等發(fā)現(xiàn)鮑氏不動桿菌在含硒量為25 000 μg/ml的營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基中能生長并可還原硒，地衣芽胞桿菌和枯草芽胞桿菌在33 000 μg/ml時能正常生長并能還原無機硒為紅色單質(zhì)硒， 在含硒量為46 500 μg/ml時仍能緩慢生長[25]。這些超耐硒微生物的發(fā)現(xiàn)，在治理土壤硒污染方面具有重要意義。

微生物固定作用可將重金屬離子轉(zhuǎn)化為有機結(jié)合態(tài)、殘渣態(tài)或積累在微生物體內(nèi)， 包括胞外吸附作用、胞外沉淀作用和胞內(nèi)積累作用3種形式[22-23]。曹德菊等利用大腸桿菌、枯草桿菌、酵母菌對重金屬離子Cu、Cd進行生物修復試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當環(huán)境中Cu、Cd濃度較低（≤5 mg/L）時，微生物修復性能良好，去除率可達25%～60%[26]。李夢杰等利用裂褶菌GGHNO8-116菌株修復受Hg、Pb、Cr污染的土壤，試驗研究發(fā)現(xiàn)該菌株對土壤中交換態(tài)鉛和鉻具有很強的富集能力，其最大富集率達1.9%，交換態(tài)鉻最大富集率為2.6%，而對交換態(tài)汞的富集能力不強，最大富集率僅為0.78%[27]。Benmalek等研究金黃桿菌屬的一個新菌種solincola，發(fā)現(xiàn)其能生長在一定濃度的有毒金屬存在的環(huán)境中并具有較高的金屬富集能力，能夠用于原位生物修復重金屬污染土壤[28]。

微生物與動植物相比有以下5個顯著優(yōu)點：個體微小、比表面積大、繁殖快、代謝能力強、種類多、分布廣、適應性強、容易培養(yǎng)，這也造就了其在自然界物質(zhì)循環(huán)污染土壤修復改良中的獨特地位[29]。但微生物修復技術大多還處于實驗室研究和田間試驗與示范階段，對修復機理的研究不夠完善。且特定微生物只能降解特定類型的污染物，其活性極易受到溫度和其他環(huán)境條件影響。若采用的微生物為非土著，加入到修復現(xiàn)場后將與土著菌株發(fā)生種間競爭， 可能因其競爭力低使目標微生物數(shù)量減少或其代謝活性喪失。而且目前微生物修復效率較低， 不能修復重度污染土壤。此外，微生物個體微小，難以從土壤中分離，存在后續(xù)回收問題。

1.3動物修復技術

動物修復技術是利用土壤動物（如蚯蚓）通過食物鏈等作用吸收、降解或轉(zhuǎn)移重金屬，以降低土壤中重金屬的濃度。國外對于動物修復的研究已有較長時間，而我國的動物修復研究起步較晚，尚處于探索階段，孫艷芳等研究發(fā)現(xiàn)土壤無脊椎動物群落的多樣性指數(shù)、蜱螨目和彈尾目的種群數(shù)量能夠用來指示土壤重金屬污染的程度[30]。徐霖林等發(fā)現(xiàn)在淀山湖重金屬含量較高的區(qū)域，寡毛類大量存在，而不適合其他底棲動物的生存，因此，將顫蚓科的底棲動物作為淀山湖沉積物中重金屬含量、污染指數(shù)的潛在指示生物具有一定的意義[31]。目前動物修復重金屬污染土壤主要是指土壤動物，如蚯蚓、線蟲、節(jié)肢動物甲螨等。伏小勇等經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)在耐受濃度范圍內(nèi)，蚯蚓對重金屬的富集量隨著重金屬濃度的增加而增加，說明蚯蚓對重金屬有一定的忍耐和富集能力，用蚯蚓修復重金屬污染的土壤具有一定的應用價值[32]。也有研究表明蚯蚓對Pb有較強的富集作用，可以作為檢測重金屬污染土壤中Pb的重要生物指標[33]。

土壤動物大規(guī)模養(yǎng)殖技術成熟、成本較低且操作簡便， 可利用農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)生的大量廢棄物喂養(yǎng)， 不僅能資源化利用， 還可達到治理污染的目的。但動物吸收土壤中的重金屬后，可能通過排便等方式重新回到土壤，且特定動物只能修復其耐受范圍內(nèi)的重金屬污染土壤，一旦超出將會逃逸甚至死亡。

1.4植物-微生物聯(lián)合修復技術與植物-微生物-動物聯(lián)合技術

植物-微生物聯(lián)合修復技術是利用植物與微生物之間相互作用以提高土壤重金屬污染的修復效率的技術，植物-動物-微生物聯(lián)合修復技術則是植物、動物與微生物三者共同作用的結(jié)果。在土壤中投加微生物并提高營養(yǎng)和有機物含量能夠加快土壤污染物的降解；土壤動物能夠增加陽離子交換量、提高土壤孔隙度和持水量，使土壤保持健康并為微生物的代謝活動提供了良好的媒介；而植物不僅具有吸收、轉(zhuǎn)化、積累土壤污染物的能力，還能促進根系微生物降解有機污染物，生物修復依賴于三者的共同作用[34]。近年來，聯(lián)合修復技術逐漸引起各學者的研究興趣。Gustavo認為投加根系微生物、橄欖廢物堆肥與植物共同作用修復重金屬污染土壤具有可行性，不僅能提高植物耐性，且有利于橄欖加工廠的綠色生產(chǎn)[35]。田偉莉等發(fā)現(xiàn)Cd、Cu、Pb修復效果分別較單個動物修復和植物修復的簡單疊加效果高11.5%、7.2%、5.0%[36]。趙光試驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)凝結(jié)芽孢桿菌處理后的印度芥菜根部Cd含量提高了28%，表明該菌株可以增強印度芥菜對重金屬Cd的吸收[37]。楊柳等研究了在Pb2+、Cd2+脅迫作用下蚯蚓、菌根菌及其聯(lián)合作用對植物修復的影響，結(jié)果顯示蚯蚓可以顯著提高植物地上部分的生物量，菌根菌可以提高植物地上部分的重金屬積累濃度，同時接種蚯蚓與菌根菌所能提高植物吸收的重金屬總量的幅度最大，表明生物修復中同時接種蚯蚓與菌根菌，能使其發(fā)揮聯(lián)合作用[38]。

與單一生物修復相比，聯(lián)合修復構(gòu)造了一個完整的修復系統(tǒng)，修復效率更高。但聯(lián)合修復的修復機理和操作過程更加復雜，成本更高。目前，聯(lián)合修復技術尚缺乏深入機理研究與實際應用經(jīng)驗，有待于進一步發(fā)掘聯(lián)合修復技術的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

此外，將納米技術及轉(zhuǎn)基因技術用于重金屬修復也逐漸引起人們的關注[39-41]。Jiao等利用零價鐵納米粒子（A-nZVI）去除Cr（VI），結(jié)果發(fā)現(xiàn)在室溫下，pH為2，Cr（VI）/A-nZVI摩爾比為0.025時，濃度為50 mg/L的Cr（VI）的去除率達到100%[42]。Navarro等指出，通過移動遺傳因素進行水平基因轉(zhuǎn)移對于提高生活在高濃度重金屬極端環(huán)境的微生物的適應性和通用性起著重要的作用[43]。

2重金屬污染土壤的生物修復技術存在的問題

盡管生物修復技術有操作管理簡單、處理費用低、對周邊環(huán)境擾動小等優(yōu)點，但仍然存在以下幾個主要問題：①對于重度重金屬污染土壤無可奈何，植物、動物與微生物都有其對各種重金屬的耐受范圍，一旦土壤受重金屬污染濃度超出其耐受范圍將大大減弱生物修復效果。

②缺乏實際應用經(jīng)驗，存在與土著生物的種間競爭等原因，使得生物修復在大規(guī)模實際應用中修復效率往往大大降低。

③生物修復過程極易受到外部環(huán)境（如溫度、pH等）干擾，適應性較差。

④生物修復專一性太強，缺乏普遍性，現(xiàn)實中重金屬污染土壤普遍為受到多種重金屬及其他污染物的復合污染，這是只能修復特定污染物的生物修復技術所面臨的一個重要問題。

3重金屬污染土壤的生物修復技術發(fā)展展望

目前，我國對生物修復技術的研究大多集中在植物修復和微生物修復兩方面。由于當前科技水平的限制、研究資金的缺乏、研究時間尚短以及探索程度尚淺，所以探得的只是生物修復技術的滄海一粟，而植物修復技術較于微生物及動物修復技術方面，植物修復土壤重金屬污染的治理機理較為簡單、操作更為簡便、易于得到預期治理效果，我國在生物修復中的植物修復技術方面研究最早，但是并不能因此忽視微生物和動物在治理重金屬污染方面的作用和重要性。未來應該更加注重研究植物、動物、微生物三者之間相互作用，共同修復重金屬污染土壤，主要有以下幾個發(fā)展方向。

3.1基礎理論研究的深化生物修復技術涉及恢復生態(tài)學、環(huán)境科學、土壤學、生物學、物理化學等多門學科理論知識，只有具備完備的基礎理論知識儲備，才能更加靈活地運用生物修復技術治理現(xiàn)實土壤污染問題，如土壤重金屬形態(tài)及其相互轉(zhuǎn)化機理、分子生物水平上的生物解毒機理、金屬螯合機理以及土壤-微生物-植物-動物系統(tǒng)及相互作用機理等。

3.2生物修復的后續(xù)處理目前對于生物修復的后續(xù)處理還缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)裝置或完善方法，生物修復重金屬污染土壤后如何進行后續(xù)處理并回收重金屬將會是未來研究方向的一個熱點。

3.3與其他技術聯(lián)用加強生物修復技術與其他技術的聯(lián)用，充分發(fā)揮各個修復技術的優(yōu)勢。如將分子生物學和基因工程技術應用于生物修復中；與納米技術聯(lián)用催化提高修復效率；利用穩(wěn)定同位素標記（ SIP）技術尋找可利用的生物；用轉(zhuǎn)基因技術培育出大量耐性植物、動物和抗重金屬微生物；物理、化學修復與生物修復技術聯(lián)用等。

安徽農(nóng)業(yè)科學2015年

3.4植物-動物-微生物聯(lián)合技術我國國土面積廣、土壤類型多樣，土壤污染狀況復雜，且存在顯著區(qū)域性，因此單一修復技術（如植物修復技術、微生物修復技術）往往很難達到修復目標，聯(lián)合修復模式可能將成為未來修復土壤重金屬污染的主要模式。只有土壤動物、植物、微生物三者結(jié)合，相互作用，進行重金屬污染土壤的修復，重新建立起穩(wěn)定的土壤生態(tài)系統(tǒng)才能做到真正高效、綠色地修復重金屬污染土壤。

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責任編輯李菲菲責任校對李巖