重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

張敏，郜春花，李建華，盧晉晶，盧朝東，靳東升，劉靚

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

張敏1，郜春花2，李建華2，盧晉晶2，盧朝東2，靳東升2，劉靚1

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

近年來(lái)，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，其中，土壤重金屬污染問(wèn)題尤為突出，嚴(yán)重威脅著我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，因此，研究和治理土壤重金屬污染問(wèn)題變得十分重要。目前，治理方法包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)，生物修復(fù)以技術(shù)成本低、處理效果好、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到廣泛應(yīng)用。在論述生物修復(fù)技術(shù)的概念、方法、特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，指出了生物修復(fù)技術(shù)存在的不足和今后的發(fā)展方向。

土壤；重金屬污染；生物修復(fù)技術(shù)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展方向

目前，由于生活和工業(yè)生產(chǎn)中一些污染物的不合理處置，使得大面積的土壤和水體受到污染，其中，土壤重金屬污染尤為嚴(yán)重，特別是鎘和鉛污染，當(dāng)重金屬含量超出土壤或水體的自凈能力時(shí)，在短期內(nèi)很難去除，而土壤中過(guò)量的重金屬含量不但會(huì)使土壤肥力下降，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，而且使得作物的重金屬含量較高，并可通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，為害到人體的健康[1]。此外，重金屬會(huì)通過(guò)降雨等滲入地下水，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。在20世紀(jì)80年代中期，一些歐美國(guó)家首次探索用生物技術(shù)來(lái)修復(fù)污染的土壤和水體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其治理效果明顯優(yōu)于物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)[2]。物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要是通過(guò)物理、化學(xué)方式來(lái)解析或固定土壤中的重金屬，從而減少重金屬對(duì)環(huán)境的毒害[3]。但這2種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，技術(shù)量大，成本高，可能破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致生物活性下降和土壤肥力退化，這些缺點(diǎn)限制了其發(fā)展[3]。生物修復(fù)技術(shù)以其費(fèi)用低，效果好，不會(huì)或很少造成二次污染的特點(diǎn)吸引著越來(lái)越多的科研人員從事其研究與實(shí)踐，因此，在土壤污染治理中，生物修復(fù)技術(shù)將會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。

筆者主要介紹了生物修復(fù)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為了提高其修復(fù)效率，通過(guò)分析該修復(fù)技術(shù)存在的問(wèn)題，針對(duì)其問(wèn)題提出解決方案，并探索其未來(lái)的發(fā)展方向，為土壤污染修復(fù)領(lǐng)域提出新的思路。

1 土壤重金屬污染現(xiàn)狀

土壤重金屬污染是由于人類工業(yè)生產(chǎn)或生活產(chǎn)生的重金屬或其化合物進(jìn)入土壤并積累，當(dāng)超過(guò)其自我凈化能力時(shí)，土壤性狀和質(zhì)量就會(huì)發(fā)生改變，從而造成環(huán)境污染，最終對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響和危害[4]。重金屬具有獨(dú)特的特點(diǎn)，即隱蔽性、普遍性、積累性、不可逆轉(zhuǎn)性、形態(tài)多變性、遷移轉(zhuǎn)化形式多、復(fù)合性和綜合性等[1，5]。

隨著工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，土壤重金屬污染越來(lái)越嚴(yán)重，現(xiàn)已成為一個(gè)世界性的問(wèn)題。2011年11月，聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織統(tǒng)計(jì)得出，全球耕地嚴(yán)重退化面積達(dá)到25%，其退化原因主要是土壤污染[6]。李國(guó)平[7]調(diào)查表明，全國(guó)目前約有1.3萬(wàn)hm2耕地受到Cd污染，涉及11個(gè)省市25個(gè)地區(qū)；而受到Hg污染的耕地約有3.2萬(wàn)hm2，涉及到15個(gè)省市21個(gè)地區(qū)。2011年4月初，針對(duì)防治重金屬污染這一環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)提出第1個(gè)“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃，并強(qiáng)調(diào)要控制5種重金屬（鉛、汞、鎘、鉻、類金屬砷）。統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前我國(guó)土壤的污染狀況：耕地大于草地、林地土壤；無(wú)機(jī)型污染重于有機(jī)型，而復(fù)合型污染相對(duì)較輕；南方土壤污染狀況重于北方，而我國(guó)的一些老工業(yè)基地土壤污染問(wèn)題特別嚴(yán)重[8]。因此，修復(fù)與治理受污染的土壤將是我們必須面臨的挑戰(zhàn)。

山西作為我國(guó)重要的工業(yè)基地，因采礦和工業(yè)制造導(dǎo)致的土壤重金屬污染問(wèn)題尤為突出，栗獻(xiàn)鋒[8]研究表明，太原市污灌區(qū)土壤重金屬污染指數(shù)和單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)均較高，其中，Hg，Cd在構(gòu)成土壤環(huán)境污染的同時(shí)，也造成了相應(yīng)的生態(tài)危害。

2 生物修復(fù)在土壤重金屬污染治理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

生物修復(fù)是利用天然或人工改造的生物的生命代謝活動(dòng)來(lái)降低污染物的濃度，甚至達(dá)到無(wú)害的效果，其用于修復(fù)的生物有動(dòng)物、植物、微生物[9]。生物修復(fù)可使污染物濃度達(dá)到最大限度地下降，而且成本低，修復(fù)時(shí)間較短，對(duì)周圍環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生大的干擾[2]。作為一種新技術(shù)，在土壤污染治理領(lǐng)域，尤其是在土壤重金屬污染治理方面，越來(lái)越受到關(guān)注。

2.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)技術(shù)是直接利用綠色植物及與其共存的微生物系統(tǒng)來(lái)吸收、富集環(huán)境污染物的一項(xiàng)新技術(shù)[10]。重金屬對(duì)植物的毒害作用表現(xiàn)在影響植物的萌芽、生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用、生理代謝和植物體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)含量的改變等方面[11]。近年來(lái)的研究表明，植物修復(fù)是一種更經(jīng)濟(jì)更易于操作的污染修復(fù)技術(shù)，用超富集植物修復(fù)重金屬污染土壤的類型主要有植物吸收、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定3種[12]。植物吸收指利用超富集植物的根系從污染土壤中吸收重金屬，然后再將其轉(zhuǎn)移到植物地上部，最終達(dá)到去除重金屬的目的；植物揮發(fā)是指植物將自身吸收與積累的重金屬元素轉(zhuǎn)化成可揮發(fā)的形態(tài)，從植物體揮發(fā)出來(lái)，達(dá)到去除重金屬的目的；植物穩(wěn)定是指利用植物來(lái)降低重金屬的活性，減少其生物有效性，或促進(jìn)其轉(zhuǎn)化為低毒形態(tài)，降低其危害性[12]。楊秀敏等[9]認(rèn)為，在受重金屬污染的土地上種植超富集植物，利用植物自身的新陳代謝活動(dòng)，可把重金屬轉(zhuǎn)化為具有較低毒性的形態(tài)。目前，植物修復(fù)已取得了很好的修復(fù)效果，如李坤陶[10]通過(guò)在污染區(qū)種植水生植物鳳眼蓮，結(jié)果顯示，其對(duì)汞、鉛、鎘、銅、砷和鉻的富集程度達(dá)到了當(dāng)?shù)丨h(huán)境中重金屬濃度的幾十、幾百倍，還有部分富集程度甚至達(dá)到環(huán)境濃度的上千倍。蔣先軍等[13]通過(guò)引進(jìn)印度芥菜，研究了該植物對(duì)銅、鋅、鎘、鉛等重金屬的富集效果，結(jié)果表明，當(dāng)土壤中含Cu 250 mg/kg，Pb或Zn 500 mg/kg時(shí)，該植物依然能夠正常生長(zhǎng)，而當(dāng)土壤中Cd濃度達(dá)到200 mg/kg時(shí)，該植物便會(huì)出現(xiàn)失綠黃化癥狀，而當(dāng)鎘和中等濃度的鋅、銅、鉛共存時(shí)，植物中毒更為嚴(yán)重，最終表明該植物適用于鋅、銅、鉛中等污染土壤的修復(fù)[13]。研究發(fā)現(xiàn)，有700多種超積累重金屬植物，一般對(duì)Cr，Co，Ni，Cu，Pb的積累量在1 000 mg/kg以上[14]。

2.2 微生物修復(fù)

微生物修復(fù)技術(shù)是利用自然環(huán)境中現(xiàn)有的微生物或經(jīng)人為培養(yǎng)，并具有特殊功效的微生物的生命代謝活動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)化或降解環(huán)境中的重金屬來(lái)降低其毒性，達(dá)到良好的修復(fù)效果[10]。微生物修復(fù)在生物修復(fù)中起著主導(dǎo)作用，利用其新陳代謝活動(dòng)來(lái)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行各種轉(zhuǎn)化作用[10]。DEREK等[15]認(rèn)為，微生物修復(fù)主要是通過(guò)2種機(jī)理來(lái)達(dá)到修復(fù)效果，第一是通過(guò)微生物代謝產(chǎn)物或反應(yīng)使污染地中重金屬元素發(fā)生形態(tài)改變，從而達(dá)到降低重金屬毒性的目的；第二是利用微生物代謝活動(dòng)改變其價(jià)態(tài)，使重金屬元素成為一種易溶物，然后從土壤中濾除，實(shí)現(xiàn)修復(fù)的目的[15]。目前，微生物修復(fù)技術(shù)取得了很大成效，例如，有外國(guó)學(xué)者曾從受重金屬污染的污泥中分離、篩選出多種微生物，并對(duì)其進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其中有一種微生物對(duì)鎘有極高的耐受性，并利用其修復(fù)受污染的土壤，其對(duì)環(huán)境中鎘的去除率達(dá)到了63%～70%[16]。微生物修復(fù)技術(shù)不僅能去除污染土壤中的有害物質(zhì)，還能提高污染地區(qū)的土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)。牛旭等[17]曾研究過(guò)微生物對(duì)礦區(qū)復(fù)墾的作用，對(duì)于受重金屬污染的礦區(qū)土壤，其含有一些難降解的腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)會(huì)影響土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，土壤的疏松度也會(huì)受到影響，而通過(guò)微生物修復(fù)，利用多種土壤微生物共同降解這些腐殖質(zhì)，積累土壤有機(jī)質(zhì)，可起到改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力的作用。常勃等[18]也對(duì)微生物復(fù)墾技術(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為微生物修復(fù)在礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)改善、養(yǎng)分增加和酶活性提高方面都有潛在的巨大作用。

2.3 動(dòng)物修復(fù)

土壤重金屬污染的動(dòng)物修復(fù)技術(shù)，即利用土壤中自身存在的動(dòng)物及其腸道中現(xiàn)有的微生物，在自然條件或人為優(yōu)化下，在其生長(zhǎng)、繁殖、穿插等代謝活動(dòng)過(guò)程中，對(duì)污染物進(jìn)行去除、分解、消解和富集作用，以減少或消除污染物的一種生物修復(fù)技術(shù)[19]。鄧?yán)^福等[20]對(duì)生活在重金屬污染區(qū)土壤中的蚯蚓和蜘蛛進(jìn)行體內(nèi)重金屬含量的檢測(cè)分析，結(jié)果顯示，蚯蚓、蜘蛛對(duì)重金屬元素有很強(qiáng)的富集能力，其體內(nèi)的Cd，Pb，As等重金屬含量與污染區(qū)土壤中重金屬的含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系；馬正學(xué)等[21]在研究采礦廢物對(duì)土壤原生動(dòng)物的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，腐生波豆蟲和梅氏扁豆蟲對(duì)鉛有很高的富集作用。

3 生物修復(fù)技術(shù)存在的問(wèn)題

生物修復(fù)在治理重金屬污染方面有很多優(yōu)點(diǎn)，但因生物自身的特性，仍有一定的局限性[22]：（1）生物對(duì)各種重金屬都有一定的耐受范圍，當(dāng)受重金屬污染的環(huán)境中其污染程度超過(guò)用于修復(fù)的生物的耐受極限時(shí)，該生物的新陳代謝活動(dòng)將不能正常進(jìn)行，因此將影響生物修復(fù)的效果；（2）用于修復(fù)的生物可能與當(dāng)?shù)赝林锎嬖诜N間競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)槿狈?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使得生物修復(fù)效果可能沒(méi)有理論效果好；（3）生物修復(fù)中，生物極易受外部環(huán)境影響，酸堿度、溫度以及其他環(huán)境因素等都會(huì)制約生物修復(fù)的效率[10]；（4）生物修復(fù)技術(shù)專一性較強(qiáng)，而環(huán)境污染一般是受多種重金屬及其他污染物的復(fù)合污染。

4 生物修復(fù)技術(shù)未來(lái)展望

目前，對(duì)于生物修復(fù)技術(shù)的研究，我國(guó)起步較晚，現(xiàn)在主要集中于植物和微生物修復(fù)2個(gè)方面。為了提高該技術(shù)的修復(fù)效率，使得生物修復(fù)具有更優(yōu)的可行性和高效性，通過(guò)分析重金屬污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)存在的問(wèn)題，提出未來(lái)發(fā)展方向[2]：（1）深化基礎(chǔ)理論，加強(qiáng)生物修復(fù)機(jī)理的研究。（2）建立統(tǒng)一的修復(fù)后續(xù)處理系統(tǒng)裝置或完善方法。生物修復(fù)技術(shù)的后續(xù)處理及土壤污染中的重金屬回收處理方式有很大的研究?jī)r(jià)值。（3）結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)，如基因工程、現(xiàn)代分子生物學(xué)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)等，充分利用各修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[9]。（4）植物、動(dòng)物、微生物聯(lián)合修復(fù)。三者相互作用，修復(fù)受損的土壤生態(tài)系統(tǒng)，最終達(dá)到高效、完善的修復(fù)效果[22]。

［1］張璐.微生物強(qiáng)化重金屬污染土壤植物修復(fù)的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2007：3-4.

［2］趙素麗，譙華.生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].重慶工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2004，19（5）：14-16.

［3］黃益宗，郝曉偉，雷鳴，等.重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)及其修復(fù)實(shí)踐[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（3）：409-417.

［4］李順，史忠誠(chéng)，趙玉龍.場(chǎng)地土壤重金屬污染及其修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境研究與監(jiān)測(cè)，2009（1）：43-47.

［5］王義，黃先飛，胡繼偉，等.重金屬污染與修復(fù)研究進(jìn)展[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，41（4）：1-6.

［6］陳浩，楊達(dá)源，金曉斌.石河子墾區(qū)耕地土壤污染問(wèn)題分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013，27（2）：186-192.

［7］李國(guó)平.地基GPS氣象學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2010：6-8.

［8］栗獻(xiàn)鋒.太原市污灌區(qū)土壤重金屬分布特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（7）：742-746，774.

［9］楊秀敏，胡桂娟，楊秀紅，等.生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J].中國(guó)礦業(yè)，2007，16（12）：58-60.

［10］李坤陶.生物修復(fù)技術(shù)及其應(yīng)用[J].生物學(xué)教學(xué)，2007，32（1）：4-6.

［11］梁芳，郭晉平.植物重金屬毒害作用機(jī)理研究進(jìn)展[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（11）：59-61.

［12］張溪，周愛(ài)國(guó)，甘義群，等.金屬礦山土壤重金屬污染生物修復(fù)研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（3）：106-111.

［13］蔣先軍，駱永明，趙其國(guó).重金屬污染土壤的植物修復(fù)研究Ⅰ.金屬富集植物Brassica juncea對(duì)銅、鋅、鎘、鉛污染的響應(yīng)[J].土壤，2000，32（2）：71-78.

［14］白彥真，謝英荷，張小紅.重金屬污染土壤植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（6）：695-697.

［15］DEREK R LOVLEV，JOHN D COATEST.Bioremediation of metal contamination[J].Environment Biotechnology，1997（8）：285-289.

［16］MASSACCESI G.Cadmium removal eapacities of filamentous soil fungi isolated fromindustriallypolluted sediments，in La Plata（Argentina）[J].World J Microbiol Biotechnol，2002（18）：817-820.

［17］牛旭，郜春花.微生物技術(shù)在礦區(qū)復(fù)墾中的應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（3）：303-306.

［18］常勃，李建華，郜春花，等.微生物復(fù)墾技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)重建中的應(yīng)用[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（10）：1071-1074.

［19］劉軍，劉春生，紀(jì)洋，等.土壤動(dòng)物修復(fù)技術(shù)作用的機(jī)理及展望[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40（2）：313-316.

［20］鄧?yán)^福，王振中，張友梅，等.重金屬污染對(duì)土壤動(dòng)物群落生態(tài)影響的研究[J].環(huán)境科學(xué)，1996，17（2）：1-5.

［21］馬正學(xué)，龔大潔，寧應(yīng)之，等.鉛鋅礦采礦廢物污染對(duì)土壤原生動(dòng)物的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2002（3）：53-57.

［22］羅輝，朱易春，馮秀娟.重金屬污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（5）：224-227.

Research Status and Development Direction of Bioremediation Technique on Heavy Metal Contaminated Soil

ZHANGMin1，GAOChunhua2，LI Jianhua2，LUJinjing2，LUChaodong2，JINDongsheng2，LIULiang1
（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment&Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

In recent years,environmental problems are becoming more and more serious with the rapid development of industry. The problem of soil heavy metal pollution is particularly serious,which seriously threatens the sustainable development of agriculture in China,so it is becoming more and more important to research and control the soil heavy metal pollution.At present,the methods include physical,chemical remediation and bioremediation.The bioremediation has been widely used in soil pollution control,because it has the character oflowcost,good treatment effect,and nosecondarypollution.This paper pointed out the existingproblems and the development direction on the basis ofstatingthe concept,methods,characteristics and research status ofthe bioremediation.

soil;heavymetal contaminated;bioremediation technique;research status;development direction

X53

A

1002-2481（2017）04-0674-03

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.04.44

2016-12-02

山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（201603D421044，201603D21110-1）；山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（YGG1628）

張敏（1991-），女，山西清徐人，在讀碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)微生物。郜春花為通信作者。