農(nóng)田土壤重金屬污染生物修復(fù)技術(shù)研究進展

周志強，李在貞，鄭智輝，常 鐘

引言

土壤質(zhì)量嚴(yán)重影響到全球糧食資源和環(huán)境問題。隨著社會現(xiàn)代化和工業(yè)化的發(fā)展，土壤環(huán)境正在不斷惡化，尤其是農(nóng)田土壤中的重金屬污染不僅導(dǎo)致耕地質(zhì)量的下降，嚴(yán)重影響作物的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)，引發(fā)食品安全問題，而且對人類的健康會造成極大的威脅。因此，土壤重金屬污染已成為亟待解決的世界性問題和難題。

目前，重金屬污染農(nóng)田土壤的修復(fù)技術(shù)研究主要包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)和生物修復(fù)。環(huán)境友好型的生物修復(fù)技術(shù)已得到廣泛關(guān)注，尤其是微生物修復(fù)技術(shù)成本低、效果好、操作簡單，是一個新興的修復(fù)方向，是農(nóng)田土壤重金屬修復(fù)技術(shù)的未來發(fā)展方向，將有效促進農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。

1 重金屬的來源與形態(tài)

污染農(nóng)田土壤的重金屬元素主要包括汞、鉻、鎘、砷、鉛、銅、鋅、鎳等有毒元素，重金屬來源主要來自于：①化工、電力、冶煉排放和汽車廢氣、含重金屬粉塵的沉降；②來自于礦業(yè)和工業(yè)的固體廢棄物；③含重金屬的污水灌溉及污泥施肥；④農(nóng)藥和化肥的長期不合理施用。

重金屬毒性的大小取決于其在土壤中的存在形態(tài)，根據(jù)土壤中重金屬的生物有效性以及活性的大小，將其分為水溶態(tài)、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)以及殘留態(tài)。重金屬以水溶態(tài)、可交換態(tài)形式存在時，最容易被植物吸收以及被吸附、或向其他形態(tài)轉(zhuǎn)化，在土壤中的活性和毒性最強，其次是碳酸鹽結(jié)合態(tài)。以殘留態(tài)形式存在的重金屬最為穩(wěn)定，因其與土壤結(jié)合最為牢固，不易轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)或向植物遷移，因此毒性也相對最小。土壤中的重金屬污染主要是通過前三種形態(tài)造成的，但隨著土壤環(huán)境的理化性質(zhì)的變化，低活性的重金屬也會隨之向交換態(tài)轉(zhuǎn)化，并處于動態(tài)平衡中。

2 重金屬污染的危害

2.1 對農(nóng)作物的危害

重金屬在土壤—植物體系中的遷移會對植物的生長發(fā)育造成直接影響，如果重金屬被植物吸收且在植物體內(nèi)的積累量到達(dá)一定程度后，會對植物代謝過程造成嚴(yán)重影響，抑制作物的生長和發(fā)育，具體表現(xiàn)為植株矮小、失綠等。例如土壤中如果鎘含量超標(biāo)，作物葉片的葉綠素結(jié)構(gòu)會被破壞，造成植物的衰亡，影響到作物的產(chǎn)量，造成巨大的經(jīng)濟損失。根據(jù)環(huán)保相關(guān)部門數(shù)據(jù)顯示，中國每年被重金屬污染的糧食達(dá)1200萬噸，造成糧食減產(chǎn)超過1000萬噸，直接經(jīng)濟損失在200億元以上。

土壤中重金屬污染還會影響農(nóng)作物的品質(zhì)，重金屬在植物體內(nèi)的累計量超過一定程度后，會直接導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量不合格，據(jù)研究，我國多數(shù)城市郊區(qū)蔬菜中的重金屬含量超標(biāo)嚴(yán)重，超標(biāo)率高達(dá)23.5%～50%，其中某些重金屬元素甚至超標(biāo)50倍，最嚴(yán)重的是鎘、汞和鉛。

2.2 對人類健康的危害

農(nóng)田土壤重金屬污染會破壞土壤的理化性質(zhì)和正常功能，植物吸收積累重金屬后，會通過食物鏈在人體以及動物體中進行富集，如果超過人體的耐受程度，會造成人體慢性中毒或者急性中毒，從而危害人類的健康，還可能會引發(fā)癌癥和其他疾病等。如人體內(nèi)鉛超標(biāo)會損害神經(jīng)系統(tǒng)，尤其是對兒童的智力發(fā)育會造成嚴(yán)重?fù)p害，而鎘在人體內(nèi)富集可導(dǎo)致高血壓，引起腎功能失調(diào)及心血管疾病，并對骨骼發(fā)育造成影響。例如20世紀(jì)50～70年代，日本富山縣因土壤受到重金屬鎘的污染，導(dǎo)致該地區(qū)的居民出現(xiàn)了一種稱為“痛痛病”的怪病，使居民全身性神經(jīng)痛、關(guān)節(jié)痛、骨折，以至死亡，就是由于當(dāng)?shù)鼐用耖L期食用鎘污染稻米和飲用含鎘量高的神通川水造成的慢性中毒而引發(fā)的。

2.3 對環(huán)境的危害

土壤被重金屬污染后，重金屬含量比較高的表土被風(fēng)力帶入到大氣中，將造成大氣的污染和生態(tài)系統(tǒng)的退化等其他環(huán)境問題。污染物質(zhì)以揚塵的形式進入到大氣環(huán)境中后，會通過呼吸危害人體的健康。另一方面，被重金屬污染的土壤進入到水體中后，會污染地表水和地下水，從而危害到人類和動物的健康。國內(nèi)某些省市的灌溉用水檢測到汞、鎘、砷等重金屬元素含量超標(biāo)，原因之一就是土壤的重金屬污染問題導(dǎo)致的。

3 重金屬污染農(nóng)田土壤的生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)是利用生物治理土壤重金屬污染問題的一種新型技術(shù)，主要是利用植物、動物或微生物的生命代謝活動，在可調(diào)控的環(huán)境條件下，減少土壤中的有毒重金屬元素的含量，或經(jīng)過生物作用使重金屬元素在土壤中的存在形態(tài)改變，減輕土壤中重金屬的毒性。

生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于重金屬污染的修復(fù)，效果明顯、無二次污染、低投入、管理和操作簡便等，因此越來越受到人們的關(guān)注。目前生物修復(fù)技術(shù)主要包括植物修復(fù)技術(shù)、動物修復(fù)技術(shù)以及微生物修復(fù)技術(shù)三種技術(shù)。

3.1 植物修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)的原理是利用植物來固定、吸收、分解土壤中的重金屬元素，達(dá)到修復(fù)土壤生態(tài)環(huán)境的目的。根據(jù)修復(fù)作用和機理的不同，將植物修復(fù)方法分為以下三種類型：

(1)植物提取

植物提取的概念最早由Chaney和Baker等人提出，是指依靠重金屬超積累植物直接吸收土壤中的重金屬元素，使其轉(zhuǎn)移到植物體內(nèi)地上部分進行積累，連續(xù)種植超級累植物，可以降低土壤中的重金屬含量，直到達(dá)到可以接受的水平，最后把植物進行收割以及集中處置，從而降低或去除土壤中的重金屬。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的重金屬超級累植物有700多種，其中對鉻、鉛、銅、鈷、鎳的積累量超過0.1%，對錳、鋅的積累量已經(jīng)超過1%。

(2)植物揮發(fā)

植物揮發(fā)是指植物通過根系吸收重金屬之后，再將其轉(zhuǎn)化為可釋放到大氣中的氣態(tài)物質(zhì)。目前硒和汞研究的最多，一些濕地植物可以去除土壤里的硒元素。研究者還通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得了能夠吸收土壤中的汞并將其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性單質(zhì)汞的轉(zhuǎn)基因植物。

(3)植物穩(wěn)定

植物穩(wěn)定是通過耐重金屬或超積累植物改變重金屬的化學(xué)形態(tài)，減輕重金屬的毒性和生物有效性，防止重金屬向作物遷移，或者被淋濾到地下水中以及通過空氣進行擴散，從而降低重金屬對環(huán)境和人類健康的危害。這項技術(shù)的原理是利用植物根部對重金屬的累積和沉淀、吸收來固定土壤中的重金屬元素，這個過程主要是改變重金屬的存在形態(tài)，并不會減少土壤中重金屬的含量。

與傳統(tǒng)的修復(fù)方法相比，植物修復(fù)具有技術(shù)成本低、過程簡單、易操作等眾多優(yōu)點，但同樣也有缺點，例如要求植物對重金屬的耐受程度要高，要求植物生物量要高，并且修復(fù)過程中受環(huán)境、氣候等條件的影響較大，以及結(jié)束后植物的處理可能會造成潛在的環(huán)境污染，且治理時間長，因此目前該技術(shù)還處于田間試驗階段，并未得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

3.2 動物修復(fù)技術(shù)

經(jīng)研究，蚯蚓、鼠類等動物對土壤里的重金屬元素有吸收轉(zhuǎn)化功能。1993年，Maboeta利用蚯蚓在鉛鋅超標(biāo)的土壤中進行試驗，證明蚯蚓在土壤中的活動可以提高土壤中有效態(tài)的鉛和鋅的含量，使土壤中的重金屬容易被植物吸收，從而減輕重金屬污染。動物修復(fù)技術(shù)簡單易行，但重金屬有可能從動物體內(nèi)再次釋放回土壤中，出現(xiàn)二次污染，因此有待進一步的探索。

3.3 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)的主要原理為通過微生物的絡(luò)合、沉淀、氧化還原和胞內(nèi)積累等作用，減輕土壤中的重金屬元素的毒性。其中最主要的是利用微生物的吸附作用和氧化還原作用。

(1)微生物對重金屬的吸附作用

微生物對重金屬的吸附主要是依靠細(xì)胞壁表面能夠絡(luò)合重金屬的多種基團起作用，例如-NH2、-SH、PO43-、-COOH、-OH等帶有負(fù)電荷的基團，它們能夠通過離子交換、絡(luò)合、螯合以及共價吸附等作用與重金屬陽離子結(jié)合。吸附過程分為胞外吸附和胞內(nèi)轉(zhuǎn)移兩個階段，首先重金屬被吸附在微生物細(xì)胞表面，然后再被轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)，這個過程為主動吸收，要通過細(xì)胞代謝活動提供能量，因而只發(fā)生在活的細(xì)胞中。

(2)微生物對重金屬的氧化還原作用

微生物還能利用氧化還原作用改變重金屬的價態(tài)，降低重金屬的毒性。重金屬元素在土壤里的存在形態(tài)多種多樣，低價態(tài)的重金屬離子化合物在土壤中的溶解性較大，容易遷移到植物中，高價態(tài)的重金屬離子化合物則溶解性相對較小，不易發(fā)生遷移。

某些微生物可以利用自身的代謝產(chǎn)物，還原毒性強的氧化態(tài)的重金屬離子，從而降低其毒性和危害性，某些微生物可以將汞離子還原成毒性小、可揮發(fā)的單質(zhì)汞；假單胞菌和無色桿菌等微生物可以將亞砷酸鹽氧化為不易轉(zhuǎn)移、毒性低的砷酸鹽；還有些細(xì)菌可以還原As3+，Hg2+，Se4+，這些細(xì)菌通過改變金屬離子的價態(tài)而改變其穩(wěn)定性。

(3)微生物對重金屬的溶解和沉淀作用

微生物對重金屬的溶解和沉淀作用是依靠微生物的代謝過程實現(xiàn)的，其中一些小分子有機酸，如甲酸、乙酸和丁酸等對重金屬及含重金屬的礦物具有溶解作用。某些微生物的代謝產(chǎn)物對重金屬離子具有沉淀作用，通過改變重金屬離子的存在形態(tài)，將其轉(zhuǎn)化為無毒或毒性較低的重金屬沉淀物。

(4)菌根真菌對重金屬的生物有效性影響

菌根真菌可以分泌有機酸活化土壤中的重金屬離子，使重金屬的存在形態(tài)發(fā)生變化，減輕重金屬的活性和生物有效性，而且還可以通過離子交換等其他形式影響植物吸收重金屬元素，可以增強植物對重金屬的抗性和提高修復(fù)效率。不同種類的菌根真菌對植物吸收重金屬的作用方式不同，有的菌根真菌可以促進植物吸收重金屬離子，從而提高植物提取重金屬的效率，有些則相反。這項技術(shù)主要應(yīng)用在植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)中，其作用主要是為了促進植物吸收土壤中重金屬離子。

微生物修復(fù)技術(shù)操作簡單、投入低、不易造成二次污染、修復(fù)效果好，且對環(huán)境和土壤的干擾程度小，既可用于原位處理也可用于異位處理，使其在農(nóng)田土壤重金屬治理方面具有很好的應(yīng)用前景。但缺點在于微生物修復(fù)具有一定特異性，因此這項技術(shù)及其機理還需要進一步研究，提高其可實施性。

4 討論

生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于土壤重金屬治理，不僅能夠解決重金屬污染問題，還可以改善土壤質(zhì)量，是一種環(huán)境友好型的治理技術(shù)。與傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)相比，它的優(yōu)點在于操作簡單、成本低、處理效果明顯、不易帶來二次污染，并且不會對土壤肥力產(chǎn)生影響。生物修復(fù)技術(shù)在治理農(nóng)田重金屬污染方面得到了廣泛認(rèn)可及關(guān)注，應(yīng)用前景十分廣闊。

微生物修復(fù)技術(shù)因其獨特的優(yōu)勢已成為生物修復(fù)技術(shù)中最有潛力的一種，除了治理過程的原位性、低投入、無二次污染、、修復(fù)效率高等特點，微生物還可以促進作物生長，提高作物品質(zhì)，因此該技術(shù)在農(nóng)田重金屬污染治理領(lǐng)域的應(yīng)用已成為大家關(guān)注的焦點，但由于微生物易受環(huán)境的影響，并且對重金屬的吸附積累容量有限，所以目前的研究大多只停留在實驗室或者盆栽階段，少有大面積的田間應(yīng)用效果研究，因此仍需分子工程技術(shù)的改進以及更全面的研究，使微生物修復(fù)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，解決重金屬污染治理的難題。