鉛污染耕地土壤的生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

張勝爽，張凌云

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

土壤是人類賴以生存的自然資源之一，是連接自然環(huán)境與人類生活的重要紐帶。但隨著污水灌溉，農(nóng)藥、化肥及塑料薄膜的過(guò)度使用，土壤環(huán)境污染成為世界性環(huán)境污染問(wèn)題，而耕地土壤鉛污染問(wèn)題也很突出。據(jù)資料顯示[1]，目前，全世界平均每年約排放鉛500萬(wàn)t，而中國(guó)受污染的耕地面積已達(dá)2 000萬(wàn)hm2，每年出產(chǎn)重金屬污染的糧食約1 200 萬(wàn)t，造成的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)25 億美元。而通過(guò)首次公布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公告顯示，全國(guó)污染總超標(biāo)率為16.1%，耕地污染超標(biāo)率為19.4%。我國(guó)部分地區(qū)耕地土壤受到不同程度的鉛污染，據(jù)報(bào)道，鄭州、甘肅、揚(yáng)州、貴陽(yáng)、徐州、廣州、成都和廣西的土壤鉛污染濃度分別為17.11 mg/kg、21.44 mg/kg、35.7 mg/kg、43.2 mg/kg、56.2 mg/kg、58 mg/kg、77.27 mg/kg和218.6 mg/kg[2-9]，表明我國(guó)許多地區(qū)耕地土壤已經(jīng)受到不同程度的污染。

目前，針對(duì)土壤鉛污染的修復(fù)技術(shù)主要分3類：物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)[10-11]。物理修復(fù)技術(shù)主要是通過(guò)某些物理技術(shù)將污染物從土壤中去除或隔離的方法，主要包括客土法、換土法、深耕翻土法、隔離包埋法以及熱力恢復(fù)法[12-13]。物理修復(fù)技術(shù)見(jiàn)效快、去除比例高，但工程量大，費(fèi)用高，有局限性，適用于面積較小，污染濃度高，且急于修復(fù)的土壤?；瘜W(xué)修復(fù)主要通過(guò)化學(xué)方法或是添加一些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使重金屬被固定或去除。包括淋洗法、固化法和化學(xué)改良劑法[14-15]?；瘜W(xué)修復(fù)去除效果好，時(shí)間短，易于實(shí)施，但添加的化學(xué)物質(zhì)易造成對(duì)土壤或是植物的二次污染[16]。生物修復(fù)技術(shù)主要通過(guò)耐性微生物、植物吸收或固定土壤重金屬[17]。根據(jù)修復(fù)主體的不同可將生物修復(fù)技術(shù)分為3類：微生物修復(fù)、植物修復(fù)和動(dòng)物修復(fù)。其中，以微生物修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。生物修復(fù)技術(shù)易于操作、費(fèi)用低，利用耐性微生物、植物不易造成二次污染，因此生物修復(fù)技術(shù)是目前重要的一項(xiàng)清潔、經(jīng)濟(jì)的重金屬污染修復(fù)技術(shù)。生物修復(fù)技術(shù)開(kāi)始于20世紀(jì)80年代中期，到20世紀(jì)90年代才有成功應(yīng)用的實(shí)例。為促進(jìn)土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，筆者等對(duì)耕地鉛污染生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行綜述，對(duì)比不同耐性微生物及超富集植物的鉛污染修復(fù)效果，以期為鉛污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)提供參考。

1 微生物修復(fù)

1.1 微生物類型及修復(fù)效果

利用細(xì)菌、真菌、放線菌等各種微生物，通過(guò)自身的代謝活動(dòng)，降低土壤中有害重金屬的濃度。研究表明，不同微生物對(duì)重金屬的耐性順序?yàn)檎婢?細(xì)菌>放線菌。在Pb、Zn、As、Cu等復(fù)合污染的土壤中，當(dāng)重金屬總量達(dá)658 mg/kg時(shí)，細(xì)菌和真菌數(shù)量分別為對(duì)照的29%和45%[18]。曹霞[19]篩選的真菌產(chǎn)黃頭孢霉和頭孢霉對(duì)鉛的去除率分別為72.45%和54.82%。曾遠(yuǎn)[20]將特異性細(xì)菌接種到土壤中，可提高硝酸銨的含量，進(jìn)而提高鉛的生物有效性。當(dāng)微生物處于重金屬混合污染時(shí)，對(duì)不同的重金屬離子吸附效果存在差異，并且混合污染時(shí)，某些低濃度的重金屬離子會(huì)促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)。

1.2 修復(fù)原理

從表1可知，不同的微生物修復(fù)重金屬的原理不同，但綜合分析主要分3類：生物富集、生物轉(zhuǎn)化和生物吸附[27]。微生物通過(guò)表面絡(luò)合、離子交換、氧化還原、無(wú)機(jī)微沉淀以及酶促作用等方式降低鉛的生物活性，固定游離的鉛離子；或者促進(jìn)植物對(duì)鉛離子的吸收，從而達(dá)到降低或去除鉛污染的目的。劉潔[28]篩選的抗鉛細(xì)菌，在鉛濃度為1 200 mg/L時(shí)仍能正常生長(zhǎng)，在鉛離子濃度為200 mg/L、pH為6.0、溫度為35℃的環(huán)境條件下，表現(xiàn)出最佳生物吸附的效果。細(xì)菌與重金屬的相互作用通常有表面絡(luò)合，離子交換等形式。表面絡(luò)合是重金屬離子與微生物細(xì)胞壁表面的官能團(tuán)結(jié)合，形成絡(luò)合物，降低金屬離子的濃度。pH會(huì)影響金屬離子與微生物的絡(luò)合作用。通過(guò)向污染土壤中添加耐性或吸附性強(qiáng)的真菌，降低土壤重金屬含量。某些真菌需要與植物根系共生，不僅降低土壤重金屬含量，還能促進(jìn)植物生長(zhǎng)。朱金山等[29]利用真菌墨汁鬼傘吸收豬糞中的鉛，其最大吸收量為700 mg/kg，將處理后的豬糞施入土壤，在避免二次污染的同時(shí)也改善了土壤的微生物平衡。真菌修復(fù)土壤污染的過(guò)程中通常幾種反應(yīng)機(jī)理同時(shí)發(fā)生。

表1 重金屬污染土壤中常見(jiàn)的微生物及修復(fù)效果Table 1 Microorganisms commonly found in soils contaminated with heavy metals and their remediation effects

1.3 存在的問(wèn)題

微生物修復(fù)作為土壤重金屬污染修復(fù)的方式，具有綠色環(huán)保，經(jīng)濟(jì)，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。但針對(duì)微生物修復(fù)的研究都是在理想情況下的人為模擬污染下進(jìn)行的，對(duì)于實(shí)際土壤的污染狀況，污染土壤中土著微生物的存在與篩選的修復(fù)微生物之間的關(guān)系的研究較少，而實(shí)際污染土壤的條件復(fù)雜，土壤微生物，土壤動(dòng)物存在情況復(fù)雜，因此微生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)急需解決實(shí)際應(yīng)用中復(fù)雜的土壤環(huán)境對(duì)微生物篩選的影響。

2 植物修復(fù)

2.1 鉛富集植物

植物修復(fù)技術(shù)指植物忍耐某種重金屬，或是將重金屬轉(zhuǎn)化成無(wú)毒狀態(tài)的一種技術(shù)。BROOK在1977年首次提出超積累植物(Hypccumulator)的概念，1983年CUNNINGHAM 等[30]提出運(yùn)用植物去除土壤中的重金屬污染物，以此達(dá)到修復(fù)土壤的目的。能從土壤中大量吸收一種或幾種重金屬并將其轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的植物稱為超富集植物。目前，世界上發(fā)現(xiàn)的超富集植物有400多種，而國(guó)內(nèi)外報(bào)道鉛的超富集植物主要有羽葉鬼針草、綠葉莧菜、圓錐南芥、東南景天、蒼耳、小飛蓬、圓葉遏藍(lán)菜(Thlaspirotundifolium)、夏至草等[31-33]，這為植物修復(fù)鉛污染的土壤提供了豐富的物種資源。劉秀梅等[34]通過(guò)室內(nèi)砂培盆栽試驗(yàn)研究了小麥、水稻、玉米和油菜對(duì)重金屬鉛的耐性和提取能力，4種作物體內(nèi)鉛含量依次為小麥>水稻>玉米>油菜。此外，不同作物體內(nèi)鉛的分布也不同，小麥和水稻的根系含鉛量高于莖，玉米和油菜相反，莖葉的含鉛量高于根系；低濃度的重金屬污染可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，但是高濃度的污染會(huì)抑制植物生長(zhǎng)。郭平等[35]研究了向日葵幼苗對(duì)鉛的耐性，結(jié)果表明，當(dāng)重金屬濃度為1.00 mmol/L時(shí)，向日葵幼苗莖葉中的鉛含量是864.24 μg/g，根中鉛含量是43 575.76 μg/g，向日葵幼苗對(duì)鉛有很強(qiáng)的富集能力，根系是主要的富集器官。同時(shí)有研究報(bào)道，高粱是可以有效吸收重金屬的作物，并且具有生物量大，吸收量高等優(yōu)勢(shì)[36]。農(nóng)作物富集重金屬，人類食用之后對(duì)人類的健康造成危害。何泳輝等[37]研究了市郊公路邊的農(nóng)作物中重金屬的富集結(jié)果發(fā)現(xiàn)，食用番薯葉、食用南瓜葉、豆角、莧菜和灰菜中鉛含量為0.30～0.83 mg/kg，均超過(guò)國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)。常曉歌等[38]對(duì)2015—2016年洛陽(yáng)市市售蔬菜中重金屬含量進(jìn)行分析的結(jié)果表明，鉛的超標(biāo)率為10%，較鎘、汞嚴(yán)重。針對(duì)以上研究分析，農(nóng)作物、蔬菜富集重金屬后通過(guò)食物鏈的傳遞，危害人類健康。因此，在鉛富集農(nóng)作植物蔬菜的選擇上應(yīng)慎重，盡量選擇根莖等不可食用部分富集效果好，對(duì)人體健康無(wú)危害的作物進(jìn)行鉛污染耕地土壤的修復(fù)。

2.2 發(fā)展方向

植物修復(fù)土壤鉛污染的研究，應(yīng)篩選生物量大、易存活的植株。前人的研究篩選的超富集植物多數(shù)是當(dāng)?shù)氐膬?yōu)勢(shì)植物，存在一定的地域性，對(duì)于其他地區(qū)的使用有外來(lái)物種入侵的危險(xiǎn)。因此，植物修復(fù)土壤重金屬鉛污染應(yīng)向生物量大、地域性小，具有一定的經(jīng)濟(jì)或觀賞價(jià)值的方向努力，在保證土壤重金屬污染得到修復(fù)的同時(shí)保證土地的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3 動(dòng)物修復(fù)

3.1 修復(fù)原理

動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是利用土壤中大量的動(dòng)物及腸道微生物等進(jìn)行的一系列生命活動(dòng)來(lái)分解、吸收、富集土壤中的重金屬，使土壤中的污染物濃度降低的一種修復(fù)技術(shù)。MORGAN等[39]研究發(fā)現(xiàn)Cd、Pb、Zn富集在蚯蚓消化組織細(xì)胞的囊泡中，與磷鍵結(jié)合，形成難溶性的金屬磷酸鹽礦物，達(dá)到降低重金屬濃度的目的。STüRZENBAUM等[40]研究發(fā)現(xiàn)，重金屬在蚯蚓體內(nèi)與小分子蛋白質(zhì)結(jié)合形成金屬結(jié)合蛋白金屬絡(luò)合元素，降低其體內(nèi)的毒性或是增強(qiáng)抵抗性。蚯蚓的另一種解毒機(jī)制是利用體內(nèi)的溶酶體和細(xì)胞質(zhì)粒抑制重金屬的活性。蚯蚓的取食、做穴等生命活動(dòng)直接或間接影響重金屬的生物有效性。MABOETA等[41]報(bào)道蚯蚓活動(dòng)使土壤中Pb的有效態(tài)增加48.2%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同的土壤接種蚯蚓后其土壤pH會(huì)發(fā)生變化，間接影響土壤重金屬生物有效性。

3.2 發(fā)展方向

目前，針對(duì)鉛的動(dòng)物修復(fù)多集中于蚯蚓的研究，并且集中在實(shí)驗(yàn)室的理想條件下。但現(xiàn)實(shí)中的土壤環(huán)境復(fù)雜多變，土壤動(dòng)物、微生物種類繁多，蚯蚓與土壤中其他動(dòng)物、微生物的相互作用的研究甚少，今后應(yīng)分析蚯蚓與其他動(dòng)物、微生物的作用機(jī)制，為蚯蚓修復(fù)重金屬污染提供更完善的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，蚯蚓吸附重金屬后，體內(nèi)重金屬嚴(yán)重超標(biāo)，針對(duì)蚯蚓的后續(xù)處理，不要造成對(duì)土壤的二次污染也應(yīng)是今后的研究方向。

4 聯(lián)合修復(fù)

4.1 微生物-植物聯(lián)合修復(fù)效果

單一的修復(fù)技術(shù)對(duì)污染的修復(fù)存在周期長(zhǎng)、修復(fù)對(duì)象單一，效果不顯著等弊端。因此，將現(xiàn)有的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行有效地整合，2種或2種以上修復(fù)技術(shù)聯(lián)合修復(fù)是現(xiàn)在及未來(lái)的研究趨勢(shì)。而其中的微生物-植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)因其操作簡(jiǎn)單、避免二次污染等優(yōu)勢(shì)成研究熱點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，微生物的代謝活動(dòng)不僅可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加植物干重，而且會(huì)分泌一些有機(jī)酸、鐵載體，影響土壤pH及重金屬的形態(tài)，間接促進(jìn)植物吸收重金屬，或抑制重金屬活性，減少對(duì)植物的危害[42-43]。JING 等[44]從礦區(qū)植物毛竹的根際土壤分離出2株對(duì)鉛和鎘具有耐性的細(xì)菌JYX7和JYX10，并進(jìn)行了與油菜聯(lián)合修復(fù)的盆栽試驗(yàn)，結(jié)果表明，接種了菌株的處理組，由于菌株的活動(dòng)產(chǎn)生了有機(jī)酸、鐵載體，改變了土壤pH及重金屬活性，不僅提高了油菜的地上部干重，也增加了對(duì)重金屬的吸收量；同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)[45]，添加“雙耐”細(xì)菌不僅能提高香根草的生物量，促進(jìn)其地上部、地下部對(duì)鉛、鎘的吸收，而且降低了香根草根際土壤中有效態(tài)鉛、鎘的含量。CHIICHING等[46]發(fā)現(xiàn)，接種叢枝菌根真菌提高了鬼針草和龍珠果對(duì)Cu、Pb、Zn的吸收積累。JIANG等[47]通過(guò)給印度芥菜、玉米和番茄接種特異性伯克霍爾德氏菌(Burkholderiasp.J62)發(fā)現(xiàn)，該微生物不僅提高了植物根際土壤中Pb的醋酸銨提取態(tài)，也促進(jìn)玉米、番茄兩種植株的生長(zhǎng)，增強(qiáng)玉米根系對(duì)鉛的吸收。

4.2 發(fā)展方向

隨著《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(土十條)的逐漸落實(shí)，以及人口基數(shù)大，土地資源少的基本國(guó)情，保證國(guó)家糧食供應(yīng)充足，耕地土壤承擔(dān)的責(zé)任尤為重要。因此，選擇有利于實(shí)現(xiàn)生態(tài)、環(huán)境效益相統(tǒng)一的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)對(duì)當(dāng)今的耕地土壤重金屬修復(fù)尤為重要。而微生物-油料作物、微生物-經(jīng)濟(jì)作物及不同農(nóng)作物套種、輪播等方法非常適合當(dāng)下中國(guó)人均地少的現(xiàn)狀。經(jīng)濟(jì)作物(甜高粱、玉米)及油料作物(向日葵、花生、油菜)具有生物量大及重金屬耐性、積累特性強(qiáng)的特征。據(jù)報(bào)道，接種產(chǎn)鐵載體細(xì)菌后，提高了甜高粱的生物量及重金屬吸收含量，同時(shí)促進(jìn)了甜高粱對(duì)土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素Fe和P的吸收[48]。王帥等[49]研究了大豆、花生、向日葵、蓖麻4種油料作物對(duì)鉻、鉛的耐受性及積累特性，結(jié)果表明，花生對(duì)2種重金屬的耐性較強(qiáng)，可優(yōu)先考慮作為修復(fù)重金屬污染的潛在植物。同時(shí)，添加耐鎘的土壤微生物可以有效促進(jìn)油菜的生長(zhǎng)，提高其對(duì)Cd 和Pb 的吸收效率，提高比例分別為16%～74%和59%～131%[50]。因此，發(fā)展經(jīng)濟(jì)作物及油料作物與耐性微生物的聯(lián)合修復(fù)是未來(lái)耕地土壤污染修復(fù)的研究方向，而重點(diǎn)是篩選耐性強(qiáng)的土著微生物及耐性強(qiáng)的作物品種，以期尋找安全有效的重金屬修復(fù)方式。

5 展望

隨著全國(guó)土地污染調(diào)查的開(kāi)展，人們對(duì)土壤污染的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，對(duì)耕地土壤污染的危害也有了深刻了解。因此，對(duì)耕地土壤污染的修復(fù)刻不容緩，而生物修復(fù)及聯(lián)合修復(fù)是未來(lái)研究的重點(diǎn)，想要在此方面取得突破性的進(jìn)展，必須解決以下問(wèn)題：首先，針對(duì)我國(guó)人口基數(shù)大，耕地資源有限的基本國(guó)情，篩選耐性及累積特性強(qiáng)的植物是未來(lái)植物修復(fù)耕地土壤污染的關(guān)鍵。因此，需加強(qiáng)篩選優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)作物及高效的作物品種方面的研究。其次，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)認(rèn)識(shí)的深入，修復(fù)技術(shù)需朝著綠色生態(tài)方面發(fā)展，微生物不僅可以有效避免對(duì)土壤的二次污染，而且可以影響土壤的pH、重金屬活性。但微生物對(duì)土著微生物的影響研究較少，應(yīng)加強(qiáng)微生物對(duì)土著微生物的長(zhǎng)期影響，篩選耐性強(qiáng)的土著微生物等方面的研究，利用基因工程等高新技術(shù)將篩選的耐性基因與土著微生物結(jié)合，減少外來(lái)微生物的潛在危害。同時(shí)，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是應(yīng)對(duì)現(xiàn)在土壤復(fù)合污染的有效技術(shù)之一，因農(nóng)田土壤的特殊性，對(duì)修復(fù)效果的要求更高，不僅要除去污染物，還要保證土壤肥力，保證耕地的正常使用。因此微生物-植物-動(dòng)物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是關(guān)鍵，保證土壤污染修復(fù)的綠色經(jīng)濟(jì)可行性。同時(shí)應(yīng)增加大田試驗(yàn)的開(kāi)展及商業(yè)化的發(fā)展。最后，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土壤修復(fù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，修復(fù)技術(shù)對(duì)周?chē)h(huán)境及土壤肥力等的影響進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，保證修復(fù)效果的長(zhǎng)期有效及穩(wěn)定性。