土壤重金屬污染生物修復(fù)技術(shù)

吳顯鑫

南京白云環(huán)境科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210047

引言：生態(tài)系統(tǒng)中，土壤子系統(tǒng)是人類(lèi)及一切陸生動(dòng)植物賴以生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。土壤系統(tǒng)自身具有一定的緩和及減少污染的自凈能力，可通過(guò)自身的物理、化學(xué)和生物的復(fù)雜作用，使進(jìn)入系統(tǒng)的污染物質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化、減毒、消失，最終使土壤系統(tǒng)重新達(dá)到平衡狀態(tài)，恢復(fù)原有的生態(tài)功能。然而，這種自凈能力是具有一定限度的。一旦進(jìn)入系統(tǒng)的污染物總量超過(guò)了系統(tǒng)本身的耐受度，會(huì)導(dǎo)致土壤污染的發(fā)生。土壤一旦受到污染，本身的物理、化學(xué)性質(zhì)便發(fā)生改變,如土壤板結(jié)、肥力降低、土壤被毒化等，污染物還可通過(guò)雨水淋溶，由土壤流入地下水或地表水，造成水質(zhì)的污染和惡化。受污染的土壤上生長(zhǎng)的生物，吸收、積累和富集土壤污染物后，會(huì)通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，最終對(duì)人體造成危害。嚴(yán)重的土壤污染還可導(dǎo)致農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育減慢甚至枯萎死亡，生物多樣性迅速下降。

1 生物修復(fù)的類(lèi)型

1.1 植物修復(fù)

植物對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)包括植物降解、植物提取、植物揮發(fā)、根系鈍化以及植物固定。其內(nèi)在機(jī)理可能包括回避、吸收排除、細(xì)胞壁防御、重金屬胞內(nèi)區(qū)域化、重金屬與各種有機(jī)酸絡(luò)合、酶適應(yīng)、滲透調(diào)節(jié)等機(jī)制。

植物降解指重金屬進(jìn)入植物體內(nèi)，通過(guò)植物機(jī)體生化過(guò)程，改變重金屬離子價(jià)態(tài)，降低其生物毒性。植物提取是利用富集或超富集植物將土壤中的重金屬提取出來(lái)，運(yùn)輸并富集到植物可收獲部分，最終可通過(guò)收獲植株、集中處理，使重金屬脫離土壤。提取修復(fù)包括兩個(gè)階段，首先是將土壤中束縛態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為非束縛態(tài)，其次是將重金屬向植物可收獲的地上部運(yùn)輸。植物根系鈍化是指植物根系分泌有機(jī)酸、氨基酸、多肽等與重金屬離子結(jié)合，降低重金屬的移動(dòng)性和生物可利用性，減小重金屬被淋溶到地下水或通過(guò)空氣擴(kuò)散進(jìn)一步污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，并減輕對(duì)植物的毒害作用。植物體內(nèi)存在一種金屬硫蛋白(MT)，富含半胱氨酸，半胱氨酸上的巰基易與重金屬結(jié)合，形成低毒或無(wú)毒的絡(luò)合物。此過(guò)程僅改變重金屬離子的形態(tài)，并未減少土壤中重金屬的含量。植物氣化是利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)使土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)態(tài)，或者植物將土壤中的重金屬吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中，從而凈化土壤。植物氣化技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)重金屬污染土壤，能有效去除土壤中的重金屬，但同時(shí)使重金屬揮發(fā)到環(huán)境中，可能造成二次污染。因此在采用植物氣化技術(shù)時(shí)應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度。植物提取修復(fù)技術(shù)是目前應(yīng)用最多、最有發(fā)展前景的土壤重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)。

我國(guó)野生植物資源豐富，生長(zhǎng)在天然的污染環(huán)境中的野生超積累植物和耐重金屬植物不計(jì)其數(shù)，因此開(kāi)發(fā)與利用這些野生植物資源對(duì)植物修復(fù)的意義十分重大。據(jù)有關(guān)資料顯示，大量水生植物對(duì)重金屬Zn、Cr、Pb、Cd、Co、Ni、Cu 等有很強(qiáng)的吸收積累能力。仙丹花、鵝掌藤、馬齒莧、變?nèi)~木、美人蕉、孔雀草以及向日葵等，這些植物吸收重金屬的能力以及在污染場(chǎng)址的生長(zhǎng)狀態(tài)都不錯(cuò)。木本植物生物量大，修復(fù)效果好于草本植物，如池杉富集Pb 和Cd 能力優(yōu)于蘆葦。陸生植物具有發(fā)達(dá)的根系，將幼小的陸生植物種苗用于水體中重金屬的去除會(huì)更加有效。然而，目前利用野生抗性植物進(jìn)行重金屬污染土壤的治理還未取得理想結(jié)果。這主要是因?yàn)槌患参镆话阒荒芊e累某些重金屬元素，植物物種的選取受不同地理氣候條件的限制，同時(shí)富集植物和超富集植物生物量一般較少，生長(zhǎng)速度慢，積累效率低。目前，大多數(shù)學(xué)者都試圖通過(guò)基因工程的方法來(lái)獲得重金屬超富集植物（如蕓苔屬植物）。如導(dǎo)入金屬硫蛋白基因或引入汞離子還原酶的半合成基因，以及其他與重金屬耐性有關(guān)的基因，以此來(lái)增加植物對(duì)重金屬的耐受性，最后規(guī)模種植這些超富集植物體來(lái)回收土壤中的重金屬元素。

1.2 微生物修復(fù)

微生物修復(fù)是指利用野生或人工培養(yǎng)的具有特定功能微生物群，在適宜環(huán)境條件下，通過(guò)自身的代謝活動(dòng)，降低有毒污染物活性或降解成無(wú)毒物質(zhì)的生物修復(fù)技術(shù)。近年來(lái)，微生物修復(fù)技術(shù)已成為污染土壤生物修復(fù)技術(shù)的重要組成部分。

微生物修復(fù)重金屬污染土壤的原理主要包括生物富集、生物吸著以及生物轉(zhuǎn)化3 個(gè)方面。生物富集是指有毒金屬被吸收后貯存在細(xì)胞的不同部位或被結(jié)合到胞外基質(zhì)上，通過(guò)代謝過(guò)程，這些離子可被沉淀，或被輕度螯合在可溶或不溶性生物多聚物。微生物積累重金屬也與金屬結(jié)合蛋白和肽以及與特異性大分子結(jié)合有關(guān)。微生物能夠通過(guò)自身的代謝活動(dòng)作用于重金屬元素是因其體內(nèi)攜帶重金屬抗性基因。重金屬抗性基因是微生物在自然條件或人工誘導(dǎo)下產(chǎn)生的抗重金屬毒性的遺傳因子，可以激活和編碼金屬硫蛋白、操縱子、金屬運(yùn)輸酶和透性酶等，通過(guò)利用這些物質(zhì)與重金屬結(jié)合、形成失活晶體或促進(jìn)重金屬排出體外等機(jī)制對(duì)重金屬進(jìn)行解毒。

1.3 綜合修復(fù)技術(shù)

現(xiàn)實(shí)中土壤中污染物種類(lèi)繁多，復(fù)合污染普遍，污染程度與厚度差異大，同時(shí)地球表層的土壤類(lèi)型多，其組成、性質(zhì)、條件的區(qū)域差異明顯，而且修復(fù)后土壤再利用式的空間規(guī)劃要求不同。因此，單項(xiàng)修復(fù)技術(shù)往很難達(dá)到修復(fù)目標(biāo)，而開(kāi)發(fā)復(fù)合修復(fù)模式就成為土壤污染修復(fù)的主要研究方向?，F(xiàn)今開(kāi)始投入應(yīng)用的復(fù)合修復(fù)技術(shù)的主要類(lèi)型有植物/微生物聯(lián)合修復(fù)、動(dòng)物/植物聯(lián)合修復(fù)以及化學(xué)/物化-生物聯(lián)合修復(fù)。

2 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，土壤重金屬污染問(wèn)題有很多解決辦法，微生物修復(fù)技術(shù)的不斷提高使得污染問(wèn)題的解決有了很多的渠道和思路。各種修復(fù)技術(shù)都具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)和局限，單一推廣某種技術(shù)很難達(dá)到全面的效果。土地重金屬污染修復(fù)作為一個(gè)綜合性治理項(xiàng)目，既需要微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、化學(xué)等多種學(xué)科的研究和進(jìn)步，也需要各種技術(shù)的綜合運(yùn)用，發(fā)揮各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其為解決污染問(wèn)題作出最大的貢獻(xiàn)。