城市綠地土壤重金屬污染生物修復研究進展

燕若鵬 丁佳鋒 鐘宇馳

摘 要：重金屬污染是存在于城市綠地土壤中影響城市居民健康的重要因素。物理化學方法并不適合修復城市綠地的重金屬污染，而生物修復技術(shù)成為近幾年來熱門的修復土壤重金屬的方式，其通過植物、動物、微生物的新陳代謝，對土壤中的重金屬進行富集和消化，從而修復土壤重金屬污染。該綜述闡述了植物、動物、微生物及聯(lián)合修復技術(shù)的原理，列舉相關(guān)案例，總結(jié)歸納適合進行城市綠地重金屬污染修復的方法，并對生物修復城市綠地土壤重金屬污染的前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：城市綠地;重金屬污染;生物修復

中圖分類號 X53文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）21-0113-04

Abstract：Heavy metal pollution exists in urban green spaces. It is an important factor affecting the health of citizens. The physical and chemical methods are not suitable for repairing heavy metal pollution in urban green spaces. Recent year，bioremediation technology had become a popular method of repairing heavy metals in soil. Through the metabolism of plants，animals and microorganisms，heavy metals in the soil can be enriched and digested. Thus，the part of heavy metals can be removed from the soil. This review describes the principles of plant，animal，microbial and joint remediation technology，enumerates relevant cases，summarizes the methods，which are suitable for the repair of heavy metal pollution in urban green space. The review also prospects the prospect of bioremediation technology for urban green land pollution.

Key words：Urban green space;Heavy metal pollution;Bioremediation technology

城市綠地和城市居民的生活息息相關(guān)，綠地土壤中的重金屬污染成為影響城市居民健康的重要因素。針對土壤中的重金屬積累，目前有物理修復、化學修復和生物修復等方法。然而對于城市綠地，利用物理修復的淋洗法、電動法或電熱法成本較高[1]，需要花費較多的人力物力，且存在再次污染的風險。利用化學修復方法則只能將重金屬元素固定在土壤中，雖然阻止了重金屬元素進入了生物循環(huán)，但是在一定條件下仍可能被置換出來，從而造成二次污染[2]。

生物修復主要開始于上個世紀，是一種利用動植物及土壤微生物的新陳代謝活動固化、分離、降解、富集和修復土壤中的重金屬[3]。這種方法可以使土壤中重金屬形態(tài)發(fā)生改變，從而沉淀在土壤中，或是通過生物吸附的效應，沉淀在生物體中，利用生物的代謝對重金屬起到富集固化的作用[4]。生物修復技術(shù)對環(huán)境友好，適用范圍廣。對于城市綠地而言，生物修復技術(shù)可以保證在治理過程中不對城市居民產(chǎn)生危害，所以適合城市綠地土壤中重金屬污染的修復。生物修復技術(shù)包括植物修復技術(shù)、動物修復技術(shù)、微生物修復技術(shù)以及以生物為主體的聯(lián)合修復技術(shù)。

本文將生物修復城市綠地重金屬污染技術(shù)為主體，列舉常見的生物修復綠地土壤重金屬污染的事例，探討綠地土壤重金屬污染的生物修復技術(shù)及其發(fā)展前景，為城市綠地土壤重金屬污染提供可行的修復技術(shù)。

1 植物修復技術(shù)

植物修復是指利用植物在其生長過程中通過一系列吸收、揮發(fā)和降解的生物途徑，降低土壤中重金屬污染物的濃度[5]。許多植物具有對土壤中重金屬物質(zhì)的固定和吸收富集功能，植物根泌物也可以對重金屬元素起到固定作用，從而降低土壤中的重金屬含量。

植物修復土壤重金屬的原理主要有3種，即植物穩(wěn)定、植物提取和植物揮發(fā)[1]。植物穩(wěn)定是通過植物根系吸附與氧化還原等作用，使得土壤中重金屬固定在植物根系中，從而降低重金屬在土壤中的遷移率或?qū)⒏叨拘缘闹亟饘匐x子還原成低毒性的離子或復合物。植物的根泌物和根際微生物也可以通過代謝反應產(chǎn)生絡合物或螯合物，從而使得土壤中的重金屬離子固定在植物根部。植物提取是指利用超富集植物將重金屬富集進植物體內(nèi)，從而修復土壤。植物揮發(fā)是指植物根泌物與土壤中重金屬反應，將重金屬吸收后轉(zhuǎn)化成為低毒的氣態(tài)揮發(fā)物質(zhì)，但這種方法可能會對大氣造成一定污染。

目前應用較為廣泛的植物修復技術(shù)主要是通過植物提取的原理，即篩選相應的超富集植物將重金屬從土壤中富集入植物體內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn)重金屬，如鎘、鎳、銅、汞、鉛、鋅，其超富集植物多分布在禾本科、十字花科、豆科、菊科等[6-9]。土壤修復植物通常具有較為發(fā)達的根系、稠密的根毛和含有大量有機酸的根泌物。植物通過根泌物和根際微生物的作用，降低重金屬對植物體的毒性，從而促進植物吸收土壤中的重金屬元素[10]。而在城市綠地中，不僅需要植物具有超富集作用，還需要保證綠地的景觀，以及植物本身并沒有毒性。黃明煜等[11]的綜述中提到了超富集植物的分類，在城市綠地中較為實際的是栽培木本植物和一些生長周期短、非食用的蕨類草本植物，通過這幾類植物富集土壤中的重金屬元素。

2 動物修復技術(shù)也可用于土壤重金屬修復

土壤中的低等環(huán)節(jié)動物，如赤子愛勝蚓常用于富集土壤中的重金屬元素。李瑞娟等[25]研究發(fā)現(xiàn)赤子愛勝蚓對鉛的耐受性較高，且會對附近的鉛、銅元素有著明顯的富集作用。赤子愛勝蚓對重金屬鉛的富集能力要優(yōu)于銅。Udovic[26]的研究也表明，赤子愛勝蚓對土壤pH有顯著提升的效應，可以提高鉛元素的生物可利用性。蚯蚓的代謝也可以間接影響土壤中重金屬的形態(tài)。蚯蚓在降解土壤中的有機質(zhì)過程中可以提高土壤中腐殖質(zhì)和有機酸的含量，腐殖質(zhì)可以和重金屬離子發(fā)生螯合作用，生成螯合態(tài)的重金屬，改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)[27]。同時，蚯蚓的生命活動可以增加土壤微生物多樣性和活性，利于金屬遷移轉(zhuǎn)化[28]。

3 微生物修復技術(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，真菌、細菌、放線菌對重金屬均具有修復能力，且不同種類對重金屬的耐受度亦有不同。研究表明，在一般情況下，真菌對重金屬耐受的程度最高，細菌其次，放線菌耐受程度最低。微生物可以通過生物吸附與富集、生物轉(zhuǎn)化、生物溶解和沉淀幾個方面對重金屬污染土壤進行修復[29]。

微生物可以將重金屬離子和表面的負電荷基團通過螯合、絡合、共價吸附和離子交換等相互作用相結(jié)合，從而吸附重金屬離子[30]。不少研究表明，微生物的胞外聚合物可以快速吸附鉛、銅等重金屬離子，同時微生物會對這種吸附產(chǎn)生相互應激，改變蛋白表達，增強吸附能力[31]。生物富集不同于吸附，是一種僅發(fā)生在活細胞內(nèi)的主動運輸過程。細胞借助載體和離子泵增加微生物體內(nèi)的重金屬含量[32]。研究發(fā)現(xiàn)菌株P(guān)seudomonas putida 62BN可以在細胞內(nèi)富集鎘，從而降低土壤中的鎘含量[33]。微生物還可以通過體內(nèi)的氧化還原反應等細胞生理生化活動改變重金屬離子的性質(zhì)。鐵還原菌和鐵硫氧化菌可以通過微生物的耦合協(xié)同代謝過程提高鎘、銅、汞、鋅的移動性[34]。微生物還可以通過溶解沉淀作用與重金屬離子發(fā)生反應。微生物可以代謝出多種有機酸，例如甲酸、檸檬酸、草酸等，這些有機酸可以和重金屬化合物作用加速土壤中重金屬的溶解。研究發(fā)現(xiàn)熒光假單胞菌R1在生長代謝過程中分泌了多種有機酸，溶解了土壤中的鋅、鉻化合物，使得重金屬的生物有效性提高，可以增強東南景天對鋅、鉻的吸收[35]。

目前研究的具有修復土壤功能的微生物大多為真菌和細菌。與細菌相比，由于真菌有著較大的接觸面積、生物量，較快的生長速度以及較低的環(huán)境要求和很強的抗逆性，在重金屬污染修復方面已得到廣泛應用。Mishra等[36]研究發(fā)現(xiàn)，叢生菌根真菌能夠修復被三價鐵離子污染的土壤，且在盆栽條件下可以產(chǎn)生鐵載體，從而增強植物對鐵離子的吸收。大杯蕈能能促進植物在土壤重金屬含量較低時吸收銅和鎘元素[37]。黑曲霉可以去除工業(yè)區(qū)的銅、鎘、鉛、鋅等重金屬元素，且去除率很高[38]。細菌中也存在常用的耐重金屬污染的菌種，如鏈霉菌、芽孢桿菌、球菌、惡臭假單胞菌、弗蘭克氏菌等[39]。

4 聯(lián)合修復技術(shù)

單一的土壤修復技術(shù)在修復重金屬污染土壤的過程中均有不足之處，所以2種及2種以上的修復技術(shù)相互組合，逐漸發(fā)展出聯(lián)合修復技術(shù)。聯(lián)合修復技術(shù)可以克服單一修復技術(shù)的局限[40]，同時更加快速高效地修復重金屬污染的城市綠地。聯(lián)合修復技術(shù)可以縮短修復周期，提高修復效率，是目前土壤污染修復技術(shù)的發(fā)展方向之一[41]。前文介紹的在植物根際存在根際微生物可以協(xié)助植物富集重金屬元素，就是一種聯(lián)合修復技術(shù)。植物根際的微生物通過代謝活動，不僅可以分泌植物生長所需的生長素，同時也可以通過細胞表面活性基團結(jié)合土壤中重金屬，使得重金屬更容易被植物富集，使得重金屬被植物更快的吸收[42]。

目前多用于聯(lián)合修復方法的主要為植物-化學法聯(lián)合[3]、物理-化學法聯(lián)合[43]以及生物聯(lián)合修復法。對于城市綠地而言，由于物理法和化學法的局限性，很難使用這2種方法處理城市綠地的土壤重金屬而不對居民生活產(chǎn)生影響，故影響最小也是最貼近自然的方法即生物聯(lián)合修復法。生物聯(lián)合修復可以利用植物、動物、微生物修復法的長處，相互結(jié)合相互補充，強化對土壤重金屬元素的吸收作用。王春雷[44]對比了聯(lián)合修復法和單一修復法中的修復效果，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合修復效果要優(yōu)于單一修復。通過聯(lián)合修復，土壤中的鎘、銅、鉛含量的減少量高于單一修復方法簡單疊加的效果。這也說明了基于生物的聯(lián)合修復技術(shù)在土壤重金屬污染修復方面的優(yōu)越性。

5 展望

城市綠地是城市綠色基礎建設的主要組成部分之一，城市綠地的土壤質(zhì)量是城市環(huán)境質(zhì)量的重要指標之一。城市綠地在日常生活中會受到重金屬離子的污染，這些重金屬會通過粉塵、排放等一系列方式進入綠地土壤，被土壤吸收積累。城市綠地一項重要功能就是供居民娛樂，在日常生活中，若存在土壤重金屬超標會對居民的健康帶來一定的危害。城市綠地中的重金屬污染需要進行富集修復，保障城市居民的身體健康。

生物修復技術(shù)適合城市綠地的土壤重金屬修復，其可以吸收土壤中的重金屬，通過生物的新陳代謝將重金屬離子變?yōu)槲：^低的復合物，吸收在體內(nèi)，從而將重金屬從土壤中分離，達到修復的目的。同時，生物修復技術(shù)又因其具有可持續(xù)性、低成本性、環(huán)境友好等特性，不會在修復過程中對居民生活造成影響。

然而生物修復技術(shù)在實際應用過程中依然存在著一些問題，雖然生物技術(shù)大多對環(huán)境影響小，但是其處理量也較化學法和物理法小，周期長，只能用于小規(guī)模的處理，對于面積較大的綠地重金屬處理仍需要進行實驗檢驗。同時植物、動物、微生物的處理深度有限，很難處理淋溶至地下深層的重金屬離子。單獨的一種生物修復技術(shù)會受到環(huán)境條件的限制，導致處理能力受限。今后應加大聯(lián)合修復技術(shù)的研究，利用生態(tài)環(huán)境中的動植物及微生物之間的相互作用，提高綠地土壤的生物多樣性，從而加強重金屬污染的處理效率，因地制宜，修復城市綠地的重金屬污染問題。

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（責編：王慧晴）