生物修復(fù)技術(shù)在煤礦土壤重金屬污染治理的應(yīng)用

冷 波，蔣麗虹，劉漢波

(1.四川煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心,四川 成都 610046;2.四川通信科研規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041 )

在我國(guó)，煤炭資源都是工業(yè)全面發(fā)展中的主要資源，而我國(guó)能源呈現(xiàn)富煤貧油的能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，決定了煤炭資源在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍會(huì)是我國(guó)主要能源之一[1]。然而，由于使用長(zhǎng)時(shí)問(wèn)、大規(guī)模、高強(qiáng)度、粗放式的煤炭開(kāi)采模式，最終會(huì)給開(kāi)采區(qū)的環(huán)境資源造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞[2-3]。礦山開(kāi)發(fā)建設(shè)要占用土地，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)中很難避免把占用的土地全部或部分廢棄。尤其是露天煤礦的開(kāi)采，首先要?jiǎng)冸x地表的植被覆蓋層和土壤層，采礦結(jié)束后，原有的宜耕、宜種、宜林、宜牧的土壤不復(fù)存在，造成土壤嚴(yán)重?fù)p失。而且，礦山建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、粉塵、重金屬等對(duì)土壤環(huán)境也有很大的不利影響[4]。重金屬在土壤中的移動(dòng)性差，難降解，且易在生物體內(nèi)富集并會(huì)通過(guò)食物鏈對(duì)人體造成危害[5-6]。

土壤重金屬污染修復(fù)方法主要有物理方法，化學(xué)方法和生物方法。物理方法主要有換土、玻璃化和電動(dòng)修復(fù)等方法。雖然能較快的轉(zhuǎn)移和降低土壤重金屬污，但是這幾種方法存在著一些缺點(diǎn)，如工程量大、成本費(fèi)用高，不適用于大面積、中低濃度污染土壤，不能將重金屬?gòu)耐寥乐刑崛〕鰜?lái)等因素限制了這類(lèi)技術(shù)的推廣應(yīng)用。化學(xué)方法主要有固化、穩(wěn)定化，化學(xué)淋洗等技術(shù)，能快速靈活的應(yīng)用于多種重金屬污染的處理，但存在著一些不足，如成本較高、可操作性不強(qiáng)、大面積修復(fù)不適用以上方法，修復(fù)材料可能產(chǎn)生二次污染， 最重要的是不能徹底的從土壤中清除掉重金屬，需要進(jìn)行修復(fù)后監(jiān)測(cè)，防止重金屬再次活化，生物修復(fù)技術(shù)相比較于其它技術(shù)，具有成本低、易操作、安全、可原位修復(fù)性強(qiáng)、廢棄物產(chǎn)生量較少，并且可以回收重金屬等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注[7-8]。本文就近些年來(lái)發(fā)現(xiàn)對(duì)土壤重金屬的生物治理技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)其進(jìn)行了展望。

1 煤礦土壤污染現(xiàn)狀

煤炭開(kāi)采后產(chǎn)生的煤矸石等固體廢棄物很難利用，一般就在礦區(qū)附件區(qū)域形成地表堆積處理，這樣不僅浪費(fèi)了許多良好的土地資源[9]，而且煤矸石等固體廢棄物中含有多種重金屬入As、Pb、Cr、Cu和Zn等有毒有害物質(zhì)[10]。同時(shí)，在雨水或風(fēng)力等外界自然因素的作用下，這些固體廢棄物會(huì)將自身的有毒有害物質(zhì)慢慢析出，通過(guò)各種途徑對(duì)礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境造成巨大危害，尤其是進(jìn)入土壤[11-13]。土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性和時(shí)間累積效應(yīng)等特點(diǎn)，土壤被重金屬污染就難以消除[14]。

2 煤礦土壤重金屬污染生物治理

生物治理是從生物角度來(lái)治理受到污染土壤的一種方法。利用生物削減、凈化土壤中的重金屬或降低重金屬毒性。主要包括植物修復(fù)法和微生物修復(fù)法。

2.1 植物修復(fù)概況

植物修復(fù)是指利用植物根系結(jié)構(gòu)對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行固定和吸收，以清除土壤中重金屬或使其有害性得以降低或消除的方法。它是一種環(huán)境友好、節(jié)約資源以及生態(tài)美觀的修復(fù)方式[15]。植物修復(fù)的效率取決于植物類(lèi)型和土壤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，如土壤的理化性質(zhì)、土壤中重金屬的生物利用度、微生物和植物的分泌物，以及植物對(duì)重金屬的固定和吸收能力[16]。

當(dāng)前，國(guó)際上發(fā)現(xiàn)了500多種的重金屬超積累植物，其中多數(shù)為專(zhuān)一型積累植物。DERYAY等在銀礦區(qū)篩選出可用于修復(fù)As、Ag、Pb的植物[17]；廖斌等對(duì)礦山鴨跖草( Commelinacommunis)進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)礦山鴨跖草對(duì)Cu具有很強(qiáng)的富集性[18]。薛生國(guó)等通過(guò)對(duì)礦區(qū)調(diào)查,得出一種多年生的草本植物-商陸( Phytolaccaacinosa)對(duì)Mn具有一定的富集能力，是良好的Mn修復(fù)植物[19]。

2.1.1 植物修復(fù)技術(shù)機(jī)理2.1.2 螯合作用

自從20世紀(jì)80年代以來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)部分植物能夠在重金屬物質(zhì)的誘導(dǎo)作用下產(chǎn)生植物螯合肽[20]，從而治理重金屬物質(zhì)造成的污染。植物重金屬結(jié)合肽的基因編碼產(chǎn)物能夠分成植物螯合肽(PC)與類(lèi)金屬硫蛋白(Like-MT)兩大類(lèi)[21]。植物螯合肽是由于重金屬誘導(dǎo)植物，在體內(nèi)合成含有巰基多肽的一種蛋白質(zhì)，讓植物對(duì)重金屬有很強(qiáng)的螯合作用，從而固化和吸收重金屬，達(dá)到修復(fù)土壤作用。

2.1.3 植物的根系分泌物作用

在生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中，植物根系的分泌物能夠通過(guò)影響土壤中有效性的養(yǎng)分、重金屬物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，從而讓植物根部土壤的理化特性降發(fā)生改變[22]。植物通過(guò)其根系發(fā)達(dá)呼吸作用釋放的CO2和水形成碳酸，或者向外分泌有機(jī)酸活化，加強(qiáng)了植物對(duì)土壤重金屬的吸收作用[23]。

2.1.4 細(xì)胞外排作用

植物通過(guò)外排作用來(lái)阻止重金屬進(jìn)入細(xì)胞或者是通過(guò)細(xì)胞壁、液泡對(duì)重金屬累積沉淀、區(qū)隔化。植物細(xì)胞壁是位于植物最外面防止有害物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的原生質(zhì)，避免受其毒害。植物還能夠通過(guò)液泡把重金屬與細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)隔開(kāi)。因此，液泡也被認(rèn)為是植物隔隔離重金屬的重要場(chǎng)所之一。液泡通過(guò)自身中有多種有機(jī)化合物礦用與重金屬相結(jié)合，降低細(xì)胞質(zhì)中游離的重金屬離子的濃度[24]。

2.2 微生物修復(fù)法

微生物土壤修復(fù)技術(shù)是利用存在自然條件或者人工在土壤里培育出的微生物如細(xì)菌、真菌和藻類(lèi)等，通過(guò)吸附、沉淀、淋濾、氧化還原等技術(shù)手段的方式，降低土壤中有毒有害重金屬物質(zhì)的濃度，改變了重金屬的狀態(tài)，繼而從根本上起到凈化土質(zhì)和修復(fù)土壤的作用[25]。

2.2.1 微生物修復(fù)機(jī)理

微生物在攝取物質(zhì)用于代謝過(guò)程中，利用自身的細(xì)胞表層具有帶各種電荷的生物特性，可以用電荷之間的相互作用來(lái)吸附結(jié)合有毒有害的重金屬離子，使得毒性離子直接沉積于細(xì)胞表層或內(nèi)層[26]。微生物吸附技術(shù)，主要分為：胞外吸附、胞內(nèi)積累和細(xì)胞表面吸附。

2.2.2 胞外吸附

2.2.3 胞內(nèi)積累

胞內(nèi)積累主要是通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的金屬硫蛋白、絡(luò)合素以及多肽等陰離子物質(zhì)來(lái)與重金屬離子結(jié)合從而在細(xì)胞內(nèi)形成沉淀物質(zhì)，這樣可以將污染的重金屬進(jìn)行“固定”。某些微生物對(duì)污染重金屬的吸附，是通過(guò)各種的化學(xué)反應(yīng)(氧化還原反應(yīng)、甲基化反應(yīng)和脫甲基化反應(yīng)等)的方式來(lái)改變有污染重金屬物質(zhì)的價(jià)態(tài)，從而將污染的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為低毒或者無(wú)毒物質(zhì)，從而達(dá)到降低污染的目標(biāo)。

微生物在環(huán)境中大量存在，非常的豐富，許多微生物及其產(chǎn)物對(duì)污染的重金屬具有很強(qiáng)的結(jié)合能力，它們利用自身細(xì)胞表面所帶一些負(fù)電荷，通過(guò)靜電吸附或者絡(luò)合作用來(lái)講污染的重金屬離子進(jìn)行控制[31]。它們?cè)诓煌牟课煌ㄟ^(guò)離子沉淀或螯合作用等方式進(jìn)行聚合[38]。例如藻類(lèi)、酵母和真菌等微生物可以利用特殊的白質(zhì)可以作為特定的容器，將污染的重金屬汞離子甲基化為低毒汞物質(zhì)[32]，某些微生物可以使Cr6+、As3+、Fe2+和Mn2+等發(fā)生氧化，可以降低這些污染重金屬的活性[33]。

2.2.4 細(xì)胞表面吸附

細(xì)胞表面吸附基于金屬離子與細(xì)胞壁官能團(tuán)之間發(fā)生理化反應(yīng)進(jìn)行的。微生物細(xì)胞表面吸附重金屬離子的吸附形式可以分為3種：

(1)微生物可以在細(xì)胞外產(chǎn)生由糖類(lèi)、脂類(lèi)、蛋白質(zhì)、核酸等構(gòu)成的聚合物。這些聚合物含有許多的的陰離子官能團(tuán)，從而可以與重金屬陽(yáng)離子相結(jié)合。例如細(xì)胞壁上的羧基(-COOH)、羥基(-OH) 、巰基(-SH)等官能團(tuán)具有與重金屬離子結(jié)合(如離子交換、配位結(jié)合或絡(luò)合等)的活性，可以聚合形成大分子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低污染物年濃度的目標(biāo)；如萊茵衣藻的多孔結(jié)構(gòu)的細(xì)胞壁含有含有果纖維素、多糖以及膠質(zhì)等聚合物，，這些聚合物攜帶了大量的酚基、酰氨基、羰基、羥基、羧基、氨基和醛基等的多種官能團(tuán)，從而與污染的金屬離子進(jìn)行結(jié)合，消除污染[34]。

(2)一些微生物的細(xì)胞壁里面含有負(fù)電離子，從而形成了一個(gè)陰離子環(huán)境，這樣就可以進(jìn)一步通過(guò)其細(xì)胞中的聚合物上的羰基(-C=O)等陰離子官能團(tuán)的靜電作用，加強(qiáng)對(duì)污染的重金屬離子的吸附力度。

(3)%可以通過(guò)物理性吸附而形成難溶性的無(wú)機(jī)化合物，從而將污染的重金屬離子控制在微生物的細(xì)胞壁表面附近。微生物的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和螯合反應(yīng)吸附污染重金屬離子密切有關(guān)。例如微生物細(xì)胞壁中具有分子孔狀構(gòu)造，可以促使活性化學(xué)配位結(jié)構(gòu)在細(xì)胞的表層進(jìn)行有序排列，這樣更加容易和金屬離子進(jìn)行結(jié)合。另外，微生物細(xì)胞壁上的多糖物資含有眾多陰離子等活性官能團(tuán)，這些官能團(tuán)可以與污染的重金屬離子形成較強(qiáng)的絡(luò)合作用。

3 展望

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展，如何處理煤礦開(kāi)采后對(duì)周邊突然環(huán)境污染就顯得迫切需要了。為此，國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)技術(shù)人員不斷的開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新工藝，并且還在不斷深入發(fā)展和完善過(guò)程中。目前雖然土壤重金屬治理方法非常多，但是都會(huì)造成二次污染。生物治理污染作為一項(xiàng)新興技術(shù)，近些年發(fā)展較為迅速。用生物方法來(lái)治理土壤污染具有防止二次污染和營(yíng)造良好的生態(tài)環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，因此，用來(lái)治理煤礦區(qū)域的土壤重金屬污染，彌補(bǔ)傳統(tǒng)土壤污染治理技術(shù)的缺陷，就顯得非常適宜。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，生物治理技術(shù)將會(huì)在煤礦區(qū)域土壤污染治理中具有更加廣闊的發(fā)展前景。