淺談生物技術在土壤修復上的應用

呂喆 程越邁

摘 要：污染土壤的生物凈化可分為植物處理，動物處理和微生物處理。植物修復和動物處理主要用于修復土壤中的重金屬污染，微生物處理主要用于回收土壤中的有機污染物。污染物的物理、化學性質(zhì)，高度可降解菌株的檢測，轉(zhuǎn)基因細菌的發(fā)展以及向土壤中添加營養(yǎng)素等都影響微生物修復的有效性。

關鍵詞：生物技術;土壤污染;土壤防治

土壤是植物生存的基礎。為了擁有健康的土壤來種植優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，必須充分考慮土壤微生物，有機物，礦物質(zhì)，水和空氣。根據(jù)植物所需的微量元素和養(yǎng)分，將養(yǎng)分施用到土壤中，以改善土壤中聚集體的結(jié)構，增強微生物的多樣性并提高土壤肥力。在進行土壤修復和改良時，工作人員應更仔細地考慮土壤結(jié)構和生態(tài)修復，并認真調(diào)查和分析土壤的特性和環(huán)境，以提高修復效果。因此，在土壤改良過程中，必須通過適應當?shù)貤l件，綜合策略和綜合管理來保持總體平衡。目前，生物技術是一種更好地土壤處理方法，包括植物處理，動物處理和微生物處理。

一、植物修復技術

植物修復技術包括切割莖和葉，從土壤中去除重金屬，以及在重金屬被吸收到高濃度植物的根部后將其存儲在土壤中。超濃縮植物具有三個特征。首先，重金屬的提取量是普通植物的100倍以上。第二個原因是植物地下部分的重金屬含量大于植物根部。第三是植物本身對重金屬有一定的抵抗力，不會中毒。超濃縮植物可以吸收鉻（Cr），鈷（Co），鎳（Ni），銅（Cu），鉛（Pb），吸收量大于1.0g/kg，以及錳（Mn），鋅（Zn），最多可以吸收10.0g/kg或更多，吸收鎘（Cd），吸收超過100.0mg/kg。通常，先前積累的植物吸收的重金屬量大于根部吸收的量，即，轉(zhuǎn)移系數(shù)（吸收量/根吸收量以上）大于1.0，且濃度系數(shù)大于1.0，因此重金屬修復了污染的土壤。當前，全世界的學者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了500多種超濃縮植物，但是70%以上是超濃縮的“鎳（Ni）”植物。數(shù)據(jù)顯示，這些超濃縮植物，特別是在中國種植的植物，在處理中國重金屬污染的土壤方面具有非常重要的科學價值。植物修復的優(yōu)點是成本低，二次污染小，這是改善農(nóng)田土壤的最有前途的方法之一。另外，土壤修復一個重要的發(fā)展方向是檢測富含多種金屬并且可以快速生長，高生物量和廣泛應用的新型超富集植物。今天，高濃度植物的收獲后處置主要包括焚化，壓縮填充，堆肥，熱解，灰分和液體提取?；厥照局饕米鲝U物或有害物質(zhì)的存在，諸如土地占用，高昂的處置成本和滲濾液污染的風險。因此，消除豐富的生物也是植物處理技術發(fā)展中的重要問題。

二、動物修復技術

土壤動物是指生活在土壤中并對土壤結(jié)構具有特定作用的動物。土壤動物包括各種物種，常見的土壤動物包括泥土，螞蟻，老鼠和蜘蛛。用于土壤生物的生物凈化技術，通過其自身的生命活動，可以分解，消化和濃縮土壤污染物，以減少或消除污染物。尤其是，土壤動物會機械粉碎并分解土壤中的有機污染物，它們分泌腸液并通過腸排泄，通過分解污染物或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為土壤微生物來減少或消除污染物的濃度。一些土壤動物具有豐富和豐富重金屬土壤的能力。使用植物濃縮重金屬會消耗土壤肥力，而使用土壤動物濃縮重金屬會增加土壤肥力。

三、微生物修復

（一）微生物分解技術在處理廢水中有機污染物上的應用

微生物分解技術處理應用已有幾十年的歷史，并且我國也有意將微生物分解技術大規(guī)模應用于污染土壤的處理。在美國，日本和歐洲等發(fā)達國家，微生物修復技術的研究已經(jīng)進行了多年，也有很多使用微生物修復技術從海外土壤中去除油和其他有機污染物的例子。美國猶他州在田間被空氣動力油和土壤污染的土壤進行了生物降解，首先在受污染的區(qū)域提供養(yǎng)分，并添加8%～12%的N和P等養(yǎng)分以通風，以促進空氣流通和增加氧氣供應。其次，應用和修復實驗：耕種方法，大規(guī)模挖掘，強制通風，添加了2%～40%的土壤，并包含添加劑，例如油和其他微生物營養(yǎng)素，例如氮，磷，鋸末等。韓國還對有機污染環(huán)境的生物修復進行了許多基礎研究。袁紅麗等潘學芳等研究了微生物分解前后石油中以及細胞內(nèi)外碳氫化合物的變化，發(fā)現(xiàn)了不進行修飾的細胞轉(zhuǎn)運。

（二）微生物處理受污染土壤

微生物處理技術具有一定的局限性，盡管它被環(huán)境科學界廣泛接受并認為很有希望，但它有其自身的局限性，主要存在五個方面：

1.微生物不能分解所有進入環(huán)境的污染物。耐火性質(zhì)，不溶性以及與土壤腐殖質(zhì)或土壤的結(jié)合常常使生物再生成為不可能。微生物通常是無用的，尤其是對于重金屬及其化合物。

2.微生物處理應用需要對污染區(qū)域和污染物的存在進行詳細檢查，例如，在一些低滲透性的土壤中，注水井可能是由于這些土壤或細菌過度生長所致。

3.某些微生物僅降解某些類型的化學物質(zhì)，并且狀態(tài)稍有改變的化合物可能不會被相同的微生物酶破壞。

4.微生物修復技術受各種環(huán)境因素的影響很大，因為微生物活性受溫度，氧氣，水分和pH等環(huán)境條件的變化影響。與物理和化學方法相比，該技術需要較長時間來處理受污染的土壤。

5.如果不能通過生物凈化去除所有污染物，則污染物濃度過低，并且殘留污染物可能殘留在土壤中以維持細菌分解群落。

（三）微生物修復發(fā)展趨勢

利用微生物來處理污染土壤的當前研究方向主要集中在以下幾個方面：高效降解菌株的篩選和基本工程菌的開發(fā);營養(yǎng)補充;待分解物體的物理和化學性質(zhì)。

1.細菌的高效分解菌株篩選，基因工程開發(fā)土生微生物廣泛存在于土壤中，但土生微生物是由于生長緩慢，代謝活性低或存在污染物引起的。減少導致降解污染物的能力降低，有時需要接種能降解污染土壤中污染物的高效細菌，從而縮短修復時間。例如，在實驗室條件下，在30℃下每克土壤接種106種PCP降解細菌可以將PCP的半周期從2周縮短至1min。近來，通過生物基因工程研究和構建高效的基因工程細菌引起了廣泛的興趣。具體技術包括用多個質(zhì)粒構建新菌株，可降解質(zhì)粒DNA的體外重組，質(zhì)粒分子育種和原生質(zhì)體融合技術。使用這些技術，可以將多個降解基因轉(zhuǎn)移到同一微生物中，以提供廣泛的降解功能。例如，如果將假單胞菌降解基因Peseudomonasputida降解基因轉(zhuǎn)移到另一種微生物，則接收細菌還可以在0℃分解甲苯。這比簡單地接種某些微生物更有效，因此很難且不一定成功地適應外部環(huán)境。利用基因工程進一步改善微生物的分解產(chǎn)生了良好的結(jié)果，但是在美國，日本和大多數(shù)其他國家，目前對芽孢桿菌的實際應用有嚴格的立法限制。

從科學的角度來看，是否應將微生物應用于環(huán)境的決定應主要基于微生物而不是如何獲得微生物的生物學特性（例如致病性），并且在過于嚴格的法律和法規(guī)中是不合理的。實際的披露將阻礙現(xiàn)代環(huán)境微生物技術在防污中的推廣和應用，處理環(huán)境污染時要改善生態(tài)環(huán)境，造福人類。

2.添加養(yǎng)分土壤中的氮和磷是微生物活動的重要條件，為使污染物完全分解，必須適當添加養(yǎng)分。為了獲得良好的分解效果，在添加營養(yǎng)料之前，必須確定營養(yǎng)料的形式，采取適當?shù)臐舛群捅壤?。目前，我國在此過程中已經(jīng)使用了多種類型的營養(yǎng)鹽，例如銨鹽，正磷酸鹽或多磷酸鹽，尿素和釀造酵母廢料。N和P的需要量可以根據(jù)分解來估算，但是由于某些污染物的分解速度太慢，并且N和P的有效性隨位置而變化，因此計算值與實際值有很大差異。目前，一些外國商業(yè)公司已經(jīng)針對特定的應用環(huán)境開發(fā)了相應的生物修復改良肥料，例如石蠟或正磷酸鹽中嵌入的尿素，該配方中的養(yǎng)分可以溶解在油相中并緩慢釋放，對于石油污染物的影響是顯著的。

3.待降解物體的物理和化學性質(zhì)污染物的類型（酸性，堿性或中性，極性或非極性，氧化或還原），污染物的物理性質(zhì)（分子量），熔點，結(jié)構和水溶性，脂肪溶解度等，化學反應性（氧化，還原，沉淀，聚合等），降解性（半衰期，一級速率常數(shù)和相對生物降解性等），以選擇生物治療技術以及應采取哪些步驟來增強和加速生物治療過程處理技術。

四、結(jié)束語

總而言之，土壤的修復并不是一時之間就能夠完成的事情。為了提高土壤修復的成果，相干人員必須采取相關的措施，進行綜合治理。

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