土壤污染的生物修復(fù)技術(shù)最新研究進(jìn)展

摘要：近年來(lái)日益嚴(yán)峻的土壤污染形勢(shì)受到了廣泛的關(guān)注，土壤污染的修復(fù)技術(shù)得到了快速發(fā)展。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)最新的土壤污染的生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)展，列舉了微生物修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)技術(shù)、動(dòng)物修復(fù)技術(shù)和聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等領(lǐng)域的典型研究成果，并對(duì)未來(lái)生物修復(fù)技術(shù)的研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望，以期為我國(guó)土壤污染生物修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：土壤污染;生物修復(fù);聯(lián)合;進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）03-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.03.040

Recent advances in bioremediation of soil pollution

Shen Xiaoshuai

（Jiangsu Academy of Environmental Industry and Technology Co.，Ltd.，Nanjing Jiangsu 210036，China）

Abstract：The increasingly serious situation of soil pollution has attracted extensive attention in recent years， and the soil pollution remediation technology has developed rapidly.This paper summarizes the latest domestic bioremediation technology progress of soil pollution， and enumerates the typical research achievements of microorganism repair technology， phytoremediation technology， animal repair technology and combined repair technology.The bioremediation technology for the future research emphasis is prospected， in order to provide reference for the further development of soil pollution bioremediation technology in China.

Key words：Soil pollution;Bioremediation;Combine;Progress

土壤是生態(tài)環(huán)境的重要組成要素，也是人類(lèi)賴(lài)以生存的重要自然資源之一，其質(zhì)量狀況直接影響到區(qū)域的生態(tài)安全以及公眾的健康。土壤污染由于具有隱蔽性、長(zhǎng)期性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，因此越來(lái)越受到公眾的關(guān)注。調(diào)查顯示，我國(guó)土壤污染現(xiàn)狀總體不容樂(lè)觀，部分地區(qū)土壤污染嚴(yán)重，危害極大[1]。

面對(duì)日益嚴(yán)峻的土壤污染形勢(shì)，世界各國(guó)在土壤污染修復(fù)技術(shù)方面不斷增加投入，研發(fā)了物理、化學(xué)、生物、農(nóng)業(yè)生態(tài)等多種土壤污染修復(fù)技術(shù)。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的生物修復(fù)技術(shù)，利用了生物對(duì)土壤污染物的吸收、代謝、降解等作用，在自然或者人為控制條件下降低土壤污染物的濃度及毒性，從而達(dá)到減少污染物對(duì)人類(lèi)健康以及生態(tài)系統(tǒng)的危害的效果。因?yàn)橥寥牢廴镜纳镄迯?fù)技術(shù)具有成本低、效益高、操作簡(jiǎn)單、環(huán)境干擾小等優(yōu)勢(shì)，迅速成為土壤污染修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。本文對(duì)近年來(lái)土壤污染生物修復(fù)技術(shù)研究成果進(jìn)行總結(jié)和分析，以期為土壤污染生物修復(fù)技術(shù)優(yōu)化和進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 微生物修復(fù)技術(shù)

土壤中含有大量的微生物，這些微生物體積小、繁殖快、代謝能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、易培養(yǎng)，因此在土壤重金屬和有機(jī)污染修復(fù)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。微生物修復(fù)的機(jī)理包括吸附、富集、降解、溶解、沉淀、氧化還原等[1]。其中吸附主要是通過(guò)微生物表面的電荷主動(dòng)吸收帶電離子，或者通過(guò)微生物攝取必要營(yíng)養(yǎng)元素的方式吸附污染物中的有用物質(zhì);降解主要利用細(xì)菌或真菌的生物降解功能對(duì)有機(jī)物或者重金屬的絡(luò)合物進(jìn)行去除;溶解及沉淀主要是通過(guò)土壤微生物代謝活動(dòng)產(chǎn)生的有機(jī)酸對(duì)進(jìn)行重金屬溶解或者形成沉淀并去除;氧化還原主要是利用桿菌類(lèi)微生物與土壤中的重金屬離子發(fā)生氧化反應(yīng)，降低重金屬元素的活性[3]。

微生物修復(fù)技術(shù)有原位修復(fù)和異位修復(fù)兩種類(lèi)型。前者包括：投菌法、生物通風(fēng)、生物攪拌、工程鏍鉆、慢速滲濾、農(nóng)耕法等，后者常見(jiàn)的有：土地填埋法、土壤耕作法、預(yù)備床法、堆腐法、泥漿生物反應(yīng)器法等[2，4]。土著微生物具有較高的活性和降解污染物的巨大潛力，因此被廣泛用于原位修復(fù)技術(shù)中;但對(duì)一些特殊的土壤污染物，則需要人為投放外源微生物來(lái)提高去除效率[2]。微生物修復(fù)技術(shù)具有低成本、低能耗、成效快、二次污染小等特點(diǎn)[5];另外微生物還可以參與調(diào)控土壤中的養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程，因此具有較大的發(fā)展前景[6]。

近年來(lái)，培養(yǎng)和篩選具有特效功能的微生物成為研究的重點(diǎn)，如王薇利用鎘污染土壤篩選出一株具有較強(qiáng)耐鎘能力的蠟樣芽孢桿菌，研究了該菌自誘導(dǎo)培養(yǎng)介質(zhì)pH變化對(duì)Cd2+在菌體上的吸附、積累和生物礦化的影響機(jī)制[7]。張宗迪等在種莧菜的土壤中填加木霉菌和AB菌，結(jié)果表明兩種菌均能促進(jìn)莧菜的生長(zhǎng)，對(duì)Zn的吸收量也增加[8]。王文峰建立了白腐菌的耐受性和開(kāi)放性篩選體系，并利用篩選的兩株高效土壤修復(fù)菌株，對(duì)有機(jī)污染土壤進(jìn)行了修復(fù)研究，結(jié)果表明兩種菌株對(duì)菲和2，4-二氯苯酚具有很好地降解效果[9]。另外彭德[10]和曾遠(yuǎn)[11]也都通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別篩選出了對(duì)石油烴和鉛污染具有良好修復(fù)效果的特異性生物。

在實(shí)際操作中，可通過(guò)填加某些物質(zhì)來(lái)強(qiáng)化微生物修復(fù)技術(shù)的效果，如崔雙超等在修復(fù)石油烴污染土壤時(shí)填加了生物修復(fù)藥劑對(duì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了最佳的投放方式和條件，結(jié)果表明增加藥劑量和降解時(shí)間能提高石油烴的去除率[12]。

2 植物修復(fù)技術(shù)

在土壤中生長(zhǎng)著大量的植物，許多植物具有忍耐和富集化學(xué)物質(zhì)的功能，因此可以利用綠色植物的生理或生長(zhǎng)特性對(duì)污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移、容納或轉(zhuǎn)化，達(dá)到凈化土壤的目的。植物修復(fù)不占用額外的土地、成本低且環(huán)境影響小，因此被廣泛應(yīng)用。但因?yàn)橹参镄迯?fù)的對(duì)象范圍小、修復(fù)周期較長(zhǎng)，土壤性質(zhì)、氣候、水分狀況等條件對(duì)修復(fù)效果都有一定的影響。另外修復(fù)植物的最終處置也是一個(gè)問(wèn)題，如果無(wú)法徹底妥善處理好，修復(fù)植物的殘留物可能會(huì)進(jìn)入環(huán)境造成二次污染[2，6]。

現(xiàn)階段植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)方式主要有4種：植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和植物過(guò)濾[1，13]。植物提取利用對(duì)污染物具有較強(qiáng)富集能力的植物吸取污染物，并通過(guò)人工或機(jī)械方式收獲植物地上部分，從而達(dá)到去除土壤污染物的目的。植物揮發(fā)是利用植物根系分泌的特殊物質(zhì)，吸收土壤中的污染物，進(jìn)入植物體內(nèi)后轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)態(tài)物質(zhì)，揮發(fā)至大氣中，從而達(dá)到去除土壤中污染物的方法。植物穩(wěn)定是利用植物吸收和具有耐性的植物分泌特殊物質(zhì)將有污染物轉(zhuǎn)化為相對(duì)無(wú)害物質(zhì)，并降低其遷移性或生物有效性。植物過(guò)濾是利用植物龐大的根系吸收、吸附或過(guò)濾土壤中重金屬元素的方法。

修復(fù)植物的篩選對(duì)修復(fù)效果有明顯的影響，目前常見(jiàn)的修復(fù)植物有多種類(lèi)型，喬木、灌木、草類(lèi)，包括農(nóng)作物、水生植物等都可以作為修復(fù)植物，其中生長(zhǎng)快速、根系深、易收割、富集轉(zhuǎn)化容量大的植物修復(fù)效果最佳。如董亞明等研究了蘆葦、檉柳、沙棗等植物對(duì)石油污染土壤的修復(fù)效果，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)80d的修復(fù)，石油烴的去除率可達(dá)到26.50%～31.27%，明顯高于空白[14]。另外魯白、芥菜、龍葵、蜈蚣草、東南景天、苧麻、繁穗莧、三葉鬼針草等超富集植物都能夠較好地修復(fù)不同類(lèi)型的重金屬污染的土壤[15-18]。

3 動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

土壤環(huán)境中除了有微生物和大量的植物根系外，還有豐富的動(dòng)物物種，這些動(dòng)物的生長(zhǎng)和活動(dòng)都與土體緊密接觸，對(duì)土壤中的污染物質(zhì)也有一定的生理反應(yīng)，除了對(duì)污染物有一定的耐性以外，還可以通過(guò)攝食活動(dòng)富集污染物，因此可以利用這些生理特征將動(dòng)物作為指示動(dòng)物或修復(fù)動(dòng)物加以利用。原生動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物以及無(wú)脊椎動(dòng)物都可以作為環(huán)境污染評(píng)價(jià)、修復(fù)的動(dòng)物類(lèi)群[2]。

蚯蚓是一種常見(jiàn)的并且分布非常廣的土壤環(huán)節(jié)動(dòng)物，在維持土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮著重要的作用，也是近年來(lái)備受關(guān)注的一類(lèi)土壤污染修復(fù)動(dòng)物種類(lèi)。蚯蚓對(duì)土壤污染的修復(fù)作用主要體現(xiàn)在以下兩方面：一是直接作用，體現(xiàn)在蚯蚓對(duì)重金屬等污染物有一定的忍耐、富集能力，可以通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散、攝食等方式達(dá)到重金屬富集的效果;二是間接作用，體現(xiàn)在蚯蚓取食、作穴、代謝等活動(dòng)過(guò)程中，提高了土壤重金屬的生物有效性，促進(jìn)植物對(duì)重金屬的吸收，同時(shí)蚯蚓的日常活動(dòng)還可以改善土壤條件，促進(jìn)其他修復(fù)植物的生長(zhǎng)[1，19]。

4 其他修復(fù)技術(shù)

土壤污染的植物修復(fù)技術(shù)具有鮮明的優(yōu)點(diǎn)，但是植物的生長(zhǎng)會(huì)受到自然和人為因素的限制，修復(fù)過(guò)程較為緩慢且吸收的污染物相對(duì)單一，如果吸收過(guò)量還會(huì)出現(xiàn)中毒情況，這些都限制了植物修復(fù)技術(shù)的推廣。近年來(lái)，植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)得到了很大的發(fā)展。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)兼具了兩種修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，植物可以為微生物提供生存場(chǎng)所和氧氣，植物根際釋放出碳水化合物、氨基酸等物質(zhì)刺激了根系微生物的生長(zhǎng)，強(qiáng)化了聯(lián)合修復(fù)的效果[4]。

實(shí)驗(yàn)表明，植物-微生物聯(lián)合技術(shù)可修復(fù)土壤中較高濃度的游離重金屬離子，例如可采用巴氏芽孢桿菌礦化修復(fù)游離的鎘離子，再種植對(duì)游離的鎘離子吸附較好的植物，進(jìn)行復(fù)合修復(fù)，以達(dá)到國(guó)標(biāo)要求[15]。Zhang等通過(guò)種植鋪地黍、牛筋草、高羊茅等草本植物的方式來(lái)促進(jìn)土著菌對(duì)石油進(jìn)行降解[20]。在植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)中，菌株的篩選非常關(guān)鍵。曹中利分別從石油污染土壤、汽修廠污泥以及污水廠活性污泥中篩選到了3株有石油降解能力的菌株，實(shí)驗(yàn)表明混合菌株對(duì)石油的降解效果明顯;進(jìn)而采用添加復(fù)合菌株及種植黑麥草的聯(lián)合修復(fù)方式對(duì)石油污染土壤進(jìn)行處理，結(jié)果表明這種強(qiáng)化方式具有很好的修復(fù)效果，且對(duì)土壤中的有毒物質(zhì)具有良好的去除效果[21]。

5 結(jié)論與展望

土壤污染的修復(fù)是非常復(fù)雜的過(guò)程，生物修復(fù)技術(shù)較其他技術(shù)而言，具有操作簡(jiǎn)單、成本低及環(huán)境干擾小等特點(diǎn)，因此在場(chǎng)地土壤污染修復(fù)中具有廣泛的應(yīng)用。本研究圍繞近年來(lái)土壤污染生物修復(fù)技術(shù)的最新研究成果，對(duì)微生物、植物、動(dòng)物和聯(lián)合修復(fù)技術(shù)類(lèi)型、特點(diǎn)以及進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，為土壤污染生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了參考和借鑒。但生物修復(fù)技術(shù)也有一定的局限性，比如速度較慢、周期較長(zhǎng)，僅適用于中低濃度污染土壤，另外生物的種類(lèi)、生長(zhǎng)狀況以及土壤的結(jié)構(gòu)、組成、理化屬性、生物學(xué)性狀等對(duì)修復(fù)效率都有很大的影響[22-23]。為了進(jìn)一步提高土壤污染治理的效果，在今后的研究中必須篩選更加高效的生物類(lèi)群，加強(qiáng)植物、動(dòng)物、微生物修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，并開(kāi)展和其他修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)研究，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以達(dá)到更好的修復(fù)效果。

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收稿日期：2019-10-14

作者簡(jiǎn)介： 沈小帥（1986-），男，工程師，研究方向?yàn)槲廴緢?chǎng)地調(diào)查及土壤、地下水修復(fù)工作。