2020污染土壤的生物修復(fù)?？蜓?/h1>

2020-12-22 11:50:53李銀心

生物工程學(xué)報(bào)訂閱 2020年3期 收藏

關(guān)鍵詞：重金屬生物污染

李銀心

中國(guó)科學(xué)院植物研究所 植物分子生理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100093

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，也是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。近幾十年來(lái)，隨著工農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致不同類型的有機(jī)化合物如除草劑、殺蟲劑、芳烴等和重金屬進(jìn)入土壤并積累，造成土壤污染[1]。這些污染使土壤降低或喪失生產(chǎn)力，危及農(nóng)產(chǎn)品、地下水和人居環(huán)境安全，甚至通過(guò)生物鏈的傳遞和遷移，威脅動(dòng)物和人類自身的健康。目前，土壤污染已遍布五大洲，成為全球性的嚴(yán)峻問(wèn)題。為降低污染物對(duì)土壤環(huán)境的危害，應(yīng)從污染源頭加以控制、減少有機(jī)化合物和重金屬等污染物進(jìn)入土壤，與此同時(shí)，開發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的針對(duì)污染土壤的修復(fù)技術(shù)。

重金屬污染是目前土壤污染中最突出的問(wèn)題之一。國(guó)家環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部2005–2013年對(duì)全國(guó)土壤污染狀況的聯(lián)合調(diào)查顯示，占調(diào)查點(diǎn)位總數(shù)16.1%的點(diǎn)位土壤受到不同程度的污染，而其中 82.8%是以鎘 (Cd)、汞 (Hg)、砷 (As)、銅 (Cu)、鉛 (Pb)、鉻 (Cr)、鋅 (Zn)、鎳 (Ni) 8種重金屬污染為代表的無(wú)機(jī)污染類型[2]。重金屬污染土壤的修復(fù)包括物理化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。生物修復(fù)技術(shù)是利用生物 (包括動(dòng)物、植物和微生物) 的代謝功能，對(duì)污染物進(jìn)行吸收、降解、轉(zhuǎn)化或者清除，實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈化，生態(tài)恢復(fù)[3]。與傳統(tǒng)的物理化學(xué)修復(fù)方法相比，生物修復(fù)技術(shù)具有無(wú)二次污染、成本低、操作維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是一種環(huán)境友好的修復(fù)技術(shù)[4]。因此，在污染土壤修復(fù)中得到廣泛的應(yīng)用。目前污染土壤生物修復(fù)的生物主要是植物，其次是微生物?，F(xiàn)代生物技術(shù)尤其是基因工程和細(xì)胞工程的飛速發(fā)展和應(yīng)用，使生物處理具有更高的效率、更低的成本和更好的專一性，為生物修復(fù)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景[5]。在此背景下，《生物工程學(xué)報(bào)》推出“污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)”?？约畜w現(xiàn)本領(lǐng)域的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究進(jìn)展。本?？彩珍?6篇文章，以重金屬污染土壤生物修復(fù)為主線，分別從植物修復(fù)、微生物修復(fù)、聯(lián)合修復(fù)、重金屬吸收積累的相關(guān)分子機(jī)制、資源化再利用等方面，展示土壤污染生物修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。

植物修復(fù)是利用綠色植物根系或莖葉來(lái)固定、吸收、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化和降解污染土壤、水體和大氣中污染物的環(huán)境技術(shù)總稱[6-7]。自1983年，Scott等[8]提出運(yùn)用植物去除土壤中的重金屬污染，以達(dá)到修復(fù)土壤的目的。人們一直在探尋高效修復(fù)土壤的植物，即重金屬超富集和富集植物。超富集植物具有很強(qiáng)的重金屬耐性和超富集能力，能夠在重金屬污染土壤中正常生長(zhǎng)。利用這些植物來(lái)吸收或者吸附積累重金屬，可以達(dá)到從土壤中清除重金屬的目的。目前，全世界范圍內(nèi)已發(fā)現(xiàn)對(duì)重金屬超富集作用的植物有500余種，如As的超富集植物蜈蚣草Pteris vittataL.、Cd的超富集植物寶山堇菜Viola baoshaensis、Cr的超富集植物李氏禾Leersia hexandraSwartz、Mn的超富集植物商陸Phytolacca acinosaRoxb、Zn的超富集植物東南景天Sedum alfrediiHance、Pb的超富集植物圓葉遏藍(lán)菜Thlaspi rotundiforlium[9-12]等。其中，蜈蚣草Pteris vittataL.是世界上第一種被發(fā)現(xiàn)的砷超富集植物，具有極強(qiáng)的砷吸收能力、高效的砷轉(zhuǎn)運(yùn)富集能力以及植物細(xì)胞對(duì)砷的高度抗性，因此是一種極為理想的修復(fù)土壤砷污染的植物[13-14]。在本專刊中，中國(guó)科學(xué)院植物研究所何振艷研究組綜述了蜈蚣草超富集砷的組學(xué)研究進(jìn)展，以及目前鑒定到的砷富集過(guò)程中的重要分子元件，深入闡釋了蜈蚣草超富集砷的分子機(jī)制，并對(duì)未來(lái)的研究方向和趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

近年來(lái)，鹽分和重金屬污染物的雙重影響，嚴(yán)重威脅著鹽堿地的開發(fā)利用與生產(chǎn)安全。絕大多數(shù)已發(fā)現(xiàn)的重金屬超富集植物為甜土植物，其在鹽土環(huán)境中難以正常生長(zhǎng)，無(wú)法用于修復(fù)鹽土重金屬污染[15]。利用耐鹽堿的鹽土植物修復(fù)鹽土重金屬污染的研究逐漸引起人們的關(guān)注。中國(guó)科學(xué)院植物研究所李銀心研究組和西安文理學(xué)院高天鵬團(tuán)隊(duì)展示了鹽土植物修復(fù)重金屬污染的相關(guān)研究成果。鹽角草Salicornia europaeaL.是世界上最耐鹽的真鹽生植物，能夠耐受 1 200 mmol/L NaCl的高鹽度，李銀心研究組以鹽角草為材料，考察了不同濃度Cd、Pb、Li處理下其耐受及積累特性，證明鹽角草對(duì)于鹽漬環(huán)境中 Cd、Pb、Li三種金屬均具有較強(qiáng)的耐受性與吸收積累能力，在修復(fù)高鹽堿土壤的Cd、Pb、Li污染中具有應(yīng)用潛力。堿蓬Suaeda salsa(L.) Pall.是另一種常見的耐鹽堿的鹽生植物，具有重金屬耐受性，高天鵬團(tuán)隊(duì)分析了不同Cu、Ni單一和復(fù)合脅迫堿蓬種子萌發(fā)、芽期生理生化指標(biāo)變化情況及其在野外條件下重金屬富集和轉(zhuǎn)移特征。結(jié)果表明，堿蓬可以作為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)和重金屬污染修復(fù)的備選植物。

許多重金屬污染物是通過(guò)水網(wǎng)系統(tǒng)從污染源(礦區(qū)、工廠等) 向土壤系統(tǒng)擴(kuò)散的，因此，治理水源污染是解決土壤污染問(wèn)題的重要環(huán)節(jié)。沉水植物作為水生態(tài)系統(tǒng)重要的初級(jí)生產(chǎn)者，其根莖葉都能累積重金屬，在含As污水凈化治理中具有應(yīng)用潛力[16]。湖南科技大學(xué)陳國(guó)梁團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究證明常見的沉水植物 (苦草、狐尾藻、金魚藻、黑藻) 對(duì)水體中的As有著較強(qiáng)的富集能力，他們?cè)敿?xì)分析了影響沉水植物富集As的因素，提出增強(qiáng)對(duì)As耐受性和富集能力的化學(xué)和生物方法，并討論了現(xiàn)存問(wèn)題以及今后的發(fā)展方向。

中國(guó)受重金屬污染的農(nóng)田中 Cd污染最為普遍[17]。面對(duì)Cd污染日趨嚴(yán)重的現(xiàn)狀，利用Cd高積累植物結(jié)合配套技術(shù)對(duì)土壤進(jìn)行修復(fù)，是我國(guó)農(nóng)業(yè)安全、高效和可持續(xù)發(fā)展的迫切需要[18]。輪作和間作皆是我國(guó)傳統(tǒng)的種植模式，具有提高土地利用率和生產(chǎn)效率，可以通過(guò)改變土壤性質(zhì)，包括植物根系分泌物、土壤酶活性、土壤微生物和土壤pH值的變化，改變重金屬在土壤中的生物有效性和遷移性，從而影響植物對(duì)重金屬的吸收、提高土壤重金屬污染的修復(fù)效率[19-21]。中國(guó)計(jì)量大學(xué)朱誠(chéng)團(tuán)隊(duì)利用盆栽試驗(yàn)和大田試驗(yàn)將Cd高積累植物掃帚菜Kochia scoparia與4個(gè)白菜品種進(jìn)行輪作，探究其對(duì)土壤重金屬Cd的富集效率。結(jié)果表明，該輪作系統(tǒng)不僅增加了白菜產(chǎn)量，而且有效降低了白菜可食部位Cd含量，實(shí)現(xiàn)邊生產(chǎn)邊治理的綠色農(nóng)業(yè)理念。該團(tuán)隊(duì)還以Cd相對(duì)高積累番茄 (中蔬4號(hào)) 和低積累玉米 (金珠蜜甜玉米) 為材料，通過(guò)單作、限制性間作、間作3種種植方式，探究間作對(duì)作物吸收重金屬Cd的影響，旨在為利用間作模式修復(fù)土壤重金屬污染和保障食品安全提供參考。此外，我國(guó)酸性土壤重金屬包括Cd和Zn污染嚴(yán)重，危害農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)和人體健康[22-24]。Al毒常與土壤酸化相伴而生，限制作物的生長(zhǎng)。土壤改良劑的施用可通過(guò)改變土壤性質(zhì)，進(jìn)而提高植物對(duì)土壤中重金屬的修復(fù)效率。貴州大學(xué)劉鴻雁團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所駱永明、吳龍華團(tuán)隊(duì)通過(guò)分別添加不同改良劑 (鈣鎂磷肥(CMP)、MgCO3、KH2PO4) 和不同濃度 CMP進(jìn)行溫室盆栽試驗(yàn)，探究不同改良劑對(duì)酸性土壤Al脅迫條件下 Cd和 Zn超積累植物伴礦景天Sedum plumbizincicola生長(zhǎng)以及鎘和鋅吸取修復(fù)效率的影響。結(jié)果表明，酸性土壤上施用適量的CMP和MgCO3能夠緩解伴礦景天的鋁毒作用，維持較高的重金屬吸收效率。

大多數(shù)重金屬超積累植物生物量較小，使得吸收積累重金屬的總量受到限制，選擇一些生長(zhǎng)周期短，具有較大生物量和較強(qiáng)重金屬耐受能力，能夠富集重金屬的經(jīng)濟(jì)植物，成為近年來(lái)受到關(guān)注的方向。高生物量經(jīng)濟(jì)植物用于重金屬污染土壤修復(fù)的同時(shí)，可兼顧生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益，因此具有較好的應(yīng)用前景。賈偉濤在總結(jié)植物修復(fù)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，綜述了近年來(lái)高生物量經(jīng)濟(jì)植物在重金屬污染土壤修復(fù)中的研究進(jìn)展，探討了改善高生物量經(jīng)濟(jì)植物修復(fù)重金屬污染土壤效率的方法，為提高植物修復(fù)經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)植物修復(fù)廣泛應(yīng)用提供參考。

隨著越來(lái)越多的植物被發(fā)掘并用于修復(fù)重金屬污染土壤，進(jìn)一步了解這些植物富集重金屬的分子機(jī)制，對(duì)于植物修復(fù)污染土壤和提高植物修復(fù)效率具有十分重要的意義。中國(guó)科學(xué)院植物生理生態(tài)研究所龔繼明團(tuán)隊(duì)和晁代印團(tuán)隊(duì)為本?？峁┝讼嚓P(guān)的進(jìn)展報(bào)告。晁代印團(tuán)隊(duì)以土壤修復(fù)方式為起點(diǎn)，綜述了重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害、重金屬污染土壤的修復(fù)類型，以及從植物重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、植物新型砷酸鹽還原酶的克隆與功能和植物新型鎘螯合肽及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 3個(gè)方面詳細(xì)闡述了植物吸收積累重金屬以及解毒的相關(guān)分子機(jī)制研究進(jìn)展，探討了植物修復(fù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢(shì)。龔繼明團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建酵母表達(dá) cDNA文庫(kù)篩選得到富集和耐受Cd的關(guān)鍵基因SpMT2，進(jìn)一步通過(guò)酵母異源表達(dá)系統(tǒng)，并結(jié)合其在植物中的亞細(xì)胞定位和表達(dá)模式，解析了其介導(dǎo)Cd耐受性的機(jī)制。推測(cè)SpMT2可能在超積累植物伴礦景天Sedum plumbizincicola細(xì)胞質(zhì)中螯合Cd，在降低Cd毒害的同時(shí)可能還保持Cd在細(xì)胞質(zhì)中的流動(dòng)性從而在Cd長(zhǎng)途轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中也發(fā)揮重要作用。

在植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用中，一個(gè)受到關(guān)注的問(wèn)題是富集重金屬的植物材料的后續(xù)處置和利用問(wèn)題，這些植物材料如果處置不當(dāng)可導(dǎo)致二次污染。植物采礦主要利用超積累植物高量吸收土壤中的重金屬，并從中提取、冶煉金屬產(chǎn)品，在修復(fù)污染土壤的同時(shí)實(shí)現(xiàn)金屬的資源化。其中具有代表性的是 Ni的回收利用，在自然界廣泛分布著自然風(fēng)化的富Ni土壤。中山大學(xué)仇榮亮團(tuán)隊(duì)綜述了近30年來(lái)，國(guó)內(nèi)外Ni污染土壤植物采礦技術(shù)的發(fā)展過(guò)程和研究進(jìn)展，指出植物采礦技術(shù)關(guān)鍵過(guò)程主要包括超積累植物鎳高選擇性根際環(huán)境響應(yīng)、植物鎳高效吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及生物質(zhì)中鎳高附加值資源化等過(guò)程，提出了系統(tǒng)開展超累積植物品種篩選、化學(xué)與微生物強(qiáng)化技術(shù)的研發(fā)、農(nóng)藝管理調(diào)控技術(shù)的優(yōu)化，以及生物質(zhì)鎳的有效分離提取等研究的建議和展望，為接下來(lái)植物采礦的科學(xué)研究和技術(shù)在全世界推廣提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

微生物修復(fù)技術(shù)是利用土壤中微生物多種多樣的代謝功能，通過(guò)創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件，促進(jìn)微生物的代謝功能，從而降解土壤中污染物的生物修復(fù)技術(shù)。微生物包括土著微生物和人工培養(yǎng)的功能微生物群。湖北師范大學(xué)汪勁松團(tuán)隊(duì)綜述了產(chǎn)嗜鐵素抗砷微生物在砷污染環(huán)境中的作用及其在砷污染修復(fù)中的應(yīng)用潛力。為開發(fā)砷污染修復(fù)的微生物修復(fù)技術(shù)和農(nóng)業(yè)用地土壤改良劑或重金屬隔離劑提供一些思路。

許多研究表明植物、微生物和動(dòng)物在土壤修復(fù)中存在著相互促進(jìn)的作用。在植物-微生物組合修復(fù)過(guò)程中，微生物一方面活化重金屬，降解有機(jī)物，提高植物對(duì)污染物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，另一方面，通過(guò)代謝分泌植物激素等物質(zhì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)；而植物可以通過(guò)根系分泌糖類、氨基酸等有機(jī)物質(zhì)促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)代謝。動(dòng)物對(duì)植物和微生物修復(fù)則是起到“催化劑”作用。生物修復(fù)技術(shù)間的組合修復(fù)在污染土壤修復(fù)中已經(jīng)取得了許多有價(jià)值的成果，被證明是非常有效的方法。在本?？?，中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所朱永官研究組綜述了我國(guó)土壤污染現(xiàn)狀及生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡明了土壤中微生物-植物-動(dòng)物之間的相互作用，及其對(duì)土壤重金屬遷移轉(zhuǎn)化和生物修復(fù)效果的影響，深入剖析了微生物和 (或) 動(dòng)物強(qiáng)化的植物修復(fù)方法的巨大研究?jī)r(jià)值。指出未來(lái)可在已有關(guān)于重金屬污染土壤生物多樣性及其功能研究基礎(chǔ)上，在食物網(wǎng)水平上深入研究土壤生物間的相互作用機(jī)制及其對(duì)重金屬遷移轉(zhuǎn)化的影響機(jī)制，提出土壤食物網(wǎng)的定向調(diào)控原理與技術(shù)，建立多元生物聯(lián)合強(qiáng)化的污染土壤修復(fù)新技術(shù)，形成基于食物網(wǎng)的土壤污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。天津師范大學(xué)張海燕團(tuán)隊(duì)針對(duì)銅污染問(wèn)題，對(duì)生物修復(fù)的主要技術(shù)如植物修復(fù)、微生物修復(fù)、植物-微生物聯(lián)合修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)等在治理Cu污染土壤方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。蚯蚓作為潛在強(qiáng)化修復(fù)生物，對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用已有較多研究，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所吳龍華和貴州大學(xué)貴州大學(xué)劉鴻雁團(tuán)隊(duì)通過(guò)在不同性質(zhì)污染土壤上種植伴礦景天Sedum plumbizincicola、引入赤子愛勝蚓Eisenia foetida，研究了蚯蚓對(duì)超積累植物伴礦景天生長(zhǎng)和重金屬(Cd/Zn) 吸取效率的影響，結(jié)果表明添加蚯蚓可強(qiáng)化酸性的常濕淋溶土重金屬污染的超積累植物修復(fù)，外加秸稈可作為中性水耕人為重金屬污染的蚯蚓強(qiáng)化伴礦景天修復(fù)的配套技術(shù)。

除草劑殘留造成的土壤污染亦是土壤污染的一個(gè)重要問(wèn)題。微生物修復(fù)不僅可以用于治理重金屬等無(wú)機(jī)物污染的土壤，也可以治理農(nóng)藥、除草劑、石油、多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物。黑龍江大學(xué)付海燕團(tuán)隊(duì)通過(guò)富集培養(yǎng)、逐級(jí)馴化等方法，從氯嘧磺隆污染土壤中分離到 1株高效氯嘧磺隆降解菌T9DB-01，分析其形態(tài)特征、生理生化及16S rDNA序列，進(jìn)一步探索了該菌株降解氯嘧磺隆的影響因素，旨在解決氯嘧磺隆殘留對(duì)土壤、水體污染，及后茬敏感作物藥害問(wèn)題，為污染土壤微生物修復(fù)提供降解菌種資源。結(jié)果表明，該降解菌株對(duì)氯嘧磺隆污染土壤原位生物修復(fù)具有一定的應(yīng)用潛力。

生物修復(fù)技術(shù)是一門新興學(xué)科，包含著多方面的內(nèi)容，在我國(guó)正處于發(fā)展階段。謹(jǐn)希望本?？某霭婺軌?yàn)橥寥牢廴旧镄迯?fù)技術(shù)的發(fā)展提供新的思路，吸引更多力量來(lái)共同推動(dòng)生物修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，進(jìn)而穩(wěn)定有效地改善土壤環(huán)境。此外，本專刊內(nèi)容上如有不足之處，希望各位同行和廣大讀者進(jìn)一步批評(píng)指正。

猜你喜歡

重金屬生物污染

生物多樣性

天天愛科學(xué)(2022年9期)2022-09-15 01:12:54

生物多樣性

天天愛科學(xué)(2022年4期)2022-05-23 12:41:48

上上生物

當(dāng)代水產(chǎn)(2022年3期)2022-04-26 14:26:56

重金屬對(duì)膨潤(rùn)土膨脹性的影響

礦產(chǎn)綜合利用(2020年1期)2020-07-24 08:51:42

第12話 完美生物

航空世界(2020年10期)2020-01-19 14:36:20

堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)

當(dāng)代陜西(2019年7期)2019-04-25 00:22:18

堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)

領(lǐng)導(dǎo)決策信息(2018年26期)2018-10-12 02:18:26

測(cè)定不同產(chǎn)地寬筋藤中5種重金屬

中成藥(2018年8期)2018-08-29 01:28:16

ICP-AES、ICP-MS測(cè)定水中重金屬的對(duì)比研究

當(dāng)代化工研究(2016年6期)2016-03-20 16:21:46

再生水回灌中DOM對(duì)重金屬遷移與保留問(wèn)題研究

中國(guó)資源綜合利用(2016年3期)2016-01-22 07:28:21

生物工程學(xué)報(bào)2020年3期

生物工程學(xué)報(bào)的其它文章

產(chǎn)嗜鐵素砷抗性微生物在砷污染環(huán)境中的作用

高生物量經(jīng)濟(jì)植物修復(fù)重金屬污染土壤研究進(jìn)展

一株氯嘧磺隆降解菌分離鑒定及降解條件優(yōu)化

不同類型污染土壤中赤子愛勝蚓對(duì)伴礦景天重金屬吸收的影響初報(bào)

超積累植物伴礦景天鎘耐受基因SpMT2的分離及功能鑒定

改良劑對(duì)酸性土壤上伴礦景天鋁毒緩解作用及鎘鋅吸收性的影響