煤礦中土壤重金屬污染的生物修復(fù)技術(shù)研究

柳爭(zhēng)艷

(山西晉新科源環(huán)?？萍加邢薰?，山西 太原 030024)

引 言

我國(guó)幅員遼闊，蘊(yùn)含著大量的煤炭資源，使得煤炭資源在我國(guó)整個(gè)能源結(jié)構(gòu)體系中占據(jù)著非常重要的位置[1]。然而煤炭資源在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，不可避免的會(huì)對(duì)附近土壤造成不同程度的污染，其中重金屬污染問(wèn)題最為嚴(yán)重[2]。不僅對(duì)附近的環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，還會(huì)直接或間接的對(duì)附近居民身體健康構(gòu)成威脅[3]。隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)文明建設(shè)重視程度的不斷提升，加大了對(duì)煤礦區(qū)域土壤重金屬污染問(wèn)題的治理力度。目前針對(duì)煤礦區(qū)域土壤重金屬污染問(wèn)題，可以采用的修復(fù)方法主要包括物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)和生物修復(fù)技術(shù)[4-5]。前兩者的修復(fù)成本相對(duì)較高，后者的修復(fù)成本相對(duì)較低，且能夠取得較好的修復(fù)效果，所以越來(lái)越受到人們的關(guān)注[6]。本文在分析煤礦土壤重金屬污染問(wèn)題的基礎(chǔ)上，采用生物修復(fù)技術(shù)對(duì)土壤重金屬污染問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)。

1 煤礦中土壤重金屬污染問(wèn)題概述

某煤礦上世紀(jì)70年代建成，每年的生產(chǎn)能力可以達(dá)到200萬(wàn)t左右。通過(guò)煤炭資源的開(kāi)采，極大的推動(dòng)了本地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但也給本地區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。經(jīng)過(guò)多年的煤炭資源開(kāi)采。使得附近區(qū)域中堆積了大量的煤矸石，整個(gè)礦區(qū)范圍內(nèi)存在多處地表塌陷，土壤中的重金屬污染問(wèn)題也比較嚴(yán)重。為了改善煤礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，現(xiàn)決定對(duì)附近的生態(tài)問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)。重點(diǎn)對(duì)土壤重金屬污染問(wèn)題進(jìn)行研究。

為了對(duì)煤礦中土壤重金屬污染問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)，首先需要對(duì)土壤中包含的重金屬元素種類(lèi)、含量大小以及污染程度等進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。利用地累積指數(shù)法對(duì)土壤重金屬元素的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)指數(shù)(Ⅰ)大小可以將其劃分成為7個(gè)等級(jí)：Ⅰ≤0→沒(méi)有污染，0<Ⅰ≤1→輕-中度污染，1<Ⅰ≤2→中度污染，2<Ⅰ≤3→中-強(qiáng)度污染，3<Ⅰ≤4→強(qiáng)度污染，4<Ⅰ≤5→強(qiáng)-極強(qiáng)度污染，Ⅰ>5→極強(qiáng)度污染?；趯?zhuān)業(yè)的重金屬元素檢測(cè)技術(shù)，對(duì)土壤中的重金屬元素種類(lèi)及其含量進(jìn)行檢測(cè)，并將其與本地區(qū)各元素的背景值進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)結(jié)果，如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，土壤中包含的重金屬元素主要有鋅、鉛、銅、鎘、錳、砷，其中鎘元素的污染程度最為嚴(yán)重，屬于中-強(qiáng)度污染，其他元素污染程度相對(duì)較小，幾乎可以忽略不計(jì)。因此，需要對(duì)土壤中的鎘元素進(jìn)行治理，以降低土壤中重金屬元素的含量。

2 生物修復(fù)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用研究

2.1 生物修復(fù)技術(shù)基本概念

生物修復(fù)技術(shù)指的是通過(guò)在已經(jīng)受到重金屬污染的土壤中添加對(duì)應(yīng)的生物，通過(guò)生物的新陳代謝來(lái)降低土壤中重金屬的濃度或者抑制重金屬的活性，從而達(dá)到降低重金屬對(duì)土壤不良影響的目的。生物修復(fù)技術(shù)還可以進(jìn)一步劃分為三種方法，分別為生態(tài)修復(fù)法、微生物修復(fù)法和植物修復(fù)法。植物修復(fù)法的成本相對(duì)較低且修復(fù)效果較好，具有顯著的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際操作時(shí)應(yīng)用較為廣泛。

2.2 植物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用

選擇植物修復(fù)法對(duì)煤礦中土壤重金屬污染問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)?；谏衔姆治隹芍?，土壤中的鎘元素濃度相對(duì)較高，已經(jīng)達(dá)到了中度污染的程度。在選擇植物時(shí)需要充分考慮土壤重金屬污染的實(shí)際特征，要求選擇的植物能夠?qū)︽k元素有非常好的吸收富集能力。即通過(guò)在重金屬污染土壤中種植植物，可以對(duì)土壤中的鎘元素進(jìn)行充分吸收，然后對(duì)成長(zhǎng)后的植物進(jìn)行收割與處理，降低土壤中鎘元素的濃度。已有的研究表明，龍葵對(duì)鎘元素具有相對(duì)較好的吸收富集能力，選擇龍葵這種植物對(duì)土壤進(jìn)行修復(fù)。另外，為了提升龍葵在降低土壤中鎘元素濃度方面的效果，在高鎘濃度的培養(yǎng)基中培養(yǎng)得到了抗種菌株，此菌株對(duì)鎘元素具有很好的抵抗能力，同時(shí)還可以促進(jìn)植物對(duì)重金屬元素的吸收。

為了對(duì)比分析生物修復(fù)技術(shù)在治理土壤重金屬污染中的實(shí)踐應(yīng)用效果，在土壤污染區(qū)域隨機(jī)畫(huà)出三塊區(qū)域。第一塊區(qū)域在土壤中添加抗種菌株后再種植龍葵種子；第二塊區(qū)域土壤中不添加抗種菌株，直接種植龍葵種子；第三塊區(qū)域不種植任何植物，作為對(duì)照。植物的生長(zhǎng)周期為一年，一年后對(duì)前兩塊區(qū)域中龍葵植物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)三塊區(qū)域土壤中的重金屬元素及其含量再次進(jìn)行檢測(cè)，并利用地累積指數(shù)法對(duì)鎘元素的污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)比生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果。

3 生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 抗種菌株對(duì)龍葵生長(zhǎng)的影響

為了分析抗種菌株對(duì)龍葵生長(zhǎng)的影響，對(duì)前兩塊區(qū)域中種植的龍葵植物的發(fā)芽率和株高平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可知，即便在土壤中不添加抗種菌株，龍葵的發(fā)芽率也可以達(dá)到60%，一年生的株高可以達(dá)到75 cm左右。說(shuō)明龍葵這種植物在鎘元素污染的土壤中具有很高的存活率，且生長(zhǎng)情況良好。在添加了抗種菌株的土壤中，龍葵的發(fā)芽率達(dá)到了73%，一年后龍葵的株高有97 cm左右?？梢?jiàn)，通過(guò)在重金屬污染的土壤中添加抗種菌株，能夠更好地促進(jìn)龍葵植物的生長(zhǎng)。出現(xiàn)這種情況的原因在于細(xì)菌屬于微生物，可以更好的促進(jìn)生物的新陳代謝，從而促進(jìn)龍葵生長(zhǎng)。

表2 抗種菌株對(duì)龍葵發(fā)芽率和株高的影響對(duì)比

3.2 不同區(qū)域土壤鎘元素污染程度分析

龍葵植物經(jīng)過(guò)一年時(shí)間的生長(zhǎng)后，再次對(duì)三塊區(qū)域中的土壤進(jìn)行取樣分析，鎘元素的地累積指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染等級(jí)評(píng)價(jià)，結(jié)果如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可知，在沒(méi)有種植任何植物的土壤中鎘元素的地累積指數(shù)與之前相比雖有了一定程度的降低，但是降低幅度幾乎可以忽略不計(jì)，仍然屬于中-強(qiáng)度污染程度。只種植了龍葵的區(qū)域，土壤中鎘元素的地累積指數(shù)降低到了1.975 3，添加了抗種菌株再種植龍葵的區(qū)域，土壤中鎘元素的地累積指數(shù)降低到了1.758 6。與第三塊區(qū)域相比較而言，地累積指數(shù)分別降低了19.87%和28.66%?？梢?jiàn)，通過(guò)種植龍葵可以有效降低土壤中的鎘元素濃度，從而降低其污染程度。如果能夠添加抗種菌株，則降低效果更加顯著。表中還顯示了種植龍葵區(qū)域土壤中的鎘元素污染程度，依然為中度污染，主要原因在于龍葵的種植時(shí)間相對(duì)較短，要想徹底消除鎘元素的污染問(wèn)題，則需要延長(zhǎng)種植時(shí)間即可。

表3 不同區(qū)域土壤鎘元素污染程度對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

煤礦資源的開(kāi)采為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出非常重要的貢獻(xiàn)，與此同時(shí)也嚴(yán)重破壞了附近區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。通過(guò)對(duì)煤礦中土壤重金屬元素進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在鎘元素污染問(wèn)題，等級(jí)為中-強(qiáng)度污染。基于生物修復(fù)技術(shù)對(duì)土壤中鎘元素的污染問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)，主要是在土壤中種植龍葵植物，并在土壤中添加特殊培養(yǎng)的抗種菌株，可以在高鎘環(huán)境中存活，以促進(jìn)龍葵對(duì)鎘元素的吸收和植物本身的生長(zhǎng)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在鎘元素污染的土壤中種植龍葵能有效降低土壤中鎘元素的濃度，從而控制其污染程度。取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果。