微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的作用研究

劉 穎

（北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司，北京 300041）

重金屬污染在我國(guó)環(huán)境污染中所占比重較高，對(duì)土壤的危害性較大，不僅影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量，還影響著人們的身體健康。目前，對(duì)重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)存在多種形式，其中微生物修復(fù)技術(shù)相較于物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)來(lái)說(shuō)，其較低的成本、效果的穩(wěn)定性、二次污染小等優(yōu)勢(shì)都提高了其應(yīng)用的廣泛性，成為修復(fù)重金屬污染土壤的重要手段之一。

1 微生物重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)概述

如果土壤被重金屬污染，將會(huì)失去生產(chǎn)能力，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)。利用微生物對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，主要是指利用土壤中已經(jīng)存在的或人工培養(yǎng)的微生物群，讓其在適宜的環(huán)境中，利用自身的代謝功能，來(lái)對(duì)重金屬污染物進(jìn)行降解，將其轉(zhuǎn)化成低毒或無(wú)毒的有機(jī)物質(zhì)（圖1）。微生物菌群繁殖較快，適應(yīng)性強(qiáng)，并且能夠在土壤環(huán)境發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生新的酶系，使微生物具備有新的代謝功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中重金屬污染物降解的目的?，F(xiàn)階段，利用微生物對(duì)土壤中重金屬污染物進(jìn)行修復(fù)已成為治理污染的重要課題，對(duì)其進(jìn)行研究十分必要。

圖1 微生物降解重金屬

雖然微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的運(yùn)用有著顯著的優(yōu)勢(shì)，但是，在其使用過(guò)程中，必須具備相應(yīng)的條件才能達(dá)到預(yù)期效果：①土壤中含有的微生物種類(lèi)在形式上應(yīng)呈現(xiàn)多樣化特征，并且能夠適應(yīng)土壤環(huán)境的變化，代謝功能穩(wěn)定，從而能夠?qū)ν寥乐械闹亟饘龠M(jìn)行固定或轉(zhuǎn)化；②土壤中的重金屬在微生物作用下，具有可降解性，能夠通過(guò)微生物特性實(shí)現(xiàn)大分子化合物向小分子化合物轉(zhuǎn)變的可能；③受土壤營(yíng)養(yǎng)、共代謝基質(zhì)等土壤環(huán)境的影響，微生物重金屬污染土壤修復(fù)效果可能不同，因此，在進(jìn)行微生物菌群培養(yǎng)時(shí)，應(yīng)將土壤環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2 土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀研究

2.1 物理修復(fù)技術(shù)

物理修復(fù)技術(shù)指運(yùn)用物理方式將重金屬污染物從土壤中分離出來(lái)的方法。主要包括換土法、隔離法、熱脫附法、玻璃化法、電修復(fù)法等。物理修復(fù)技術(shù)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，對(duì)土壤要求不高，一般能夠較為徹底地清除被污染土壤中的重金屬物質(zhì)，但是，物理修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用受工程量、土地規(guī)模等的影響較大，成本較高。

2.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)在被重金屬污染的土壤中添加吸附劑、抑制劑等化學(xué)試劑，使其與土壤中的重金屬物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到降解重金屬物質(zhì)目的的一種方法。主要包括固化穩(wěn)定化技術(shù)、化學(xué)還原技術(shù)、土壤淋洗技術(shù)等。固化穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)主要利用固定劑使土壤中的重金屬吸附、沉淀，從而減緩或固定重金屬離子的遷移速度，使其保持在穩(wěn)定的狀態(tài)之下，以降低土壤中重金屬物質(zhì)的毒性。固化穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)主要用于高鹽堿地重金屬污染區(qū)域，其用法較為簡(jiǎn)單，適用于大面積污染土壤的使用，但是由于固化劑的不穩(wěn)定性，在土壤溫度發(fā)生變化時(shí)，固化劑作用容易失效，直接影響著重金屬污染土壤的修復(fù)效果。土壤淋洗技術(shù)通過(guò)將可促進(jìn)重金屬溶解或遷移的化學(xué)溶劑注入污染土壤中的方式，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將重金屬污染物從土壤中分離或溶解。土壤淋洗技術(shù)的應(yīng)用受土質(zhì)影響較大，一般在沙礫含量超過(guò)50%的土壤中使用效果較為顯著，而土壤中黏土含量較大時(shí)不考慮采用該技術(shù)。

2.3 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)是指利用生物特有的功能來(lái)去除土壤中的重金屬污染物。主要包括植物修復(fù)技術(shù)、動(dòng)物修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)。生物修復(fù)技術(shù)降解過(guò)程迅速，在修復(fù)過(guò)程中不影響土壤的正常使用，出現(xiàn)二次污染的機(jī)率較小。但生物修復(fù)技術(shù)不能降解所有的重金屬污染物，需要對(duì)污染場(chǎng)地進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)控，了解其具體狀況后才能有針對(duì)性地采取最佳修復(fù)技術(shù)。

3 微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的作用

微生物土壤修復(fù)技術(shù)能夠充分利用微生物代謝活動(dòng)中的活性有益菌，來(lái)降低土壤環(huán)境中重金屬的濃度和毒性，使重金屬物質(zhì)處于無(wú)害的狀態(tài)之下，以達(dá)到重金屬污染土壤修復(fù)目的。微生物土壤修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，投入成本較小，而且產(chǎn)生二次污染的可能性很小，生態(tài)環(huán)保性好。

3.1 微生物土壤修復(fù)技術(shù)對(duì)重金屬物質(zhì)有著吸附作用

微生物種類(lèi)繁多，像硫酸菌還原菌、藍(lán)細(xì)菌、一些藻類(lèi)等微生物，能夠在代謝過(guò)程中產(chǎn)生多糖和糖蛋白等物質(zhì)，從而與土壤中的重金屬離子形成毒性較低或沒(méi)有毒性的絡(luò)合物，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤中重金屬的吸附。不僅如此，微生物與重金屬離子所形成的一些絡(luò)合物，還可以吸附土壤環(huán)境中存在的另外多種重金屬物質(zhì)，同樣起到了土壤修復(fù)的目的。

3.2 微生物土壤修復(fù)技術(shù)對(duì)重金屬物質(zhì)有著轉(zhuǎn)化作用

有些重金屬物質(zhì)在經(jīng)過(guò)還原之后，可以降低其毒性，減小其對(duì)土壤的危害。而微生物土壤修復(fù)技術(shù)，能夠利用微生物的還原特性，來(lái)降低土壤中重金屬物質(zhì)的毒性，有些有機(jī)物質(zhì)甚至?xí)龠M(jìn)植物的生長(zhǎng)，圖2為微生物氧化還原重金屬物質(zhì)過(guò)程。例如，一些微生物可以在厭氧環(huán)境下，對(duì)鉻酸鹽和重鉻酸鹽進(jìn)行還原，將高毒性的6價(jià)鉻還原為低毒性的3價(jià)鉻。

圖2 微生物氧化還原重金屬物質(zhì)過(guò)程

3.3 微生物土壤修復(fù)技術(shù)對(duì)重金屬物質(zhì)有著沉淀作用

在自然界中，很多微生物具有誘導(dǎo)成礦的能力，在重金屬污染土壤修復(fù)過(guò)程中，可以充分利用微生物的這種能力，誘導(dǎo)碳酸鹽等物質(zhì)沉淀，來(lái)固定土壤中的重金屬物質(zhì)，以達(dá)到降解重金屬的目的。

4 微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的具體應(yīng)用

微生物土壤修復(fù)技術(shù)，主要利用自然界中微生物或人工培養(yǎng)微生物群，讓其在適宜的環(huán)境下促進(jìn)其代謝功能，以達(dá)到降解重金屬污染物毒性的目的，使土壤中的重金屬物質(zhì)清除或重新利用。目前，用于重金屬污染土壤修復(fù)的微生物主要有細(xì)菌、真菌、藻類(lèi)等。

4.1 利用細(xì)菌實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤的修復(fù)

微生物種類(lèi)豐富，很多微生物，例如細(xì)菌，在其細(xì)胞表面具有特殊的結(jié)構(gòu)，能夠利用微生物的細(xì)胞壁，對(duì)重金屬進(jìn)行吸附。而在被重金屬污染的土壤當(dāng)中，往往會(huì)存在大量的耐重金屬細(xì)菌，這樣一來(lái)，可以充分利用細(xì)菌的吸附、降解等能力，將土壤中的重金屬離子吸附到細(xì)菌細(xì)胞的不同部位或使其結(jié)合到細(xì)菌的胞外基質(zhì)上，在細(xì)菌進(jìn)行代謝活動(dòng)時(shí)，或?qū)⑦@些重金屬離子沉淀，或?qū)⑦@些重金屬離子螯合，從而降低土壤中重金屬離子的濃度，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)常將特定微生物與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，形成復(fù)合微生物肥料，或與微生物菌劑等混合使用，一方面為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供優(yōu)良的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量；另一方面利用微生物菌群改善農(nóng)作物土壤環(huán)境，有效降低土壤中重金屬離子濃度，充分發(fā)揮出其修復(fù)作用。

4.2 利用真菌實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤的修復(fù)

真菌屬于微生物中的一種，廣泛存在于水體、土壤環(huán)境當(dāng)中。經(jīng)過(guò)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，真菌的一些性質(zhì)，與細(xì)菌在重金屬污染土壤的修復(fù)應(yīng)用上存在著相似的機(jī)理，能夠與汞、鉛等重金屬元素發(fā)生配位絡(luò)合作用，從而能夠與土壤中的重金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，更有利于對(duì)土壤中重金屬離子的處理。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常以在堆肥過(guò)程中添加生物炭的方式，來(lái)改良土壤中微生物的增殖情況。堆肥添加生物炭過(guò)程中，隨著堆肥濃度的增大，土壤中真菌的數(shù)量也隨之增多，提升了重金屬的降解速率，一方面能夠降低重金屬在土壤中的移動(dòng)速度，另一方面能夠固定重金屬離子，在施用堆肥過(guò)程中避免重金屬向土壤各處的傳播。

4.3 利用藻類(lèi)實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤的修復(fù)

藻類(lèi)微生物主要生長(zhǎng)在水體和土壤當(dāng)中，對(duì)重金屬具有一定的耐性機(jī)制，能夠誘導(dǎo)有機(jī)物質(zhì)自由基或活性氧的生成，是重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的常用方式之一，其吸附性能往往高于其他生物。藻類(lèi)在土壤重金屬修復(fù)過(guò)程中，主要通過(guò)兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)：①通過(guò)藻類(lèi)釋放的胞外產(chǎn)物；②通過(guò)藻類(lèi)細(xì)胞壁的結(jié)合作用，來(lái)很好的吸附土壤中的重金屬離子。目前，利用藻類(lèi)實(shí)現(xiàn)重金屬水體污染的修復(fù)應(yīng)用較為廣泛，對(duì)重金屬污染土壤修復(fù)的應(yīng)用還需進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中具有重要的作用，不僅能夠提高重金屬的吸收率，使植物的生長(zhǎng)更加快速，提高農(nóng)作物產(chǎn)量；還能夠講解土壤中的重金屬，減輕重金屬對(duì)土壤的危害。因此，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)不同微生物群，對(duì)微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行創(chuàng)新，提高其應(yīng)用效果，改善土壤環(huán)境，確保土壤環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。