試論土壤中鉛污染的微生物修復(fù)

李曉楠 郝秋芳

（1.河南大學(xué)邁阿密學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；2.河南省安陽(yáng)市生態(tài)環(huán)境局龍安分局，河南 安陽(yáng) 455000）

1.鉛污染現(xiàn)狀

鉛元素在自然界中分布廣、用途多，我國(guó)的含鉛產(chǎn)品消費(fèi)主要集中在蓄電池、鉛材等行業(yè)，被回收再利用的鉛僅占總比例的約25%，剩余大部分鉛都通過(guò)“三廢”等不同形式排放到環(huán)境中，導(dǎo)致鉛污染。其中，土壤鉛污染最普遍。

1.1 土壤中鉛的形態(tài)

土壤中鉛的形態(tài)大致分礦物態(tài)、吸附態(tài)、水溶態(tài)和有機(jī)絡(luò)合態(tài)四種。礦物態(tài)的鉛可分為方鉛礦（PbS）、紅鉛礦（PbO2）、白鉛礦（PbCO3）、硫酸鉛礦（PbSO4）四種；吸附態(tài)以鐵錳氧化鈦為主；水溶態(tài)的鉛離子很少。而土壤中的大部分鉛以Pb(OH)2、PbCO3、Pb(SO4)2等難溶沉淀形式存在，除了Pb(NO3)2溶于水以外，其他鉛鹽均難溶或者不溶于水。

1.2 土壤中鉛的來(lái)源

土壤中的鉛來(lái)自天然形成和人為污染。自然情況下，土壤中的鉛主要來(lái)源于母巖和殘落的生物物質(zhì)，一般情況下含量比較低，不會(huì)對(duì)人體及生態(tài)系統(tǒng)造成危害。而人為活動(dòng)作用才是造成土壤鉛污染的重要原因，城鎮(zhèn)化建設(shè)、固體廢棄物堆積，以及為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，施用化肥、農(nóng)藥、污水灌溉，都可以使鉛在土壤中大量積累。

2.鉛的毒性

鉛在自然條件下不會(huì)被降解，只會(huì)發(fā)生形態(tài)或者價(jià)態(tài)的變化。大量的鉛在自然環(huán)境條件下長(zhǎng)期存在著，隨著人為活動(dòng)逐步影響周邊的動(dòng)物、植物和微生物，且在食物鏈中有著十分明顯的生物放大現(xiàn)象，最終鉛可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，從而危害人類身體健康。

2.1 鉛對(duì)人體的危害

鉛是污染物中毒性很大而且以神經(jīng)毒性為主的一種重金屬污染元素。作用于人體各系統(tǒng)和器官，主要傷及人體神經(jīng)系統(tǒng)、血液系統(tǒng)以及免疫系統(tǒng)等。還可以通過(guò)消化道和呼吸道進(jìn)入人體，特別是對(duì)孕婦、嬰兒和兒童的健康危害較大。鉛化合物也可以通過(guò)與皮膚接觸進(jìn)入人體。鉛在人體內(nèi)的半衰期長(zhǎng)，對(duì)許多器官、系統(tǒng)和生理功能均能產(chǎn)生危害。

2.2 鉛對(duì)植物的危害

土壤中過(guò)量的鉛對(duì)植物會(huì)造成一種脅迫，當(dāng)脅迫超過(guò)植物本身的忍耐限度后，就會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生傷害，且這種傷害可能影響植物生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物死亡。當(dāng)植物體內(nèi)的鉛元素積累到一定數(shù)量，就會(huì)影響到植物對(duì)各營(yíng)養(yǎng)元素的吸收、植物的光合作用、細(xì)胞分裂等正常的生理活動(dòng)，最終因影響植物品質(zhì)與生物量，造成傷害甚至死亡。

2.3 鉛對(duì)土壤微生物的影響

鉛是造成土壤重金屬污染的重要元素，具有生化毒性能明顯影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，改變土壤微生物活性，降低土壤微生物數(shù)量等。土壤微生物的基礎(chǔ)呼吸會(huì)隨著鉛濃度增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。土壤中高濃度的鉛污染會(huì)使土壤的微生物量顯著降低，其中土壤細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量下降明顯，且微生物生理生態(tài)參數(shù)也會(huì)發(fā)生明顯的變化，微生物生物量碳、微生物生物量氮及基礎(chǔ)呼吸和微生物代謝上也會(huì)隨重金屬濃度增加而明顯下降，土壤脫氫酶、脲酶、酸性磷酸酶活性的下降幅度也較為明顯，過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶活性則次之，蛋白酶活性則較為穩(wěn)定。

3.鉛污染土壤的微生物修復(fù)

傳統(tǒng)的化學(xué)和物理修復(fù)技術(shù)去除污染物不夠徹底，常導(dǎo)致二次污染，帶來(lái)一定環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)。而微生物修復(fù)技術(shù)則是利用細(xì)菌、藻類、酵母等微生物對(duì)重金屬元素進(jìn)行吸收、沉淀、氧化還原等作用，以達(dá)到降低重金屬毒性的目的。微生物的活動(dòng)通過(guò)改變土壤中溶液的 pH 和土壤結(jié)構(gòu)，影響植物的根系分泌等過(guò)程，進(jìn)而影響土壤對(duì)重金屬的吸附以及重金屬的形態(tài)，降低重金屬的生物有效性。微生物修復(fù)處理費(fèi)用相對(duì)較低，效果好，且對(duì)環(huán)境影響低，操作簡(jiǎn)便，可以進(jìn)行就地處理等。

3.1 微生物修復(fù)鉛污染的原理

3.1.1 微生物對(duì)重金屬離子的生物吸附作用。微生物吸附重金屬的機(jī)理較為復(fù)雜，大概可概括為幾個(gè)方面，包括表面生物大分子吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞代謝、空泡吞飲、生物吸附和氧化還原反應(yīng)等。研究表明，它們對(duì)金屬的作用可分成微生物吸著和微生物累積兩個(gè)不同的生化階段。

3.1.2 微生物對(duì)鉛的轉(zhuǎn)化。微生物可以通過(guò)氧化還原、甲基化及去甲基化作用對(duì)重金屬進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將有毒重金屬轉(zhuǎn)化為無(wú)毒或低毒物質(zhì)。如Barton等選用濃度為10mmol/LPb2+的土壤中分離出來(lái)的菌種，發(fā)現(xiàn)該菌種能夠?qū)?Pb2+轉(zhuǎn)化成為Pb，使膠態(tài)的Pb不但不具毒性，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而陳洋進(jìn)行了接種白腐真菌堆肥處理含 Pb垃圾的研究，結(jié)果表明，白腐真菌在降解垃圾中有機(jī)污染物的同時(shí)將 Pb 轉(zhuǎn)化為結(jié)合態(tài)和殘留態(tài)的形式存在， 白腐真菌對(duì)Pb的鈍化作用也比較明顯，經(jīng)過(guò)發(fā)酵過(guò)程以后，Pb 的水溶交換態(tài)量減少到幾乎為零。

3.2 鉛污染土壤的微生物修復(fù)

微生物修復(fù)主要是借助微生物本身的生化反應(yīng)來(lái)降低或 穩(wěn)定環(huán)境中的鉛，主要有生物吸附，生物還原沉淀和生物甲基化等。

生物吸附是利用某些生物體本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)及成分特性來(lái)吸附溶于水中的金屬離子的過(guò)程，且該過(guò)程不依賴于生物體細(xì)胞的新陳代謝。用于重金屬的生物吸附的材料有很多種。目前，人們研究的用于重金屬吸附的微生物包括：細(xì)菌（如：Bacillus subtillis）、 絲狀真 菌 （如 Rhizopus arrhizus）、 酵母（如 Saccharan yces cerevisae）、藻類、基因工程菌等。其中對(duì)鉛離子吸附容量較高的有：堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌（Bacillus firmus）、谷氨酸棒桿菌(Corynebacterium glutamicum)，對(duì)鉛離子的吸附容量分別達(dá)到了467、567.7（mg·g-1）。生物還原沉淀是應(yīng)用硫酸還原菌(SRB) 將 SO42-還原為 H2S，再與 Pd2+生成不溶性的 Pb2S，使溶液中 Pb2+得以去除，該技術(shù)多用于工業(yè)廢水處理。微生物能通過(guò)氧化、甲基化合區(qū)甲基化等作用轉(zhuǎn)化重金屬離子，將重金屬由有毒狀態(tài)轉(zhuǎn)化為低毒或無(wú)毒狀態(tài)。

目前利用的微生物修復(fù)方法包括投菌法、生物培養(yǎng)法、堆肥法等等。

3.3 微生物修復(fù)土壤鉛污染的弊端

相對(duì)于其他修復(fù)方法，微生物修復(fù)鉛污染具有很多優(yōu)點(diǎn)，如：不破壞土壤環(huán)境、無(wú)二次污染，操作簡(jiǎn)單方便，費(fèi)用低等。但微生物修復(fù)也存在一定的弊端。

3.3.1 土壤微生物活性受外界環(huán)境條件的影響明顯。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其活性直接關(guān)系到土壤生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，土壤微生物活性是衡量微生物促進(jìn)土壤環(huán)境物 質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)。土壤微生物活性受土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH 值、外界溫度、含水量等環(huán)境條件的影響，也受到施肥方式、耕作方式及灌溉方式的人為管理的影響。加入修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中的微生物可能會(huì)與土著菌株競(jìng)爭(zhēng)或難以適應(yīng)環(huán)境從而導(dǎo)致作用效果不理想。

3.3.2 不同微生物吸附效果不一樣。前期研究結(jié)果表明，不同的微生物對(duì)鉛的吸附容量有很大差異。絕大多數(shù)細(xì)菌對(duì)Pd2+的吸附容量集中在50～150mg/g，而真菌對(duì)Pb2+的吸附容量集中在5～300mg/g。

3.3.3 微生物修復(fù)系統(tǒng)存在潛在危險(xiǎn)。微生物通過(guò)各種途徑降低重金屬毒性，但由于重金屬的不可降解性、富集性，微生物修復(fù)存在著無(wú)法徹底清除的缺陷，重金屬的分布仍舊不均勻分布在土壤中，有可能只是短時(shí)間的毒性降低，可能隨著土壤環(huán)境的變化，因此其毒性存在恢復(fù)的潛在危險(xiǎn)。

3.4 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)

微生物修復(fù)和植物修復(fù)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，但各自均存在一定的局限性。微生物只能影響重金屬在土壤環(huán)境中的遷移和轉(zhuǎn)化，不能降解和破壞重金屬鉛，在土壤污染修復(fù)方面作用有限，將其與植物修復(fù)技術(shù)聯(lián)合使用，能夠發(fā)揮二者最大的污染修復(fù)能力。微生物與植物共生，發(fā)達(dá)的菌絲大大提高植物根系對(duì)重金屬的吸收能力，促進(jìn)植物對(duì)土壤中鉛的吸收累積，同時(shí)，由于真菌對(duì)重金屬鉛的較高耐性，可有效降低重金屬鉛的毒害作用，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高植物鉛修復(fù)能力。另外，高等植物一方面可以提供微生物生長(zhǎng)所需的碳源和能源，一方面又可以提供良好的微環(huán)境，刺激微生物對(duì)重金屬的轉(zhuǎn)化。