鈍化劑與微生物及其聯(lián)用對土壤重金屬形態(tài)影響的研究進(jìn)展

康馨，井永蘋，張小村，孔凡美，耿立清，趙瑞君，李彥，

（1．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018；2．山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟(jì)南 250100；3．農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，山東 濟(jì)南 250100；4．遼寧省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110013；5．招遠(yuǎn)市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東 招遠(yuǎn) 265499）

目前重金屬污染已成為我國環(huán)境污染中最為嚴(yán)重的問題之一，其危害之大，污染面積之廣，影響程度之深遠(yuǎn)必須引起高度重視。據(jù)調(diào)查，我國重金屬污染的土地面積占比高達(dá)64．8%，污水灌溉區(qū)占地面積高達(dá)140萬hm2，每年因重金屬污染所造成的糧食產(chǎn)量損失高達(dá)1 000萬t以上［1］。此外，重金屬可以通過食物鏈進(jìn)入人體，影響人的身體健康，甚至威脅生命安全。例如，砷污染是導(dǎo)致人類不孕和流產(chǎn)、紅細(xì)胞和白細(xì)胞產(chǎn)量下降的原因；鉻污染導(dǎo)致中毒性腎炎、肝損傷和肺炎；鎳污染導(dǎo)致哮喘、心臟病和肺栓塞；鎘污染導(dǎo)致心理障礙、胃腸道疾病和DNA損傷［2］。

面對如此嚴(yán)峻的態(tài)勢，如何修復(fù)重金屬污染成為人們關(guān)注的焦點。與有機(jī)污染物不同，重金屬一旦進(jìn)入土壤，不能被分解轉(zhuǎn)化成其他物質(zhì)，只能在土壤中遷移轉(zhuǎn)化為不同形態(tài)。重金屬遷移到作物體內(nèi)會造成嚴(yán)重的健康風(fēng)險，如果能夠在土壤中轉(zhuǎn)化為生物活性低的形態(tài)，則能夠極大地促進(jìn)作物安全生產(chǎn)，這也是重金屬污染修復(fù)的重要研究思路。當(dāng)前，國內(nèi)外對于重金屬污染修復(fù)的方法主要包括：化學(xué)修復(fù)技術(shù)、物理修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)以及聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。其中，化學(xué)鈍化技術(shù)是指在土壤中加入鈍化劑，通過吸附沉淀反應(yīng)，改變重金屬的存在形態(tài)，從而降低重金屬對作物的危害［3］。鈍化劑因其具有成本低、見效快、可顯著降低重金屬在土壤中的移動性和生物有效性等成為重金屬污染修復(fù)普遍采用的方法，一般可分為單一型鈍化劑和復(fù)合型鈍化劑。不同鈍化劑的影響因素、作用效果均不一樣，常用的鈍化劑材料有海泡石、工業(yè)廢渣、石灰、赤泥、生物炭和羥基磷灰石等［4］。

利用微生物功能治理重金屬污染是一種創(chuàng)新的生態(tài)友好的方法。早在20世紀(jì)80年代初，就有學(xué)者提出此方法，微生物通過參與重金屬的分解遷移、沉淀富集等過程［5，6］，改變重金屬離子的形態(tài)，從而降低其毒性。適量濃度的重金屬可以促進(jìn)微生物群落的生長和繁殖，而高濃度的重金屬將導(dǎo)致微生物數(shù)量的減少甚至滅亡［7］。

土壤中的微生物群落十分活躍，其繁殖速度快、代謝旺盛、對新環(huán)境反應(yīng)迅速的特點可以將重金屬污染物迅速轉(zhuǎn)化為生物活性較低的形態(tài)，起到鈍化重金屬、修復(fù)土壤污染的作用。研究表明，若將根際微生物與鈍化劑材料聯(lián)合施用，可有效降低土壤中重金屬的生物有效性。鈍化劑可以作為微生物的載體［8］，增強(qiáng)微生物的活性，從而強(qiáng)化鈍化劑修復(fù)重金屬污染；還能為微生物提供碳源，增加其對碳源的利用效果。然而，目前國內(nèi)外關(guān)于重金屬污染的修復(fù)技術(shù)多以單一技術(shù)為主，鈍化劑與微生物聯(lián)合施用的復(fù)合技術(shù)研究尚處于探索階段。本文分別就鈍化劑和微生物對土壤重金屬形態(tài)及其有效性的影響以及其聯(lián)用的修復(fù)效果進(jìn)行闡述，分析相關(guān)研究并加以整理，以期為后續(xù)重金屬污染治理的研究與實踐、促進(jìn)作物生長和安全生產(chǎn)提供新的思路和途徑。

1 重金屬鈍化劑的分類及其對重金屬形態(tài)的影響

1．1 鈍化劑分類及與重金屬的作用機(jī)理

向污染土壤中加入不同鈍化劑，通過一系列絡(luò)合、吸附、沉淀、螯合、腐殖化、氧化還原或離子交換等反應(yīng)，從而降低污染土壤中重金屬的遷移率是修復(fù)重金屬污染的有效途徑。常見的鈍化劑分為單一型和復(fù)合型兩大類，其中單一型鈍化劑主要包括無機(jī)類、有機(jī)類以及新型材料。常見的無機(jī)類鈍化劑主要有磷酸鹽類、含鈣類、粘土礦物、金屬材料類、工業(yè)廢渣等；常見的有機(jī)類鈍化劑主要來源于有機(jī)廢物、生物炭等；新型材料一般指納米材料、介孔材料等。復(fù)合型鈍化劑包括礦物材料與微生物復(fù)合型、微生物與有機(jī)類復(fù)合型等。表1分別列舉了近年來研究較多的幾種重金屬鈍化劑及其作用機(jī)理。

表1 不同鈍化劑的修復(fù)機(jī)理

1．2 鈍化劑對土壤重金屬形態(tài)的影響

重金屬元素在土壤中的形態(tài)直接影響其生物可利用性，不同形態(tài)重金屬將給土壤和環(huán)境帶來不同影響。目前被普遍接受的是根據(jù)Tessier［24］提出的分布提取法研究重金屬各形態(tài)，將重金屬分為可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵-錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)5種形態(tài)。其生物活性依次表現(xiàn)為：殘渣態(tài)＜有機(jī)結(jié)合態(tài)＜鐵-猛氧化物結(jié)合態(tài)＜碳酸鹽結(jié)合態(tài)＜可交換態(tài)。其中可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬容易被植物和人體等生物受體吸收，對整個生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響；而殘渣態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬比較穩(wěn)定，不易被生物受體吸收［17，22］。因此，殘渣態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬的形成及其占比增加是重金屬鈍化的重要標(biāo)志。熊仕娟等［25］通過盆栽試驗表明，沸石處理使土壤中可交換態(tài)鎘含量從72．0% ～88．0%顯著降至30．0% ～66．4%，而增加殘渣態(tài)、有機(jī)態(tài)鎘含量。付煜恒等［26］以磷酸二氫鉀、磷酸二氫鈣和磷酸二氫銨3種磷酸鹽為改良劑，采用重金屬形態(tài)分析和X-射線衍射法探討其對鉛鎘復(fù)合污染土壤的鈍化效果，結(jié)果表明施用磷酸鹽可使重金屬元素Pb、Cd從可交換態(tài)向殘渣態(tài)轉(zhuǎn)化，顯著降低Pb、Cd的生物可利用性，其中磷酸二氫鈣鈍化效果最好，對Pb、Cd的鈍化率分別達(dá)到69．8%、35．2%。可見，鈍化劑的施用能使生物活性較高的可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為殘渣態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)等低生物活性形態(tài)，從而顯著降低重金屬污染物的可遷移性及其危害，這也是利用其進(jìn)行生物修復(fù)的主要依據(jù)。

2 微生物的分類及其對重金屬的作用

2．1 土壤常見微生物種類的重金屬耐受性

土壤中含有大量微生物，其中一些是能夠降低重金屬生物有效性的功能微生物群落，具有很強(qiáng)的重金屬耐受性。當(dāng)接觸到重金屬時，這些微生物會產(chǎn)生應(yīng)激性反應(yīng)，抑制重金屬對植物產(chǎn)生毒害。目前大多數(shù)相關(guān)研究集中在真菌、細(xì)菌及放線菌上，不同類型微生物在根際的功能不同，對重金屬的作用效果也各不相同。有關(guān)研究表明，微生物對重金屬耐性強(qiáng)弱順序為真菌＞細(xì)菌＞放線菌［27］。

2．1．1 真菌對土壤重金屬污染的耐受性 根際真菌主要通過自身抗性及對重金屬離子的吸附性來降低重金屬毒性，因其生長速度快、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。Field等［28］在工礦周圍的土壤中發(fā)現(xiàn)腐殖質(zhì)分解菌和菌根菌能夠?qū)⒋罅縃g富集在胞內(nèi)，大大降低Hg離子在土壤中的含量。在一些重度污染地區(qū)，真菌因?qū)χ亟饘倌托暂^強(qiáng)可成為優(yōu)勢種群。Zotti等［29］從硫礦附近銅污染嚴(yán)重的土壤中篩選出的哈茨木霉菌株對Cu2+的富集量高達(dá)19．628 g/kg。此外，根際真菌還可輔助宿主吸收更多營養(yǎng)并提高對重金屬離子的耐受性。AM真菌可幫助宿主增強(qiáng)對重金屬離子的耐受性，以免受其毒害［30］。

2．1．2 細(xì)菌對土壤重金屬污染的耐受性 細(xì)菌是微生物群體中占比最大的一類，在根際環(huán)境中的細(xì)菌種類及數(shù)量一般均高于非根際區(qū)。Tkacz等［31］研究表明，根際區(qū)較非根際區(qū)為細(xì)菌提供了更好的生活環(huán)境，更適宜細(xì)菌生長和繁衍。一些細(xì)菌群落即使在高濃度重金屬脅迫環(huán)境中也能存活，表現(xiàn)出極強(qiáng)的耐受性和吸附性。馬薇等［32］發(fā)現(xiàn)蠟狀芽孢桿菌在Cr2+濃度為200 mg/L的培養(yǎng)基上能快速生長，表明該菌株有很強(qiáng)的抗鉻能力；而在鉛、鎘、鉻離子濃度均為75 mg/L和錳離子濃度為100 mg/L的培養(yǎng)基中，也能正常生長。Li等［33］在高濃度鎘污染土壤中發(fā)現(xiàn)耐重金屬巨大芽孢桿菌H3和新根瘤菌屬T1-17菌株能將水溶性鎘降低79%～96%。

2．1．3 放線菌對土壤重金屬污染的耐受性 放線菌也是土壤微生物重要組成部分，種類繁多且分布較廣。有研究者在放線菌的代謝產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)一種絮狀活性物質(zhì)可以改變重金屬離子的價態(tài)，進(jìn)而降低重金屬離子的生物有效性［34］。Amoroso等［35］對銅污染區(qū)的抗性鏈霉菌研究表明，該類菌株在土壤中分布廣泛，對銅離子的耐受濃度高達(dá)1 000 mg/L，其主要通過溶解作用降低重金屬毒性，對重金屬離子有較強(qiáng)的耐受性。

這些微生物較強(qiáng)的重金屬耐受性為其在重金屬污染土壤中正常生長提供了基本保障，也為利用這些微生物進(jìn)行污染修復(fù)提供了可能。此外，研究這些微生物的重金屬耐受機(jī)理，還能為重金屬污染土壤修復(fù)提供新的視角。

2．2 微生物對土壤重金屬的耐受機(jī)理

研究表明，微生物降低重金屬毒性的機(jī)理復(fù)雜，且方式繁多，同一屬的不同菌株修復(fù)同種重金屬污染的修復(fù)機(jī)理都不盡相同。目前研究較多的主要分為兩大類：生物吸附和生物轉(zhuǎn)化，微生物通過自身代謝活動或/和重金屬接觸后產(chǎn)生的生化反應(yīng)來改變重金屬離子的化學(xué)價態(tài)以降低其生物有效性。這是微生物對重金屬較強(qiáng)耐受性的重要原因，也為利用微生物進(jìn)行重金屬活性鈍化、修復(fù)污染土壤提供了可能。

2．2．1 生物吸附固定 目前，對于重金屬生物吸附的研究大多在活細(xì)胞中進(jìn)行，依據(jù)重金屬離子與細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)的部位不同又分為胞內(nèi)吸附、細(xì)胞表面吸附和胞外吸附。胞內(nèi)吸附主要是指重金屬離子與細(xì)胞內(nèi)的一些金屬硫蛋白、絡(luò)合素和植物螯合肽等多肽結(jié)合生成沉淀、絡(luò)合物等，從而將重金屬離子固定在細(xì)胞內(nèi)部。Banerjee等［36］研究表明，從嚴(yán)重污染土壤中發(fā)現(xiàn)的Enterobacter cloacae B1菌株有很強(qiáng)的胞內(nèi)吸附能力，在高濃度重金屬培養(yǎng)基上培養(yǎng)3天后，該菌株對Cd、Ni、Pb的胞內(nèi)吸附量分別達(dá)到95．25%、64．17%、36．77%。細(xì)胞表面吸附是指細(xì)胞的細(xì)胞壁表面官能團(tuán)及黏液層與金屬離子發(fā)生絡(luò)合、靜電吸附等作用將重金屬離子固定在細(xì)胞表面。Mauro等［37］研究表明，將酵母金屬硫蛋白串聯(lián)體表達(dá)在酵母細(xì)胞表面可以大大提高酵母細(xì)胞吸附重金屬的能力。胞外吸附是指微生物代謝并分泌的胞外聚合物對重金屬離子產(chǎn)生絡(luò)合、沉淀作用，進(jìn)而提高吸附效率。Pulsawat等［38］研究表明，胞外聚合物對Cu2+、Mg2+、Pb2+有很強(qiáng)的吸附作用，尤其對Pb2+有著很強(qiáng)的親和力。Peng等［39］發(fā)現(xiàn)胞外聚合物對Cd2+的去除率可達(dá)10%。

2．2．2 生物轉(zhuǎn)化 生物轉(zhuǎn)化通過氧化還原、甲基化/去甲基化等作用改變重金屬離子的化合價態(tài)、形態(tài)，進(jìn)而降低重金屬離子在土壤中的毒性及遷移性。氧化還原主要作用于多價態(tài)重金屬，尤其在降低高價態(tài)重金屬方面具有重要地位。Srivastava等［40］發(fā)現(xiàn)沙雷氏菌可將Cr6+轉(zhuǎn)化為Cr3+并進(jìn)行固定，有研究表明［41］Cr6+的生物有效性是Cr3+的100倍，因此沙雷氏菌可以大大降低其毒性。有些微生物將Hg2+還原為Hg，使其成為易揮發(fā)的狀態(tài)或形成沉淀［42］。甲基化/去甲基化是轉(zhuǎn)化重金屬中較為關(guān)鍵的一個過程，其中具有代表性的是As和Hg。Visoottiviseth等［43］發(fā)現(xiàn)，青霉菌對砷的甲基化作用，可使砷揮發(fā)量高達(dá)43．94 μg/L。而汞卻恰恰相反，去甲基化是降解汞污染的理想方式。Yang等［44］研究表明，很多種細(xì)菌對汞的去甲基作用使甲基汞脫除甲基，降解率達(dá)20%～84%。

3 鈍化劑與微生物聯(lián)用對土壤重金屬污染的修復(fù)

3．1 聯(lián)合修復(fù)的作用效果

鈍化劑施入重金屬污染土壤，不僅能直接降低重金屬的毒性，還對土壤中的微生物有所影響，進(jìn)而間接影響重金屬的生物有效性，表明微生物對鈍化劑的修復(fù)效果有一定促進(jìn)作用。熊力等［45］研究表明，單一鈍化劑施入對降低糙米中重金屬含量效果不明顯，而添加微生物后，可以使水稻糙米中鎘和砷的含量分別降低46%和29%。然而不同種類的鈍化劑對微生物群落功能的影響存在顯著差異，具體實施時要合理搭配。例如在鎘污染土壤中加入海泡石和石灰，微生物氮量顯著降低，而加入鈣鎂磷肥后微生物氮量則顯著提高［46］。

施入土壤中的鈍化劑可以充當(dāng)土壤微生物的載體，將游離的微生物在區(qū)域內(nèi)固定，從而保持較高密度和活性，強(qiáng)化鈍化劑的修復(fù)作用。戚鑫等［47］發(fā)現(xiàn)，將檸檬酸桿菌、蠟樣芽胞桿菌和枯草芽孢桿菌3種菌株固定到生物炭內(nèi)，可以大大提高這三種菌株去除鈾、鎘的能力。還有研究表明，通過向銅、鎘污染的土壤中添加木炭、石灰等，不但降低銅、鎘的生物有效性，還增加微生物優(yōu)勢種群的數(shù)量，增加微生物的多樣性［48］。另外，鈍化劑還可以向微生物提供碳源。杜志敏等［49］發(fā)現(xiàn)在銅污染的土壤中加入石灰，可有效提高微生物的碳源利用效果。施入鈍化劑后，土壤中N、P、K等營養(yǎng)物質(zhì)含量均增加，為微生物生長活動提供基質(zhì)。

3．2 聯(lián)合修復(fù)的影響因素

聯(lián)合修復(fù)的效果受很多因素影響，主要因素是土壤的理化性質(zhì)，包括土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量、氧化還原電位（Eh）、陽離子交換當(dāng)量（CEC）等；另外鈍化劑和微生物的種類及數(shù)量也起著關(guān)鍵作用。

土壤pH值通過影響重金屬沉淀溶解、絡(luò)合吸附反應(yīng)使重金屬形態(tài)發(fā)生改變，從而嚴(yán)重影響鈍化修復(fù)效果。一定范圍內(nèi)提高pH值，可交換態(tài)重金屬含量降低，殘渣態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬含量升高［50］。pH值被視為影響重金屬吸附量的重要變量，即使pH值的微弱變化也會引起重金屬吸附量的巨大改變［51］，例如土壤pH值升高0．5個單位，對于Cd的吸附量將提高至原來的兩倍［52，53］。另外土壤pH值還通過影響土壤微生物的豐度、活性和群落結(jié)構(gòu)改變其環(huán)境毒性［54］。pH值較低時，大量的氫離子與重金屬離子搶奪細(xì)胞壁的結(jié)合點位，降低了微生物對重金屬的吸附量。

土壤有機(jī)質(zhì)含有大量結(jié)合點位，可與重金屬離子結(jié)合形成絡(luò)合物，從而降低其生物有效性。Yin等［55］通過向水稻田施用籽餅粕等有機(jī)物料，顯著降低水稻中的重金屬含量。然而，隨著土壤中可溶性有機(jī)質(zhì)的大量增加，對于重金屬的吸附容量和吸附率反而會降低。譚長銀等［56］通過長期田間定位試驗表明，長期施用有機(jī)肥的土壤中Cd與Zn的有效態(tài)含量隨時間延長而逐年上升，由此推測土壤有機(jī)質(zhì)可能對Cd和Zn有“活化作用”。另外有機(jī)質(zhì)可以向微生物提供大量營養(yǎng)物質(zhì)，有研究表明生物炭可以改變微生物的呼吸速率，增加微生物的生物量，從而改變土壤的理化性質(zhì)［57］。

土壤氧化還原電位（Eh）通常通過控制土壤水分來調(diào)節(jié)。當(dāng)土壤處于淹水環(huán)境時，高價態(tài)的鐵、錳會被還原為低價態(tài)，從而導(dǎo)致大量鐵、錳離子浸入土壤溶液［58］。土壤陽離子交換當(dāng)量（CEC）也是影響重金屬在土壤中形態(tài)轉(zhuǎn)化的一個重要因素。有研究表明，大豆植株中的Pb含量會隨著CEC的下降而顯著增高［59］。

鈍化劑的鈍化效果與其種類及加入量有很大關(guān)系，同一鈍化劑對不同重金屬的鈍化機(jī)理不同，不同鈍化劑對同一重金屬的作用效果也有差別。將不同鈍化劑的靶向性作用于污染土壤并且掌握其用量才能夠最大限度發(fā)揮鈍化劑的作用。朱雁鳴等［60］用赤泥作為鈍化劑處理污染土壤，結(jié)果證明5% 赤泥對Cd、Cu、Pb、As和Zn的生物有效性均有降低作用，其含量分別為對照的15．7%、38．6%、19．2%、36．0%和46．3%。

4 展望

單一使用鈍化劑降低重金屬毒性，促進(jìn)植物生長，但是具有一定的局限性，與微生物聯(lián)用，則能發(fā)揮出更大的潛力。目前聯(lián)合修復(fù)尚處于試驗階段，在實際應(yīng)用中仍存在一些問題，具有一定不確定性。后期應(yīng)展開更深入的研究，為聯(lián)合修復(fù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。今后的研究需要進(jìn)一步優(yōu)化鈍化劑和微生物組合，獲得最佳修復(fù)效果。鈍化劑和微生物的種類有很多種，只有將優(yōu)勢互補(bǔ)的鈍化劑和微生物群落組合在一起，才能發(fā)揮出最大的作用。此外，還應(yīng)綜合考慮土壤環(huán)境等因素可能產(chǎn)生的影響，提早干預(yù)，規(guī)避可能出現(xiàn)的問題。針對鈍化劑施用可能產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險，要考慮“富營養(yǎng)化”“拮抗作用”等帶來的復(fù)合污染。