微生物技術(shù)在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用研究

劉曉

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院 河南，南陽(yáng) 473000）

受人類活動(dòng)影響，土壤中積累的微量金屬元素含量超過(guò)背景值，便會(huì)形成重金屬污染，重金屬污染不僅會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)及生態(tài)環(huán)境，還會(huì)直接引發(fā)一系列食品安全問(wèn)題。重金屬污染的表現(xiàn)較復(fù)雜，且大多具有隱蔽性、積累性，如果得不到有效緩解會(huì)在社會(huì)中造成不良影響。隨著科技進(jìn)步，相關(guān)領(lǐng)域已將微生物技術(shù)應(yīng)用于土壤修復(fù)，該技術(shù)具有極強(qiáng)安全性，且操作簡(jiǎn)單，修復(fù)效果較佳，不僅在重金屬污染土壤修復(fù)中得以應(yīng)用，也成為相關(guān)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。從應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，已將吸附技術(shù)、植物聯(lián)用技術(shù)等用來(lái)修復(fù)重金屬污染土壤，修復(fù)效果會(huì)受重金屬濃度、溫度、鹽濃度等因素影響。從整體來(lái)看，微生物技術(shù)的應(yīng)用可以有效降低土壤中的重金屬含量，使土壤得到修復(fù)，減少重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的破壞。

1 微生物技術(shù)在重金屬污染土壤修復(fù)中的具體應(yīng)用

1.1 吸附技術(shù)的應(yīng)用

吸附技術(shù)主要是指利用微生物改變土壤中存在的重金屬形態(tài)，以此來(lái)降低對(duì)土壤的負(fù)面影響。該技術(shù)可在微生物胞內(nèi)、胞外及表面完成吸附。胞內(nèi)吸附主要是指當(dāng)重金屬元素進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)會(huì)被微生物所吸收。在微生物區(qū)域化作用下，將以離子形式存在的重金屬轉(zhuǎn)移至線粒體等代謝活動(dòng)較緩慢的細(xì)胞器中，再進(jìn)行封閉處理；也可以把重金屬元素與絡(luò)合素等相結(jié)合后形成熱穩(wěn)定蛋白，使重金屬元素毒性在該過(guò)程中得到弱化或消失。胞外吸附是指利用微生物生理反應(yīng)產(chǎn)生脂類、蛋白質(zhì)等多種代謝物，再將其與重金屬元素聚合后構(gòu)成胞外聚合物，以此來(lái)吸附重金屬元素。表面吸附是指利用粘液層、細(xì)胞壁等結(jié)構(gòu)，將重金屬元素吸附在細(xì)胞表層。當(dāng)微生物存在差異時(shí)，對(duì)重金屬元素的吸附性各不相同，即使采用同一微生物進(jìn)行吸附，若吸附環(huán)境存在差異吸附性也不同，通過(guò)微生物吸附土壤中的重金屬能改善污染情況。重金屬在土壤中的存在形態(tài)主要包含結(jié)構(gòu)態(tài)、價(jià)態(tài)、結(jié)合態(tài)等多方面，具有多樣性特點(diǎn)。重金屬可在土壤環(huán)境中以某種分子、離子的形式存在，吸附技術(shù)的應(yīng)用則可以影響重金屬存在形態(tài)，影響其生物有效性。比如，Cr（VI）還原菌株可以把土壤中存在的Cr6+還原成Cr3+，有效降低鉻（Cr）的毒性，以及對(duì)土壤造成的破壞度。光合細(xì)菌球形紅細(xì)菌可以影響鎘（Cd）在土壤中的存在形態(tài)，并降低其含量，增加鐵錳氧化物殘?jiān)鼞B(tài)、結(jié)合態(tài)可有效降低鎘的生物有效性。細(xì)菌胞外多聚物可以增加銅（Cu）、鉛（Pb）的釋放速度，使土壤得到有效修復(fù)。可以看出，微生物吸附技術(shù)能有效修復(fù)土壤，促使土壤中存在的微量金屬元素含量得到有效減少，以此來(lái)達(dá)到土壤修復(fù)目的。

1.2 植物聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用

在修復(fù)重金屬污染土壤中，應(yīng)用植物聯(lián)用技術(shù)主要可分為兩種方式。一種是利用微生物產(chǎn)生分泌表面活化劑或有機(jī)酸，加快重金屬元素的移動(dòng)速度，使植物可以快速吸收土壤中的重金屬。另一種則是利用植物根際細(xì)菌與菌根真菌增加植物生物量，可有效提高微量金屬元素量積累量。比如，利用海州香薷根際中提取到的菌株，可有效增加水溶態(tài)中的銅（Cu）含量，影響銅生物有效性，該菌株同時(shí)也可以提高海洲香薷上的銅積累量。植物促生菌可以提高蓖麻的生物量，增強(qiáng)蓖麻銅（Cu）、鎳（Ni）、鋅（Zn）等重金屬元素的積累量。將叢枝菌根真菌和其他植物相結(jié)合，可以有效降低土壤中的砷（As）元素含量，提高野牡丹等植物對(duì)砷的積累量。在應(yīng)用植物聯(lián)用技術(shù)時(shí)，需要將微生物和植物相組合，在該過(guò)程中必須了解微生物與植物的作用機(jī)制，以此來(lái)提高組合有效性，使該技術(shù)在土壤修復(fù)中發(fā)揮作用。

1.3 微生物聯(lián)用技術(shù)

微生物聯(lián)用技術(shù)主要是指將化學(xué)鈍化物與微生物有機(jī)結(jié)合，這是相關(guān)領(lǐng)域的研究方向之一?；瘜W(xué)鈍化主要是指在土壤中融入適量鈍化劑，再通過(guò)一系列氧化還原、吸附、絡(luò)合等過(guò)程影響重金屬元素生物有效性，以此來(lái)達(dá)到土壤修復(fù)目的。在重金屬污染土壤修復(fù)過(guò)程中較常用的化學(xué)鈍化劑可分為有機(jī)、無(wú)機(jī)及混合鈍化劑。比如，在被鋅（Zn）污染的土壤中添加磷灰石，可以增加鋅（Zn）的殘?jiān)鼞B(tài)，在被鉛（Pb）污染的土壤中施加有機(jī)肥，可降低鉛（Pb）的生物有效性。把微生物和化學(xué)鈍化物相結(jié)合，能夠達(dá)到雙重修復(fù)功效。如在土壤中融入工程菌和諾沃肥可有效降低鎘（Cd）含量，若單獨(dú)在土壤中添加工程菌，對(duì)于鎘（Cd）濃度沒(méi)有太大影響，如果只添加諾沃肥則可顯著降低鎘（Cd）含量，將兩者有機(jī)結(jié)合可以起到雙倍修復(fù)作用。工程菌均可以發(fā)揮重金屬元素吸附作用，而諾沃肥則可為工程菌均作用的發(fā)揮提供所需營(yíng)養(yǎng)，兩者之間相互配合才可起到良好的土壤修復(fù)效果。此外，將工程菌和草木灰相結(jié)合可以減少鎘（Cd）元素對(duì)小麥籽粒的影響。在使用微生物聯(lián)用技術(shù)時(shí)，應(yīng)了解化學(xué)鈍化的修復(fù)機(jī)理，選擇綜合功效較強(qiáng)的化學(xué)鈍化劑，并考慮不同鈍化劑對(duì)土壤環(huán)境的影響及修復(fù)功能，應(yīng)盡量避免土壤中的重金屬元素再次被活化、釋放。

2 微生物技術(shù)在重金屬污染土壤修復(fù)中應(yīng)用的影響因素

2.1 重金屬濃度

在利用微生物技術(shù)修復(fù)重金屬污染土壤時(shí)，會(huì)受重金屬濃度影響。通常情況下，若重金屬元素濃度與規(guī)定數(shù)值范疇不符，無(wú)論過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)直接影響修復(fù)效果。例如，使用大腸桿菌屬吸附鉛（Pb）元素，200mg/L 濃度下的吸附性最強(qiáng)。使用變形假單胞菌去除土壤中的汞（Hg）元素時(shí)，10-15mg/L濃度下的修復(fù)效果最佳，并且，當(dāng)汞（Hg）元素濃度逐漸提升時(shí)，土壤修復(fù)效果越差。使用鏈霉菌或鉻泥土去除土壤中的鉻（Cr）元素時(shí)，1800mg/L濃度下的去除效果最佳。從實(shí)踐中可發(fā)現(xiàn)，重金屬濃度會(huì)直接影響土壤修復(fù)效果，重金屬元素及微生物菌不同，最適合的修復(fù)濃度也存在差異。由于各種重金屬最佳的修復(fù)濃度差異較大，在進(jìn)行修復(fù)前應(yīng)仔細(xì)分析、計(jì)算適當(dāng)濃度范疇，將實(shí)際濃度控制在范疇內(nèi)，以此來(lái)提高重金屬污染土壤的修復(fù)效果。

2.2 溫度

溫度對(duì)微生物技術(shù)土壤修復(fù)效果有著較大影響，與重金屬濃度一樣，若溫度與規(guī)定數(shù)值范疇不符便會(huì)影響修復(fù)效果。微生物對(duì)溫度要求較嚴(yán)格，當(dāng)溫度不符合微生物生長(zhǎng)條件時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致微生物吸附、降解等作用得不到發(fā)揮，進(jìn)而影響土壤修復(fù)結(jié)果。比如，在使用哈茨木霉菌株降解土壤中的鎘（Cd）時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度低于28℃時(shí)的降解效果最好，溫度超過(guò)28℃降解效果較差。使用青霉吸附鎘（Cd）時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度不斷增加，菌體的表面吸附性逐漸增強(qiáng)，若溫度大于青霉菌體的適當(dāng)生長(zhǎng)條件，細(xì)胞壁則會(huì)變形，吸附性遭到削弱。

2.3 鹽濃度

對(duì)于微生物技術(shù)而言，修復(fù)重金屬污染土壤時(shí)，適量鹽可以維持細(xì)胞內(nèi)外滲透壓，但鹽濃度過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞脫水。在使用粘質(zhì)沙雷氏菌吸附鎘（Cd）時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氯化鈉濃度等于0時(shí)，微生物對(duì)鎘（Cd）的去除率較高，隨著氯化鈉濃度不斷上升，重金屬元素去除效果隨之減弱。不難看出，鹽濃度對(duì)微生物技術(shù)作用的發(fā)揮具有一定影響，需在適當(dāng)鹽濃度范疇內(nèi)加以應(yīng)用，才能達(dá)到理想土壤修復(fù)效果。

2.4 微生物種類

修復(fù)重金屬污染土壤時(shí)，應(yīng)用微生物技術(shù)涉及細(xì)菌、真菌等微生物，當(dāng)微生物種類存在差異時(shí)，對(duì)應(yīng)的修復(fù)效果自然不同。通常，真菌的修復(fù)效果高于細(xì)菌，真菌的接觸面大于細(xì)菌，且生長(zhǎng)速度比細(xì)菌快，對(duì)于土壤環(huán)境要求較低，在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用較廣泛。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并用來(lái)吸附重金屬元素的真菌主要有類酵母、木霉屬、青霉屬、叢生菌根等。叢生菌根可以有效減少土壤中的鐵（Fe）含量，對(duì)于盆栽土壤環(huán)境而言，應(yīng)用叢生菌根可以形成鐵載體，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵（Fe）的吸附。在重金屬污染土壤修復(fù)中應(yīng)用較多的細(xì)菌主要包括產(chǎn)堿菌、耐性細(xì)菌等，不同細(xì)菌對(duì)重金屬土壤的修復(fù)程度不同。比如，在盆栽土壤環(huán)境下使用產(chǎn)堿菌，可有效削弱土壤中的鉻（Cr）含量。當(dāng)鎘（Cd）、鉛（Pb）濃度均為0時(shí)，使用耐性細(xì)菌可提高植物生物量，加強(qiáng)植物對(duì)重金屬元素的吸收量。

3 微生物技術(shù)在重金屬污染土壤修復(fù)中的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 現(xiàn)狀

從當(dāng)前微生物技術(shù)的土壤修復(fù)現(xiàn)狀來(lái)看，應(yīng)用微生物技術(shù)并不會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成污染，維持土壤原生結(jié)構(gòu)，整個(gè)過(guò)程所消耗的成本較少，修復(fù)效果較佳。但是，由于微生物技術(shù)的修復(fù)作用與微生物生長(zhǎng)條件、溫度等因素密切相關(guān)，這也是發(fā)揮微生物技術(shù)作用的關(guān)鍵，在該方面還有著局限性。大部分重金屬污染物并不具備水溶性，很難和微生物有機(jī)組合，這給微生物降解、吸附污染元素造成阻礙。為解決這一問(wèn)題，可以添加適量活化劑，提高重金屬元素吸收量。若重金屬會(huì)抑制微生物生長(zhǎng)，則可利用降解菌分解重金屬，或是添加能促進(jìn)微生物生長(zhǎng)的藥劑，以此來(lái)降低重金屬元素毒性，加快分解速度。溫度、鹽濃度及微生物種類均會(huì)影響土壤修復(fù)效果，土壤環(huán)境本身便是一個(gè)龐大系統(tǒng)，微生物進(jìn)入土壤系統(tǒng)后，土壤顆粒大小、溫度、水分等要素會(huì)影響微生物作用發(fā)揮。夏季時(shí)溫度普遍較高，此時(shí)最適合微生物生長(zhǎng)，土壤中的營(yíng)養(yǎng)成分必須滿足微生物生長(zhǎng)及繁殖需求，添加適量氮、磷等營(yíng)養(yǎng)可促進(jìn)微生物生長(zhǎng)，加強(qiáng)對(duì)土壤中重金屬元素的降解、去除功效。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

縱觀我國(guó)土壤污染事件不難發(fā)現(xiàn)，重金屬造成的土壤污染率較高，重金屬污染對(duì)生態(tài)環(huán)境、人體健康都會(huì)造成不良影響，加強(qiáng)重金屬污染土壤修復(fù)勢(shì)在必行。現(xiàn)階段，隨著工業(yè)化發(fā)展速度不斷加快，在長(zhǎng)期累積下土壤環(huán)境面臨嚴(yán)重的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)已經(jīng)遭受重金屬污染的土壤加以修復(fù)既是提高土壤質(zhì)量的必要舉措，同樣也是保障食品安全及人體健康的有效方法。微生物技術(shù)憑借多種優(yōu)勢(shì)已在重金屬污染土壤修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用，但技術(shù)應(yīng)用不能局限于現(xiàn)有成就，應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)、創(chuàng)新，深入挖掘更多微生物技術(shù)功能、優(yōu)勢(shì)，在根本上提高重金屬污染土壤修復(fù)效果。在將來(lái)發(fā)展中，可能向以下幾方面發(fā)展：

其一，聯(lián)用技術(shù)研究及應(yīng)用。當(dāng)前，在修復(fù)重金屬污染土壤中應(yīng)用較多的聯(lián)用技術(shù)主要為植物聯(lián)用與微生物聯(lián)用，相對(duì)來(lái)說(shuō)修復(fù)聯(lián)用技術(shù)較單一，還有著較多的發(fā)展空間，將來(lái)應(yīng)加強(qiáng)多種技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出多種不同的組合修復(fù)方式。例如，可將動(dòng)物、植物及微生物三合一，將化學(xué)氧化與生物降解相結(jié)合等。

其二，綠色環(huán)保方向發(fā)展。當(dāng)代社會(huì)，全球各國(guó)均面臨不同程度的生態(tài)污染問(wèn)題，我國(guó)近年來(lái)的環(huán)境污染情況也層出不窮，給生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。重金屬污染本就是一種生態(tài)破壞方式，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、生態(tài)環(huán)境及食品安全都會(huì)帶來(lái)影響，微生物技術(shù)的應(yīng)用可以起到土壤修復(fù)作用，綠色環(huán)保仍是微生物技術(shù)的研發(fā)方向之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，重金屬對(duì)土壤造成的污染愈加嚴(yán)重，解決重金屬污染土壤問(wèn)題迫在眉睫。微生物技術(shù)作為一種集安全性、高效性等優(yōu)勢(shì)為一體的修復(fù)技術(shù)，已在重金屬污染土壤修復(fù)中發(fā)揮積極作用。目前，微生物吸附、植物聯(lián)用及微生物聯(lián)用等技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于受重金屬濃度、溫度、鹽濃度以及微生物種類等因素影響，導(dǎo)致微生物技術(shù)修復(fù)效果與預(yù)期不符，需根據(jù)土壤中的具體污染元素合理應(yīng)用微生物，才能有效發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)達(dá)到修復(fù)目的。以長(zhǎng)遠(yuǎn)視角來(lái)看，為全面改善我國(guó)重金屬污染土壤問(wèn)題，推動(dòng)科技研發(fā)進(jìn)步，需加快聯(lián)用技術(shù)研究應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)微生物技術(shù)的高效綠色環(huán)保。