土壤重金屬污染及生物修復(fù)技術(shù)研究

黃艷玲 羅開(kāi)萍

（崇左市環(huán)境科學(xué)研究所，廣西崇左 532200）

近年來(lái)，隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，各種污染層出不窮，土壤重金屬污染也日趨嚴(yán)重。土壤重金屬污染具有污染種類(lèi)多、分布區(qū)域廣、治理困難等特點(diǎn)，給農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和人類(lèi)的生存和健康產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，土壤重金屬污染成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。

1 土壤重金屬污染現(xiàn)狀

目前，我國(guó)土壤正遭受不同程度的重金屬污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)受重金屬污染的耕地面積約2000萬(wàn)hm2，約占耕地總面積的20%；每年重金屬污染造成的糧食減產(chǎn)和糧食污染分別約為1 000萬(wàn)t和1 200萬(wàn)t，兩者累加產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失至少達(dá)200億元[1]。2005—2013年，生態(tài)環(huán)境部全國(guó)土壤污染情況調(diào)查分析結(jié)果顯示，我國(guó)土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，其中Cd、Pb、Hg、As等土壤無(wú)機(jī)重金屬物污染超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占總超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)的82.8%[2]。另外，農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，我國(guó)24個(gè)?。ㄊ校┑?20個(gè)重點(diǎn)污染區(qū)中，重金屬含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與面積約占污染物超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品總量與面積的80%以上[3]。孟 敏等[4]對(duì)我國(guó)設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬污染的分析表明，我國(guó)南部地區(qū)設(shè)施農(nóng)田土壤重金屬Cd、Hg、Pb污染最嚴(yán)重，北部地區(qū)設(shè)施農(nóng)田As、Cu、Cr含量最高，西部地區(qū)Ni含量最高。趙慶齡[5]研究表明，2000—2008年，關(guān)于土壤重金屬污染方面的研究論文每年約以30%的增速在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表。這些研究結(jié)果表明我國(guó)土壤重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，我國(guó)對(duì)土壤重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越重視。

2 土壤重金屬污染造成的危害

2.1 威脅人類(lèi)生命健康

土壤是農(nóng)作物生長(zhǎng)的重要介質(zhì)，土壤中超標(biāo)的重金屬被農(nóng)作物吸收后在農(nóng)作物體內(nèi)累積，通過(guò)食物鏈被人體攝入后引發(fā)人體各種疾病，進(jìn)而產(chǎn)生生物放大效應(yīng)，影響人類(lèi)生命安全和健康。20世紀(jì)60年代，在日本發(fā)生的由重金屬Cd污染引起的骨痛病和由重金屬Hg污染引起的水俁病引起全世界的廣泛關(guān)注[6]。我國(guó)近年頻報(bào)的“鎘大米”“兒童血液鉛超標(biāo)”“癌癥村”等事件均是由重金屬污染引起的。另外，研究表明：Pb攝入過(guò)多可引發(fā)兒童發(fā)育遲緩、智力減退等癥狀；體內(nèi)Cu水平過(guò)高會(huì)使人出現(xiàn)焦慮、抑郁和神經(jīng)衰弱等癥狀；大量接觸Cd會(huì)引起呼吸系統(tǒng)疾病等。重金屬超標(biāo)嚴(yán)重威脅人類(lèi)生命安全與健康。

2.2 影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育

土壤是植物賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的水分、礦質(zhì)養(yǎng)分等均從土壤中獲得。土壤受重金屬污染后，植物也不必可避免地受到脅迫。在Pb污染土壤中生長(zhǎng)的植物，植株細(xì)胞膜系統(tǒng)會(huì)遭到攻擊，導(dǎo)致大量鹽類(lèi)和有機(jī)物從細(xì)胞中滲出。膜系統(tǒng)被破壞后，外界大量重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，影響細(xì)胞器正常結(jié)構(gòu)與功能，造成植物生理代謝紊亂[7]。何翠屏等[8]研究結(jié)果顯示，生長(zhǎng)在過(guò)量Cd土壤中的植物，其根、莖生長(zhǎng)遲緩，葉片出現(xiàn)失綠、卷曲等現(xiàn)象。朱涵毅等[9]研究結(jié)果表明，Cd污染土壤上生長(zhǎng)的植株光合作用、蒸騰作用受到抑制，進(jìn)而引起膜脂過(guò)氧化，損害細(xì)胞膜作用機(jī)制。

2.3 影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展

土壤被重金屬污染后，其基本理化性質(zhì)、微生物種類(lèi)和數(shù)量、土壤酶活等受到不同程度的影響，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生負(fù)面作用，從而降低植物從土壤中攝取水分及礦質(zhì)元素的能力，造成農(nóng)業(yè)減收、減產(chǎn)。另外，污染嚴(yán)重的土壤無(wú)法再次耕種，還需花費(fèi)大量的人力、物力對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，在一定程度上妨礙了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3 土壤重金屬污染治理的生物修復(fù)技術(shù)

在減緩?fù)寥乐亟饘傥廴镜谋姸嘈迯?fù)技術(shù)中，生物修復(fù)技術(shù)具有成本低、無(wú)二次污染、處理效果好、可大面積推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 植物修復(fù)技術(shù)

在植物修復(fù)技術(shù)中，超富集植物是研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。超富集植物對(duì)某種化學(xué)元素的吸收量可比普通植物高100倍以上，且吸收該元素后不影響自身正常生命活動(dòng)。國(guó)內(nèi)外研究者均十分重視超富集植物的研究工作。目前，我國(guó)被鑒定為重金屬超富集植物的約有92科700種植物，其中，近3/4為Ni超富集植物[10]；被鑒定為 Cu、Co、Se、Pb、Mn、As 超累積植物的種類(lèi)分別有37種、30種、20種、17種、13種和5種[11]。韋朝陽(yáng)等[12]發(fā)現(xiàn)，大葉井口邊草為As超富集植物，鴨跖草為Cu超富集植物；薛生國(guó)等[13]發(fā)現(xiàn)，商陸為Mn的超富集植物；陳同斌等[14]發(fā)現(xiàn)，蜈蚣草為As超富集植物。我國(guó)研究者對(duì)超富集植物展開(kāi)了大量深入的研究，但具有大面積推廣價(jià)值的超富集植物因植株生物量小且生長(zhǎng)緩慢等而尚未被大規(guī)模應(yīng)用。

3.2 微生物修復(fù)技術(shù)

關(guān)于微生物修復(fù)的研究，注重對(duì)重金屬降解菌株的篩選與馴化工作。目前，科研工作者已篩選出多種降解效率高、特異性強(qiáng)的功能性菌株，但對(duì)這些降解菌株的研究多停留在實(shí)驗(yàn)室和小面積示范階段，尚未發(fā)展到推廣應(yīng)用層面。國(guó)外關(guān)于利用微生物降解土壤重金屬的研究相對(duì)更為深入，已發(fā)展到應(yīng)用層面。例如，用細(xì)菌吸附廢水中的Cd，起到良好的修復(fù)效果[15]。

3.3 聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

3.3.1 植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。植物-微生物聯(lián)合修復(fù)是利用植物與微生物之間的互生互促作用來(lái)提高重金屬污染修復(fù)效率的一種強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)手段，具有成本低廉、降解速度快等優(yōu)點(diǎn)。植物根系分泌的糖類(lèi)、氨基酸類(lèi)等物質(zhì)可為微生物提供養(yǎng)分，有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖。另外，微生物分泌的有機(jī)酸可活化土壤中枸溶性的礦質(zhì)元素，提高植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收效率，促進(jìn)植物健壯生長(zhǎng)，從而緩解重金屬污染對(duì)植物產(chǎn)生的毒性。目前，植物-微生物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染問(wèn)題的研究主要集中在高效降解菌株及其共生植物的篩選階段，還需大量驗(yàn)證工作支撐其大范圍推廣應(yīng)用。

3.3.2 植物-螯合劑聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。施入土壤的螯合劑（如EDTA、EDDHA、氨基酸以及小分子有機(jī)酸等）可螯合土壤中重金屬離子，降低土壤溶液中重金屬離子濃度，提高超富集植物對(duì)重金屬離子的螯合及貯存效率，從而降低重金屬離子的毒性。在植物-螯合劑聯(lián)合修復(fù)過(guò)程中，提升重金屬離子與螯合劑之間的螯合效率是提高螯合強(qiáng)化修復(fù)效率的關(guān)鍵因素。

3.4 基因工程修復(fù)技術(shù)

利用基因工程技術(shù)可以將具有重金屬累積功能的基因?qū)氲缴L(zhǎng)快、收獲容易且不進(jìn)入食物鏈的植物中。該方法是獲得土壤重金屬污染治理新突破的關(guān)鍵手段之一。

4 結(jié)語(yǔ)

生物修復(fù)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，但該技術(shù)的推廣落地目前還處在試驗(yàn)、示范階段，還需大量轉(zhuǎn)化成果的驗(yàn)證支撐。從長(zhǎng)期發(fā)展考慮，生物工程修復(fù)技術(shù)（基因工程、細(xì)胞工程等）、聯(lián)合修復(fù)技術(shù)及高效降解微生物組合應(yīng)用等將是今后生物修復(fù)技術(shù)的主要發(fā)展方向。