微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的作用

焦迎迎，閆 斐，呂淑華

（1.浙江新境生態(tài)環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310000；2.浙江建安檢測研究院有限公司，浙江 杭州 310000；3.紹興市開元工程咨詢有限公司，浙江 紹興 312000）

我國經(jīng)濟(jì)社會還在持續(xù)高速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)在這樣的背景下也在持續(xù)擴(kuò)大和增長，而重金屬材料是工業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展中非常重要的材料，所以，隨著工業(yè)社會的快速進(jìn)步與發(fā)展，重金屬的排放以及使用的數(shù)量只會越來越多，如果不采取科學(xué)、有效的手段對重金屬排放進(jìn)行良好地治理，將會導(dǎo)致我國土地資源受到重金屬污染不可逆的損害，對人類的生活環(huán)境以及食品安全也將產(chǎn)生巨大的影響。因此，如何能夠?qū)崿F(xiàn)對污染土壤的有效修復(fù)以及治理已經(jīng)成為當(dāng)下工業(yè)發(fā)展以及生態(tài)保護(hù)工作中的重點課題。目前我國針對重金屬污染的治理技術(shù)已經(jīng)有很多種方式，其中的微生物修復(fù)技術(shù)目前已經(jīng)積累了非常成熟的經(jīng)驗，并在大量的實踐修復(fù)工作中取得了良好的效果，該技術(shù)相較于其他修復(fù)技術(shù)具有諸多明顯的優(yōu)勢，其技術(shù)成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他修復(fù)形式，且修復(fù)效果也較為穩(wěn)定等，這些都是微生物修復(fù)技術(shù)非常重要的優(yōu)勢。同時，該技術(shù)具有更好的適用性及易操作性，所以微生物修復(fù)已經(jīng)成為目前我國重金屬土壤修復(fù)的重要且主流的手段之一。

1 微生物土壤修復(fù)技術(shù)概述

目前微生物土壤修復(fù)技術(shù)主要是通過土壤中現(xiàn)存的微生物群利用自身的代謝功能對土壤當(dāng)中不利于農(nóng)作物生長以及對人體有害的物質(zhì)進(jìn)行降解，轉(zhuǎn)化成毒性更低或者沒有危害的有機(jī)物，對于土壤結(jié)構(gòu)中不具備微生物群條件的土壤，目前已經(jīng)可以在土壤外進(jìn)行微生物人工培養(yǎng)，然后植入到需要降解的土壤當(dāng)中。微生物在土壤中具有適用性較強(qiáng)以及繁殖快等諸多特點，因此能夠在不同時段及不同環(huán)境中進(jìn)行自身菌群的更新與變化，從而實現(xiàn)持續(xù)對土壤中重金屬物質(zhì)進(jìn)行降解的作用。為了實現(xiàn)微生物良好的土壤修復(fù)作用，首先需要保證土壤結(jié)構(gòu)中的微生物種類具有一定的多樣性以及代謝穩(wěn)定性，同時在單位土壤體積中達(dá)到對應(yīng)的數(shù)量，這樣才能發(fā)揮良好的降解作用。其次是保證被降解土壤當(dāng)中所含的金屬物質(zhì)具備從無機(jī)物向有機(jī)物轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。最后，需要根據(jù)土壤結(jié)構(gòu)的實時變化以及重金屬轉(zhuǎn)化的具體情況對微生物群進(jìn)行及時跟進(jìn)處理，因為微生物在對土壤進(jìn)行降解的過程中會實時變化，導(dǎo)致后期的降解效果可能會隨著時間的變化以及微生物群的變化而出現(xiàn)降解效果的偏差，所以在對土壤進(jìn)行降解時，需要對土壤環(huán)境以及微生物的存活情況進(jìn)行實時監(jiān)督與跟進(jìn)，從而可以根據(jù)土壤中重金屬的含量以及土壤環(huán)境進(jìn)行實時優(yōu)化和調(diào)整，保證微生物群在土壤當(dāng)中始終發(fā)揮最佳的降解效果[1]。

2 微生物對于重金屬土壤污染的修復(fù)機(jī)理

2.1 微生物利用細(xì)胞表面對重金屬進(jìn)行吸附

利用微生物細(xì)胞表面對重金屬的吸附性質(zhì)對重金屬物質(zhì)進(jìn)行吸附是土壤污染處理方式中效果非常顯著的一種方式。微生物種類繁多，包括眾多藻類和細(xì)菌等微生物，這些物質(zhì)在土壤中能夠通過自身結(jié)構(gòu)的代謝產(chǎn)生與有害物質(zhì)相吸引和結(jié)合的物質(zhì)，與金屬離子以及有害物質(zhì)形成毒性較低的絡(luò)合物，從而實現(xiàn)微生物對土壤修復(fù)的功效。同時，微生物在土壤中可以形成糖蛋白等物質(zhì)，這類物質(zhì)能夠與土壤中的重金屬離子結(jié)合，產(chǎn)生螯合等物質(zhì)，這類物質(zhì)在細(xì)胞中具有更低的毒性，從而減少了對土壤的破壞。重金屬離子中絕大多數(shù)離子為陽離子，微生物中攜帶的離子更多的為陰離子，對陽離子具有良好的吸引作用，從而達(dá)到細(xì)胞對金屬的吸附作用，在這一過程中，隨著陽離子的聚集會逐漸形成重金屬的陽離子核，不斷吸引更多的有害金屬物質(zhì)。利用細(xì)胞表面對重金屬進(jìn)行吸附的技術(shù)在具體的應(yīng)用中具有更好的普適性，微生物中的陰離子對絕大多數(shù)的陽離子都能夠產(chǎn)生明顯的吸附作用，因此使土壤處理和降解范圍更加廣泛，所處理的金屬污染種類也更加多元，其缺點是當(dāng)重金屬離子被吸附后，微生物無法對有害物質(zhì)進(jìn)行及時快速地溶解或者與之發(fā)生反應(yīng)，使其在土壤中停留較長時間，因而有可能會對土壤造成二次污染[2]。

2.2 利用微生物的生物溶解作用降低重金屬的毒性

生物溶解具體是指微生物與部分重金屬物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)與重金屬離子相溶解或者結(jié)合，最終形成毒性較低或者沒有毒性的有機(jī)物。利用生物溶解的方式對微生物的要求較高，首先需要保證微生物有足夠的種類和數(shù)量，且土壤當(dāng)中的重金屬離子具備被轉(zhuǎn)化的特質(zhì)與條件，才能夠?qū)崿F(xiàn)生物溶解的目的。生物溶解方式的優(yōu)點在于對有害物質(zhì)的處理較為徹底，且效果較為穩(wěn)定，在處理結(jié)束后不易出現(xiàn)反復(fù)的情況。但缺點也較為明顯，因為生物溶解對生物的種類以及金屬的種類都具有較高的要求，且具有被降解的條件，因此在具體應(yīng)用過程中，該技術(shù)的適用范圍較窄，無法實現(xiàn)大范圍土壤的降解處理，也無法實現(xiàn)多種有害物質(zhì)的同時溶解，因此在實用性和普適性上仍然存在一定的缺陷[3]。

2.3 微生物利用生物轉(zhuǎn)化代謝重金屬有毒物質(zhì)

生物轉(zhuǎn)化是指利用微生物對重金屬有毒物質(zhì)進(jìn)行吸收和代謝，并在代謝過程中進(jìn)一步降低重金屬的毒害性，從而實現(xiàn)對土壤的降解和質(zhì)量的優(yōu)化。微生物在代謝過程中會產(chǎn)生一定數(shù)量的酸性物質(zhì)，這類物質(zhì)與重金屬離子回發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，減少了重金屬陽離子的數(shù)量。生物轉(zhuǎn)化這種微生物代謝技術(shù)相較于另外兩種技術(shù)對重金屬的轉(zhuǎn)化速度相對較慢，因此對于污染較為嚴(yán)重或者需要緊急處理的土壤不能夠發(fā)揮快速降解的效果[4]。

3 微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中的作用研究

3.1 利用細(xì)菌修復(fù)污染土壤

微生物有許多種類，其中多種微生物均對土壤修復(fù)和降解有著明顯的幫助。微生物中的細(xì)菌就是對重金屬進(jìn)行吸附的有效微生物之一，細(xì)菌的細(xì)胞表面具有與其他微生物明顯不同的結(jié)構(gòu)，其能夠利用自身的細(xì)胞壁對重金屬離子進(jìn)行良好地吸附，且這種吸附能力較為穩(wěn)定，可以達(dá)到長期吸附的效果。與此同時，在重金屬污染情況較為嚴(yán)重的土壤中，這種耐重金屬細(xì)菌會擁有更強(qiáng)的吸附能力與生存能力，通過自身結(jié)構(gòu)的代謝，將吸附在細(xì)胞表面的重金屬物質(zhì)進(jìn)行充分地沉淀與代謝，并通過自身的細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)對重金屬離子進(jìn)行重新整合與溶解，從而很好地降低重金屬的毒性。細(xì)菌在污染土壤當(dāng)中如果達(dá)到一定的菌群規(guī)模與細(xì)菌數(shù)量，就能夠有效實現(xiàn)對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生細(xì)致的影響，發(fā)揮出良好的降解效果。通常情況下，在利用細(xì)菌對污染土壤進(jìn)行降解和修復(fù)的過程中，會與微生物菌劑混合使用，在微生物菌劑中添加有助于土壤恢復(fù)和降解的良好物質(zhì)以及對農(nóng)作物生長有利的物質(zhì)，從而在降解土壤污染的同時也對農(nóng)作生長產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用，農(nóng)作物的良好生長也能夠反向促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)中微生物的增長，從而進(jìn)一步實現(xiàn)對土壤當(dāng)中重金屬離子的吸收，加速了土壤的優(yōu)化和降解。從目前絕大多數(shù)土壤中的微生物結(jié)構(gòu)看，細(xì)菌在土壤中的豐富性以及數(shù)量都非常高，且相較于真菌以及其他菌種，細(xì)菌在對重金屬離子的吸附能力以及土壤的治理效果上更為出色，也正是因為細(xì)菌在土壤治理方面存在的諸多優(yōu)勢，其在我國的土壤治理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用且已經(jīng)取得了相當(dāng)成熟的經(jīng)驗。從目前現(xiàn)有的研究理論與實驗成果看，已經(jīng)有多種細(xì)菌被證實具有良好的土壤修復(fù)作用，例如，假單胞菌、微球菌、根瘤菌、鏈霉菌屬以及芽孢桿菌等，研究最成功的細(xì)菌是芽孢桿菌，根據(jù)有關(guān)實驗數(shù)據(jù)顯示，芽孢桿菌對重金屬的最大吸附量可達(dá)363 mg/g，而對于單離子Cd的吸附量為196 mg/m左右[5]。

3.2 利用真菌對污染土壤進(jìn)行修復(fù)

真菌也是微生物當(dāng)中非常重要的一個物種，在水體環(huán)境中或者土壤環(huán)境中都非常常見和普遍，同時真菌對污染土壤同樣具有降解和修復(fù)作用，真菌對土壤結(jié)構(gòu)中重金屬的處理方式以及土壤修復(fù)的機(jī)理上有所相似，真菌在土壤中能夠與污染土壤中的重金屬離子例如汞、鉛等重金屬元素發(fā)生配位絡(luò)合作用，從而促使土壤當(dāng)中的重金屬離子形成相對穩(wěn)定的化合物質(zhì)，這種化合物質(zhì)相較于重金屬離子對土壤的危害更小，對土壤中水分的污染程度也更低，從而可以有效降低對農(nóng)作物的危害。在利用真菌對污染土壤進(jìn)行修復(fù)的過程中，相較于細(xì)菌在污染土壤當(dāng)中的生存狀況，真菌在生長過程中對土壤環(huán)境的有著更加嚴(yán)格的要求，所以通常情況下，在重金屬污染土壤的自然條件下，真菌的種類和數(shù)量達(dá)不到降解的要求，并且會隨著重金屬污染的加重而出現(xiàn)增長緩慢的情況，在這種情況下就需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯そ槿胍詫崿F(xiàn)對土壤的改良，從而為真菌提供相對優(yōu)質(zhì)和穩(wěn)定的生長環(huán)境，促進(jìn)真菌在土壤中的繁殖。在用人工對土壤狀況進(jìn)行改良時，通常會采用在堆肥過程中添加生物炭的方式，這種方式能夠有效地為土壤當(dāng)中的微生物提供更加優(yōu)質(zhì)的生長環(huán)境，真菌也能夠得到進(jìn)一步繁殖與增長，進(jìn)而提升重金屬的降解速度。與此同時，在土壤中加入生物炭能夠減緩重金屬在土壤中污染蔓延的速度，并提升真菌在對金屬離子吸附后對金屬離子的加固和穩(wěn)定性，避免重金屬離子的進(jìn)一步擴(kuò)散和污染。相關(guān)調(diào)查顯示，真菌在污染較為嚴(yán)重的區(qū)域，具有更好的耐性和更快的繁殖速度，能夠在需要治理的區(qū)域快速形成生物群體，并將生長環(huán)境進(jìn)行大范圍的延展，遍布整個污染區(qū)域，從而實現(xiàn)對污染土壤的全范圍修復(fù)[6]。

3.3 利用藻類實現(xiàn)污染土壤的修復(fù)

從目前的理論研究和實驗成果看，利用藻類實現(xiàn)對土壤的降解治理仍處于實驗階段，在我國土壤治理領(lǐng)域還沒有得到普遍應(yīng)用。目前對藻類微生物的實驗主要是在小范圍植被中進(jìn)行，并通過測試檢驗不同藻類對重金屬離子的吸附能力。相關(guān)試驗結(jié)果表明，0.1 mg的小球藻可以吸附重金屬的數(shù)量是不一樣的，對于汞的吸附量為38.75 mg/m，對于鎘的吸附量為23.63 mg/m，而對于鉛的吸附量是23.63 mg/m等。在藻類中，除了小球藻，其橢圓形以及梅尼小球吸附重金屬的能力也很強(qiáng)。藻類在土壤當(dāng)中對重金屬的吸附以及對土壤降解有著更為復(fù)雜的原理和機(jī)制，通常情況下通過兩個方面來實現(xiàn)。第一個方面是通過藻類細(xì)胞本身的細(xì)胞壁對重金屬離子進(jìn)行吸附，實現(xiàn)土壤中重金屬離子密度的降低，達(dá)到降解和優(yōu)化土壤的作用。第二個方面，藻類微生物可以通過自身的代謝作用向土壤中釋放胞外產(chǎn)物，藻類細(xì)胞所釋放的胞外產(chǎn)物能夠與土壤當(dāng)中的重金屬離子進(jìn)行良好的結(jié)合，有效降低或者消解除重金屬的毒性，實現(xiàn)對土壤降解的功效。但是相較于真菌和細(xì)菌，藻類對重金屬的吸附能力要弱一點，在土壤當(dāng)中發(fā)揮的作用要明顯小于細(xì)菌的作用。目前，藻類更多低被應(yīng)用于水分較多的土壤環(huán)境中或者水資源的治理當(dāng)中，因為藻類植物在生長過程中對水的需求更大，因此，在較為干旱的土壤結(jié)構(gòu)中，藻類植物可能無法發(fā)揮出良好的土壤降解功效。藻類微生物更多地生長在水體當(dāng)中或者含水量較高的土壤當(dāng)中，在土壤當(dāng)中能夠生成有機(jī)物質(zhì)以及自由基等物質(zhì)，這些物質(zhì)可以幫助土壤加快降解。

3.4 利用動物實現(xiàn)污染土壤的修復(fù)

利用土壤當(dāng)中生存的動物實現(xiàn)對污染土壤的修復(fù)是成本較低且易操作的一種土壤降解方式，根據(jù)目前現(xiàn)有階段的實驗成果來看，用于降低土壤中重金屬含量的動物是蚯蚓，蚯蚓對生存環(huán)境的要求較低，因此即便是在重金屬含量較高的土壤環(huán)境當(dāng)中依然能夠生存，蚯蚓在土壤中以有機(jī)物為食，從而通過自身的飲食和排泄實現(xiàn)對土壤成分的改變。根據(jù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)顯示，蚯蚓對土壤中的重金屬鉛和鎘具有非常明顯的降解效果[7]。

3.5 利用植物實現(xiàn)污染土壤的修復(fù)

在土壤降解和修復(fù)領(lǐng)域，植物降解也是經(jīng)常用到的一種方式和手段。具體的操作方式是根據(jù)土壤當(dāng)中含有的某種或者某幾種特定的重金屬種類，在該土壤中進(jìn)行針對性的植物種植，并利用特定植物對重金屬進(jìn)行吸收，從而將土壤當(dāng)中的重金屬離子吸附到植物自身的組織中，也就是利用植物的不斷生長以及對土壤當(dāng)中養(yǎng)分的吸取來完成對重金屬的收集，待植物生長情況穩(wěn)定并完成對重金屬的收集以后，再對這部分植物進(jìn)行統(tǒng)一地銷毀處理，從而達(dá)到污染土壤修復(fù)的目的。

在利用植物對土壤進(jìn)行降解的過程中，可以根據(jù)不同植物對重金屬的吸收情況對植物進(jìn)行針對性地處理，例如部分植物對重金屬的吸收會集中到葉片上，有的植物對重金屬的吸收則會集中到果實上，在這種情況下，就可以通過割取植物對應(yīng)的部位實現(xiàn)對土壤中重金屬的持續(xù)收集。另外，還有部分植物能夠通過自身的生長將土壤當(dāng)中的重金屬元素通過葉片以氣體的形式揮發(fā)出去，從而有效減少土壤當(dāng)中的重金屬含量，例如楊麻可以將土壤中的三價硒離子轉(zhuǎn)變成甲基硒，并將其揮發(fā)出去，從而去除了土壤中硒的污染；煙草可以將Hg2+轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的單質(zhì)Hg[8]。

4 結(jié)語

綜上所述，微生物在重金屬污染土壤修復(fù)中具有非常重要的作用。因此，在未來的發(fā)展過程中，應(yīng)針對不同的微生物群，對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，并不斷提高其應(yīng)用效果，從而達(dá)到改善土壤環(huán)境，確保土壤環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。