重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

　近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境問題變得越來越嚴(yán)重，其中，土壤重金屬污染問題尤為突出，嚴(yán)重威脅著我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，因此，研究和治理土壤重金屬污染問題變得十分重要。
 

　　重金屬污染土壤
 

　　目前，治理方法包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)，生物修復(fù)以技術(shù)成本低、處理效果好、無二次污染等優(yōu)勢(shì)越來越受到廣泛應(yīng)用。在論述生物修復(fù)技術(shù)的概念、方法、特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，指出了生物修復(fù)技術(shù)存在的不足和今后的發(fā)展方向。
 

　　目前，由于生活和工業(yè)生產(chǎn)中一些污染物的不合理處置，使得大面積的土壤和水體受到污染，其中，土壤重金屬污染尤為嚴(yán)重，特別是鎘和鉛污染，當(dāng)重金屬含量超出土壤或水體的自凈能力時(shí)，在短期內(nèi)很難去除，而土壤中過量的重金屬含量不但會(huì)使土壤肥力下降，影響作物生長發(fā)育，而且使得作物的重金屬含量較高，并可通過食物鏈進(jìn)入人體，為害到人體的健康。此外，重金屬會(huì)通過降雨等滲入地下水，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。在20世紀(jì)80年代中期，一些歐美國家首次探索用生物技術(shù)來修復(fù)污染的土壤和水體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其治理效果明顯優(yōu)于物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)。物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要是通過物理、化學(xué)方式來解析或固定土壤中的重金屬，從而減少重金屬對(duì)環(huán)境的毒害。但這2種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，技術(shù)量大，成本高，可能破壞土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致生物活性下降和土壤肥力退化，這些缺點(diǎn)限制了其發(fā)展。生物修復(fù)技術(shù)以其費(fèi)用低，效果好，不會(huì)或很少造成二次污染的特點(diǎn)吸引著越來越多的科研人員從事其研究與實(shí)踐，因此，在土壤污染治理中，生物修復(fù)技術(shù)將會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。
 

　　筆者主要介紹了生物修復(fù)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為了提高其修復(fù)效率，通過分析該修復(fù)技術(shù)存在的問題，針對(duì)其問題提出解決方案，并探索其未來的發(fā)展方向，為土壤污染修復(fù)領(lǐng)域提出新的思路。
 

　　土壤重金屬污染現(xiàn)狀
 

　　土壤重金屬污染是由于人類工業(yè)生產(chǎn)或生活產(chǎn)生的重金屬或其化合物進(jìn)入土壤并積累，當(dāng)超過其自我凈化能力時(shí)，土壤性狀和質(zhì)量就會(huì)發(fā)生改變，從而造成環(huán)境污染，最終對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響和危害。重金屬具有獨(dú)特的特點(diǎn)，即隱蔽性、普遍性、積累性、不可逆轉(zhuǎn)性、形態(tài)多變性、遷移轉(zhuǎn)化形式多復(fù)合性和綜合性等。
 

　　隨著工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，土壤重金屬污染越來越嚴(yán)重，現(xiàn)已成為一個(gè)世界性的問題。2011年11月，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織統(tǒng)計(jì)得出，全球耕地嚴(yán)重退化面積達(dá)到25%，其退化原因主要是土壤污染。李國平調(diào)查表明，全國目前約有1.3萬hm2耕地受到Cd污染，涉及11個(gè)省市25個(gè)地區(qū)；而受到Hg污染的耕地約有3.2萬hm2，涉及到15個(gè)省市21個(gè)地區(qū)。2011年4月初，針對(duì)防治重金屬污染這一環(huán)境問題，我國提出第1個(gè)“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃，并強(qiáng)調(diào)要控制5種重金屬(鉛、汞、鎘、鉻、類金屬砷)。統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前我國土壤的污染狀況：耕地大于草地、林地土壤；無機(jī)型污染重于有機(jī)型，而復(fù)合型污染相對(duì)較輕；南方土壤污染狀況重于北方，而我國的一些老工業(yè)基地土壤污染問題特別嚴(yán)重。因此，修復(fù)與治理受污染的土壤將是我們必須面臨的挑戰(zhàn)。
 

　　山西作為我國重要的工業(yè)基地，因采礦和工業(yè)制造導(dǎo)致的土壤重金屬污染問題尤為突出，栗獻(xiàn)研究表明，太原市污灌區(qū)土壤重金屬污染指數(shù)和單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)均較高，其中，Hg，Cd在構(gòu)成土壤環(huán)境污染的同時(shí)，也造成了相應(yīng)的生態(tài)危害。
 

　　生物修復(fù)在土壤重金屬污染治理中的應(yīng)用現(xiàn)狀
 

　　生物修復(fù)是利用天然或人工改造的生物的生命代謝活動(dòng)來降低污染物的濃度，甚至達(dá)到無害的效果，其用于修復(fù)的生物有動(dòng)物、植物、微生物。生物修復(fù)可使污染物濃度達(dá)到最大限度地下降，而且成本低，修復(fù)時(shí)間較短，對(duì)周圍環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生大的干擾。作為一種新技術(shù)，在土壤污染治理領(lǐng)域，尤其是在土壤重金屬污染治理方面，越來越受到關(guān)注。
 

　　1植物修復(fù)
 

　　植物修復(fù)技術(shù)是直接利用綠色植物及與其共存的微生物系統(tǒng)來吸收、富集環(huán)境污染物的一項(xiàng)新技術(shù)。重金屬對(duì)植物的毒害作用表現(xiàn)在影響植物的萌芽、生長發(fā)育、光合作用、生理代謝和植物體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)含量的改變等方面。近年來的研究表明，植物修復(fù)是一種更經(jīng)濟(jì)更易于操作的污染修復(fù)技術(shù)，用超富集植物修復(fù)重金屬污染土壤的類型主要有植物吸收、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定3種。植物吸收指利用超富集植物的根系從污染土壤中吸收重金屬，然后再將其轉(zhuǎn)移到植物地上部，最終達(dá)到去除重金屬的目的；植物揮發(fā)是指植物將自身吸收與積累的重金屬元素轉(zhuǎn)化成可揮發(fā)的形態(tài)，從植物體揮發(fā)出來，達(dá)到去除重金屬的目的；植物穩(wěn)定是指利用植物來降低重金屬的活性，減少其生物有效性，或促進(jìn)其轉(zhuǎn)化為低毒形態(tài)，降低其危害性。楊秀敏等認(rèn)為，在受重金屬污染的土地上種植超富集植物，利用植物自身的新陳代謝活動(dòng)，可把重金屬轉(zhuǎn)化為具有較低毒性的形態(tài)。目前，植物修復(fù)已取得了很好的修復(fù)效果，如李坤陶通過在污染區(qū)種植水生植物鳳眼蓮，結(jié)果顯示，其對(duì)汞、鉛、鎘、銅、砷和鉻的富集程度達(dá)到了當(dāng)?shù)丨h(huán)境中重金屬濃度的幾十、幾百倍，還有部分富集程度甚至達(dá)到環(huán)境濃度的上千倍。蔣先軍等通過引進(jìn)印度芥菜，研究了該植物對(duì)銅、鋅、鎘、鉛等重金屬的富集效果，結(jié)果表明，當(dāng)土壤中含Cu250mg/kg，Pb或Zn500mg/kg時(shí)，該植物依然能夠正常生長，而當(dāng)土壤中Cd濃度達(dá)到200mg/kg時(shí)，該植物便會(huì)出現(xiàn)失綠黃化癥狀，而當(dāng)鎘和中等濃度的鋅、銅、鉛共存時(shí)，植物中毒更為嚴(yán)重，最終表明該植物適用于鋅、銅、鉛中等污染土壤的修復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，有700多種超積累重金屬植物，一般對(duì)Cr，Co，Ni，Cu，Pb的積累量在1000mg/kg以上。
 

　　2微生物修復(fù)
 

　　微生物修復(fù)技術(shù)是利用自然環(huán)境中現(xiàn)有的微生物或經(jīng)人為培養(yǎng)，并具有特殊功效的微生物的生命代謝活動(dòng)，通過轉(zhuǎn)化或降解環(huán)境中的重金屬來降低其毒性，達(dá)到良好的修復(fù)效果。微生物修復(fù)在生物修復(fù)中起著主導(dǎo)作用，利用其新陳代謝活動(dòng)來對(duì)物質(zhì)進(jìn)行各種轉(zhuǎn)化作用。DEREK等認(rèn)為，微生物修復(fù)主要是通過2種機(jī)理來達(dá)到修復(fù)效果，第一是通過微生物代謝產(chǎn)物或反應(yīng)使污染地中重金屬元素發(fā)生形態(tài)改變，從而達(dá)到降低重金屬毒性的目的；第二是利用微生物代謝活動(dòng)改變其價(jià)態(tài)，使重金屬元素成為一種易溶物，然后從土壤中濾除，實(shí)現(xiàn)修復(fù)的目的。目前，微生物修復(fù)技術(shù)取得了很大成效，例如，有外國學(xué)者曾從受重金屬污染的污泥中分離、篩選出多種微生物，并對(duì)其進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其中有一種微生物對(duì)鎘有極高的耐受性，并利用其修復(fù)受污染的土壤，其對(duì)環(huán)境中鎘的去除率達(dá)到了63%～70%。微生物修復(fù)技術(shù)不僅能去除污染土壤中的有害物質(zhì)，還能提高污染地區(qū)的土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)。牛旭等曾研究過微生物對(duì)礦區(qū)復(fù)墾的作用，對(duì)于受重金屬污染的礦區(qū)土壤，其含有一些難降解的腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)會(huì)影響土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，土壤的疏松度也會(huì)受到影響，而通過微生物修復(fù)，利用多種土壤微生物共同降解這些腐殖質(zhì)，積累土壤有機(jī)質(zhì)，可起到改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力的作用。常勃等[18]也對(duì)微生物復(fù)墾技術(shù)進(jìn)行了研究，認(rèn)為微生物修復(fù)在礦區(qū)土壤結(jié)構(gòu)改善、養(yǎng)分增加和酶活性提高方面都有潛在的巨大作用。
 

　　3動(dòng)物修復(fù)
 

　　土壤重金屬污染的動(dòng)物修復(fù)技術(shù)，即利用土壤中自身存在的動(dòng)物及其腸道中現(xiàn)有的微生物，在自然條件或人為優(yōu)化下，在其生長、繁殖、穿插等代謝活動(dòng)過程中，對(duì)污染物進(jìn)行去除、分解、消解和富集作用，以減少或消除污染物的一種生物修復(fù)技術(shù)。鄧?yán)^福等對(duì)生活在重金屬污染區(qū)土壤中的蚯蚓和蜘蛛進(jìn)行體內(nèi)重金屬含量的檢測(cè)分析，結(jié)果顯示，蚯蚓、蜘蛛對(duì)重金屬元素有很強(qiáng)的富集能力，其體內(nèi)的Cd，Pb，As等重金屬含量與污染區(qū)土壤中重金屬的含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系；馬正學(xué)等在研究采礦廢物對(duì)土壤原生動(dòng)物的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，腐生波豆蟲和梅氏扁豆蟲對(duì)鉛有很高的富集作用。
 

　　生物修復(fù)技術(shù)存在的問題
 

　　生物修復(fù)在治理重金屬污染方面有很多優(yōu)點(diǎn)，但因生物自身的特性，仍有一定的局限性：
 

　　(1)生物對(duì)各種重金屬都有一定的耐受范圍，當(dāng)受重金屬污染的環(huán)境中其污染程度超過用于修復(fù)的生物的耐受極限時(shí)，該生物的新陳代謝活動(dòng)將不能正常進(jìn)行，因此將影響生物修復(fù)的效果；
 

　　(2)用于修復(fù)的生物可能與當(dāng)?shù)赝林锎嬖诜N間競(jìng)爭，因?yàn)槿狈?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使得生物修復(fù)效果可能沒有理論效果好；
 

　　(3)生物修復(fù)中，生物極易受外部環(huán)境影響，酸堿度、溫度以及其他環(huán)境因素等都會(huì)制約生物修復(fù)的效率；
 

　　(4)生物修復(fù)技術(shù)專一性較強(qiáng)，而環(huán)境污染一般是受多種重金屬及其他污染物的復(fù)合污染。
 

　　生物修復(fù)技術(shù)未來展望
 

　　目前，對(duì)于生物修復(fù)技術(shù)的研究，我國起步較晚，現(xiàn)在主要集中于植物和微生物修復(fù)2個(gè)方面。為了提高該技術(shù)的修復(fù)效率，使得生物修復(fù)具有更優(yōu)的可行性和高效性，通過分析重金屬污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)存在的問題，提出未來發(fā)展方向：
 

　　(1)深化基礎(chǔ)理論，加強(qiáng)生物修復(fù)機(jī)理的研究。
 

　　(2)建立統(tǒng)一的修復(fù)后續(xù)處理系統(tǒng)裝置或完善方法。生物修復(fù)技術(shù)的后續(xù)處理及土壤污染中的重金屬回收處理方式有很大的研究價(jià)值。
 

　　(3)結(jié)合先進(jìn)的技術(shù)，如基因工程、現(xiàn)代分子生物學(xué)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)等，充分利用各修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。
 

　　(4)植物、動(dòng)物、微生物聯(lián)合修復(fù)。三者相互作用，修復(fù)受損的土壤生態(tài)系統(tǒng)，最終達(dá)到高效、完善的修復(fù)效果。
 

　　編輯點(diǎn)評(píng)
 

　　目前，由于生活和工業(yè)生產(chǎn)中一些污染物的不合理處置，使得大面積的土壤和水體受到污染。其中，以重金屬污染為突出問題。重金屬污染嚴(yán)重的土壤不僅會(huì)對(duì)農(nóng)作物生長造成危害，還會(huì)經(jīng)由農(nóng)作物和水進(jìn)入人體，在人體內(nèi)富集威脅生命健康。目前我國針對(duì)重金屬污染展開一系列治理工作，并研發(fā)許多科學(xué)技術(shù)，對(duì)土壤污染進(jìn)行修復(fù)治理，成效明顯。
 

　　(原標(biāo)題：重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向)