污染土壤的生物修复治理技术研究进展

张强刘彬刘巍任津徐圣张斌

（1.湖北省环境科学研究院，武汉 430072；2.湖北省环境监测中心站，武汉 430072）

污染土壤的生物修复治理技术研究进展

张强1刘彬2刘巍1任津1徐圣1张斌1

（1.湖北省环境科学研究院，武汉 430072；2.湖北省环境监测中心站，武汉 430072）

污染土壤的生物修复技术是一种极具潜力的土壤污染绿色修复治理方法，具有高效低耗、环境友好等特点。通过对动物修复、植物修复、微生物修复及联合修复等土壤生物修复治理技术进行分析，探讨了各种工艺技术对重金属、有机物等目标污染物的修复性能及优缺点，旨在为我国土壤污染修复治理技术的选择提供参考。

污染土壤 动物修复 植物修复 微生物修复 联合修复

伴随着我国工业化的迅速发展和农业生产中化肥农药的广泛使用，大量有机和无机污染物通过各种途径进入土壤环境，导致我国土壤污染形势不断加剧。土壤污染不仅影响植物的生长发育及农产品的数量和质量，还会通过食物链影响人类的身体健康和生命安全。土壤污染已成为我国亟待解决的重要环境问题之一。目前，国内外针对土壤的有机和无机污染已经研发了一系列的修复技术。其中，生物修复技术是近年发展起来的一项用于污染土壤治理的绿色修复技术，主要是通过综合利用动物、植物或微生物的生命代谢活动，使土壤中的有害污染物得以去除化或稳定化，土壤质量得以提高或改善的过程。污染土壤的生物修复技术主要包括动物修复、植物修复、微生物修复及联合修复等。

1 动物修复

蚯蚓属环节动物门寡毛纲，是土壤中生物量最大的无脊椎动物，也是目前国内外污染土壤动物修复技术的主要研究对象。Langdon等［1］研究发现在砷（As）污染土壤中长期生活的蚯蚓会对As产生一定的抗性，具有修复As污染土壤的潜力；戈峰等［2］将蚯蚓用于铜矿区废弃场地的生态恢复中发现，蚯蚓对铜矿土壤中的铜（Cu）富集能力很强，体内组织的富集量可达82.5-1 218.4 mg/kg；戈峰等［3］又通过进一步的试验发现，蚯蚓对Se也具有很强的富集能力，其体内组织最高硒富集量为332.5 mg/kg。此外，Singer等［4］在多氯联苯（PCBs）污染土壤中也引入蚯蚓培养，结果发现土壤中PCBs的降解率为55%，而在未培养蚯蚓的污染土壤中，PCBs的降解率仅为39%。目前，仅有上述少数几种污染物导致的土壤污染有采用蚯蚓修复的研究报道，但是蚯蚓在重金属及有机污染土壤的生态监测和评价领域中应用非常广泛，说明其具有一定的重金属富集及有机物降解能力，而具体修复技术的实施应用有待深入研究。除针对蚯蚓的研究外，王一华和张薇等［5，6］分别对

甲螨、线虫等土壤动物生物指示作用进行研究发现，这些土壤动物对农药的富集作用比较明显，具有应用于农药污染土壤修复的潜力。

2 植物修复

植物修复技术是利用植物来转移、容纳或转化环境介质中有毒有害污染物，实现对污染物的无害化处理，进而使污染土壤得到修复与治理。主要包括利用植物超富集或富集性功能的植物提取修复、利用植物根系分泌物控制污染扩散和恢复生态功能的植物固定修复、利用植物转化功能的植物挥发修复、利用植物根系吸附的植物过滤修复技术，以及利用植物根区微生物群分解代谢作用的根际降解技术等。植物修复的对象通常是土壤中的重金属、有机物或放射性元素等。

其中，重金属污染土壤的植物修复技术在国内外都得到了广泛的研究与应用，主要涉及植物挥发、植物提取和植物固定。植物挥发是指利用植物根系分泌的一些特殊物质或微生物使土壤中的硒（Se）、汞（Hg）、As等转化为挥发形态以去除的一种方法。Banuelos等［7，8］研究表明，在Se和Hg污染的土壤中分别种植芥菜和烟草，可使土壤中的Se和Hg通过挥发形式得以有效去除；Meagher等［9］研究表明在Se污染的土壤中种植洋麻可使土壤中Se3+转化为挥发性的甲基硒而得以去除。但值得注意的是，气态Se、Hg、As等挥发到大气中易引发二次污染，因此必须妥善处置植物挥发所产生的有害气体。与植物挥发不同，植物固定则是利用植物根际分泌的特殊物质将根系周围重金属污染物包围使其稳定化的过程。但是，植物固定只是暂时将土壤中的重金属元素固定，使其生物毒性降低更有利于植物种群的生存，并没有彻底从土壤环境中去除重金属，如果环境条件发生变化，重金属离子会再度活化进入土壤并造成危害。

植物提取是目前研究最为广泛和深入的重金属污染植物修复技术，是以植物能耐受和超量富集一种或几种重金属为基础，吸收污染土壤中的重金属并在地上部分累积，然后通过收割植物地上部分从而达到彻底去除重金属的目的。该技术的关键在于超富集植物的筛选，尽管目前世界上已经发现了大量的重金属超富集植物，但这些植物普遍存在生物量低、生长缓慢、地域性较强和修复时间较长等缺陷［10］。因此，国内外学者在寻找超富集植物的同时也开始关注对重金属具有耐性、适应性强、分布广泛和生物量高的一些能源作物和园林花卉等常见植物。这些植物与超富集植物相比体内重金属富集量很低，但因植物生物量及生长速度都远远大于超富集植物，即使体内重金属含量未达到临界含量标准，同样时间内所积累的重金属绝对量反而比超富集植物积累的绝对量大，对重金属污染土壤的修复作用更大。表1为目前国内外学者研究发现的一些对单一或多种重金属元素，如铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）、锰（Mn）等，具有耐性、富集和超富集能力的野生植物、能源作物和观赏花卉等。

除上述直接选用超富集植物持续性吸收提取土壤中的重金属外，学者们还研究发展出了螯合诱导植物提取技术。该技术主要是通过人工添加特定的螯合剂，活化释放被土壤固相吸附固定的重金属离子，并使其溶解进入土壤溶液，从而提高超富集植物对重金属的吸收富集效率［63］。Wu等［64］研究发现，在种植印度芥菜的Cu、Pb污染土壤中施加乙二胺四乙酸（EDTA）可显著增加印度芥菜地上部分的Cu、Pb含量，相较于未添加EDTA的对照组分别高1倍和2倍；Debra等［65］也发现在利用印度荠菜修复土壤中Cd污染时，添加EDTA可使其体内Cd富集浓度从131 mg/kg提高到1 283 mg/kg；Deram等［66］发现在种植双叶燕麦草的重金属污染土壤中施加适量EDTA后，双叶燕麦草对Cu的累积浓度由200 mg/kg增加到7 500 mg/kg，钴（Co）由40 mg/kg增加到175 mg/kg，镍（Ni）由8 mg/kg增加到1 276 mg/kg。除EDTA外，乙二醇双四乙酸（EGTA）、乙二胺二琥珀酸（EDDS）和二乙基三乙酸（NTA）等也是常用的螯合剂。Zhou等［67］研究表明EGTA可显著促进超富集植物对土壤中Cd的吸收；裘希雅等［68］的田间小区试验表明EDDS能显著提高海州香薷对Cu、Zn、Pb的吸收；Quartacci等［69］发现施加NTA后印度芥菜地上部分Cd、Zn的浓度提高了2倍，Cu的浓度提高了3倍。

在土壤重金属污染的植物修复技术日趋成熟的同时，土壤有机污染的植物修复技术也取得了长足的进步和发展。Campbell等［70］通过研究发现工业大麻具有一定修复苯并［a］芘和屈污染土壤的能力，可用于苯并［a］芘和屈污染土壤的修复；许端平等［71］研究发现高粱和玉米对石油烃具有一定的降解去除作用，对多环芳烃和直链烷烃具有一定的积累与富集作用；蔡顺香等［72］种植黑麦草来修复芘污染土壤发现，黑麦草对低含量芘污染的土壤具有较好的修复效果；潘淑颖等［73］研究了喜氯的特异性植物芹菜对有机氯农药DDT污染土壤的修复，也取得了较好的修复效果；董亚明等［74］还研究了芦苇、柽柳、沙枣对石油污染土壤的修复效果，结果表明经过80 d的修复，污染土壤中石油烃的去除率可达到

26.50 %-31.27%，明显高于空白的15.57%-20.34%。

表1 国内外常见重金属耐性、富集和超富集植物

与传统的物化修复方法相比，植物修复具有运行费用低、减少土壤侵蚀、不造成二次污染和美化景观等特点，是一种很有潜力的修复土壤环境污染的绿色技术，具有广泛的应用前景。但是植物修复技术也尚存在一些缺点，如植物对重金属污染物的耐性有限、修复耗时长，因此植物修复只适用于中低污染程度的重金属修复；对于多种重金属或/和有机物造成的土壤复合污染，单一的植物往往不能取得理想的修复效果等。

3 微生物修复

土壤中微生物数量众多，某些微生物如细菌和真菌等对重金属具有吸附、沉淀、氧化还原等作用，从而可降低污染土壤中重金属的生物有效性，达到修复污染的目的。微生物修复重金属污染的机制主要有生物吸附、胞外沉淀、生物转化、生物累积和外排作用。Cernansky等［75］在高As含量的沉积物中分离得到一株As吸收能力较强的耐高温真菌，发现该真菌几乎能将所吸收的As全部以气态形式释放到体外；Srivastava等［76］研究发现了4种菌株在10 mg/L的As污染介质中培养21 d之后可将22.31%-29.86%的As通过挥发而去除。Desjardin等［77］发现Cr污染土壤中存在的Cr还原菌株能将Cr6+还原成低迁移率的Cr3+，显著降低Cr的生物有效性；Chai等［78］也发现了一种土著菌可有效去除土壤中的总Cr6+，去除率高达98%。此外，Tiwari等［79］从香蒲根际中分离出了一些菌株能有效钝化固定土壤中的Cu和Cd；肖根林等［80］发现一种光合细菌 ——球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）能使土壤中可交换态和碳酸盐结合态Cd含量降低，显著降低Cd的生物有效性。

微生物修复有机污染主要是利用微生物的代谢过程将土壤中的有机污染物转化为二氧化碳、水、脂肪酸等无毒物质的过程。王莉丽等［81］从石油污染土壤中筛选出铜绿假单胞菌和凝结芽孢杆菌用于修复油污土壤，发现投加降解菌后土壤中水溶性有机物的芳构化程度显著降低；吴涛等［82］研究发现，在含盐量为0.22%和0.61%土壤中添加耐盐菌Serratia BF40，降解40 d后，土壤总石油烃降解率可达50%以上；董亚明等［83］利用筛选获得的石油烃降解混合菌KL9-1对稠油污染土壤进行修复，70 d后石油烃降解率最高可达54.07%。除石油污染外，Fidlej等［84］发现烟管菌属菌株BOS55对蒽和苯并［a］芘有很好的降解效果，二者的去除率分别高达99.2%和83%；罗雪梅等［85］研究发现枯草芽孢杆菌能够吸附或降解菲和苯并［a］芘，二者的去除率也分别高达98%和85%。Wang等［86］还研究发现生丝微菌MAP-1对1 000 mg/kg的甲胺磷去除率可达100%（36 h），对100 mg/kg的乙酰甲胺磷去除率可达100%（5 d），对100 mg/kg的水胺硫磷去除率可达73.5%（5 d）。此外，为了进一步提高微生物修复效率，学者们还研究了固定化微生物技术，即将分散、游离的微生物通过物理或化学的方法固定在某一限定空间区域内，以提高微生物细胞的浓度，保持较高的生物活性，同时也屏蔽外界不利因素和土著菌恶性竞争的侵害。Su等［87］用玉米棒吸附固定真菌以修复苯并［a］芘污染土壤，发现固定化菌对环境适应能力更强、反应启动速度更快，对苯并［a］芘去除效果更好。

微生物修复是一种低成本、高效能的利用生物技术治理土壤污染的绿色修复方法，具有效果好、易操作、无二次污染等特点。但是修复速度慢且周期长以及微生物物种的挑选受多种因素的制约，使其在土壤污染修复中的应用存在一定的困难。目前该技术处于实验室或模拟试验阶段的研究成果较多，商业化应用则有待该技术的进一步成熟和创新性技术的开发。

4 联合修复技术

协同两种或两种以上修复方法，形成联合修复技术，不仅可以提高污染土壤的修复速率与效率，而且可以克服单项修复技术的局限性，实现对多种污染物复合污染土壤的修复。Ma等［88］研究了木本豆科植物与蚯蚓协同对Pb、Zn尾矿土壤进行修复，发现蚯蚓的存在可使植物吸收重金属比率提高16%-53%；马淑敏等［89］采用甜高粱与蚯蚓协同对Cd污染土壤进行修复，结果表明蚯蚓能显著提高高粱生物量以及对Cd的吸收量。相对于动植物协同修复而言，植物与微生物协同修复技术的研究和发展则更

为深入和成熟。Rajkumar等［90］给蓖麻接种两种抗重金属的植物促生菌后发现蓖麻生物量和体内Zn、Ni、Cu的积累量均显著增加；Tseng等［91］通过给鬼针草和龙珠果接种丛枝菌根真菌极大地提高了两种植物对污染土壤中Cu、Pb、Zn的吸收积累；李春荣等［92］等在种植玉米和向日葵的石油污染土壤中添加外源菌（DX-9）后，石油降解率分别提高了30.3%和30.0%；Zhang等［93］通过种植铺地黍、牛筋草、高羊茅等草本植物以促进土著菌对石油的降解，结果发现种植植物后石油降解速率提高了2.33-3.19倍。此外，卓胜等［94］还研究了黑麦草-蚯蚓-菌根的动植微生物联合技术修复PCBs污染土壤，结果表明菌根和蚯蚓相互作用可以显著提高黑麦草修复土壤PCBs的能力，PCBs去除率达到61.05%，说明联合修复具有良好的应用潜力。

5 结语

特定污染现场的实际情况通常比较复杂，往往同时有多种污染物存在造成土壤的复合污染，较之单一污染治理难度更大。而污染土壤的生物修复技术通常具有运行费用低、修复效果好、减少土壤侵蚀、不造成二次污染等优点，是一种极具潜力的土壤污染绿色修复技术，但同时也具有修复速度慢且周期长、仅适用于中低污染浓度水平等局限性。因此，针对我国日益严重的土壤污染形势和成因复杂的污染现状，克服单一治理技术的不足，联合运用生物与物化技术进行综合治理是污染土壤修复的发展方向。

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（责任编辑 狄艳红）

The Biological Remediation Technology for the Contaminated Soil

Zhang Qiang1Liu Bin2Liu Wei1Ren Jin1Xu Sheng1Zhang Bin1
（1. Hubei Academy of Environmental Science，Wuhan 430072；2. Hubei Environmental Monitoring Central Station，Wuhan 430072）

Biological remediation of contaminated soil is a potential contamination control technology by its characteristic of high efficiency, low cost and no pollution. The paper analyzed several biological remediation technologies such as animal remediation, phytoremediation, microbial remediation and combined remediation, discussed the technical features of these technologies for treating heavy metals, organic compounds, etc. and provided reference for the remediation of contaminated soil in China by suitable technology.

Contaminated soil Animal remediation Phytoremediation Microbial remediation Combined remediation

2014-02-20

张强，男，博士，工程师，研究方向：污染控制工程；E-mail：d.ang@163.com