重金属污染土壤生物修复技术研究现状及发展方向

张敏，郜春花，李建华，卢晋晶，卢朝东，靳东升，刘靓

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

重金属污染土壤生物修复技术研究现状及发展方向

张敏1，郜春花2，李建华2，卢晋晶2，卢朝东2，靳东升2，刘靓1

（1.山西大学生物工程学院，山西太原030006；2.山西省农业科学院农业环境与资源研究所，山西太原030031）

近年来，随着工业的快速发展，环境问题变得越来越严重，其中，土壤重金属污染问题尤为突出，严重威胁着我国农业的可持续发展，因此，研究和治理土壤重金属污染问题变得十分重要。目前，治理方法包括物理修复、化学修复和生物修复，生物修复以技术成本低、处理效果好、无二次污染等优势越来越受到广泛应用。在论述生物修复技术的概念、方法、特点及应用现状的基础上，指出了生物修复技术存在的不足和今后的发展方向。

土壤；重金属污染；生物修复技术；研究现状；发展方向

目前，由于生活和工业生产中一些污染物的不合理处置，使得大面积的土壤和水体受到污染，其中，土壤重金属污染尤为严重，特别是镉和铅污染，当重金属含量超出土壤或水体的自净能力时，在短期内很难去除，而土壤中过量的重金属含量不但会使土壤肥力下降，影响作物生长发育，而且使得作物的重金属含量较高，并可通过食物链进入人体，为害到人体的健康[1]。此外，重金属会通过降雨等渗入地下水，对整个生态系统构成威胁。在20世纪80年代中期，一些欧美国家首次探索用生物技术来修复污染的土壤和水体，结果发现，其治理效果明显优于物理、化学修复技术[2]。物理、化学修复技术主要是通过物理、化学方式来解析或固定土壤中的重金属，从而减少重金属对环境的毒害[3]。但这2种技术在实际应用中，技术量大，成本高，可能破坏土壤结构，导致生物活性下降和土壤肥力退化，这些缺点限制了其发展[3]。生物修复技术以其费用低，效果好，不会或很少造成二次污染的特点吸引着越来越多的科研人员从事其研究与实践，因此，在土壤污染治理中，生物修复技术将会有广泛的应用前景。

笔者主要介绍了生物修复技术的研究现状，为了提高其修复效率，通过分析该修复技术存在的问题，针对其问题提出解决方案，并探索其未来的发展方向，为土壤污染修复领域提出新的思路。

1 土壤重金属污染现状

土壤重金属污染是由于人类工业生产或生活产生的重金属或其化合物进入土壤并积累，当超过其自我净化能力时，土壤性状和质量就会发生改变，从而造成环境污染，最终对人体健康和生态环境产生影响和危害[4]。重金属具有独特的特点，即隐蔽性、普遍性、积累性、不可逆转性、形态多变性、迁移转化形式多、复合性和综合性等[1，5]。

随着工农业快速发展，土壤重金属污染越来越严重，现已成为一个世界性的问题。2011年11月，联合国粮食及农业组织统计得出，全球耕地严重退化面积达到25%，其退化原因主要是土壤污染[6]。李国平[7]调查表明，全国目前约有1.3万hm2耕地受到Cd污染，涉及11个省市25个地区；而受到Hg污染的耕地约有3.2万hm2，涉及到15个省市21个地区。2011年4月初，针对防治重金属污染这一环境问题，我国提出第1个“十二五”专项规划，并强调要控制5种重金属（铅、汞、镉、铬、类金属砷）。统计资料显示，目前我国土壤的污染状况：耕地大于草地、林地土壤；无机型污染重于有机型，而复合型污染相对较轻；南方土壤污染状况重于北方，而我国的一些老工业基地土壤污染问题特别严重[8]。因此，修复与治理受污染的土壤将是我们必须面临的挑战。

山西作为我国重要的工业基地，因采矿和工业制造导致的土壤重金属污染问题尤为突出，栗献锋[8]研究表明，太原市污灌区土壤重金属污染指数和单因子潜在生态危害系数均较高，其中，Hg，Cd在构成土壤环境污染的同时，也造成了相应的生态危害。

2 生物修复在土壤重金属污染治理中的应用现状

生物修复是利用天然或人工改造的生物的生命代谢活动来降低污染物的浓度，甚至达到无害的效果，其用于修复的生物有动物、植物、微生物[9]。生物修复可使污染物浓度达到最大限度地下降，而且成本低，修复时间较短，对周围环境不会产生大的干扰[2]。作为一种新技术，在土壤污染治理领域，尤其是在土壤重金属污染治理方面，越来越受到关注。

2.1 植物修复

植物修复技术是直接利用绿色植物及与其共存的微生物系统来吸收、富集环境污染物的一项新技术[10]。重金属对植物的毒害作用表现在影响植物的萌芽、生长发育、光合作用、生理代谢和植物体内化学物质含量的改变等方面[11]。近年来的研究表明，植物修复是一种更经济更易于操作的污染修复技术，用超富集植物修复重金属污染土壤的类型主要有植物吸收、植物挥发和植物稳定3种[12]。植物吸收指利用超富集植物的根系从污染土壤中吸收重金属，然后再将其转移到植物地上部，最终达到去除重金属的目的；植物挥发是指植物将自身吸收与积累的重金属元素转化成可挥发的形态，从植物体挥发出来，达到去除重金属的目的；植物稳定是指利用植物来降低重金属的活性，减少其生物有效性，或促进其转化为低毒形态，降低其危害性[12]。杨秀敏等[9]认为，在受重金属污染的土地上种植超富集植物，利用植物自身的新陈代谢活动，可把重金属转化为具有较低毒性的形态。目前，植物修复已取得了很好的修复效果，如李坤陶[10]通过在污染区种植水生植物凤眼莲，结果显示，其对汞、铅、镉、铜、砷和铬的富集程度达到了当地环境中重金属浓度的几十、几百倍，还有部分富集程度甚至达到环境浓度的上千倍。蒋先军等[13]通过引进印度芥菜，研究了该植物对铜、锌、镉、铅等重金属的富集效果，结果表明，当土壤中含Cu 250 mg/kg，Pb或Zn 500 mg/kg时，该植物依然能够正常生长，而当土壤中Cd浓度达到200 mg/kg时，该植物便会出现失绿黄化症状，而当镉和中等浓度的锌、铜、铅共存时，植物中毒更为严重，最终表明该植物适用于锌、铜、铅中等污染土壤的修复[13]。研究发现，有700多种超积累重金属植物，一般对Cr，Co，Ni，Cu，Pb的积累量在1 000 mg/kg以上[14]。

2.2 微生物修复

微生物修复技术是利用自然环境中现有的微生物或经人为培养，并具有特殊功效的微生物的生命代谢活动，通过转化或降解环境中的重金属来降低其毒性，达到良好的修复效果[10]。微生物修复在生物修复中起着主导作用，利用其新陈代谢活动来对物质进行各种转化作用[10]。DEREK等[15]认为，微生物修复主要是通过2种机理来达到修复效果，第一是通过微生物代谢产物或反应使污染地中重金属元素发生形态改变，从而达到降低重金属毒性的目的；第二是利用微生物代谢活动改变其价态，使重金属元素成为一种易溶物，然后从土壤中滤除，实现修复的目的[15]。目前，微生物修复技术取得了很大成效，例如，有外国学者曾从受重金属污染的污泥中分离、筛选出多种微生物，并对其进行培养，发现其中有一种微生物对镉有极高的耐受性，并利用其修复受污染的土壤，其对环境中镉的去除率达到了63%～70%[16]。微生物修复技术不仅能去除污染土壤中的有害物质，还能提高污染地区的土壤肥力，改善土壤结构。牛旭等[17]曾研究过微生物对矿区复垦的作用，对于受重金属污染的矿区土壤，其含有一些难降解的腐殖质，腐殖质会影响土壤团粒结构的形成，土壤的疏松度也会受到影响，而通过微生物修复，利用多种土壤微生物共同降解这些腐殖质，积累土壤有机质，可起到改善土壤结构、提高土壤肥力的作用。常勃等[18]也对微生物复垦技术进行了研究，认为微生物修复在矿区土壤结构改善、养分增加和酶活性提高方面都有潜在的巨大作用。

2.3 动物修复

土壤重金属污染的动物修复技术，即利用土壤中自身存在的动物及其肠道中现有的微生物，在自然条件或人为优化下，在其生长、繁殖、穿插等代谢活动过程中，对污染物进行去除、分解、消解和富集作用，以减少或消除污染物的一种生物修复技术[19]。邓继福等[20]对生活在重金属污染区土壤中的蚯蚓和蜘蛛进行体内重金属含量的检测分析，结果显示，蚯蚓、蜘蛛对重金属元素有很强的富集能力，其体内的Cd，Pb，As等重金属含量与污染区土壤中重金属的含量呈明显的正相关关系；马正学等[21]在研究采矿废物对土壤原生动物的影响时发现，腐生波豆虫和梅氏扁豆虫对铅有很高的富集作用。

3 生物修复技术存在的问题

生物修复在治理重金属污染方面有很多优点，但因生物自身的特性，仍有一定的局限性[22]：（1）生物对各种重金属都有一定的耐受范围，当受重金属污染的环境中其污染程度超过用于修复的生物的耐受极限时，该生物的新陈代谢活动将不能正常进行，因此将影响生物修复的效果；（2）用于修复的生物可能与当地土著生物存在种间竞争，因为缺乏实践经验，使得生物修复效果可能没有理论效果好；（3）生物修复中，生物极易受外部环境影响，酸碱度、温度以及其他环境因素等都会制约生物修复的效率[10]；（4）生物修复技术专一性较强，而环境污染一般是受多种重金属及其他污染物的复合污染。

4 生物修复技术未来展望

目前，对于生物修复技术的研究，我国起步较晚，现在主要集中于植物和微生物修复2个方面。为了提高该技术的修复效率，使得生物修复具有更优的可行性和高效性，通过分析重金属污染土壤的生物修复技术存在的问题，提出未来发展方向[2]：（1）深化基础理论，加强生物修复机理的研究。（2）建立统一的修复后续处理系统装置或完善方法。生物修复技术的后续处理及土壤污染中的重金属回收处理方式有很大的研究价值。（3）结合先进的技术，如基因工程、现代分子生物学、转基因技术等，充分利用各修复技术的优势[9]。（4）植物、动物、微生物联合修复。三者相互作用，修复受损的土壤生态系统，最终达到高效、完善的修复效果[22]。

［1］张璐.微生物强化重金属污染土壤植物修复的研究[D].长沙：湖南大学，2007：3-4.

［2］赵素丽，谯华.生物修复技术的发展现状[J].重庆工业高等专科学校学报，2004，19（5）：14-16.

［3］黄益宗，郝晓伟，雷鸣，等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J].农业环境科学学报，2013，32（3）：409-417.

［4］李顺，史忠诚，赵玉龙.场地土壤重金属污染及其修复技术研究现状[J].环境研究与监测，2009（1）：43-47.

［5］王义，黄先飞，胡继伟，等.重金属污染与修复研究进展[J].河南农业科学，2012，41（4）：1-6.

［6］陈浩，杨达源，金晓斌.石河子垦区耕地土壤污染问题分析[J].干旱区资源与环境，2013，27（2）：186-192.

［7］李国平.地基GPS气象学[M].北京：科学出版社，2010：6-8.

［8］栗献锋.太原市污灌区土壤重金属分布特征及风险评价[J].山西农业科学，2012，40（7）：742-746，774.

［9］杨秀敏，胡桂娟，杨秀红，等.生物修复技术的应用及发展[J].中国矿业，2007，16（12）：58-60.

［10］李坤陶.生物修复技术及其应用[J].生物学教学，2007，32（1）：4-6.

［11］梁芳，郭晋平.植物重金属毒害作用机理研究进展[J].山西农业科学，2007，35（11）：59-61.

［12］张溪，周爱国，甘义群，等.金属矿山土壤重金属污染生物修复研究进展[J].环境科学与技术，2010，33（3）：106-111.

［13］蒋先军，骆永明，赵其国.重金属污染土壤的植物修复研究Ⅰ.金属富集植物Brassica juncea对铜、锌、镉、铅污染的响应[J].土壤，2000，32（2）：71-78.

［14］白彦真，谢英荷，张小红.重金属污染土壤植物修复技术研究进展[J].山西农业科学，2012，40（6）：695-697.

［15］DEREK R LOVLEV，JOHN D COATEST.Bioremediation of metal contamination[J].Environment Biotechnology，1997（8）：285-289.

［16］MASSACCESI G.Cadmium removal eapacities of filamentous soil fungi isolated fromindustriallypolluted sediments，in La Plata（Argentina）[J].World J Microbiol Biotechnol，2002（18）：817-820.

［17］牛旭，郜春花.微生物技术在矿区复垦中的应用[J].山西农业科学，2014，42（3）：303-306.

［18］常勃，李建华，郜春花，等.微生物复垦技术在矿区生态重建中的应用[J].山西农业科学，2012，40（10）：1071-1074.

［19］刘军，刘春生，纪洋，等.土壤动物修复技术作用的机理及展望[J].山东农业大学学报，2009，40（2）：313-316.

［20］邓继福，王振中，张友梅，等.重金属污染对土壤动物群落生态影响的研究[J].环境科学，1996，17（2）：1-5.

［21］马正学，龚大洁，宁应之，等.铅锌矿采矿废物污染对土壤原生动物的影响[J].甘肃科学学报，2002（3）：53-57.

［22］罗辉，朱易春，冯秀娟.重金属污染土壤的生物修复技术研究进展[J].安徽农业科学，2015，43（5）：224-227.

Research Status and Development Direction of Bioremediation Technique on Heavy Metal Contaminated Soil

ZHANGMin1，GAOChunhua2，LI Jianhua2，LUJinjing2，LUChaodong2，JINDongsheng2，LIULiang1
（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment&Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

In recent years,environmental problems are becoming more and more serious with the rapid development of industry. The problem of soil heavy metal pollution is particularly serious,which seriously threatens the sustainable development of agriculture in China,so it is becoming more and more important to research and control the soil heavy metal pollution.At present,the methods include physical,chemical remediation and bioremediation.The bioremediation has been widely used in soil pollution control,because it has the character oflowcost,good treatment effect,and nosecondarypollution.This paper pointed out the existingproblems and the development direction on the basis ofstatingthe concept,methods,characteristics and research status ofthe bioremediation.

soil;heavymetal contaminated;bioremediation technique;research status;development direction

X53

A

1002-2481（2017）04-0674-03

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.04.44

2016-12-02

山西省重点研发计划项目（201603D421044，201603D21110-1）；山西省农业科学院重点攻关项目（YGG1628）

张敏（1991-），女，山西清徐人，在读硕士，研究方向：农业微生物。郜春花为通信作者。