农田土壤重金属污染生物修复技术研究进展

周志强，李在贞，郑智辉，常 钟

引言

土壤质量严重影响到全球粮食资源和环境问题。随着社会现代化和工业化的发展，土壤环境正在不断恶化，尤其是农田土壤中的重金属污染不仅导致耕地质量的下降，严重影响作物的生长、产量和品质，引发食品安全问题，而且对人类的健康会造成极大的威胁。因此，土壤重金属污染已成为亟待解决的世界性问题和难题。

目前，重金属污染农田土壤的修复技术研究主要包括物理修复、化学修复、农业生态修复和生物修复。环境友好型的生物修复技术已得到广泛关注，尤其是微生物修复技术成本低、效果好、操作简单，是一个新兴的修复方向，是农田土壤重金属修复技术的未来发展方向，将有效促进农业的健康发展。

1 重金属的来源与形态

污染农田土壤的重金属元素主要包括汞、铬、镉、砷、铅、铜、锌、镍等有毒元素，重金属来源主要来自于：①化工、电力、冶炼排放和汽车废气、含重金属粉尘的沉降；②来自于矿业和工业的固体废弃物；③含重金属的污水灌溉及污泥施肥；④农药和化肥的长期不合理施用。

重金属毒性的大小取决于其在土壤中的存在形态，根据土壤中重金属的生物有效性以及活性的大小，将其分为水溶态、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态以及残留态。重金属以水溶态、可交换态形式存在时，最容易被植物吸收以及被吸附、或向其他形态转化，在土壤中的活性和毒性最强，其次是碳酸盐结合态。以残留态形式存在的重金属最为稳定，因其与土壤结合最为牢固，不易转化为其他形态或向植物迁移，因此毒性也相对最小。土壤中的重金属污染主要是通过前三种形态造成的，但随着土壤环境的理化性质的变化，低活性的重金属也会随之向交换态转化，并处于动态平衡中。

2 重金属污染的危害

2.1 对农作物的危害

重金属在土壤—植物体系中的迁移会对植物的生长发育造成直接影响，如果重金属被植物吸收且在植物体内的积累量到达一定程度后，会对植物代谢过程造成严重影响，抑制作物的生长和发育，具体表现为植株矮小、失绿等。例如土壤中如果镉含量超标，作物叶片的叶绿素结构会被破坏，造成植物的衰亡，影响到作物的产量，造成巨大的经济损失。根据环保相关部门数据显示，中国每年被重金属污染的粮食达1200万吨，造成粮食减产超过1000万吨，直接经济损失在200亿元以上。

土壤中重金属污染还会影响农作物的品质，重金属在植物体内的累计量超过一定程度后，会直接导致农产品质量不合格，据研究，我国多数城市郊区蔬菜中的重金属含量超标严重，超标率高达23.5%～50%，其中某些重金属元素甚至超标50倍，最严重的是镉、汞和铅。

2.2 对人类健康的危害

农田土壤重金属污染会破坏土壤的理化性质和正常功能，植物吸收积累重金属后，会通过食物链在人体以及动物体中进行富集，如果超过人体的耐受程度，会造成人体慢性中毒或者急性中毒，从而危害人类的健康，还可能会引发癌症和其他疾病等。如人体内铅超标会损害神经系统，尤其是对儿童的智力发育会造成严重损害，而镉在人体内富集可导致高血压，引起肾功能失调及心血管疾病，并对骨骼发育造成影响。例如20世纪50～70年代，日本富山县因土壤受到重金属镉的污染，导致该地区的居民出现了一种称为“痛痛病”的怪病，使居民全身性神经痛、关节痛、骨折，以至死亡，就是由于当地居民长期食用镉污染稻米和饮用含镉量高的神通川水造成的慢性中毒而引发的。

2.3 对环境的危害

土壤被重金属污染后，重金属含量比较高的表土被风力带入到大气中，将造成大气的污染和生态系统的退化等其他环境问题。污染物质以扬尘的形式进入到大气环境中后，会通过呼吸危害人体的健康。另一方面，被重金属污染的土壤进入到水体中后，会污染地表水和地下水，从而危害到人类和动物的健康。国内某些省市的灌溉用水检测到汞、镉、砷等重金属元素含量超标，原因之一就是土壤的重金属污染问题导致的。

3 重金属污染农田土壤的生物修复技术

生物修复技术是利用生物治理土壤重金属污染问题的一种新型技术，主要是利用植物、动物或微生物的生命代谢活动，在可调控的环境条件下，减少土壤中的有毒重金属元素的含量，或经过生物作用使重金属元素在土壤中的存在形态改变，减轻土壤中重金属的毒性。

生物修复技术应用于重金属污染的修复，效果明显、无二次污染、低投入、管理和操作简便等，因此越来越受到人们的关注。目前生物修复技术主要包括植物修复技术、动物修复技术以及微生物修复技术三种技术。

3.1 植物修复技术

植物修复技术的原理是利用植物来固定、吸收、分解土壤中的重金属元素，达到修复土壤生态环境的目的。根据修复作用和机理的不同，将植物修复方法分为以下三种类型：

(1)植物提取

植物提取的概念最早由Chaney和Baker等人提出，是指依靠重金属超积累植物直接吸收土壤中的重金属元素，使其转移到植物体内地上部分进行积累，连续种植超级累植物，可以降低土壤中的重金属含量，直到达到可以接受的水平，最后把植物进行收割以及集中处置，从而降低或去除土壤中的重金属。目前已经发现的重金属超级累植物有700多种，其中对铬、铅、铜、钴、镍的积累量超过0.1%，对锰、锌的积累量已经超过1%。

(2)植物挥发

植物挥发是指植物通过根系吸收重金属之后，再将其转化为可释放到大气中的气态物质。目前硒和汞研究的最多，一些湿地植物可以去除土壤里的硒元素。研究者还通过转基因技术获得了能够吸收土壤中的汞并将其转化为挥发性单质汞的转基因植物。

(3)植物稳定

植物稳定是通过耐重金属或超积累植物改变重金属的化学形态，减轻重金属的毒性和生物有效性，防止重金属向作物迁移，或者被淋滤到地下水中以及通过空气进行扩散，从而降低重金属对环境和人类健康的危害。这项技术的原理是利用植物根部对重金属的累积和沉淀、吸收来固定土壤中的重金属元素，这个过程主要是改变重金属的存在形态，并不会减少土壤中重金属的含量。

与传统的修复方法相比，植物修复具有技术成本低、过程简单、易操作等众多优点，但同样也有缺点，例如要求植物对重金属的耐受程度要高，要求植物生物量要高，并且修复过程中受环境、气候等条件的影响较大，以及结束后植物的处理可能会造成潜在的环境污染，且治理时间长，因此目前该技术还处于田间试验阶段，并未得到大规模的推广应用。

3.2 动物修复技术

经研究，蚯蚓、鼠类等动物对土壤里的重金属元素有吸收转化功能。1993年，Maboeta利用蚯蚓在铅锌超标的土壤中进行试验，证明蚯蚓在土壤中的活动可以提高土壤中有效态的铅和锌的含量，使土壤中的重金属容易被植物吸收，从而减轻重金属污染。动物修复技术简单易行，但重金属有可能从动物体内再次释放回土壤中，出现二次污染，因此有待进一步的探索。

3.3 微生物修复技术

微生物修复的主要原理为通过微生物的络合、沉淀、氧化还原和胞内积累等作用，减轻土壤中的重金属元素的毒性。其中最主要的是利用微生物的吸附作用和氧化还原作用。

(1)微生物对重金属的吸附作用

微生物对重金属的吸附主要是依靠细胞壁表面能够络合重金属的多种基团起作用，例如-NH2、-SH、PO43-、-COOH、-OH等带有负电荷的基团，它们能够通过离子交换、络合、螯合以及共价吸附等作用与重金属阳离子结合。吸附过程分为胞外吸附和胞内转移两个阶段，首先重金属被吸附在微生物细胞表面，然后再被转移到细胞内，这个过程为主动吸收，要通过细胞代谢活动提供能量，因而只发生在活的细胞中。

(2)微生物对重金属的氧化还原作用

微生物还能利用氧化还原作用改变重金属的价态，降低重金属的毒性。重金属元素在土壤里的存在形态多种多样，低价态的重金属离子化合物在土壤中的溶解性较大，容易迁移到植物中，高价态的重金属离子化合物则溶解性相对较小，不易发生迁移。

某些微生物可以利用自身的代谢产物，还原毒性强的氧化态的重金属离子，从而降低其毒性和危害性，某些微生物可以将汞离子还原成毒性小、可挥发的单质汞；假单胞菌和无色杆菌等微生物可以将亚砷酸盐氧化为不易转移、毒性低的砷酸盐；还有些细菌可以还原As3+，Hg2+，Se4+，这些细菌通过改变金属离子的价态而改变其稳定性。

(3)微生物对重金属的溶解和沉淀作用

微生物对重金属的溶解和沉淀作用是依靠微生物的代谢过程实现的，其中一些小分子有机酸，如甲酸、乙酸和丁酸等对重金属及含重金属的矿物具有溶解作用。某些微生物的代谢产物对重金属离子具有沉淀作用，通过改变重金属离子的存在形态，将其转化为无毒或毒性较低的重金属沉淀物。

(4)菌根真菌对重金属的生物有效性影响

菌根真菌可以分泌有机酸活化土壤中的重金属离子，使重金属的存在形态发生变化，减轻重金属的活性和生物有效性，而且还可以通过离子交换等其他形式影响植物吸收重金属元素，可以增强植物对重金属的抗性和提高修复效率。不同种类的菌根真菌对植物吸收重金属的作用方式不同，有的菌根真菌可以促进植物吸收重金属离子，从而提高植物提取重金属的效率，有些则相反。这项技术主要应用在植物-微生物联合修复技术中，其作用主要是为了促进植物吸收土壤中重金属离子。

微生物修复技术操作简单、投入低、不易造成二次污染、修复效果好，且对环境和土壤的干扰程度小，既可用于原位处理也可用于异位处理，使其在农田土壤重金属治理方面具有很好的应用前景。但缺点在于微生物修复具有一定特异性，因此这项技术及其机理还需要进一步研究，提高其可实施性。

4 讨论

生物修复技术应用于土壤重金属治理，不仅能够解决重金属污染问题，还可以改善土壤质量，是一种环境友好型的治理技术。与传统的修复技术相比，它的优点在于操作简单、成本低、处理效果明显、不易带来二次污染，并且不会对土壤肥力产生影响。生物修复技术在治理农田重金属污染方面得到了广泛认可及关注，应用前景十分广阔。

微生物修复技术因其独特的优势已成为生物修复技术中最有潜力的一种，除了治理过程的原位性、低投入、无二次污染、、修复效率高等特点，微生物还可以促进作物生长，提高作物品质，因此该技术在农田重金属污染治理领域的应用已成为大家关注的焦点，但由于微生物易受环境的影响，并且对重金属的吸附积累容量有限，所以目前的研究大多只停留在实验室或者盆栽阶段，少有大面积的田间应用效果研究，因此仍需分子工程技术的改进以及更全面的研究，使微生物修复技术得到广泛应用，解决重金属污染治理的难题。