土壤重金属污染的生物修复技术简析

杨家宝 沈瑞杉

(1、浙江欧雅菲环境检测有限公司，浙江 永康321300 2、泉州市城东中学，福建 泉州362000)

土壤，被誉为地球的“ 皮肤”，作为地球生命活动和物质循环流动中大气圈、生物圈、水圈、岩石圈四大圈层的交互界面，扮演的重要角色是不言而喻的。目前我国土壤重金属的污染，日益影响着我国土壤质量和粮食生产安全。 据环保部2014 全国土壤污染状况调查公报显示，我国土壤总的超标率为16.1%，以无机型污染为主，重金属污染物主要有镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍等8 种。 土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性，可通过生态系统的物质与能量循环流动，农作物的吸收和生物链的富集效应等，最终对人类的健康造成巨大、严重的威胁。

土壤重金属污染引起了国内外众多科研工作者的关注，各种包括客土法、物理、化学在内的传统方法等污染物治理修复手段也在方兴未艾的发展。 近些年来，新兴的生物修复方法，以其不破坏土壤结构、 环境友好特性引发广泛的研究热潮。 生物修复技术是指包括植物、微生物、动物等在内的各种生物体利用自身的生命活动代谢或不同生物物种之间的协同作用从污染的土壤中吸收、转化、降解环境中有机污染物和无机物污染物，实现净化修复土壤生态环境的治理方法。

1 生物修复技术的类型

1.1 植物修复技术

植物修复技术（ phytoremediation）利用具有超积累的自然植物或现代遗传学改良的植物，通过吸收、提取、分解、转化或固定等方式来消除土壤中污染物。植物修复技术通常有两条途径：一是植物通过生命活动积累、代谢和固定重金属和化合物或形成挥发性气体，分散到大气中；二是通过根际分泌有机酸、螯合物等化合物等方式来改变污染物在土壤环境中的形态，从而降低重金属的生物有效性和可移动性。目前按照修复机理和过程的不同，可分为植物提取、植物固定、植物挥发、根系过滤等。

植物提取技术是指通过种植天然或者转基因超富集植物尽最大限度的吸收积累污染土壤的重金属，将其吸收累计到植物的地上部或根部，将其收割处理，以有效去除土壤中的污染物。 超富集植物普遍被定义为在具有高浓度污染物的土壤中可以正常生长植物，其地上部分重金属含量达到普通植物100 倍。 目前用于土壤重金属污染治理的研究的常用超富集植物有：砷超富集植物蜈蚣草、锌超富集植物东南景天、油菜、十字花科、植酸模草、工业用的大麻等。

植物固定技术是指利用一些植物将原来高毒性形态的重金属转化到低毒性状态的过程。 植物通过生命活动沉淀、螯合、氧化还原等过程降低土壤重金属的有效性，或是通过根际的生命活动改变如土壤的根际环境pH、氧化还原电位等来改变污染物的化学形态。 该技术的缺点是土壤重金属污染物并未彻底被清除，仅是被以固化的形式存在于土壤中，暂时失去生物有效性，一旦被固化重金属周围的环境发生变化时，污染物的生物有效性可能又会恢复。

植物挥发技术主要是针对土壤中可形成易挥发性化合物的汞、硒、砷等金属，通过根系吸收该类金属，在植物体内转化形成可挥发性的气态化合物，释放到环境空气中，达到修复土壤，去除污染物的效果。 如烟草挥发甲基汞、印度芥菜降解硒化合物等。

根系过滤是指利用耐性植物特有的庞大根系过滤、沉淀、富集污染物，达到修复土壤污染的目的。 过滤的植物包括有向日葵、印度芥菜、烟草等。水科植物浮萍、水葫芦可以有效吸收清除水体的镉，铜和砷等重金属。 目前应用较多的有人工湿地技术和生物塘工程。

植物修复技术相较于传统土壤重金属理化修复技术， 优势在于绿色环保、耗费低、原位修复、具有不破坏土壤环境等优点。缺点是现实情况中污染场地常常具有具多种有机污染物和无机污染物复合型污染，受污染范围不局限于的表层的土壤，污染超积累植物修复能力往往只是有一种或少数几种的重金属； 许多超积累植物属于表层根系，自身生物量有限，而且生长发育较为缓慢，导致重金属富集量有限；修复时间较长；超积累植物的再处理问题等。

1.2 微生物修复技术

微生物修复技术是指利用天然或基因工程改造的微生物菌株，在自然环境或人工优化生存环境下， 通过在生命和新陈代谢活动过程中，富集、吸附、降解土壤的有毒污染物，从而修复受污染的土壤。微生物对重金属的修复机理有生物富集、生物固定和氧化还原、水解聚合等方法。目前研究的微生物主要包括细菌、真菌、放线菌、藻类微生物等， 研究热点包括菌根修复、 根际微生物对土壤重金属解毒机制、生物刺激技术等，研究的新兴方法包括基因组测序、转录组、代谢组学等在内的各种生物信息学技术。

微生物修复技术主要优点实现原位修复、 可以同时修复土壤和地下水、基本不会产生二次污染物、适用范围广等。 缺点是：（ 1）对重金属污染物吸收有一定容量；（ 2）微生物自身容易遗传变异、稳定性差、而且可能与土著微生物菌株产生生境上的竞争；（ 3）容易受到如pH 值、温度、湿度等各种环境影响，导致不同环境适应性具有很大差异，修复效率差异较大。

1.3 动物修复技术

动物修复技术是指土壤中的某些低等动物、 原生动物等通过自身的生命活动、新陈代谢功能直接富集、转化、钝化污染土壤的重金属亦或通过协同微生物作用，降低、消解土壤污染物，从而达到减少对环境的危害。 目前研究表明关于动物富集污染土壤重金属生理机理主要包括：（ 1）动物体内包含较多的金属硫蛋白，可以络合土壤中的重金属，形成无毒、或低毒的化合物；（ 2）动物体内生命活动代谢产生的含-SH 多肽物质，可以螯合重金属，改变其有效性；（ 3）动物体内富含的编码金属转运蛋白的基因，可以有效提高其对重金属的耐性。具体的机理有待进一步深入研究。研究发现蚯蚓等动物对重金属元素有较强的富集能力，特别是对土壤锌、镉具有良好的富集作用，而且能够改良土壤结构，提高土壤的肥力。

土壤动物除了自身可以直接富集污染土壤的重金属外，还可以通过自身的生命活动可以将土壤有机物转化为有机酸，钝化重金属，使其失去活性。 亦可通过与植物、微生物的协同作用富集、钝化转化重金属的活性，促进菌根迁移转化重金属。成杰民等研究了蚯蚓- 菌根在植物修复镉污染土壤中的修复效果，结果表明二者的协同效应可以有效增加黑麦草对于重金属镉的吸收，达到更好的修复目标。

2 展望与建议

近年来国内外研究者在土壤重金属污染的生物修复做了大量的工作，如超富集植物品种的甄别与筛选、植物对重金属的响应机制的研究、金属离子转运蛋白克隆与超富集转基因植物修复的研究、高效污染物降解微生物菌株与种质资源、植物与微生物联合修复技术中的菌根修复技术等。 目前还有许多工作值得我们深入研究。

2.1 筛选出更多新的超积累植物， 深入解析超积累植物重金属分子吸收、转运、忍耐和解毒利用的生理和生物学机制，为土壤重金属高效超积累植物的分子设计育种奠定理论基础。

2.2 土壤系统的多样性以及现实中土壤污染的多源性、复合型，单纯的生物修复技术往往难达到预期的修复效果。 通过化学、物理、土壤化学、生物学、植物生理学、作物栽培学、分子生物学、基因组学、转录组学、宏蛋白质组、统计学等多学科交叉研究，因地制宜，科学施策，联合治理修复土壤的重金属污染，从而达到较为理想的污染治理效果。

2.3 加快发展生物修复配套的设备和技术， 将实验室理论的修复技术运用到在实际场地污染修复中，解决土壤重金属的植物修复技术所需配套种植管理措施和超积累作物地上部的回收利用处理设备和技术。

2.4 转基因技术修复应用的风险评价。转基因植物可能对土壤微生物结构和生态系统的潜在影响以及与其他类型植物杂交繁殖，造成基因漂移的环境风险。

土壤作为复杂的“ 黑箱”生态系统，很大程度上决定了污染土壤修复是一项积日累月的系统工程，传统单一的修复技术往往很难取得最佳的修复效果，未来聚焦多学科交叉研究，耦合传统物理、化学修复方法，针对不同场地污染地块，不同污染类型，研发更加高效专用的联合生物修复技术将会是未来土壤重金属污染治理的最重要修复技术之一。