生物修复技术在煤矿土壤重金属污染治理的应用

冷 波，蒋丽虹，刘汉波

(1.四川煤矿安全监察局安全技术中心,四川 成都 610046;2.四川通信科研规划设计有限责任公司，四川 成都 610041 )

在我国，煤炭资源都是工业全面发展中的主要资源，而我国能源呈现富煤贫油的能源产业结构，决定了煤炭资源在今后相当长的时间内仍会是我国主要能源之一[1]。然而，由于使用长时问、大规模、高强度、粗放式的煤炭开采模式，最终会给开采区的环境资源造成不可逆转的破坏[2-3]。矿山开发建设要占用土地，矿产资源开发中很难避免把占用的土地全部或部分废弃。尤其是露天煤矿的开采，首先要剥离地表的植被覆盖层和土壤层，采矿结束后，原有的宜耕、宜种、宜林、宜牧的土壤不复存在，造成土壤严重损失。而且，矿山建设过程中产生的废水、粉尘、重金属等对土壤环境也有很大的不利影响[4]。重金属在土壤中的移动性差，难降解，且易在生物体内富集并会通过食物链对人体造成危害[5-6]。

土壤重金属污染修复方法主要有物理方法，化学方法和生物方法。物理方法主要有换土、玻璃化和电动修复等方法。虽然能较快的转移和降低土壤重金属污，但是这几种方法存在着一些缺点，如工程量大、成本费用高，不适用于大面积、中低浓度污染土壤，不能将重金属从土壤中提取出来等因素限制了这类技术的推广应用。化学方法主要有固化、稳定化，化学淋洗等技术，能快速灵活的应用于多种重金属污染的处理，但存在着一些不足，如成本较高、可操作性不强、大面积修复不适用以上方法，修复材料可能产生二次污染， 最重要的是不能彻底的从土壤中清除掉重金属，需要进行修复后监测，防止重金属再次活化，生物修复技术相比较于其它技术，具有成本低、易操作、安全、可原位修复性强、废弃物产生量较少，并且可以回收重金属等优点，受到广泛关注[7-8]。本文就近些年来发现对土壤重金属的生物治理技术的研究进展，并对其进行了展望。

1 煤矿土壤污染现状

煤炭开采后产生的煤矸石等固体废弃物很难利用，一般就在矿区附件区域形成地表堆积处理，这样不仅浪费了许多良好的土地资源[9]，而且煤矸石等固体废弃物中含有多种重金属入As、Pb、Cr、Cu和Zn等有毒有害物质[10]。同时，在雨水或风力等外界自然因素的作用下，这些固体废弃物会将自身的有毒有害物质慢慢析出，通过各种途径对矿区周边的生态环境造成巨大危害，尤其是进入土壤[11-13]。土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性和时间累积效应等特点，土壤被重金属污染就难以消除[14]。

2 煤矿土壤重金属污染生物治理

生物治理是从生物角度来治理受到污染土壤的一种方法。利用生物削减、净化土壤中的重金属或降低重金属毒性。主要包括植物修复法和微生物修复法。

2.1 植物修复概况

植物修复是指利用植物根系结构对土壤中的重金属进行固定和吸收，以清除土壤中重金属或使其有害性得以降低或消除的方法。它是一种环境友好、节约资源以及生态美观的修复方式[15]。植物修复的效率取决于植物类型和土壤结构特点等因素，如土壤的理化性质、土壤中重金属的生物利用度、微生物和植物的分泌物，以及植物对重金属的固定和吸收能力[16]。

当前，国际上发现了500多种的重金属超积累植物，其中多数为专一型积累植物。DERYAY等在银矿区筛选出可用于修复As、Ag、Pb的植物[17]；廖斌等对矿山鸭跖草( Commelinacommunis)进行试验研究，发现矿山鸭跖草对Cu具有很强的富集性[18]。薛生国等通过对矿区调查,得出一种多年生的草本植物-商陆( Phytolaccaacinosa)对Mn具有一定的富集能力，是良好的Mn修复植物[19]。

2.1.1 植物修复技术机理2.1.2 螯合作用

自从20世纪80年代以来，研究人员发现部分植物能够在重金属物质的诱导作用下产生植物螯合肽[20]，从而治理重金属物质造成的污染。植物重金属结合肽的基因编码产物能够分成植物螯合肽(PC)与类金属硫蛋白(Like-MT)两大类[21]。植物螯合肽是由于重金属诱导植物，在体内合成含有巯基多肽的一种蛋白质，让植物对重金属有很强的螯合作用，从而固化和吸收重金属，达到修复土壤作用。

2.1.3 植物的根系分泌物作用

在生长发育的过程中，植物根系的分泌物能够通过影响土壤中有效性的养分、重金属物质的吸收和转运，从而让植物根部土壤的理化特性降发生改变[22]。植物通过其根系发达呼吸作用释放的CO2和水形成碳酸，或者向外分泌有机酸活化，加强了植物对土壤重金属的吸收作用[23]。

2.1.4 细胞外排作用

植物通过外排作用来阻止重金属进入细胞或者是通过细胞壁、液泡对重金属累积沉淀、区隔化。植物细胞壁是位于植物最外面防止有害物质进入细胞的原生质，避免受其毒害。植物还能够通过液泡把重金属与细胞内原生质隔开。因此，液泡也被认为是植物隔隔离重金属的重要场所之一。液泡通过自身中有多种有机化合物矿用与重金属相结合，降低细胞质中游离的重金属离子的浓度[24]。

2.2 微生物修复法

微生物土壤修复技术是利用存在自然条件或者人工在土壤里培育出的微生物如细菌、真菌和藻类等，通过吸附、沉淀、淋滤、氧化还原等技术手段的方式，降低土壤中有毒有害重金属物质的浓度，改变了重金属的状态，继而从根本上起到净化土质和修复土壤的作用[25]。

2.2.1 微生物修复机理

微生物在摄取物质用于代谢过程中，利用自身的细胞表层具有带各种电荷的生物特性，可以用电荷之间的相互作用来吸附结合有毒有害的重金属离子，使得毒性离子直接沉积于细胞表层或内层[26]。微生物吸附技术，主要分为：胞外吸附、胞内积累和细胞表面吸附。

2.2.2 胞外吸附

2.2.3 胞内积累

胞内积累主要是通过细胞内的金属硫蛋白、络合素以及多肽等阴离子物质来与重金属离子结合从而在细胞内形成沉淀物质，这样可以将污染的重金属进行“固定”。某些微生物对污染重金属的吸附，是通过各种的化学反应(氧化还原反应、甲基化反应和脱甲基化反应等)的方式来改变有污染重金属物质的价态，从而将污染的物质转化为低毒或者无毒物质，从而达到降低污染的目标。

微生物在环境中大量存在，非常的丰富，许多微生物及其产物对污染的重金属具有很强的结合能力，它们利用自身细胞表面所带一些负电荷，通过静电吸附或者络合作用来讲污染的重金属离子进行控制[31]。它们在不同的部位通过离子沉淀或螯合作用等方式进行聚合[38]。例如藻类、酵母和真菌等微生物可以利用特殊的白质可以作为特定的容器，将污染的重金属汞离子甲基化为低毒汞物质[32]，某些微生物可以使Cr6+、As3+、Fe2+和Mn2+等发生氧化，可以降低这些污染重金属的活性[33]。

2.2.4 细胞表面吸附

细胞表面吸附基于金属离子与细胞壁官能团之间发生理化反应进行的。微生物细胞表面吸附重金属离子的吸附形式可以分为3种：

(1)微生物可以在细胞外产生由糖类、脂类、蛋白质、核酸等构成的聚合物。这些聚合物含有许多的的阴离子官能团，从而可以与重金属阳离子相结合。例如细胞壁上的羧基(-COOH)、羟基(-OH) 、巯基(-SH)等官能团具有与重金属离子结合(如离子交换、配位结合或络合等)的活性，可以聚合形成大分子，进而实现降低污染物年浓度的目标；如莱茵衣藻的多孔结构的细胞壁含有含有果纤维素、多糖以及胶质等聚合物，，这些聚合物携带了大量的酚基、酰氨基、羰基、羟基、羧基、氨基和醛基等的多种官能团，从而与污染的金属离子进行结合，消除污染[34]。

(2)一些微生物的细胞壁里面含有负电离子，从而形成了一个阴离子环境，这样就可以进一步通过其细胞中的聚合物上的羰基(-C=O)等阴离子官能团的静电作用，加强对污染的重金属离子的吸附力度。

(3)%可以通过物理性吸附而形成难溶性的无机化合物，从而将污染的重金属离子控制在微生物的细胞壁表面附近。微生物的细胞壁结构和螯合反应吸附污染重金属离子密切有关。例如微生物细胞壁中具有分子孔状构造，可以促使活性化学配位结构在细胞的表层进行有序排列，这样更加容易和金属离子进行结合。另外，微生物细胞壁上的多糖物资含有众多阴离子等活性官能团，这些官能团可以与污染的重金属离子形成较强的络合作用。

3 展望

随着我国能源结构的发展，如何处理煤矿开采后对周边突然环境污染就显得迫切需要了。为此，国内外许多科学技术人员不断的开发新技术、新工艺，并且还在不断深入发展和完善过程中。目前虽然土壤重金属治理方法非常多，但是都会造成二次污染。生物治理污染作为一项新兴技术，近些年发展较为迅速。用生物方法来治理土壤污染具有防止二次污染和营造良好的生态环境的优势，因此，用来治理煤矿区域的土壤重金属污染，弥补传统土壤污染治理技术的缺陷，就显得非常适宜。随着技术的不断发展和应用，生物治理技术将会在煤矿区域土壤污染治理中具有更加广阔的发展前景。