生物修复技术处理重金属污染土壤的研究进展

田文钢 姚佳斌 蒋尚 刘勇

摘要：随着重工业的迅速发展，土壤的重金属污染问题已经成为目前一项重要的环境问题，对自然生态和人类健康形成巨大威胁。不同的修复技术如物理法、化学法和生物法已经被用于从环境中去除重金属污染物。生物技术是去除土壤中重金属（及其胶体）的最佳方法之一，其主要包括植物修复技术和微生物修复技术两大类。

关键词：生物技术;土壤污染;重金属;土壤修复;超积累植物;微生物

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）12-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.12.018

Research progress of bioremediation technology in the treatment of heavy metal contaminated soil

Tian Wen'gang，Yao Jiabin，Jiang Shang，Liu Yong

（Shanghai Aojiang Ecological Environment Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200120，China）

Abstract：With the rapid development of heavy industry， the pollution of heavy metals in soil has become an important environmental problem at present， posing a huge threat to natural ecology and human health. Different remediation techniques such as physical， chemical and biological methods have been used to remove heavy metal pollutants from the environment. Biotechnology is one of the best methods to remove heavy metals （and colloids） in the soil， and it mainly includes two categories： phytoremediation technology and microbial remediation technology.

Key words：Biotechnology;Soil pollution;Heavy metals;Soil remediation;Hyperaccumulators;Microorganisms

“重金属”是指密度大于4-5 g/cm3的元素，其即使在极低的浓度下也会对人体产生毒性[1]。常见的重金属有铂族元素、铜、铁、铅、砷、汞、银、铬、锌和镉等。以任何方式将重金属（单质、离子或胶体）引入环境都可能导致其扩散到环境的不同组成部分，如土壤、水体和动植物体内。即使在北极，水体、土壤沉积物和植物中也发现了浓度不等的重金属[2]。土壤重金属的来源和含量取决于母岩、人类活动和土壤的理化性质。随着重工业的迅速发展，大量重金属（及其胶体）会经由工业废水的排放和固体废物的产出而进入到自然环境中，对土壤和水体造成严重污染。其中土壤由于同时受到废水和固废排放的双重影响，其受重金属污染的问题日趋严重，而了解重金属的人为来源及其在土壤中的积累和相互作用是环境监测的重点。

重金属的生物有效性一般是指环境中重金属元素在生物体内的吸收、积累或毒性程度。重金属在土壤中转化为不同的形态，其有效性随时间而降低[3]。重金属不是永久固定在土壤和沉积物中，而是通过离子交换、吸附、沉淀等各种赋存方式分布在整个土壤和沉积物成分中。通过不同的修复技术（如物理法、化学法和生物法）改变重金属在土壤中的赋存方式，或是控制其积累和迁移途径从而降低其有效性，可以实现土壤重金属的去除修复。一些欧洲国家正在加大投资修复受重金属污染的土地，其相应出台了许多法律法规，如资源保护和《恢复法案》（RCRA）、《超级基金修正案》（superfund amendments）和《重新授权法案》（Reauthorization Act， SARA），这些法案都侧重于提升相关的土壤修复技术的标准和水平[4]。

1 土壤重金属污染的生物修复技术

当前研究中的主要的兩类生物修复技术分别是植物修复法和微生物修复法。前者主要利用的是植物根系对土壤中重金属离子的提取能力，将其从土壤中去除;后者主要通过驯化不同类型的微生物（包括真菌和细菌），通过改变重金属的物理和化学性质来转化其赋存状态，降低其有效性。

1.1 植物修复法

植物修复是一组利用不同的植物种类对污染区域进行固定、降解和减少人为污染源所产生的环境毒素的技术。植物修复技术涉及到利用不同植物的不同类型的植物修复过程来去除受污染地点的金属污染，其基本原理是通过植物根系将污染物从土壤中提取出来，并在植物体内通过代谢作用分解为毒性较小的物质，进而将其储存在植物的茎叶中。各种研究表明，通过添加螯合剂、肥料、有机改良剂和改善pH值，可以增强金属的生物可利用性和植物对金属的吸收效果。因此，在受污染土壤修复的领域中，植物修复技术受到了广泛的关注。

有几种植物表现出了积累高浓度重金属的能力，被称为“超积累植物”。“超积累植物”一词最先是由Brooks等在1977年提出的，当时用以命名茎中镍（Ni）含量（干重）大于1 000 mg/kg的植物，植物对重金属的吸收能力是普通植物的50～500倍，这导致了植物提取技术的革命性进步。Minguzzi和Vergnano在意大利Tuscany地区的富镍蛇纹石风化土壤中找到了一种叫布氏香芥的植物，该植物叶片中Ni的含量极高。目前已知的超蓄能器植物约有400种（不到被子植物总数的0.2%），主要属于菊科、大豆科、豆科、花椒科、十字花科、石竹科、唇瓣科、禾本科、堇菜科，一些典型物种。这些植物能耐受高浓度的金属，并具有惊人的吸收金属的能力，这对植物的提取非常重要。对于植物提取来说，植物必须是超积累物种，具有高生长速度和产生更多生物量的潜力，可产生的生物量应该超过20t/hm2/a。一些研究已经报道了超积累植物拥有通过生物积累来修复受重金属污染土壤的潜力，通过植物修复技术是替代物理和化学修复法的一种可行方式，可作为环境修复的重要解决方案。

1.2 微生物修复法

由于微生物不能直接降解重金属，因此微生物法是通过改变重金属在土壤中的物理和化学性质，并转化其赋存状态，从而降低其有效性，达到降低重金属对土壤环境造成的影响。微生物法的修复机制包括细胞外络合、细胞内积累和沉淀或氧化还原过程。微生物群落具有不同的生物吸附能力，而这一能力在不同种类的微生物之间差异显著。不仅如此，每个微生物细胞的吸附能力取决于其预处理效果和实验条件。Galal等人的研究表明微生物浸出法对于提取土壤中的金属而言是一种简单有效的方法;除了用于土壤修复以外，微生物法还可用于污水污泥、工业废物的解毒。

1.2.1 细菌

De等人研究了不同类型的抗汞细菌对Cd和Pb的去除作用，包括粪产碱杆菌、短小芽孢杆菌、绿脓杆菌和产碘短杆菌，等;他们的浸出实验结果表明：绿脓杆菌和粪产碱杆菌分别能去除70%和75%的Cd，在72h内两者分别能使镉浓度从1 000mg/L降低到17.4mg/L和19.2mg/L;而短小芽孢杆菌和产碘短杆菌的铅（Pb）去除率能达到88%左右，并且在96h内能使铅浓度从1 000mg/L降低到1.8mg/L。

Singh等人研究了蜡样芽孢杆菌（一种兼性厌氧细菌）对六价铬（Cr）的解毒作用。在铬酸盐浓度为1 000 g/mL的实验条件下，蜡样芽孢杆菌具有72%的六价铬（Cr （VI））去除率。这种细菌能在较宽的温度（25 ～ 40℃）和pH（6 ～10）范围内降低Cr （VI）的浓度，其中最适的温度为37℃，最适的初始pH为8.0。蜡样芽孢杆菌在内的许多不同种类的细菌都能对多种重金属产生生物吸附作用，主要归功于其菌体集群具有较高的比表面积，以及细胞壁外上的磷壁酸能产生具有潜在活性的化学吸附位点。

有研究提出，细菌在多物种混合培养时能够更稳定地存活和繁殖。因此，培养复合菌群更有利于金属的生物吸附，更适合于场地修复应用。Abioye等人研究了不同菌群对制革废水中Pb、Cr和Cd的生物吸附，所用菌种包括枯草芽孢杆菌，巨孢杆菌，黑曲霉和青霉菌;其结果表明：巨孢杆菌的Pb去除率最高（从2.13 mg/L 降至 0.03 mg/L），其次是枯草芽孢杆菌（从2.13mg/L降至0.04 mg/L）;而黑曲霉去除Cr的效果最佳（从1.38 mg/L 降至 0.08 mg/L），其次是青霉菌（从1.38 mg/L 降至 0.13 mg/L）;枯草芽孢杆菌对Cd的去除能力最强（从0.4 mg/L 降至 0.03 mg/L），其次是巨孢杆菌（从0.4mg/L 降至 0.06 mg/L）。Kim等人使用复合脱硫弧菌群落设计了一种沸石固化系统去除Cr （VI）、Cu和Ni，去除率分别为99.8%、98.2%和90.1%。Ashruta等人报道了某种复合菌群在2h接触时间内去除Cr、Zn、Cd、Pb、Cu和Co的效果，去除率可达75%～85%。

1.2.2 真菌

真菌被广泛用作去除有毒金属的生物材料，具有良好的金属摄取和回收能力。多数研究表明，活性和失活真菌细胞在无机化学物质的粘附中都能发挥重要作用。墨汁鬼伞菌被证实在Cd2+浓度为1mg /L时可以通过生物积累作用去除76%的Cd2+，而在Pb2+浓度为800mg /L时可以去除94.7%的Pb2+;因此，它被证明是一种有效的重金属离子储存体，可用于真菌修复技术处理土壤中的重金属污染。Park等人的研究中报道了失活死亡的黑曲霉菌群、米根霉菌群、酿酒酵母菌群和产青霉菌群可将毒性较大的Cr （VI）转化为毒性较小或无毒的Cr （III）。Luna等人还观察到，假丝酵母产生的生物表面活性物质对Zn和Pb的去除率分别为90%和79%;这些表面活性物质能在挥散之前与金属离子形成络合物，从而改变Zn和Pb的赋存状态，并降低其在土壤中的迁移能力。念珠菌能从土壤中摄取并积攒大量Ni和Cu，但这一过程受到初始金属离子浓度和pH（最优3-5）的影响。

2 结论

土壤被认为是地球生态系统的唯一组成部分，在植物生长、退化和死亡生物量的循环利用方面发挥着重要作用。但目前，由于各种资源的排放导致金属和金属的积累，使土壤受到污染，这是环境学家非常关心的问题。文中讨论了生物修复技术在处理受重金属污染土地中的研究与应用，其主要包括植物修复技术和微生物修复技术两大类。对前者而言，国内外皆有发现不同的超积累植物对土壤中不同重金属的吸收富集能力，并且该能力在不同植物之间以及同株植物的不同部位之间存在差异。而微生物修复技术可以利用细菌和真菌改变土壤中重金属的赋存状态，从而降低其毒性和迁移能力，有些物种也可以吸收降解离子态重金属。研究指出，培养复合菌群更有利于金属的生物吸附，更适合于场地修复应用。

生物修复技术的选择标准包括：（1）长期和短期有效修复以实现目标;（2）更有效地减少污染物的体积;（3）降低污染物的毒性;（4）盈利能力;其中以第四点为实际修复工程应用，中需要考虑的重点。值得指出的是，植物修复的成本效益较低，是最便宜的土壤修复方法。

参考文献

[1]陈怀满，郑春荣，涂从，等.中国土壤重金属污染现状与防治对策[J].AMBIO-人类环境杂志，1999（02）：130-134.

[2]王志广.极地多环境介质中重金属的分布及特征研究[D].青岛：青岛科技大学，2013.

[3]丁炳红，俞巧鋼，叶静，等.土壤重金属有效性影响因素及其防治对策[J].浙江农业科学，2012（5）：729-732.

[4] Kim SO， Moon SH， Kim KW. Removal of heavy metals from soils using enhanced electro kinetic soil processing[J].Water Air Soil Pollut，2001，125（08）：259–272.

收稿日期：2020-10-10

作者简介：田文钢（1995-），男，汉族，大学本科，研究方向为土壤修复。