煤矿中土壤重金属污染的生物修复技术研究

柳争艳

(山西晋新科源环保科技有限公司，山西 太原 030024)

引 言

我国幅员辽阔，蕴含着大量的煤炭资源，使得煤炭资源在我国整个能源结构体系中占据着非常重要的位置[1]。然而煤炭资源在开发利用过程中，不可避免的会对附近土壤造成不同程度的污染，其中重金属污染问题最为严重[2]。不仅对附近的环境造成了严重污染，还会直接或间接的对附近居民身体健康构成威胁[3]。随着我国对生态文明建设重视程度的不断提升，加大了对煤矿区域土壤重金属污染问题的治理力度。目前针对煤矿区域土壤重金属污染问题，可以采用的修复方法主要包括物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术[4-5]。前两者的修复成本相对较高，后者的修复成本相对较低，且能够取得较好的修复效果，所以越来越受到人们的关注[6]。本文在分析煤矿土壤重金属污染问题的基础上，采用生物修复技术对土壤重金属污染问题进行修复。

1 煤矿中土壤重金属污染问题概述

某煤矿上世纪70年代建成，每年的生产能力可以达到200万t左右。通过煤炭资源的开采，极大的推动了本地区的社会经济发展，但也给本地区生态环境造成了严重破坏。经过多年的煤炭资源开采。使得附近区域中堆积了大量的煤矸石，整个矿区范围内存在多处地表塌陷，土壤中的重金属污染问题也比较严重。为了改善煤矿区的生态环境，现决定对附近的生态问题进行修复。重点对土壤重金属污染问题进行研究。

为了对煤矿中土壤重金属污染问题进行修复，首先需要对土壤中包含的重金属元素种类、含量大小以及污染程度等进行评价分析。利用地累积指数法对土壤重金属元素的污染程度进行评价，根据指数(Ⅰ)大小可以将其划分成为7个等级：Ⅰ≤0→没有污染，0<Ⅰ≤1→轻-中度污染，1<Ⅰ≤2→中度污染，2<Ⅰ≤3→中-强度污染，3<Ⅰ≤4→强度污染，4<Ⅰ≤5→强-极强度污染，Ⅰ>5→极强度污染。基于专业的重金属元素检测技术，对土壤中的重金属元素种类及其含量进行检测，并将其与本地区各元素的背景值进行对比，评价结果，如表1所示。

由表1数据可知，土壤中包含的重金属元素主要有锌、铅、铜、镉、锰、砷，其中镉元素的污染程度最为严重，属于中-强度污染，其他元素污染程度相对较小，几乎可以忽略不计。因此，需要对土壤中的镉元素进行治理，以降低土壤中重金属元素的含量。

2 生物修复技术的实践应用研究

2.1 生物修复技术基本概念

生物修复技术指的是通过在已经受到重金属污染的土壤中添加对应的生物，通过生物的新陈代谢来降低土壤中重金属的浓度或者抑制重金属的活性，从而达到降低重金属对土壤不良影响的目的。生物修复技术还可以进一步划分为三种方法，分别为生态修复法、微生物修复法和植物修复法。植物修复法的成本相对较低且修复效果较好，具有显著的优势，在实际操作时应用较为广泛。

2.2 植物修复技术的应用

选择植物修复法对煤矿中土壤重金属污染问题进行修复。基于上文分析可知，土壤中的镉元素浓度相对较高，已经达到了中度污染的程度。在选择植物时需要充分考虑土壤重金属污染的实际特征，要求选择的植物能够对镉元素有非常好的吸收富集能力。即通过在重金属污染土壤中种植植物，可以对土壤中的镉元素进行充分吸收，然后对成长后的植物进行收割与处理，降低土壤中镉元素的浓度。已有的研究表明，龙葵对镉元素具有相对较好的吸收富集能力，选择龙葵这种植物对土壤进行修复。另外，为了提升龙葵在降低土壤中镉元素浓度方面的效果，在高镉浓度的培养基中培养得到了抗种菌株，此菌株对镉元素具有很好的抵抗能力，同时还可以促进植物对重金属元素的吸收。

为了对比分析生物修复技术在治理土壤重金属污染中的实践应用效果，在土壤污染区域随机画出三块区域。第一块区域在土壤中添加抗种菌株后再种植龙葵种子；第二块区域土壤中不添加抗种菌株，直接种植龙葵种子；第三块区域不种植任何植物，作为对照。植物的生长周期为一年，一年后对前两块区域中龙葵植物的生长情况进行分析，同时对三块区域土壤中的重金属元素及其含量再次进行检测，并利用地累积指数法对镉元素的污染程度进行评价，对比生物修复技术的应用效果。

3 生物修复技术的应用效果评价

3.1 抗种菌株对龙葵生长的影响

为了分析抗种菌株对龙葵生长的影响，对前两块区域中种植的龙葵植物的发芽率和株高平均值进行统计分析，结果如表2所示。由表2数据可知，即便在土壤中不添加抗种菌株，龙葵的发芽率也可以达到60%，一年生的株高可以达到75 cm左右。说明龙葵这种植物在镉元素污染的土壤中具有很高的存活率，且生长情况良好。在添加了抗种菌株的土壤中，龙葵的发芽率达到了73%，一年后龙葵的株高有97 cm左右。可见，通过在重金属污染的土壤中添加抗种菌株，能够更好地促进龙葵植物的生长。出现这种情况的原因在于细菌属于微生物，可以更好的促进生物的新陈代谢，从而促进龙葵生长。

表2 抗种菌株对龙葵发芽率和株高的影响对比

3.2 不同区域土壤镉元素污染程度分析

龙葵植物经过一年时间的生长后，再次对三块区域中的土壤进行取样分析，镉元素的地累积指数及对应的污染等级评价，结果如表3所示。由表3数据可知，在没有种植任何植物的土壤中镉元素的地累积指数与之前相比虽有了一定程度的降低，但是降低幅度几乎可以忽略不计，仍然属于中-强度污染程度。只种植了龙葵的区域，土壤中镉元素的地累积指数降低到了1.975 3，添加了抗种菌株再种植龙葵的区域，土壤中镉元素的地累积指数降低到了1.758 6。与第三块区域相比较而言，地累积指数分别降低了19.87%和28.66%。可见，通过种植龙葵可以有效降低土壤中的镉元素浓度，从而降低其污染程度。如果能够添加抗种菌株，则降低效果更加显著。表中还显示了种植龙葵区域土壤中的镉元素污染程度，依然为中度污染，主要原因在于龙葵的种植时间相对较短，要想彻底消除镉元素的污染问题，则需要延长种植时间即可。

表3 不同区域土壤镉元素污染程度对比

4 结语

煤矿资源的开采为社会经济发展做出非常重要的贡献，与此同时也严重破坏了附近区域的生态环境。通过对煤矿中土壤重金属元素进行检测，发现存在镉元素污染问题，等级为中-强度污染。基于生物修复技术对土壤中镉元素的污染问题进行修复，主要是在土壤中种植龙葵植物，并在土壤中添加特殊培养的抗种菌株，可以在高镉环境中存活，以促进龙葵对镉元素的吸收和植物本身的生长。研究结果发现，通过在镉元素污染的土壤中种植龙葵能有效降低土壤中镉元素的浓度，从而控制其污染程度。取得了很好的实际应用效果。