土壤重金属污染危害及微生物修复

李 威

（廊坊市农业农村局 河北 廊坊 065000）

1 土壤重金属污染危害

据调查数据显示，目前我国耕地土壤重金属污染形势严峻，污染面积大，且污染重金属种类多、含量高，全国有重金属污染耕地约2 000 hm2，约占全国总耕地面积的16.7%，部分受污染耕地内重金属含量超过安全限值100 倍。耕地土壤重金属污染具有以下特性：

1.1 重金属污染物毒性大。重金属浓度较低就可产生致毒效应，一般重金属元素浓度在1～10 mg/L 范围内即可产生生物毒性，并易与化肥、农药以及抗生素等有机物结合，生成具有更强联合毒性的有机金属化合物，极大影响并危害生物体正常生长。不同种类的重金属污染物对人体危害不同，如铅污染，会对人体的神经、消化系统和心脑血管有较明显伤害；镉进入人体后，会与钙离子发生取代反应，引起骨骼疏松和变形，还会导致肾、肝功能失调，致癌致畸；砷进入人体后会在肝、肾、肺等部位积累，造成肝病、疼痛，甚至诱发恶性肿瘤。

1.2 重金属污染物易积累。重金属污染物被土壤颗粒吸附，一般聚集在20～30 cm 深度范围，与大多数农作物根际深度相同，在降低土壤微生物活性、抑制植物根系对营养元素吸收的同时，也极易被农作物吸收富集。由于重金属污染物的迁移、富集特性，生物体中的重金属浓度可能倍增到环境介质中的上万倍，而重金属沿食物链逐级进入人体内并长期富集积累后，会对人体产生巨大危害，因此微量的重金属也同样具有潜在的危险性。

2 微生物修复土壤重金属污染技术

修复耕地土壤重金属污染的两种主要途径是去除化和稳定化，去除化是将土壤中的重金属污染物提取出去；稳定化是将重金属在土壤中的存在形态改变，消除生物毒性，降低活性。其中，微生物修复技术是利用微生物对重金属的亲合、吸附、转化效应，降低土壤中重金属的有效浓度。微生物法治理土壤重金属污染成本低、效率高，一般不需要停耕，可进行原位修复，对土壤环境影响小，同时能改善土壤环境、提升土壤肥力；但微生物治理法同时具有对重金属固定性有限、代谢能力不佳、微生物流逝或吞噬等缺点。因此，能提升微生物生物活性和增强修复效果的微生物强化修复、联合修复方法在实际应用中更具优势。

3 生物强化修复法

微生物强化技术主要有施加辅助营养源、构建基因工程菌、施加固定载体等方式，可选择单一方式或几种方式同时使用。施加辅助营养源，是为微生物的生长提供碳源、氮源等能源物质，促进微生物生长，提高微生物处理重金属污染物效率；构建基因工程菌，是通过射线照射、化学试剂处理等诱变育种方式，提高活性菌种重金属耐受性，获得高效高耐受性菌株；施加固定载体，是将微生物先吸附于木炭、粘土、琼脂等生物或化学材料载体上，再复合施入土壤体系，为微生物提供保护区域和营养源，减少微生物流失、被其他微生物吞噬等现象。

3.1 枯草芽孢杆菌与生物炭复合修复重金属污染土壤。王婷[1]等人选取枯草芽孢杆菌经紫外诱变的高耐菌株(B38)，与自制生物炭进行复合，研究了生物炭载体强化活性菌株后，对土壤中多种重金属离子的吸附行为。高耐菌株(B38)由枯草芽孢杆菌经紫外诱变5 min得到，对重金属有高耐受性，且对Cd、Cr、Hg、Pb等4 种金属离子有强吸附力，初期吸附速度快，形成的络合物较为稳定，可作为复合重金属污染土壤的修复剂。生物炭是在高温下热解玉米秸秆、猪粪制备得到，其表面具有大量活性官能团和密集空隙，吸附能力强，可提升土壤孔隙度和透气性，增加阳离子交换容量及有机质含量，加强植物对营养元素的吸收效果，改良土壤性质，增加作物产量。王婷等人将B38与生物炭复合，对土壤重金属污染(Cd、Cr、Hg、Pb 浓度分别为2.11 mg/kg、83 mg/kg、0.7 mg/kg、51 mg/kg)进行修复试验，试验结果表明：B38 和生物炭的加入能促进植物生长、降低重金属的可利用态含量，丰富土壤中微生物种类。在B38 施用量为20 ml/kg(2%)，生物炭施用量2%的条件下，油麦菜可食用部分重金属含量大幅下降，Cd、Cr、Hg、Pb 下降分别可达87.65%、69.95%、80.66%、96.06%。B38 协同生物炭修复土壤重金属污染，实现了原位修复，并有效利用了农业生产废弃物，为生物强化技术修复污染土壤提供了一种新的修复剂。

3.2 里氏木霉与苜蓿粉混合制剂修复土壤铜污染。田晔[2]等人选取1 株有铜抗性的里氏木霉FS10-C，与苜蓿粉混合，研究了该复合制剂对海州香薷土壤中铜离子的吸附行为和修复效应。木霉菌生长繁殖速度快，易于分离纯化和培养，可为植物提供生物防御，并对植物有促生作用；同时木霉对重金属有吸附和积累作用，能通过自身的代谢活动对重金属进行生物转化和生物沉淀。苜蓿粉是将采自田间的新鲜紫花苜蓿清洗杀青后经80 ℃烘干，粉碎过10 目筛得到，原料产量大、制作简单，且含丰富的碳水化合物、纤维素、多种矿物元素及维生素，能满足木霉生长需要，为其提供足够的营养条件和生长空间。FS10-C 和苜蓿粉混合的复合制剂，能促进植物海州香薷发育，减少黄化现象，提高土壤中有效Cu 含量最高达48.0%，海州香薷铜吸收能力最高达到112.0%，土壤速效磷含量最高达88.8%，土壤微生物碳含量最高达12.1 倍，同时也显著提升了土壤酶活性及土壤质量等指标。复合制剂发挥了土壤修复剂和土壤微生物肥料的双重功效。该木霉制剂制备简单，且不需要额外的营养物质即可显著促进海州香薷生长发育，减少土壤铜污染，初步具备应用于实际环境铜污染修复的前提条件。

4 微生物联合修复法

微生物联合修复是将植物修复与微生物修复协同使用，提高修复效果，实现重金属高效代谢分离，并能修复具有重金属、有机物等多种污染物的复合污染土壤。微生物-植物联合处理法对重金属污染修复有显著优势，微生物与植物共生，能大幅增强植物的重金属耐性，提高植物耐病性、存活率，促进植物生长发育，加快植物对重金属的吸收和向地上部分转运。

4.1 木霉菌-油菜联合修复土壤镉污染。高永东[3]等人从木霉REMI(限制性内切酶介导的基因整合)突变株中筛选出对Cd 高耐受、强吸附的菌株(T23)，与甘蓝型油菜(沪油20)联合作用，构建了木霉菌与油菜共生体，进行土壤中Cd 修复研究。木霉是一类重要植物病害的生防真菌，可以通过螯合或降解作用来溶解金属氧化物，提高作物营养利用的能力，促进植物生长；甘蓝型油菜株体较大，根系发达，具有超富集植物的农艺性状特点；甘蓝型油菜和木霉菌都有吸附土壤中多种重金属的能力，但又有一定局限性。研究结果表明：T23 与沪油20 组合明显提高了沪油20 对Cd污染土壤的净化率(Cd 含量100 mg/kg 时，净化率可达0.625%)，同时增强了油菜菌核病菌的防病效果，可达84.2%。甘蓝型油菜适应力强，可在长江中下游广泛种植，是比较理想的重金属修复植物，木霉菌-油菜组合的实际应用效果显著。

4.2 密旋链霉菌与黑麦草、籽粒苋联合，修复土壤中铅镉污染。曹书苗[4]等人选取了1 株密旋链霉菌Act12，该菌有较强的Pb、Cd 抗性(Pb、Cd 的最低抑制浓度分别为1 200 mg/kg、120 mg/kg)、耐旱性、促生特性。在半干旱缺水及铅胁迫下(0～1 000 mg/kg)，Act12 与黑麦草联合修复土壤中的铅污染试验结果表明，Act12 能促进黑麦草生长，增强黑麦草铅耐受性，土壤Pb 浓度为200～ 1 000 mg/kg 时，黑麦草株重、株高都显著增加；黑麦草体内Pb 浓度及单株Pb 吸收量(P＜0.05)大幅提高，转移因子、富集系数大幅提高，根系积累Pb 最高可达1 396.06 mg/kg，满足超富集植物标准；土壤磷酸酶和蔗糖酶活性增率可达26.2%和13.5%，根际土壤中生物有效性Pb 的含量提高可达37.2%，非根际土壤中生物有效性Pb 的含量降低可达14.1%。同时，曹书苗等人也研究了Act12 同籽粒苋联合修复半干旱土壤镉污染。在半干旱缺水及镉胁迫下(0～100 mg/kg)，加入Act12 试验组的籽粒苋株重、株高都显著增加，镉污染耐受性提高；对Cd 的生物富集浓度和修复效率提高，地上部分和根系Cd 积累增率分别可达170.0%、60.0%，土壤Cd 残留总量降低，生物有效性Cd 含量提高可达84.8%，籽粒苋吸收Cd 总量增加1 倍多。密旋链霉菌与黑麦草、籽粒苋联合对半干旱土壤重金属铅镉污染的修复效果明显，有很大的潜力和应用价值。