试论土壤中铅污染的微生物修复

李晓楠 郝秋芳

（1.河南大学迈阿密学院，河南 开封 475004；2.河南省安阳市生态环境局龙安分局，河南 安阳 455000）

1.铅污染现状

铅元素在自然界中分布广、用途多，我国的含铅产品消费主要集中在蓄电池、铅材等行业，被回收再利用的铅仅占总比例的约25%，剩余大部分铅都通过“三废”等不同形式排放到环境中，导致铅污染。其中，土壤铅污染最普遍。

1.1 土壤中铅的形态

土壤中铅的形态大致分矿物态、吸附态、水溶态和有机络合态四种。矿物态的铅可分为方铅矿（PbS）、红铅矿（PbO2）、白铅矿（PbCO3）、硫酸铅矿（PbSO4）四种；吸附态以铁锰氧化钛为主；水溶态的铅离子很少。而土壤中的大部分铅以Pb(OH)2、PbCO3、Pb(SO4)2等难溶沉淀形式存在，除了Pb(NO3)2溶于水以外，其他铅盐均难溶或者不溶于水。

1.2 土壤中铅的来源

土壤中的铅来自天然形成和人为污染。自然情况下，土壤中的铅主要来源于母岩和残落的生物物质，一般情况下含量比较低，不会对人体及生态系统造成危害。而人为活动作用才是造成土壤铅污染的重要原因，城镇化建设、固体废弃物堆积，以及为提高农业生产，施用化肥、农药、污水灌溉，都可以使铅在土壤中大量积累。

2.铅的毒性

铅在自然条件下不会被降解，只会发生形态或者价态的变化。大量的铅在自然环境条件下长期存在着，随着人为活动逐步影响周边的动物、植物和微生物，且在食物链中有着十分明显的生物放大现象，最终铅可以通过食物链进入人体，从而危害人类身体健康。

2.1 铅对人体的危害

铅是污染物中毒性很大而且以神经毒性为主的一种重金属污染元素。作用于人体各系统和器官，主要伤及人体神经系统、血液系统以及免疫系统等。还可以通过消化道和呼吸道进入人体，特别是对孕妇、婴儿和儿童的健康危害较大。铅化合物也可以通过与皮肤接触进入人体。铅在人体内的半衰期长，对许多器官、系统和生理功能均能产生危害。

2.2 铅对植物的危害

土壤中过量的铅对植物会造成一种胁迫，当胁迫超过植物本身的忍耐限度后，就会对植物产生伤害，且这种伤害可能影响植物生长，严重时会导致植物死亡。当植物体内的铅元素积累到一定数量，就会影响到植物对各营养元素的吸收、植物的光合作用、细胞分裂等正常的生理活动，最终因影响植物品质与生物量，造成伤害甚至死亡。

2.3 铅对土壤微生物的影响

铅是造成土壤重金属污染的重要元素，具有生化毒性能明显影响土壤微生物的群落结构，改变土壤微生物活性，降低土壤微生物数量等。土壤微生物的基础呼吸会随着铅浓度增加而呈现上升趋势。土壤中高浓度的铅污染会使土壤的微生物量显著降低，其中土壤细菌、放线菌和真菌数量下降明显，且微生物生理生态参数也会发生明显的变化，微生物生物量碳、微生物生物量氮及基础呼吸和微生物代谢上也会随重金属浓度增加而明显下降，土壤脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酶活性的下降幅度也较为明显，过氧化氢酶、蔗糖酶活性则次之，蛋白酶活性则较为稳定。

3.铅污染土壤的微生物修复

传统的化学和物理修复技术去除污染物不够彻底，常导致二次污染，带来一定环境健康风险。而微生物修复技术则是利用细菌、藻类、酵母等微生物对重金属元素进行吸收、沉淀、氧化还原等作用，以达到降低重金属毒性的目的。微生物的活动通过改变土壤中溶液的 pH 和土壤结构，影响植物的根系分泌等过程，进而影响土壤对重金属的吸附以及重金属的形态，降低重金属的生物有效性。微生物修复处理费用相对较低，效果好，且对环境影响低，操作简便，可以进行就地处理等。

3.1 微生物修复铅污染的原理

3.1.1 微生物对重金属离子的生物吸附作用。微生物吸附重金属的机理较为复杂，大概可概括为几个方面，包括表面生物大分子吸收转运、细胞代谢、空泡吞饮、生物吸附和氧化还原反应等。研究表明，它们对金属的作用可分成微生物吸着和微生物累积两个不同的生化阶段。

3.1.2 微生物对铅的转化。微生物可以通过氧化还原、甲基化及去甲基化作用对重金属进行转化，将有毒重金属转化为无毒或低毒物质。如Barton等选用浓度为10mmol/LPb2+的土壤中分离出来的菌种，发现该菌种能够将 Pb2+转化成为Pb，使胶态的Pb不但不具毒性，且结构稳定。而陈洋进行了接种白腐真菌堆肥处理含 Pb垃圾的研究，结果表明，白腐真菌在降解垃圾中有机污染物的同时将 Pb 转化为结合态和残留态的形式存在， 白腐真菌对Pb的钝化作用也比较明显，经过发酵过程以后，Pb 的水溶交换态量减少到几乎为零。

3.2 铅污染土壤的微生物修复

微生物修复主要是借助微生物本身的生化反应来降低或 稳定环境中的铅，主要有生物吸附，生物还原沉淀和生物甲基化等。

生物吸附是利用某些生物体本身的化学结构及成分特性来吸附溶于水中的金属离子的过程，且该过程不依赖于生物体细胞的新陈代谢。用于重金属的生物吸附的材料有很多种。目前，人们研究的用于重金属吸附的微生物包括：细菌（如：Bacillus subtillis）、 丝状真 菌 （如 Rhizopus arrhizus）、 酵母（如 Saccharan yces cerevisae）、藻类、基因工程菌等。其中对铅离子吸附容量较高的有：坚强芽孢杆菌（Bacillus firmus）、谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)，对铅离子的吸附容量分别达到了467、567.7（mg·g-1）。生物还原沉淀是应用硫酸还原菌(SRB) 将 SO42-还原为 H2S，再与 Pd2+生成不溶性的 Pb2S，使溶液中 Pb2+得以去除，该技术多用于工业废水处理。微生物能通过氧化、甲基化合区甲基化等作用转化重金属离子，将重金属由有毒状态转化为低毒或无毒状态。

目前利用的微生物修复方法包括投菌法、生物培养法、堆肥法等等。

3.3 微生物修复土壤铅污染的弊端

相对于其他修复方法，微生物修复铅污染具有很多优点，如：不破坏土壤环境、无二次污染，操作简单方便，费用低等。但微生物修复也存在一定的弊端。

3.3.1 土壤微生物活性受外界环境条件的影响明显。土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，其活性直接关系到土壤生态系统的运转，土壤微生物活性是衡量微生物促进土壤环境物 质转化的重要指标。土壤微生物活性受土壤有机质含量、pH 值、外界温度、含水量等环境条件的影响，也受到施肥方式、耕作方式及灌溉方式的人为管理的影响。加入修复现场中的微生物可能会与土著菌株竞争或难以适应环境从而导致作用效果不理想。

3.3.2 不同微生物吸附效果不一样。前期研究结果表明，不同的微生物对铅的吸附容量有很大差异。绝大多数细菌对Pd2+的吸附容量集中在50～150mg/g，而真菌对Pb2+的吸附容量集中在5～300mg/g。

3.3.3 微生物修复系统存在潜在危险。微生物通过各种途径降低重金属毒性，但由于重金属的不可降解性、富集性，微生物修复存在着无法彻底清除的缺陷，重金属的分布仍旧不均匀分布在土壤中，有可能只是短时间的毒性降低，可能随着土壤环境的变化，因此其毒性存在恢复的潜在危险。

3.4 植物-微生物联合修复

微生物修复和植物修复技术具有广阔的应用前景，但各自均存在一定的局限性。微生物只能影响重金属在土壤环境中的迁移和转化，不能降解和破坏重金属铅，在土壤污染修复方面作用有限，将其与植物修复技术联合使用，能够发挥二者最大的污染修复能力。微生物与植物共生，发达的菌丝大大提高植物根系对重金属的吸收能力，促进植物对土壤中铅的吸收累积，同时，由于真菌对重金属铅的较高耐性，可有效降低重金属铅的毒害作用，促进植物的生长发育，提高植物铅修复能力。另外，高等植物一方面可以提供微生物生长所需的碳源和能源，一方面又可以提供良好的微环境，刺激微生物对重金属的转化。