微生物在重金属污染土壤修复中的作用研究

王兆阳，陆 彬，何彩群，赵 鹏

（浙江一龙环保科技有限公司，浙江 杭州 310000）

重金属污染既会对周边的土壤环境带来一定损伤，也会造成农作物减产和生态环境污染，更会对人们的身体健康带来负面影响。因此，加强修复重金属污染土壤，是实现生态化发展的一项重要举措。现阶段，修复重金属污染土壤的技术工艺多种多样，其中微生物修复技术具有较为明显的优势，例如二次污染较小、效果稳定以及修复成本较低等。因此，该技术在修复重金属污染土壤中发挥出了重要作用，所以得到了较为广泛的应用。

1 微生物重金属污染土壤修复技术概述

土壤是人类社会发展和农作物生长的重要基础，一旦受到了重金属的污染，土壤本身的生产能力就会被大幅度削弱，这不仅会对农作物的生长带来较为严重的负面影响，还会对人体健康造成较为严重的损伤。因此，我国在开展环境保护工作中，将修复重金属污染土壤的工作作为一项重点内容，而微生物重金属污染土壤修复技术则是重要手段之一。

通常，微生物修复重金属污染土壤是通过应用人工培育的微生物群，或土壤中原本已经存在的微生物群，使其在适宜的情况下，将具备的代谢功能进行充分发挥，从而使土壤中的重金属污染物质进行有效降解，并在这种作用下使其转变为没有毒性或是毒性更低的有机物质。而且，由于微生物产菌群本身具有非常突出的特性，比如适应能力很强、生长速率很快等，所以在土壤环境发生改变以后，还可以形成新的酶系，进而使其本身具有的代谢能力得到良好改善，且生成全新的代谢能力。如此一来，其分解土壤环境中的重金属污染物质的功能就会变得更强。就当前的发展形势而言，利用微生物治理重金属污染土壤已成为综合治理环境污染的一个重要举措，因此，研发此项关键技术有着很大的必要性和重要性[1]。

在实际修复重金属污染土壤中，尽管应用微生物修复方法能取得较为显著的效果，不过还需要在满足必需条件的前提下，才能够切实取得可观的修复效果。具体而言，这些条件可细分为三种：第一，被污染且待修复的土壤本身应含有多种多样的微生物种类，同时，这些多样化的微生物还能与土壤环境的变化情况相适应，并具备稳定的代谢功能，从而才可以真正实现转化或固定土壤中重金属物质的目标；第二，在微生物菌群实际开始修复受污染的土壤时，重金属在微生物的作用下会呈现出可降解性的特征，这时就可以借助微生物的特性，使原本的大分子化合物转变为小分子化合物；第三，在土壤环境不同的前提下，微生物修复技术在实际应用期间的效果也会呈现出差异化的现象，例如共代谢机制的不同和土壤所含营养成分的不同等。由此可见，在实际培养微生物菌群的过程中，应根据实际情况适当调整土壤环境。

2 微生物在重金属污染土壤修复中的作用

微生物菌群在实际修复重金属污染土壤的过程中，能最大程度地使用微生物代谢中的活性有益菌，进而有效降低了残留在土壤环境中的重金属物质的毒性和含量，从而最终使重金属污染物由原来的有毒、有危害的状况逐渐转化为无毒、安全的状况，以此达到修复重金属污染土壤的目的。同时，在实际运用微生物修复方法时，投入成本较低，且在修复阶段产生的二次污染风险也非常低，具有很高的生态保护效果。由此，微生物在重金属污染环境恢复中的效果和作用主要表现在以下三方面。

2.1 吸附作用

微生物包括较多的种类和形态，比如部分藻类、蓝细菌和硫酸菌还原菌等，这些种类的微生物可以在代谢阶段产生糖蛋白和多糖等化合物，而这些产物在和土壤中的重金属离子发生化学反应后，会产生部分络合物，且这部分物质毒性很小甚至不具有毒性，因此，达到了吸收土壤中重金属物质的目的。此外，当土壤的重金属离子和微生物组成络合物后，也可以对土壤环境中的其他各种各样的重金属污染物进行合理吸附，从而实现了对重金属污染土壤环境的修复。

2.2 转化作用

在土壤环境中，对于一些重金属物质而言，在经过还原反应之后，本身所具备的毒性会减弱，进而也降低了对土壤的危害程度。而微生物土壤修复技术就具备推动重金属物质还原的特性，因此，在实际应用过程中，可以借助微生物自身的还原特性，使土壤中重金属物质的毒性有效降低，并生成一些有价值的有机物。而这些有机物会对植物生长产生一定的促进作用。举例来说，有些种类的微生物菌群能在厌氧环境下还原重铬酸盐或铬酸盐，且这类铬酸盐中所含有的铬物质往往是具有高毒性的6价铬，而一些微生物就能利用自身的还原特性，将其转变为毒性较低的3价铬，从而实现了对重金属污染物质的有效修复[2]。

2.3 沉淀作用

在自然界中，本身就存在着多种多样的微生物菌群，而这之中的一部分微生物拥有诱导成矿的特性。因此，在对受到重金属物质污染的土壤进行修复时，就可以将这种特定种类的微生物，使其所具备的特种能力进行最大限度地发挥与利用，以此对碳酸盐等物质进行诱导，促使其有效沉淀。如此一来，土壤中所存留的重金属物质将会被有效固定，并最终将重金属物质降解为无毒或低毒的物质。

3 微生物在重金属污染土壤修复中的具体应用

3.1 微生物吸附法

微生物吸附法在修复重金属污染土壤的过程中，其原理基本是生物吸附与富集，即借助微生物的黏液层或细胞壁，直接吸附重金属物质，以此将土壤中存在的团粒结构进行优化和改善，从而促使重金属污染物质本身的形态出现变化，最终实现对重金属物质污染的土壤进行有效处理。通常情况下，微生物在对重金属物质进行吸附时，其整个过程较为繁琐，且反应机制也相对复杂，所以，可将微生物对重金属离子的作用细分为两种模式，分别是微生物吸着和微生物累积。

3.1.1 微生物吸着法

该模式在实际应用时，基本是在生物细胞表面，并通过化学络合、无机微沉淀、静电吸附和离子交换等化学反应，使生物体细胞组织表面的醋酸根基团和氢氧根基团与土壤中的重金属分子进行融合，以达到恢复生态环境的目的。举例来说，采用传统活性污泥法就可以把生态环境中残留的高放射性活度铅离子进行吸收。

3.1.2 微生物累积法

该模式在具体对重金属污染土壤进行修复期间，其基本原理是合成多种多样的微生物。而最终形成的物质将会同时拥有两种亲性物质，分别是疏水基团以及亲水基，例如芽孢杆菌（Bacillus）、不动杆菌（Acinetobacter）等。立足于分子结构的角度分析，微生物表面活性剂中会存在多元化的多糖蛋白质，主要包括磷酸和脂肪酸等，这也意味着其本身的环境兼容性和生物吸附性处于一个较为良好的状态。

3.2 生物通气法及投菌培养法

生物通气法和投菌培养法在具体应用到重金属污染土壤修复的过程中，基本原理都为生物降解。具体来说，主要是利用强迫性氧化的形式，在已经被污染且待修复的土壤中完成若干个通道的搭设，通道数量通常为2～3个，之后再借助安装鼓风机和抽真空机这些设备，将存留在空气中的氧气输送到待修复的土壤中，然后还要抽离土壤中的空气。其中，在应用生物通气法的期间，还可以在输送到土壤中的空气中添加适量的氨气，这会使土壤中起到降解功能的微生物菌群获取较为丰富的养分，从而使土壤中微生物菌群降解能量和降解活性均大幅增强。而在投菌培养法实际使用的过程中，大多是通过将外源污染降解菌种直接接入到已被污染的土壤中的形式，并由此直接向细菌供给促进其生长繁殖的养分。当前，我国在采用投菌培养法修复重金属污染土壤时，较为普遍的一个方法就是直接把过氧化氢投加到已被污染的土壤中去，从而为起到降解功能的微生物菌群提供一种较为优越的养分环境。同时，基于以上环境，微生物菌组也可以在矿化作用下，把土壤中的土壤重金属污染物质全部转化为水或二氧化碳。举例来说，可将氮酸根离子、氧气、过氧化氢、磷以及氮连续注入被铜离子污染的土壤中，在经过36 h反应之后，就会生成许多的铜离子降解细菌[3]。

3.3 微生物矿化固结重金属法

在应用微生物矿化固结重金属方法的过程中，其主要原理是发挥微生物自身的修复作用对重金属物质进行溶解和沉淀。具体来说，针对微生物的特性，同时并利用重金属溶解或沉淀的基本原理，促使环境中重金属分子转变为固态矿盐。该方法与地质矿化方式相比而言，微生物通过矿化或固结重金属的方式所利用的主要是无机相结晶功能，并借助微生物有机质的方式，使高分子化合物膜表面的有序基团进行定向结晶，并以此控制被破坏土壤环境中重金属的分布形态的效果。举例来说，可利用柠檬酸细菌属（Citrobacer），由于其属于革兰氏阴性菌，所以，通过磷酸酶的催化作用会形成更多的磷酸氢根离子。当这类离子与重金属物质在细菌表层发生作用时，会生成固态矿物质；再比如，借助尿素酶，使其与重金属离子在氯化钡溶液中发生反应，并由此生成碳酸钡。而碳酸钡这种物质具备米棒状聚集作用，能完成碱性矿物质的生成，从而减轻土壤环境受到的钡离子的不利影响；此外，借助土壤菌A，在底物诱导的作用下，能有效促进其出现碳酸盐矿化反应，同时将碳酸根离子进行有效分解，从而将重金属污染土壤中包含的铅离子、汞离子以及铬这一类的有效态重金属进行矿化固结，以此实现土壤环境的有效修复。

3.4 生物转化法

生物转化法的基本原理是氧化还原反应。通常，在众多的重金属污染元素中，6价铬离子是较为常见且比较主要的一种污染物形式，该物质本身具有较大的毒性，其迁移能力也处于一个较高的水准。因此，在对这种重金属离子进行治理时，可使用微生物技术对其进行固定，可在三羟甲基氨基甲烷盐酸盐（Tris-HCL）缓冲液中固定人苍白杆菌（Ochrobactrum anthropi）的菌株，在经过36 h的培养之后，就能够将原本毒性较大的6价铬离子转化为毒性较小的3价铬离子。一方面，这会促使铬离子降低对土壤环境造成的危害；另一方面，与转化之前的6价铬离子相比，3价铬离子的迁移能力也更弱，所以重金属物质对土壤的污染毒性也更低。再比如，还可以借助硫酸盐物质对细菌进行还原，主要是使硫酸盐出现还原反应，并生成一定量的硫化物。而这部分硫化物则可以与土壤中存在的重金属离子之间进行沉淀反应，从而使污染物离子钝化。在此期间，还可以将沸石、碳源这些物质加入到土壤中，且经过48 h以内的钝化反应之后，就能够交换态钡离子和铜离子[4]。

3.5 微生物-植物修复法

菌根真菌与植物根系共生是微生物-植物修复法的基本原理，即土壤-物-微生物复合体系，这能在很大程度上降低土壤中重金属污染物质本身的毒性。举例来看，受到重金属物质污染的土壤能依托这种方法，并借助丛枝菌根真菌与宿主植物互惠共生体、小叶女贞与根基真菌联合共生体的形式实现修复，这样就能使土壤环境中生长的植物具备修复重金属污染土壤的能力，并将其中包含的复合重金属污染物质，如铜离子、铅离子、铬离子以及锌离子等重金属离子的毒性降低。这样一来，土壤所承受的重金属污染物质的毒性就能大幅度减轻，同时也为植物生长创造更加良好的环境，从而实现对土壤环境和生态环境的有效治理。

4 结语

综上所述，在重金属污染土壤修复的过程中，微生物修复技术具备吸附、转化和沉淀等多重作用，且在实际应用期间，也取得了良好的修复效果，一方面，可有效增强重金属的吸收率，加速植物的生长和发育，提升农作物的产量；而另一方面，还能将土壤中存留的重金属物质有效降解，从而降低了土壤受到的危害。因此，在未来的发展中，要不断创新微生物在重金属污染土壤修复中的应用形式，并引入越来越多样化的微生物群，以强化修复效果，从而切实推动我国土壤环境的健康、长久发展。