土壤重金属污染及生物修复技术研究

黄艳玲 罗开萍

（崇左市环境科学研究所，广西崇左 532200）

近年来，随着工业化进程的加快，各种污染层出不穷，土壤重金属污染也日趋严重。土壤重金属污染具有污染种类多、分布区域广、治理困难等特点，给农业的可持续发展和人类的生存和健康产生严重的负面影响。因此，土壤重金属污染成为当前研究的热点领域之一。

1 土壤重金属污染现状

目前，我国土壤正遭受不同程度的重金属污染。据统计，我国受重金属污染的耕地面积约2000万hm2，约占耕地总面积的20%；每年重金属污染造成的粮食减产和粮食污染分别约为1 000万t和1 200万t，两者累加产生的经济损失至少达200亿元[1]。2005—2013年，生态环境部全国土壤污染情况调查分析结果显示，我国土壤污染总超标率为16.1%，其中Cd、Pb、Hg、As等土壤无机重金属物污染超标点位数占总超标点位数的82.8%[2]。另外，农业部环境监测结果显示，我国24个省（市）的320个重点污染区中，重金属含量超标的农产品产量与面积约占污染物超标农产品总量与面积的80%以上[3]。孟 敏等[4]对我国设施农田土壤重金属污染的分析表明，我国南部地区设施农田土壤重金属Cd、Hg、Pb污染最严重，北部地区设施农田As、Cu、Cr含量最高，西部地区Ni含量最高。赵庆龄[5]研究表明，2000—2008年，关于土壤重金属污染方面的研究论文每年约以30%的增速在学术期刊上发表。这些研究结果表明我国土壤重金属污染问题越来越严重，我国对土壤重金属污染问题越来越重视。

2 土壤重金属污染造成的危害

2.1 威胁人类生命健康

土壤是农作物生长的重要介质，土壤中超标的重金属被农作物吸收后在农作物体内累积，通过食物链被人体摄入后引发人体各种疾病，进而产生生物放大效应，影响人类生命安全和健康。20世纪60年代，在日本发生的由重金属Cd污染引起的骨痛病和由重金属Hg污染引起的水俣病引起全世界的广泛关注[6]。我国近年频报的“镉大米”“儿童血液铅超标”“癌症村”等事件均是由重金属污染引起的。另外，研究表明：Pb摄入过多可引发儿童发育迟缓、智力减退等症状；体内Cu水平过高会使人出现焦虑、抑郁和神经衰弱等症状；大量接触Cd会引起呼吸系统疾病等。重金属超标严重威胁人类生命安全与健康。

2.2 影响植物正常生长发育

土壤是植物赖以生存的基础，植物生长发育所需要的水分、矿质养分等均从土壤中获得。土壤受重金属污染后，植物也不必可避免地受到胁迫。在Pb污染土壤中生长的植物，植株细胞膜系统会遭到攻击，导致大量盐类和有机物从细胞中渗出。膜系统被破坏后，外界大量重金属离子进入细胞内，影响细胞器正常结构与功能，造成植物生理代谢紊乱[7]。何翠屏等[8]研究结果显示，生长在过量Cd土壤中的植物，其根、茎生长迟缓，叶片出现失绿、卷曲等现象。朱涵毅等[9]研究结果表明，Cd污染土壤上生长的植株光合作用、蒸腾作用受到抑制，进而引起膜脂过氧化，损害细胞膜作用机制。

2.3 影响农业可持续发展

土壤被重金属污染后，其基本理化性质、微生物种类和数量、土壤酶活等受到不同程度的影响，对土壤结构和功能产生负面作用，从而降低植物从土壤中摄取水分及矿质元素的能力，造成农业减收、减产。另外，污染严重的土壤无法再次耕种，还需花费大量的人力、物力对重金属污染土壤进行修复，在一定程度上妨碍了农业的可持续发展。

3 土壤重金属污染治理的生物修复技术

在减缓土壤重金属污染的众多修复技术中，生物修复技术具有成本低、无二次污染、处理效果好、可大面积推广应用等优点。

3.1 植物修复技术

在植物修复技术中，超富集植物是研究的重点内容之一。超富集植物对某种化学元素的吸收量可比普通植物高100倍以上，且吸收该元素后不影响自身正常生命活动。国内外研究者均十分重视超富集植物的研究工作。目前，我国被鉴定为重金属超富集植物的约有92科700种植物，其中，近3/4为Ni超富集植物[10]；被鉴定为 Cu、Co、Se、Pb、Mn、As 超累积植物的种类分别有37种、30种、20种、17种、13种和5种[11]。韦朝阳等[12]发现，大叶井口边草为As超富集植物，鸭跖草为Cu超富集植物；薛生国等[13]发现，商陆为Mn的超富集植物；陈同斌等[14]发现，蜈蚣草为As超富集植物。我国研究者对超富集植物展开了大量深入的研究，但具有大面积推广价值的超富集植物因植株生物量小且生长缓慢等而尚未被大规模应用。

3.2 微生物修复技术

关于微生物修复的研究，注重对重金属降解菌株的筛选与驯化工作。目前，科研工作者已筛选出多种降解效率高、特异性强的功能性菌株，但对这些降解菌株的研究多停留在实验室和小面积示范阶段，尚未发展到推广应用层面。国外关于利用微生物降解土壤重金属的研究相对更为深入，已发展到应用层面。例如，用细菌吸附废水中的Cd，起到良好的修复效果[15]。

3.3 联合修复技术

3.3.1 植物-微生物联合修复技术。植物-微生物联合修复是利用植物与微生物之间的互生互促作用来提高重金属污染修复效率的一种强化修复技术手段，具有成本低廉、降解速度快等优点。植物根系分泌的糖类、氨基酸类等物质可为微生物提供养分，有利于微生物的生长繁殖。另外，微生物分泌的有机酸可活化土壤中枸溶性的矿质元素，提高植物对矿质元素的吸收效率，促进植物健壮生长，从而缓解重金属污染对植物产生的毒性。目前，植物-微生物联合修复重金属污染问题的研究主要集中在高效降解菌株及其共生植物的筛选阶段，还需大量验证工作支撑其大范围推广应用。

3.3.2 植物-螯合剂联合修复技术。施入土壤的螯合剂（如EDTA、EDDHA、氨基酸以及小分子有机酸等）可螯合土壤中重金属离子，降低土壤溶液中重金属离子浓度，提高超富集植物对重金属离子的螯合及贮存效率，从而降低重金属离子的毒性。在植物-螯合剂联合修复过程中，提升重金属离子与螯合剂之间的螯合效率是提高螯合强化修复效率的关键因素。

3.4 基因工程修复技术

利用基因工程技术可以将具有重金属累积功能的基因导入到生长快、收获容易且不进入食物链的植物中。该方法是获得土壤重金属污染治理新突破的关键手段之一。

4 结语

生物修复技术具有广泛的应用前景，但该技术的推广落地目前还处在试验、示范阶段，还需大量转化成果的验证支撑。从长期发展考虑，生物工程修复技术（基因工程、细胞工程等）、联合修复技术及高效降解微生物组合应用等将是今后生物修复技术的主要发展方向。