微生物在重金属污染土壤修复中的作用

2023-01-06焦迎迎吕淑华

皮革制作与环保科技 2022年9期

焦迎迎，闫斐，吕淑华

（1.浙江新境生态环保科技有限公司，浙江杭州 310000；2.浙江建安检测研究院有限公司，浙江杭州 310000；3.绍兴市开元工程咨询有限公司，浙江绍兴 312000）

我国经济社会还在持续高速发展，工业企业在这样的背景下也在持续扩大和增长，而重金属材料是工业生产和发展中非常重要的材料，所以，随着工业社会的快速进步与发展，重金属的排放以及使用的数量只会越来越多，如果不采取科学、有效的手段对重金属排放进行良好地治理，将会导致我国土地资源受到重金属污染不可逆的损害，对人类的生活环境以及食品安全也将产生巨大的影响。因此，如何能够实现对污染土壤的有效修复以及治理已经成为当下工业发展以及生态保护工作中的重点课题。目前我国针对重金属污染的治理技术已经有很多种方式，其中的微生物修复技术目前已经积累了非常成熟的经验，并在大量的实践修复工作中取得了良好的效果，该技术相较于其他修复技术具有诸多明显的优势，其技术成本也远远低于其他修复形式，且修复效果也较为稳定等，这些都是微生物修复技术非常重要的优势。同时，该技术具有更好的适用性及易操作性，所以微生物修复已经成为目前我国重金属土壤修复的重要且主流的手段之一。

1 微生物土壤修复技术概述

目前微生物土壤修复技术主要是通过土壤中现存的微生物群利用自身的代谢功能对土壤当中不利于农作物生长以及对人体有害的物质进行降解，转化成毒性更低或者没有危害的有机物，对于土壤结构中不具备微生物群条件的土壤，目前已经可以在土壤外进行微生物人工培养，然后植入到需要降解的土壤当中。微生物在土壤中具有适用性较强以及繁殖快等诸多特点，因此能够在不同时段及不同环境中进行自身菌群的更新与变化，从而实现持续对土壤中重金属物质进行降解的作用。为了实现微生物良好的土壤修复作用，首先需要保证土壤结构中的微生物种类具有一定的多样性以及代谢稳定性，同时在单位土壤体积中达到对应的数量，这样才能发挥良好的降解作用。其次是保证被降解土壤当中所含的金属物质具备从无机物向有机物转化的基础。最后，需要根据土壤结构的实时变化以及重金属转化的具体情况对微生物群进行及时跟进处理，因为微生物在对土壤进行降解的过程中会实时变化，导致后期的降解效果可能会随着时间的变化以及微生物群的变化而出现降解效果的偏差，所以在对土壤进行降解时，需要对土壤环境以及微生物的存活情况进行实时监督与跟进，从而可以根据土壤中重金属的含量以及土壤环境进行实时优化和调整，保证微生物群在土壤当中始终发挥最佳的降解效果[1]。

2 微生物对于重金属土壤污染的修复机理

2.1 微生物利用细胞表面对重金属进行吸附

利用微生物细胞表面对重金属的吸附性质对重金属物质进行吸附是土壤污染处理方式中效果非常显著的一种方式。微生物种类繁多，包括众多藻类和细菌等微生物，这些物质在土壤中能够通过自身结构的代谢产生与有害物质相吸引和结合的物质，与金属离子以及有害物质形成毒性较低的络合物，从而实现微生物对土壤修复的功效。同时，微生物在土壤中可以形成糖蛋白等物质，这类物质能够与土壤中的重金属离子结合，产生螯合等物质，这类物质在细胞中具有更低的毒性，从而减少了对土壤的破坏。重金属离子中绝大多数离子为阳离子，微生物中携带的离子更多的为阴离子，对阳离子具有良好的吸引作用，从而达到细胞对金属的吸附作用，在这一过程中，随着阳离子的聚集会逐渐形成重金属的阳离子核，不断吸引更多的有害金属物质。利用细胞表面对重金属进行吸附的技术在具体的应用中具有更好的普适性，微生物中的阴离子对绝大多数的阳离子都能够产生明显的吸附作用，因此使土壤处理和降解范围更加广泛，所处理的金属污染种类也更加多元，其缺点是当重金属离子被吸附后，微生物无法对有害物质进行及时快速地溶解或者与之发生反应，使其在土壤中停留较长时间，因而有可能会对土壤造成二次污染[2]。

2.2 利用微生物的生物溶解作用降低重金属的毒性

生物溶解具体是指微生物与部分重金属物质发生化学反应，实现与重金属离子相溶解或者结合，最终形成毒性较低或者没有毒性的有机物。利用生物溶解的方式对微生物的要求较高，首先需要保证微生物有足够的种类和数量，且土壤当中的重金属离子具备被转化的特质与条件，才能够实现生物溶解的目的。生物溶解方式的优点在于对有害物质的处理较为彻底，且效果较为稳定，在处理结束后不易出现反复的情况。但缺点也较为明显，因为生物溶解对生物的种类以及金属的种类都具有较高的要求，且具有被降解的条件，因此在具体应用过程中，该技术的适用范围较窄，无法实现大范围土壤的降解处理，也无法实现多种有害物质的同时溶解，因此在实用性和普适性上仍然存在一定的缺陷[3]。

2.3 微生物利用生物转化代谢重金属有毒物质

生物转化是指利用微生物对重金属有毒物质进行吸收和代谢，并在代谢过程中进一步降低重金属的毒害性，从而实现对土壤的降解和质量的优化。微生物在代谢过程中会产生一定数量的酸性物质，这类物质与重金属离子回发生不同的化学反应，减少了重金属阳离子的数量。生物转化这种微生物代谢技术相较于另外两种技术对重金属的转化速度相对较慢，因此对于污染较为严重或者需要紧急处理的土壤不能够发挥快速降解的效果[4]。

3 微生物在重金属污染土壤修复中的作用研究

3.1 利用细菌修复污染土壤

微生物有许多种类，其中多种微生物均对土壤修复和降解有着明显的帮助。微生物中的细菌就是对重金属进行吸附的有效微生物之一，细菌的细胞表面具有与其他微生物明显不同的结构，其能够利用自身的细胞壁对重金属离子进行良好地吸附，且这种吸附能力较为稳定，可以达到长期吸附的效果。与此同时，在重金属污染情况较为严重的土壤中，这种耐重金属细菌会拥有更强的吸附能力与生存能力，通过自身结构的代谢，将吸附在细胞表面的重金属物质进行充分地沉淀与代谢，并通过自身的细菌细胞结构对重金属离子进行重新整合与溶解，从而很好地降低重金属的毒性。细菌在污染土壤当中如果达到一定的菌群规模与细菌数量，就能够有效实现对土壤结构产生细致的影响，发挥出良好的降解效果。通常情况下，在利用细菌对污染土壤进行降解和修复的过程中，会与微生物菌剂混合使用，在微生物菌剂中添加有助于土壤恢复和降解的良好物质以及对农作物生长有利的物质，从而在降解土壤污染的同时也对农作生长产生了积极的促进作用，农作物的良好生长也能够反向促进土壤结构中微生物的增长，从而进一步实现对土壤当中重金属离子的吸收，加速了土壤的优化和降解。从目前绝大多数土壤中的微生物结构看，细菌在土壤中的丰富性以及数量都非常高，且相较于真菌以及其他菌种，细菌在对重金属离子的吸附能力以及土壤的治理效果上更为出色，也正是因为细菌在土壤治理方面存在的诸多优势，其在我国的土壤治理领域被广泛应用且已经取得了相当成熟的经验。从目前现有的研究理论与实验成果看，已经有多种细菌被证实具有良好的土壤修复作用，例如，假单胞菌、微球菌、根瘤菌、链霉菌属以及芽孢杆菌等，研究最成功的细菌是芽孢杆菌，根据有关实验数据显示，芽孢杆菌对重金属的最大吸附量可达363 mg/g，而对于单离子Cd的吸附量为196 mg/m左右[5]。

3.2 利用真菌对污染土壤进行修复

真菌也是微生物当中非常重要的一个物种，在水体环境中或者土壤环境中都非常常见和普遍，同时真菌对污染土壤同样具有降解和修复作用，真菌对土壤结构中重金属的处理方式以及土壤修复的机理上有所相似，真菌在土壤中能够与污染土壤中的重金属离子例如汞、铅等重金属元素发生配位络合作用，从而促使土壤当中的重金属离子形成相对稳定的化合物质，这种化合物质相较于重金属离子对土壤的危害更小，对土壤中水分的污染程度也更低，从而可以有效降低对农作物的危害。在利用真菌对污染土壤进行修复的过程中，相较于细菌在污染土壤当中的生存状况，真菌在生长过程中对土壤环境的有着更加严格的要求，所以通常情况下，在重金属污染土壤的自然条件下，真菌的种类和数量达不到降解的要求，并且会随着重金属污染的加重而出现增长缓慢的情况，在这种情况下就需要进行适当的人工介入以实现对土壤的改良，从而为真菌提供相对优质和稳定的生长环境，促进真菌在土壤中的繁殖。在用人工对土壤状况进行改良时，通常会采用在堆肥过程中添加生物炭的方式，这种方式能够有效地为土壤当中的微生物提供更加优质的生长环境，真菌也能够得到进一步繁殖与增长，进而提升重金属的降解速度。与此同时，在土壤中加入生物炭能够减缓重金属在土壤中污染蔓延的速度，并提升真菌在对金属离子吸附后对金属离子的加固和稳定性，避免重金属离子的进一步扩散和污染。相关调查显示，真菌在污染较为严重的区域，具有更好的耐性和更快的繁殖速度，能够在需要治理的区域快速形成生物群体，并将生长环境进行大范围的延展，遍布整个污染区域，从而实现对污染土壤的全范围修复[6]。

3.3 利用藻类实现污染土壤的修复

从目前的理论研究和实验成果看，利用藻类实现对土壤的降解治理仍处于实验阶段，在我国土壤治理领域还没有得到普遍应用。目前对藻类微生物的实验主要是在小范围植被中进行，并通过测试检验不同藻类对重金属离子的吸附能力。相关试验结果表明，0.1 mg的小球藻可以吸附重金属的数量是不一样的，对于汞的吸附量为38.75 mg/m，对于镉的吸附量为23.63 mg/m，而对于铅的吸附量是23.63 mg/m等。在藻类中，除了小球藻，其椭圆形以及梅尼小球吸附重金属的能力也很强。藻类在土壤当中对重金属的吸附以及对土壤降解有着更为复杂的原理和机制，通常情况下通过两个方面来实现。第一个方面是通过藻类细胞本身的细胞壁对重金属离子进行吸附，实现土壤中重金属离子密度的降低，达到降解和优化土壤的作用。第二个方面，藻类微生物可以通过自身的代谢作用向土壤中释放胞外产物，藻类细胞所释放的胞外产物能够与土壤当中的重金属离子进行良好的结合，有效降低或者消解除重金属的毒性，实现对土壤降解的功效。但是相较于真菌和细菌，藻类对重金属的吸附能力要弱一点，在土壤当中发挥的作用要明显小于细菌的作用。目前，藻类更多低被应用于水分较多的土壤环境中或者水资源的治理当中，因为藻类植物在生长过程中对水的需求更大，因此，在较为干旱的土壤结构中，藻类植物可能无法发挥出良好的土壤降解功效。藻类微生物更多地生长在水体当中或者含水量较高的土壤当中，在土壤当中能够生成有机物质以及自由基等物质，这些物质可以帮助土壤加快降解。

3.4 利用动物实现污染土壤的修复

利用土壤当中生存的动物实现对污染土壤的修复是成本较低且易操作的一种土壤降解方式，根据目前现有阶段的实验成果来看，用于降低土壤中重金属含量的动物是蚯蚓，蚯蚓对生存环境的要求较低，因此即便是在重金属含量较高的土壤环境当中依然能够生存，蚯蚓在土壤中以有机物为食，从而通过自身的饮食和排泄实现对土壤成分的改变。根据相关实验数据显示，蚯蚓对土壤中的重金属铅和镉具有非常明显的降解效果[7]。

3.5 利用植物实现污染土壤的修复

在土壤降解和修复领域，植物降解也是经常用到的一种方式和手段。具体的操作方式是根据土壤当中含有的某种或者某几种特定的重金属种类，在该土壤中进行针对性的植物种植，并利用特定植物对重金属进行吸收，从而将土壤当中的重金属离子吸附到植物自身的组织中，也就是利用植物的不断生长以及对土壤当中养分的吸取来完成对重金属的收集，待植物生长情况稳定并完成对重金属的收集以后，再对这部分植物进行统一地销毁处理，从而达到污染土壤修复的目的。

在利用植物对土壤进行降解的过程中，可以根据不同植物对重金属的吸收情况对植物进行针对性地处理，例如部分植物对重金属的吸收会集中到叶片上，有的植物对重金属的吸收则会集中到果实上，在这种情况下，就可以通过割取植物对应的部位实现对土壤中重金属的持续收集。另外，还有部分植物能够通过自身的生长将土壤当中的重金属元素通过叶片以气体的形式挥发出去，从而有效减少土壤当中的重金属含量，例如杨麻可以将土壤中的三价硒离子转变成甲基硒，并将其挥发出去，从而去除了土壤中硒的污染；烟草可以将Hg2+转化为气态的单质Hg[8]。