重金属污染土壤的生物修复技术研究进展doc.docx

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重金属污染土壤的生物修复技术研究进展

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安徽农业科学2015年05期作者罗辉

摘要简述了土壤重金属污染的危害及我国当前土壤重金属污染的形势与现状。

与传统、物理化学技术相比，生物修复技术具有简单、高效的优点，具有广阔的发展前景与研究价值。

生物修复包括植物修复、微生物修复、动物修复以及联合修复，目前该技术尚处于研究与发展阶段，在实际大规模重金属修复应用中仍存在一定的缺陷和不足。

从植物修复技术、微生物修复技术、动物修复技术及其联合修复技术4个方面简述了生物修复技术在重金属污染土壤治理中的研究进展与其各自的优点和缺点，最后探讨了生物修复技术现存在的不足之处及未来的研究方向。

关键词重金属污染；植物修复；动物修复；微生物修复；联合修复

中图分类号S181.3文献标识码

A文章编号0517-6611（2015）05-224-04

ResearchProgressofBioremediationonHeavy-MetalContaminatedSoil

LUOHui，ZHUYi-Chun*，FENGXiu-juan（TheSchoolofArchitecturalandSurveying&MappingEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou，Jiangxi341000）

AbstractThispaperprovidesabriefintroductiontothehazardsandsituationofsoilscontaminationbyheavymetalsinChina.Comparedwiththetraditionalphysicalandchemicaltechnologies，bioremediationtechnologyhastheadvantagesofsimplicityandhighefficiencywithwidedevelopingandresearchprospects.However，bioremediationtechnologyisstillatthestageofresearchanddevelopmentatpresentwithsomeshortcomingsintheactualapplicationoflarge-scaleheavymetalremediation，includingphytoremediation，micro-remediation，animalremediationandassociatedremediation.Theprogressintheresearchofbioremediationforheavy-metalcontaminatedsoilisreviewed，includingphytoremediation，micro-remediation，animalremediationandassociatedremediation，andtheiradvantagesanddisadvantages.Finally，somedisadvantagesofbioremediationinsoilpollutiontreatmentarepresentedandthefutureofthisresearchfieldislookedinto.

KeywordsHeavymetalpollution；Phytoremediation；Animalremediation；Micro-remediation；Associatedremediation

基金项目国家自然科学基金（51364015）资助。

作者简介罗辉（1988-），男，江西新余人，硕士研究生，研究方向：

污水处理。

*通讯作者，副教授，硕士生导师，从事污水处理等方向的研究与教学。

收稿日期2014-12-26

土壤重金属污染是指由于人类活动使得土壤中的重金属含量明显超过背景值，造成生态环境恶化的现象。

重金属污染物进入土壤后难以被降解，其具有隐蔽性、不可逆性、累积性等特点，对动植物的生存、人类健康及社会发展存在极大危害[1-2]。

白义等发现土壤动物的数量及群落多样性均随重金属污染严重程度的增加而不断减少、下降[3]。

高浓度重金属污染能显著降低小节肢类土壤动物的个体密度[4]。

随着土壤铬污染程度的增加，草本植物株高和叶片叶绿素含量会显著下降[5]。

湘南某农田中种植的苋菜、空心菜等叶菜类蔬菜的Pb和Cd含量超过国家食品卫生标准限值[6]，重金属通过食物链进入人体，不同重金属元素对人体健康的危害不同[7]，如镉易造成骨质疏松、萎缩、变形等症状；甲基汞会造成神经系统受损；铅能引起末梢神经炎及运动和感觉障碍等[8]。

当前，我国土壤重金属污染形势相当严峻。

据统计，我国耕地土壤的重金属污染面积为16.67%左右，约占我国耕地总量的1/6，其中，辽宁、河北等14个省、市和自治区是我国耕地重金属污染的多发区域[9]。

辽宁各土壤污染区面积均超过1000km2，湖南土壤重金属污染面积已达71.5万hm2[10]，以及其他多个城市地区均受到不同程度的污染[11-12]。

土壤重金属污染的隐蔽性和滞后性等特点注定了治理土壤重金属污染的任务繁重、过程复杂、道路漫长。

随着土壤的重金属污染问题日趋严重，近年来，国内外对于如何降低、减小，甚至消除大面积土壤重金属污染做了大量研究工作，主要分为物理法、化学法和生物法3个方面。

物理修复是指通过各种物理过程将污染物从土壤中去除或分离的技术，主要包括土壤淋洗法、工程措施法、电热修复法等；化学修复是通过向重金属污染土壤中添加改良剂、抑制剂，以调节和改变土壤的理化性质，使重金属发生沉淀、吸附、拮抗和氧化还原等化学反应，降低其生物有效性[14]。

物理化学技术修复重金属污染土壤不仅费用昂贵、治理效果一般，难以应用于大面积污染土壤的改良，化学治理后的土壤中重金属容易再度活化，而且常常造成土壤结构的破坏，导致土壤生物活性和肥力下降，引起二次污染等。

而生物修复技术是一种起步较晚但发展潜力巨大的新兴技术，其与传统的物理、化学修复技术相比，具有操作管理简单、处理费用低、对周边环境扰动小、不产生二次污染等特点，是一种经济、有效且非破坏性的修复技术，在处理土壤重金属污染方面具有广阔研究前景。

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1生物修复技术

生物修复是指生物通过生命代谢活动将环境中的有毒有害物质完全分解成二氧化碳和水或转化为无毒害作用的中间产物的过程。

目前生物修复分为植物修复、微生物修复、动物修复、植物-微生物联合修复和植物-动物-微生物联合修复。

1.1植物修复技术

植物修复技术是通过利用特定的植物吸收、降解、固定、富集重金属，降低重金属在土壤中的浓度，从而修复被重金属污染的土壤的技术。

植物修复机理主要包括植物提取、植物固定和植物挥发3个方面。

植物提取是在受重金属污染的土壤中连续种植重金属超积累植物，植物吸取土壤中一种或几种重金属，富集并输送到植物根部的可收割部分或植物的地上枝条部位，随后收割并集中处理，使土壤中重金属浓度降低到可接受水平。

超积累植物是植物提取的关键之一，是指能够超量吸收和积累重金属的植物，如天蓝遏蓝菜能超富集Cd和Zn[13]。

目前，已发现超富集植物有700种以上，且广泛分布于约50科中，并主要集中在十字花科[14]。

赵盈丽等经试验研究发现商陆能够将土壤中的锰转运到地上部位，一棵商陆可以富集平均13mg的Mn，表明商陆对锰有较强的富集能力，是一种优良的修复锰污染土壤的物种[15]。

康薇指出，超积累植物蓖麻对Cu不仅有极强的耐性和较高的吸收、转运能力，并且对生长环境中酸碱度的适应能力很强，有利于在重金属污染土壤的生态修复中大规模应用[16]。

植物固定又称植物钝化，是通过吸收、分解、氧化还原和沉淀固定等过程，促进重金属转变为低毒性形态，降低重金属在土壤中的迁移性和毒性。

Fánor等表示马蹄莲对铁具有一定耐受性并大量固定在根部，适合用于重金属污染湿地修复[17]。

除了借助植物本身的特性，在土壤中添加EDTA、CDTA、柠檬酸、肥料等，可提高重金属在土壤根系中的活性[18]。

张鑫等发现PASP对玉米修复重金属污染土壤有明显的强化作用[19]。

汪楠楠等通过盆栽试验发现柠檬酸和EDTA对吊兰富集量的影响与其对土壤中铜的活化能力呈显著性正相关，柠檬酸对土壤铜有较强的活化作用，能够有效提高吊兰对铜的吸收，且在浓度为5mmol/L时效果最为明显[20]。

植物挥发是利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中重金属转变为可挥发的形态，或者是植物吸收重金属在植物体内转化为气态物质释放到大气中的过程，目前主要是针对Hg和Se的研究[21]。

但将污染物释放到大气后，存在环境污染和危害人类健康的风险。

植物修复技术修复成本低，操作过程简单，且植物修复过程中不仅不会对修复区域造成生态环境破坏，还能防风固沙，减少水土流失和土地荒漠化，净化空气和水，改善当地生态及生物栖息地，形成自然景观，美化地表环境。

但目前，超积累植物缺乏完备的数据库，且其长期在重金属胁迫环境下，往往生长缓慢、植株矮小、生物量低，使得修复效率变低、修复周期延长。

被污染土壤常常是同时受到多种重金属复合污染，而一种植物通常只忍耐或吸收一、两种重金属元素，对其他浓度较高的重金属可能表现出某些中毒症状，且外来物种的引种存在较高生物入侵风险。

植物稳定只是将重金属转化为低毒态，并没有根本去除，外部环境的变化可将其重新激活。

此外，随着季节更迭，植物的枯枝落叶也可能使重金属返回土壤。

1.2微生物修复技术

微生物修复技术是指微生物通过转化作用和固定作用改变土壤重金属形态，降低重金属毒性、移动性和生物可利用性，从而达到治理重金属污染土壤的目的[22-23]。

微生物一般采用天然存在的土著微生物，有时也加入经过人工驯化和特别培养的微生物以及商品化的适宜微生物菌剂。

微生物对重金属的转化作用包括氧化还原作用和甲基化与去甲基化作用，常见的有对铬、汞、硒和砷等的转化[22]。

通过生物还原反应，微生物能将六价铬还原为三价铬，目前已有多种对Cr（Ⅵ）有还原作用的菌种被分离出来，如硫酸盐还原菌、芽孢杆菌属、埃希氏菌属、阴沟杆菌、大肠杆菌、假单胞菌属等[24]。

彭祚全等发现鲍氏不动杆菌在含硒量为25000μg/ml的营养琼脂培养基中能生长并可还原硒，地衣芽胞杆菌和枯草芽胞杆菌在33000μg/ml时能正常生长并能还原无机硒为红色单质硒，在含硒量为46500μg/ml时仍能缓慢生长[25]。

这些超耐硒微生物的发现，在治理土壤硒污染方面具有重要意义。

微生物固定作用可将重金属离子转化为有机结合态、残渣态或积累在微生物体内，包括胞外吸附作用、胞外沉淀作用和胞内积累作用3种形式[22-23]。

曹德菊等利用大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌对重金属离子Cu、Cd进行生物修复试验，结果发现当环境中Cu、Cd浓度较低（≤5mg/L）时，微生物修复性能良好，去除率可达25%～60%[26]。

李梦杰等利用裂褶菌GGHNO8-116菌株修复受Hg、Pb、Cr污染的土壤，试验研究发现该菌株对土壤中交换态铅和铬具有很强的富集能力，其最大富集率达1.9%，交换态铬最大富集率为2.6%，而对交换态汞的富集能力不强，最大富集率仅为0.78%[27]。

Benmalek等研究金黄杆菌属的一个新菌种solincola，发现其能生长在一定浓度的有毒金属存在的环境中并具有较高的金属富集能力，能够