生态修复小论文之重金属生物修复技术研究进展

重金属生物修复技术研究进展张××Zhang××（吉首大学资环学院××班，湖南吉首，416000）摘要综述了近年来植物修复、微生物修复和动物修复等生物修复技术在重金属污染土壤生物修复技术方面的研究进展,以土壤中重金属污染物为对象,较为系统地综述了国内外重金属污染土壤生物修复技术的研究进展,结合当前土壤污染的新特点,提出了实际应用中存在的新问题,并对生物修复的近期研究工作进行了展望。关键词重金属生物修复土壤污染ResearchProgressontheBio-remediationofSoilsContaminatedbyHeavyMetalsZhang××(DepartmentofBiologicalResourcesandEnvironmentalScience,JishouUniversity,HunanProvince,416000)AbstractThisisanabstractaboutthebio-remediationofsoilscontaminatedbyheavymetals.Itincludesplant-remediation、bacteria-remediationandanimal-remediation.What’smore,itaimsatdealingwiththecontaminationofheavy-metals.Aswellasitprovidesthetechnologiesandresearchesindomesticandinternationalincurrentsituation,italsocombiningthenewcharacterswiththeresearchestofindthesolutionstosolvetheproblemsinreality.Atlast,itisalsoshowprosperitiesinthefuture.Key-Wordsheavy-metals�bio-remediation�soil-pollution0引言土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层。众所周知，土壤不但为植物生长发育提供有力的机械支撑，而且为植物生长发育提供水、肥、气、热等肥力要素。随着人口快速增长、工业生产规模不断扩大、城镇化的快速发展、农业生产大量施用化肥农药以及污水灌溉等，使得许多有害物质进入土壤系统，土壤重金属污染已成为全球面临的一个严重环境问题。土壤重金属污染会引起土壤的组成、结构和功能发生变化，微生物活动受到抑制，有害物质或分解产物在土壤中逐渐积累，通过“土壤→植物→人体”，或通过“土壤→水→人体”间接被人体吸收，危害人体健康[1]。生物修复是利用天然或人工改造的生物整体或组分来处理环境污染物的方法,具有投资少、效率高、可以原位处理低浓度环境有害污染物的特性,在环境治理中显示了极大的潜力,它还可以协调经济发展与环境保护之间的关系,实现社会的可持续发展。生物修复技术是替代物理化学修复的一种非常吸引人的方法,与物化技术相比,生物修复不止一个功能基团组起作用,并且结合生物代谢活性系统,生物修复具有更大的效用。[2]生物修复（Bioremediation）是对污染环境实施修复、治理的最为重要的技术之一。生物修复法是近几年土壤重金属污染治理的新方法，包括植物修复，微生物修复和动物修复。由于生物修复法效果好，简便易行，现在越来越受到人们的重视，目前使用最广、最有效的生物修复技术仍让是微生物修复。1生物修复具体方法1．1植物修复广义上的植物修复法是指利用植物吸收、降解、挥发、根滤等作用固定土壤、沉积物、污泥或地表水、地下水中有毒有害污染物的技术方法[3]。根据植物作用过程及其机理，植物修复一般可分为植物提取、植物稳定和植物挥发三种方式。狭义的植物修复是指植物提取，这也是目前研究最多的植物修复法。(1)植物提取[4]利用一些植物对重金属的吸收和在地上部的蓄积,并通过收获地上部达到减少土壤重金属含量的目的,这些植物主要分为两类,超量蓄积植物和诱导的超量蓄积植物。目前已发现有400多种植物能够超量蓄积各种重金属。一些超量蓄积植物能同时超量吸收、蓄积2种或几种重金属元素。用植物提取方法来修复重金属污染土壤的成功与否取决于两个方面,即植物体内有毒重金属含量的多少和植物生物量的大小,理想的用于植物提取的植物其地上部必须有一种或一种以上的有毒重金属含量比普通植物高百倍甚至千倍以上。在植物修复的实际操作中,植物体内金属含量多少比植株生物量的大小更有意义。植株或灰分中的重金属含量越高,对植株或灰分进行二次处理的成本就越低,经济效益越明显。(2)植物稳定[4]植物稳定是利用耐性植物的机械稳定性和吸收沉淀作用来固定土壤中的重金属，通过这些过程可以降低重金属的生物有效性和毒性，防止其进入水体和食物链，降低其对环境的污染风险。植物稳定技术对废弃的重金属污染和放射性元素污染尤为重要，目前这项技术主要应用于矿山废弃地、城市垃圾填埋场和污水处理厂等的土壤修复。但是植物稳定并不能彻底消除土壤中的重金属，只是暂时将污染物固定，使其不毒害环境中的生物，一旦环境条件发生变化，重金属的生物有效性很可能会发生变化，从而危害环境中的生物。(3)植物挥发[4]植物挥发是指利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中某些重金属转化为挥发形态，达到去除土壤中重金属的一种方法。这种方法主要适合于去除金属Hg和非金属Se。这种方法运用范围比较小，而且植物挥发的方法会将土壤中的污染物转移到大气中，所以具有很大的环境风险。不管是植物提取、植物稳定，还是植物挥发作用，污染治理最关键的问题还是植物本身的特性。因此，寻找与筛选适宜的超富集植物成为植物修复研究的关键问题。超富集植物被发现以后，最初的研究重点放在植物对重金属的积累量、耐受性及其应用价值上，近年来主要针对植物对重金属超富集的机制方面进行研究，并形成了一些假说。有人认为植物的超富集重金属特性与根部提取功能有关。有文献显示许多代谢物质，例如金属转运蛋白、植物螯合素、组胺酸、重金属组合蛋白和肽等，都参与了重金属在超富集植物体内的运输、积累以及解毒过程。1.2微生物修复技术[5]微生物在被污染土壤环境去毒方面具有独特作用已被用于进行土壤生物改造或土壤生物改良,高效微生物降解活性就地净化污染土壤。可用于重金属修复的微生物主要是土著的真菌(酵母)和细菌。不同类型微生物对重金属污染的耐性也不同,通常为真菌细菌放线菌。微生物修复易受各种环境因素的影响,温度、氧气、水分、pH等均可影响微生物活性从而影响修复效果。每种微生物菌株对影响生长和代谢的生物因子都有一定的耐受范围。如果某一环境中有几种参与生物修复的微生物,就比在同一环境中只有一种修复微生物的耐受范围要宽。但如果环境条件超出了所有定居微生物的耐受范围,微生物的修复作用就会停止。微生物修复在具体实践中也有一定的局限性:如某些微生物只能降解特定类型污染物;有些情况下不能将污染物全部去除,微生物/酶制剂可能带来次生污染问题,并对自然生态过程产生一定影响;加入到修复现场环境中的微生物可能由于竞争或难以适应环境而导致作用结果与实验结果有较大出入。另外,该方法相关文献报道较少,也缺乏进一步的试验研究,且微生物修复土壤的能力有限,它只能修复小范围的污染土壤。1.3动物修复[6]土壤中的某些低等动物能吸附土壤中的重金属,是由于它们的生物体普遍存在一种金属硫蛋白(能与重金属结合形成毒或无毒的络合物),同时生物体还能代谢产生一些含�SH的多肽(如PC),能与重金属螯合,从而改变了体内金属转运蛋白的基因(如最早克隆的Zn转运蛋白基因、Fe转运蛋白基因)[9],这两点使得这些动物对金属的抗性有了极大的提高。有关动物修复的研究报导较少,主要集中在有机物和农药污染土壤的修复(如利用蚯蚓等修复)和富营养化水体的修复(如用滤食性贝类、河蟹、棘皮动物等修复)。陈志伟[10]等用威廉环毛蚯蚓进行试验,发现蚯蚓对重金属具有很大的富集系数,其次为Cd、Hg和Cu。Koamowska等在华沙交通要道附近采集土壤和蚯蚓用于实验测定后发现,土壤中Cu、Pb、Zn、Cd的质量浓度分别为26~53,170~180,170~250和0.62~1.1mg/kg,而相应的蚯蚓富集系数为0.56,0.36,7.3和17.1。1.4植物-微生物协同修复[7]植物-微生物协同修复指的是真菌侵染植物根系后形成共生体菌根,菌根分泌的多种酶能分解土壤中的有机物和矿物质,产生多种植物激素和生长调节物质,调控植物生理活动,促进植物健康生长,提高植物的抗病性和生存能力。研究发现,菌根真菌能极大地提高Cu在玉米根系中的浓度和吸收量,而玉米地上部分的Cu浓度和吸收量变化不显著,这表明丛枝菌根有助于消减Cu由玉米根系向地上部分的运输。盆栽玉米模拟Cd污染土壤修复试验结果表明,与对照组相比,接种Glomousdiaphanum菌根菌使玉米的生物量增加了5.79倍,地上部Cd含量降低了53.9%,地上部磷含量增加了4.6倍,而根部对镉的吸收量增加,说明菌丝侵染使植物将Cd滞留在根部,抑制了Cd向地上部的转移,从而增加了植物对过量重金属的耐性。Cuenca等将丛枝菌根真菌的接种技术应用在委内瑞拉南部的生态恢复中,使因修筑全国最大的水电站而毁坏的萨王那植被得到恢复。Whiting等人发现,接种根际细菌后土壤溶液中锌含量增加,遏蓝菜地上部的鲜重和锌含量均提高1倍,根部对锌的吸收能力增加3倍,这可能是由于细菌了产生一种能被根系吸收的Zn螯合载体的缘故。Abou-Shanab等人的研究表明,对Ni积累的十字花科Alyssummural分别接种Sphingomonasmacrogoltabidu,Miaobacteriumliquefaciens和Miaobacteriumarabinogalactanolyticum,植物地上部镍积累量分别比对照组提高了17%,24%和32.4%。Souza等人的研究表明,接种根际细菌可以使印度芥菜根部(硒挥发的位点之一)的硒浓度比无菌对照组高出5倍,硒挥发速度也提高4倍。2我国生物修复研究现状2.1土壤重金属污染的方式[8]重金属一般指密度在4.5g/cm3以上的45种元素。砷、硒是非金属，但它们的毒性及某些性质与重金属相似，所以砷、硒也被列入重金属污染物范围。环境污染所说的重金属污染物，主要是指生物毒性显著的汞、镉、铅、铬，以及类金属砷，还包括具有毒性的重金属锌、铜、钴、镍、锡、钒等污染物。重金属污染土壤的主要方式有[8]：①土壤中的重金属通过雨水淋溶作用向下渗透，导致地下水污染；②受污染的土壤直接暴露在环境中，通过土壤颗粒物等形式直接或间接地为人或动物所吸收；③外界环境条件的变化如酸雨、某些土壤添加剂等因素提高了土壤中重金属的生物可利用性，使得重金属较容易地为植物吸收利用而进入食物链，对食物链上的生物产生毒害。与有机污染物不同的是，由于土壤中的重金属具有生物不可降解性和相对的稳定性，使得重金属污染土壤的修复比较困难。2.2中国土壤重金属污染现状[1]中国土壤重金属污染物主要来源于污水灌溉，工业废渣、城市垃圾、工业废弃物堆放及大气沉降。污水中占较大比例的工业废水成分比较复杂，都不同程度地含有生物难以降解的多种重金属，是土壤重金属污染物的主要来源，中国土壤污染除Cd、Hg污染外，Pb、As、Cr和Cu的污染也比较严重。中国目前农药、重金属等污染的土壤面积已达上千万hm2，污染的耕地约有0.1亿hm2，约占耕地总面积的10%以上，多数集中在经济较发达的地区，全国每年受重金属污染的粮食多达1200万t，因重金属污染而导致粮食减产高达1000多万t，合计经济损失至少200亿元[1]。华南地区部分城市有50％的农地遭受Cd、As、Hg等重金属污染，广州近郊因污水灌溉而污染农田2700hm2，因施用污染底泥造成1333hm2的土壤被污染，污染面积占郊区耕地面积的46％。2.3我国生物修复历程概述[9]我国的生物修复处于刚刚起步阶段。在过去的10几年中主要是跟踪国际生物修复技术