微生物土壤重金属污染修复的展望

-1-微生物土壤重金属污染修复的展望摘要：生物修复技术是土壤重金属修复中最具生命力的方法，而微生物在生物修复技术中有着举足轻重的地位。本文总结了近年来微生物修复技术中出现的方法，并对微生物应用于土壤重金属污染修复的新趋势进行了展望。关键词：土壤污染重金属微生物0.引言土壤是农业最基本的生产资料，是陆地生产系统的重要组成部分，是最珍贵的自然资源。土壤有两个重要功能：一是对植物生长提供机械支撑能力，并同时能不断的供应和协调植物生长发育所需要的水、肥、气、热等肥力要素和土壤环境条件的能力。因此人类的衣、食、住、行都离不开土壤。二是从环境科学的角度看，土壤具有同化和代谢外界环境进入到土体物质的能力，即土壤能使输入的物质经过在土壤内的迁移转化，最后变为土体的组成部分或再向外界环境输出，所以土壤是保护环境的重要净化场所。随着工业化和城镇化的快速发展，以及化肥农药的大量施用，土壤污染问题日益严重，其中，由于工矿企业的大量排放和化肥中大量存在的重金属，使得重金属污染成为土壤污染的最重要的组成部分之一。重金属在土壤中的一般迁移转化的形式是复杂多样的，并且往往是以多种形式错综复杂地结合在一起他们在土壤中的迁移转化，有以下三种形式：机械迁移和转化，化学、物理化学迁移和转化，生物迁移和转化。重金属污染土壤不同于其他的污染物，它通常具有隐蔽性、不可逆性、滞留时间长、易积累、毒性大等特点，正是由于这些特有性质，对其的修复治理问题一直是研究的一个难点[1]。面对严峻的现实，许多有识之士在重金属土壤的修复方面做了许多卓有成效的工作，取得了显著的成果。土壤修复方法主要包括理化修复和生物修复，其中研究最多的就是污染土壤的生物修复技术，包括植物修复、微生物修复和动物修复。重金属的生物修复有两种途径：一是通过在污染土壤上种植木本植物、经济作物以及生长的野生植物，利用其对重金属的吸收、积累和耐性除去重金属。二是利用生物化学、生物有效性和生物活性原则，把重金属转化为较低毒性产物(络合态、脱烷基、改变价态)；或利用重金属与微生物的亲合性进行吸附及生物学活性最佳的机会，降低重金属的毒性和迁移能力。微生物对土壤中重金属主要有三个作用：一是对重金属离子的溶解与沉淀；二是对重金属离子的生物吸附和富集；三是对重金属的氧化还原[2]。生物修复技术是土壤污染修复的主要处理技术，而微生物修复是土壤生物修复技术的重要组成部分，是最具发展和应用前景的生物学环保新技术[3]。本文着重对微生物治理土壤重金属污染的趋势和新的研究热点进行总结和展望。1.微生物与植物利用富集植物随土壤中重金属进行修复是生物修复技术的热点。根据美国国家环保局的定义，广义上的植物修复技术是指利用植物吸收、降解、挥发、根滤等作用固定土壤、沉积物、污泥及地表、地下水中有害有毒污染物的技术。根据其作用过程和机理，植物修复可分为植物稳定、植物提取和植物会发三种形式。在植物修复过程中，利用微生物对重金属的溶解作用，使土壤中溶解态的重金属离子大量增加，从而增加植物对重金属离子的富集作用。1.1菌根菌根是指土壤中某些真菌与植物根的共生体。菌根真菌与植物之间建立相互有利、互为条件的-2-生理整体，并各有形态特征，这是真核生物之间实现共生关系的典型代表。菌根的作用主要是扩大根系吸收面，增加对原根毛吸收范围外的元素的吸收能力。菌根真菌不仅能借助有机酸的分泌对土壤中某些重金属离子进行活化，而且能以其他形式如离子交换、分泌有机配体、激素等间接作用影响植物对重金扁的吸收[2]。1.11菌根菌对重金属的转化作用研究发现，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[2]。陈家武等也通过比较铜、镉、铅、锌的形态变化、作物的生物量和金属在玉米中的蓄积量等参数在接种和不接种菌根菌玉米根际土壤中的情况，得出菌丝向根外土壤中分枝扩散，可以形成庞大的根外菌丝体，它们可以通过吸收土壤中的游离态金属和分泌菌丝粘液影响根际土壤微量金属的形态，菌丝分泌物能螯合大量的微量金属，使金属从游离态转化为结合态，从而减少重金属对玉米生长的胁迫。1.12菌根菌对微生物的积累吸收作用大量研究表明，在土壤中，菌根菌利用各种方式积累吸收重金属，增强植物对重金属胁迫的抗性。陈保东等研究发现，菌根对锰、锌、镉都有一定的吸附作用，均比非菌根根系高，且丛枝菌根植物对重金属的吸附作用较其他生物吸附量要大，效果更佳[4]。1.13菌根菌对重金属的转运作用在Cu、Zn、Pb、Cd4种重金属复合污染土壤上三叶草生长的影响研究中显示¨引，重金属Pb和Cd向地上部运输受到根系限制，表明三叶草根系对重金属的固持作用在接种丛枝菌根菌后得到强化。利用菌根在土壤中的重金属的吸附及阻断重金属继续向上运输的作用，可以在某些地区接种合适真菌，或培养出均有超强吸附能力的真菌，利用菌根吸附土壤中重金属并减少重金属对植物的胁迫。1.2微生物活化重金属存在于植物根际的微生物在代谢过程中通过产生有机酸和极性离子而改变重金属的存在状态，有利于植物对其的吸收富集而降低土壤中重金属的含量。研究发现，抗重金属细菌在植物根际活动，可以促进重金属在植物体内的积累，从而可以加强植物修复过程[1]。将微生物的活化作用与超富集植物的富集作用结合起来，可以将富集效果达到最高水平，极大地提高植物的富集效率。2.微生物与动物土壤动物对重金属的作用正越来越引起重视。蚯蚓的活动可以明显增加红壤中DTPA提取态Cu的含量；同时，蚯蚓可能通过提高重金属的生物有效性，间接地影响植物对重金属的吸收。蚯蚓处理可以降低污泥中Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、Mn、As的交换态含量．增加污泥中以上金属元素不可利用态的含量。蚯蚓会分泌大量胶粘物质，很多成分含有-NH2、-COOH、-C=0等活性基团，能够络合或螫合重金属，提高土壤中重金属的活性。胶粘物质处于不断分泌——不断络合／螯合重金属——不断遭到分解的动态过程中。这将比静态过程更为有力地推动土壤重金属的活化。蚯蚓活动还可以刺激土壤微生物的活动，而微生物活动本身可以直接或间接地活化重金属及其他植物养分。近年的研究表明，蚯蚓活动可使稀释铅锌矿砂中DTPA提取态Pb、Zn含量分别提高了48.2％、24.8％[5]。将微生物、土壤动物、富集植物作为一个共同体来进行生物修复，将能极大地促进重金属的活化与植物吸收，从根本上断绝土壤中的重金属污染。这要求寻找出这三者在重金属修复中的耦合关系，并寻找或驯化出提高重金属生物有效性性的微生物。3.微生物与理化方法-3-目前国内外采用的治理土壤重金属污染的物理化学方法主要有以下几类：一是采用工程措施，包括客土法、清洗法、隔离法、热解法、电化法等。二是采用化学方法，加入改良剂，或者淋溶主要作用是降低土壤污染物的水溶性、扩散性和有效性。微生物亦可与物理化学方法结合使用，加强治理的效果。3.1工程方法3.11异位修复把要处理的土壤挖出、搬运或输送到其他地方集中起来进行微生物降解。主要方法有土耕法、堆肥法、厌氧处理法、生物反应器法等。异位修复主要用于重金属污染严重超标，面积较小的土地，处理速度快但处理成本较高。3.12电化法先在待修复的土壤中投放氮、磷等营养元素或调节土壤中氧气、氮气等的含量，从而促使微生物的生长繁殖，将重金属元素通过溶解或氧化还原作用解离出，然后应用电动力学的方法将土壤中重金属大量萃取以达到去除目的。适用于透水性差的黏质土壤。3.2淋溶法土壤淋溶法是利用淋洗液(水或含有能提高重金属可溶性试剂的溶液)把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属的废水进一步回收处理的土壤修复方法[6]。该方法的技术关键是寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液。由于此法对地下水的污染较大，及易造成土壤养分流失，土壤变性，使用过程中受到了极大限制。而微生物对淋溶方法的后期处理有极好的固定作用。可利用微生物或富集植物对重金属的吸附作用，控制淋洗液的用量，实现淋洗-吸附的有效平衡。4.小结本文论述了微生物在治理土壤重金属污染的方法，重点说明了微生物与其他方法相结合在土壤重金属污染修复中的广阔前景和重要作用，微生物在土壤修复中的作用应当引起高度重视。参考文献：[1]彭强，宗浩.微生物治理土壤重金属污染的研究进展[J].工业技术:15.[2]王敏，徐甜甜，李强等.重金属污染土壤的微生物修复机理与技术[J].唐山学院学报,2011,24(3):43~45.[3]焦渊.土壤中重金属污染的生物修复技术[J].环境科学,2010,(10):112~113.[4]董明，王冬梅，王晓英.菌根菌在植物修复重金属污染土壤中的作用[J].华北农学报,2010,(25):250~253.[5]王航洁，俞伟东.陆生无脊椎动物监测土壤重金属污染[J].北方环境,2011,23(5):119~120.[6]崔德杰，张玉龙．土壤重金属污染现状与修复技术研究进展[J]．土壤通报,2006,35(3):366~370.