土壤重金属污染生物修复技术

吴显鑫

南京白云环境科技集团股份有限公司，江苏南京 210047

引言：生态系统中，土壤子系统是人类及一切陆生动植物赖以生存发展的物质基础之一。土壤系统自身具有一定的缓和及减少污染的自净能力，可通过自身的物理、化学和生物的复杂作用，使进入系统的污染物质逐渐转化、减毒、消失，最终使土壤系统重新达到平衡状态，恢复原有的生态功能。然而，这种自净能力是具有一定限度的。一旦进入系统的污染物总量超过了系统本身的耐受度，会导致土壤污染的发生。土壤一旦受到污染，本身的物理、化学性质便发生改变,如土壤板结、肥力降低、土壤被毒化等，污染物还可通过雨水淋溶，由土壤流入地下水或地表水，造成水质的污染和恶化。受污染的土壤上生长的生物，吸收、积累和富集土壤污染物后，会通过食物链进入人体，最终对人体造成危害。严重的土壤污染还可导致农作物生长发育减慢甚至枯萎死亡，生物多样性迅速下降。

1 生物修复的类型

1.1 植物修复

植物对土壤重金属污染的修复包括植物降解、植物提取、植物挥发、根系钝化以及植物固定。其内在机理可能包括回避、吸收排除、细胞壁防御、重金属胞内区域化、重金属与各种有机酸络合、酶适应、渗透调节等机制。

植物降解指重金属进入植物体内，通过植物机体生化过程，改变重金属离子价态，降低其生物毒性。植物提取是利用富集或超富集植物将土壤中的重金属提取出来，运输并富集到植物可收获部分，最终可通过收获植株、集中处理，使重金属脱离土壤。提取修复包括两个阶段，首先是将土壤中束缚态重金属转化为非束缚态，其次是将重金属向植物可收获的地上部运输。植物根系钝化是指植物根系分泌有机酸、氨基酸、多肽等与重金属离子结合，降低重金属的移动性和生物可利用性，减小重金属被淋溶到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的风险，并减轻对植物的毒害作用。植物体内存在一种金属硫蛋白(MT)，富含半胱氨酸，半胱氨酸上的巯基易与重金属结合，形成低毒或无毒的络合物。此过程仅改变重金属离子的形态，并未减少土壤中重金属的含量。植物气化是利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中的重金属转化为可挥发态，或者植物将土壤中的重金属吸收到体内后将其转为气态物质释放到大气中，从而净化土壤。植物气化技术应用于修复重金属污染土壤，能有效去除土壤中的重金属，但同时使重金属挥发到环境中，可能造成二次污染。因此在采用植物气化技术时应持谨慎态度。植物提取修复技术是目前应用最多、最有发展前景的土壤重金属污染植物修复技术。

我国野生植物资源丰富，生长在天然的污染环境中的野生超积累植物和耐重金属植物不计其数，因此开发与利用这些野生植物资源对植物修复的意义十分重大。据有关资料显示，大量水生植物对重金属Zn、Cr、Pb、Cd、Co、Ni、Cu 等有很强的吸收积累能力。仙丹花、鹅掌藤、马齿苋、变叶木、美人蕉、孔雀草以及向日葵等，这些植物吸收重金属的能力以及在污染场址的生长状态都不错。木本植物生物量大，修复效果好于草本植物，如池杉富集Pb 和Cd 能力优于芦苇。陆生植物具有发达的根系，将幼小的陆生植物种苗用于水体中重金属的去除会更加有效。然而，目前利用野生抗性植物进行重金属污染土壤的治理还未取得理想结果。这主要是因为超富集植物一般只能积累某些重金属元素，植物物种的选取受不同地理气候条件的限制，同时富集植物和超富集植物生物量一般较少，生长速度慢，积累效率低。目前，大多数学者都试图通过基因工程的方法来获得重金属超富集植物（如芸苔属植物）。如导入金属硫蛋白基因或引入汞离子还原酶的半合成基因，以及其他与重金属耐性有关的基因，以此来增加植物对重金属的耐受性，最后规模种植这些超富集植物体来回收土壤中的重金属元素。

1.2 微生物修复

微生物修复是指利用野生或人工培养的具有特定功能微生物群，在适宜环境条件下，通过自身的代谢活动，降低有毒污染物活性或降解成无毒物质的生物修复技术。近年来，微生物修复技术已成为污染土壤生物修复技术的重要组成部分。

微生物修复重金属污染土壤的原理主要包括生物富集、生物吸着以及生物转化3 个方面。生物富集是指有毒金属被吸收后贮存在细胞的不同部位或被结合到胞外基质上，通过代谢过程，这些离子可被沉淀，或被轻度螯合在可溶或不溶性生物多聚物。微生物积累重金属也与金属结合蛋白和肽以及与特异性大分子结合有关。微生物能够通过自身的代谢活动作用于重金属元素是因其体内携带重金属抗性基因。重金属抗性基因是微生物在自然条件或人工诱导下产生的抗重金属毒性的遗传因子，可以激活和编码金属硫蛋白、操纵子、金属运输酶和透性酶等，通过利用这些物质与重金属结合、形成失活晶体或促进重金属排出体外等机制对重金属进行解毒。

1.3 综合修复技术

现实中土壤中污染物种类繁多，复合污染普遍，污染程度与厚度差异大，同时地球表层的土壤类型多，其组成、性质、条件的区域差异明显，而且修复后土壤再利用式的空间规划要求不同。因此，单项修复技术往很难达到修复目标，而开发复合修复模式就成为土壤污染修复的主要研究方向。现今开始投入应用的复合修复技术的主要类型有植物/微生物联合修复、动物/植物联合修复以及化学/物化-生物联合修复。

2 结束语

综上所述，土壤重金属污染问题有很多解决办法，微生物修复技术的不断提高使得污染问题的解决有了很多的渠道和思路。各种修复技术都具有不可替代的优点和局限，单一推广某种技术很难达到全面的效果。土地重金属污染修复作为一个综合性治理项目，既需要微生物学、生态学、化学等多种学科的研究和进步，也需要各种技术的综合运用，发挥各自独特的优势，使其为解决污染问题作出最大的贡献。