重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展
土壤重金屬污染是指由于人類活動致使土壤中較高含量的重金屬對生物產(chǎn)生毒害作用，并造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)象。常見的對土壤造成污染的重金屬包括鋅、銅、鉻、鎳、鉛、鎘、汞等元素，它們不僅導(dǎo)致土壤退化、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，還會通過徑流和淋洗作用污染地表水和地下水，并通過直接接觸、食物鏈等途徑危及人類的生命和健康。重金屬作為一類危害很大的環(huán)境污染物，它所產(chǎn)生的污染過程具有隱蔽性、不可逆性、長期性和后果嚴(yán)重性的特點(diǎn)。因此，土壤系統(tǒng)中重金屬污染的治理目前是國際性的難題和研究熱點(diǎn)。
土壤重金屬污染傳統(tǒng)的治理方法通常采用物理、化學(xué)的方法，如客土換土法、淋濾法、吸附固定法、熱處理法、絡(luò)合浸提法、氧化還原法、電化學(xué)法等。雖然這些方法治理效果較好，歷時較短，但往往投資大，難以管理，易造成二次污染，對環(huán)境擾動大等。近年來，土壤重金屬污染生物修復(fù)技術(shù)正在興起。生物修復(fù)是指利用特定的生物吸收、轉(zhuǎn)化、清除或降解環(huán)境污染物，實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈化、生態(tài)效應(yīng)恢復(fù)的生物措施。生物修復(fù)技術(shù)與其他治理重金屬污染的技術(shù)相比，具有成本低、操作簡單易行、無二次污染、處理效果好且能大面積推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的社會、生態(tài)綜合效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了植物修復(fù)、微生物修復(fù)、動物修復(fù)等生物修復(fù)技術(shù)在重金屬污染土壤修復(fù)方面的研究進(jìn)展，以期推動國內(nèi)在這一國際熱點(diǎn)領(lǐng)域的研究。
1 植物修復(fù)技術(shù)
植物修復(fù)是20世紀(jì)8O年代初期發(fā)展起來的環(huán)境污染治理技術(shù)。1983年美國科學(xué)家Chaney首次提出了利用能夠富集重金屬的植物來清除土壤重金屬污染的設(shè)想，即植物修復(fù)技術(shù)。它是一種利用自然界中超積累植物或者遺傳工程培育植物系統(tǒng)及其根際微生物群落來移去、揮發(fā)或穩(wěn)定土壤環(huán)境中的重金屬污染物，或降低重金屬的毒性，以期達(dá)到清除污染、修復(fù)或治理土壤為目的的一種新興綠色生物技術(shù)。根據(jù)植物修復(fù)的機(jī)理和作用過程，重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)主要包括植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定3種基本類型。
1.1 植物提取
植物提取是利用耐受并能積累重金屬的植物吸收土壤環(huán)gesep境中的金屬，將它們輸送并貯存在植物體的地上部分，通過種植和收割植物而去除土壤中的重金屬。這些植物有兩大類：超積累植物和誘導(dǎo)的積累植物。前者是指一些具有很強(qiáng)的吸收重金屬并運(yùn)輸?shù)降厣喜糠e累能力的植物；后者則是指一些不具有超積累特性但通過一些過程可以誘導(dǎo)出超量積累能力的植物。超積累植物由于具有很強(qiáng)的吸收和積累重金屬的能力，從而在修復(fù)重金屬污染土壤方面表現(xiàn)出極大的潛力，其對某種重金屬的累積量是普通植物的10-500倍以上。植物提取修復(fù)技術(shù)是目前應(yīng)用最多、最有發(fā)展前景的土壤重金屬污染植物修復(fù)技術(shù)。
1.2 植物揮發(fā)
植物揮發(fā)是利用植物根系分泌的一些特殊物質(zhì)使土壤中的重金屬轉(zhuǎn)化為可揮發(fā)態(tài)，或者植物將土壤中的重金屬吸收到體內(nèi)后將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)釋放到大氣中，從而凈化土壤。植物揮發(fā)要求被轉(zhuǎn)化后的物質(zhì)毒gesep全球節(jié)能環(huán)保網(wǎng)性要小于轉(zhuǎn)化前的污染物質(zhì)，以減輕對環(huán)境危害。目前在這方面研究較多的是Hg和Se。Se的化合物形態(tài)對人的毒性最強(qiáng)，元素Se毒性最小。Se以硒酸鹽、亞硒酸鹽和有機(jī)態(tài)硒的形態(tài)為植物所吸收。某些濕地植物可清除土壤中的Se，其中單質(zhì)占75％，揮發(fā)態(tài)占20％-25％，可通過植物體內(nèi)三磷酸腺苷(ATP)硫化酶的作用還原成低毒性的CH3SeCH3和CH3SeSeCH3。高毒性的Se(Ⅲ)可被楊麻根系分泌物轉(zhuǎn)變成低毒性的氣態(tài)甲基硒而揮發(fā)。Hg是一種對環(huán)境危害很大的易揮發(fā)性重金屬，在土壤中以多種形態(tài)存在，如無機(jī)汞、有機(jī)汞。高毒汞可經(jīng)植物氣化后變成低毒汞，如擬南芥菜能將Hg變成低毒的單質(zhì)汞揮發(fā)掉。植物揮發(fā)修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于修復(fù)重金屬污染土壤，能有效去除土壤中的重金屬，但只限于揮發(fā)性重金屬的修復(fù)，應(yīng)用范圍較小，而且是將Hg、Se等揮發(fā)性重金屬轉(zhuǎn)移到大氣中，有沒有環(huán)境風(fēng)險有待于進(jìn)一步研究，因此，在采用植物揮發(fā)修復(fù)技術(shù)時應(yīng)持謹(jǐn)慎態(tài)度。
1.3 植物穩(wěn)定
植物穩(wěn)定是指植物通過某種生化過程使污染基質(zhì)中重金屬的流動性降低，生物可利用性下降，從而減輕重金屬的毒性。植物穩(wěn)定修復(fù)的作用：一是通過根部累積、沉淀、轉(zhuǎn)化重金屬，或通過根表面吸附作用固定重金屬；二是保護(hù)污染土壤不受風(fēng)蝕、水蝕，減少重金屬滲漏污染地下水和向四周遷移污染周圍環(huán)境。如植物可通過分泌磷酸鹽與鉛結(jié)合成難溶的磷酸鉛，使鉛固化而降低鉛的毒性；植物能使毒性較高的Cr6+轉(zhuǎn)變?yōu)榛緵]有毒性的Cr3+。這類植物一般具有兩個特征：一是能在高含量重金屬污染土壤上生長；二是根系發(fā)達(dá)及分泌物能夠吸附、沉淀或還原重金屬。值得注意的是植物穩(wěn)定修復(fù)并沒有從土壤中將重金屬去除，只是暫時將其固定，當(dāng)土壤環(huán)境發(fā)生變化時重金屬仍可能重新活化并恢復(fù)毒性，因而，沒有徹底解決重金屬污染問題。重金屬污染土壤的植物穩(wěn)定修復(fù)是一項(xiàng)正在發(fā)展中的技術(shù)，若與原位化學(xué)鈍化技術(shù)相結(jié)合可能會顯示出更大的應(yīng)用潛力。未來的研究方向可能是耐性植物、特異根分泌植物的篩選，以及穩(wěn)定修復(fù)植物與原位鈍化聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的研究。
2 微生物修復(fù)技術(shù)
微生物在被污染土壤環(huán)境去毒方面具有獨(dú)特作用已被用于進(jìn)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凈化污染土壤。可用于重金屬修復(fù)的微生物主要是土著的真菌(酵母)和細(xì)菌。不同類型微生物對重金屬污染的耐性也不同，通常為真菌>細(xì)菌>放線菌。微生物修復(fù)易受各種環(huán)境因素的影響，溫度、氧氣、水分、pH等均可影響微生物活性從而影響修復(fù)效果。每種微生物菌株對影響生長和代謝的生物因子都有一定的耐受范圍。如果某一環(huán)境中有幾種參與生物修復(fù)的微生物，就比在同一環(huán)境中只有一種修復(fù)微生物的耐受范圍要寬。但如果環(huán)境條件超出了所有定居微生物的耐受范圍，微生物的修復(fù)作用就會停止。微生物修復(fù)在具體實(shí)踐中也有一定的局限性：如某些微生物只能降解特定類型污染物；有些情況下不能將污染物全部去除，微生物／酶制劑可能帶來次生污染問題，并對自然生態(tài)過程產(chǎn)生一定影響；加人到修復(fù)現(xiàn)場環(huán)境中的微生物可能由于競爭或難以適應(yīng)環(huán)境而導(dǎo)致作用結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大出入。另外，該方法相關(guān)文獻(xiàn)報道較少，也缺乏進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，且微生物修復(fù)土壤的能力有限，它只能修復(fù)小范圍的污染土壤。
3 動物修復(fù)技術(shù)
動物修復(fù)是利用土壤中的某些低等動物(如蚯蚓)能吸收土壤中的重金屬這一特性，通過習(xí)居的土壤動物或投放高富集動物對土壤重金屬吸收、降解、轉(zhuǎn)移，以去除重金屬或抑制其毒性。動物修復(fù)的生理基礎(chǔ)包括：①生物體內(nèi)普遍存在一種金屬硫蛋白，能與重金屬結(jié)合形成低毒或無毒的絡(luò)合物；②生物體代謝產(chǎn)生一些富含一SH的多肽(如Pc)。能與重金屬螯合，從而改變其存在狀態(tài)；③生物體內(nèi)存在多種編碼金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因(如最早克隆的Zn轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因和Fe轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因)，這些基因編碼的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能提高生物對金屬的抗性。
動物修復(fù)在國外有較長的研究史，國內(nèi)研究則處于摸索階段。它包括將生長在污染土壤上的植物體、果實(shí)等飼喂動物，通過研究動物的生化變異來研究土壤污染狀況，或者直接將土壤動物，如虹蝴、線蟲飼養(yǎng)在污染土壤中進(jìn)行有關(guān)研究。Wang等研究表明，在較低Cu濃度污染土壤的條件下，蛆蛆的活動、分泌物及其相互間的作用可以提高黑麥草對重金屬Cu的吸收效果。Czamowaka等對華沙交通要道附近3個草坪采集土壤和蚯蚓進(jìn)行測定，可知蚯蚓對Zn和Cd有良好的富集作用。陳志偉等用威廉環(huán)毛蚯蚓進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)向土壤投加Hg10mg／ks，蚯蚓能存活；投加As100～300mg／kg及同時投加Cd、Cu、Pb各10、300和300mg／kg，蚯蚓已不能成活，蚯蚓對重金屬的富集系數(shù)以As為最大，其次為Cd、Hg、Cu。由此可見，在重金屬污染的土壤中放養(yǎng)蚯蚓，待其富集重金屬后，采用電激、清水等方法驅(qū)出蚯蚓，集中處理，對重金屬污染土壤是一種經(jīng)濟(jì)有效的土壤生態(tài)恢復(fù)措施。
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