重金属土壤生物修复研究进展

重金属土壤生物修复研究进展摘要:生物修复是一个有效的和经济的生态技术，它包括植物修复、动物修复和微生物修复。从这几个方面，本文对重金属土壤的生物修复方法进行了比较分析。另外，还提出了进一步的研究展望。关键词：生物修复；植物修复；动物修复；微生物修复；重金属Abstract:Bioremediationisanefficientandeconomicecologicaltechnology.ItincludesPhytoremediation,faunaremediationandbioremediation.Fromtheseaspects，intheresearch,themethodsofheavymetalsinsoilbioremediationhavecarriedonthecomparativeanalysis.Inaddition,furtherresearchwasproposedaswell.Keywords:Bioremediation;Phytoremediation;faunaremediation;bioremediation;Heavymetals引言：与大气污染、水污染相比，土壤污染往往被人们所忽视。而在人们最为熟知的土壤污染中，罪魁祸首是重金属。土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于其自然背景含量，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象（陈怀满等，1999）。特别是近年来，土壤重金属污染随着工农业的快速发展也越来越严重（陈同斌等，2003；李永进等，2003）。而土壤是我们赖以生存的基础，土壤中的重金属很难移动从而导致滞留时间较长、毒性大、难降解，并通过媒介影响人类健康（罗战祥等，2010）。因此，现在迫在眉睫的是要研究出一种经济和高效的土壤修复技术，这也是环境问题中的一个热点（赵晓欧，2002；KNASMULLERS等，1998；周涛发，2005；TANDYS等，2006；LUOCL等，2006；ZHOUTF等，2008）。1土壤重金属污染现状就我国而言，随着工业的不断发展，土壤重金属污染也日趋严重。重金属一般指密度在4.5g/cm3以上的45种元素（郑喜珅等，2002）。重金属铜、汞、镉、铬等可以通过大气沉降、污水排放、固体废弃物以及农药、化肥的施用等途径进入土壤，具初步统计我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积就将近2000万hm2，约占总耕地面积的1/5。全国每年因重金属污染而减产粮食1000多万t，造成超过200亿元的直接经济损失（杨秋红等，2009）。有调查发现我国华南地区的部分城市就有一半的农田遭受汞、砷等有毒重金属的污染；在东南地区，由于重金属超标的土壤占其污染总面积的45%以上；其他地区的土壤也同样存在着较大面积的汞、砷、镉等重金属污染（刘候俊等，2012）。当然，土壤重金属污染不仅仅是我国面临的难题，同时也是当前全球所面临的重要环境问题之一。如在乌克兰喀尔巴阡山，重金属污染已经影响到了森林的健康；在塞维利亚的公园，城市土壤重金属含量分布很很高；在苏丹沼泽及其环境中生物体内重金属污染的积累等等。土壤重金属污染也越来越受到世界各国专家的广泛关注，也纷纷通过自己的研究发现了修复土壤中重金属的各种有效的方法，尤其在生物修复方面，因为它成本低，效果好，且没有二次污染等优点。如在矿业区或矿业废弃地，有研究已经表明，尾矿中重金属的毒性是矿业废弃地植被重建过程中影响植物定居的主要因子，因而对植被重建过程中耐性物种的选择、基质改良等生态学问题也作了相应的系统研究[70-74]。国外在较早前也开始研究基于物理、化学过程的微生物、植物分解代谢土壤污染的生物修复方法，就目前而言，生物修复技术已经成为了土壤重金属污染修复的主要处理技术（田耀全等，2006；王丽英等，2003；陈玉成，2003）。2土壤重金属污染的生物修复技术在早前，土壤重金属污染修复技术一般都是物理修复、化学修复技术，但与这些成熟的、应用较早的修复技术相比，重金属生物修复是一种相对新型的、还在继续研究的、对其有很大成效的技术。它就是利用生物，主要是植物、微生物甚至动物的各种代谢活动来削减和净化土壤中的重金属或降低重金属毒性，使其部分或完全恢复到原始状态（Brooksetal,1997）。因此，生物修复技术包括植物修复、微生物修复和动物修复。2.1植物修复技术植物修复是利用能忍耐或超积累植物对某种或某些重金属的特性来修复重金属污染土壤的技术总称。要通过各种实验来选择具有耐性或超积累植物，例如，就镉而言，有研究表明，当镉超过一定浓度后，对植物的叶绿素会有破坏作用，并促进抗坏血酸分解，使游离脯氨酸积累，抑制硝酸还原酶活性（KaleH等，1993）。另外，镉能减少根系对水分和养分的吸收（BernaiMP等，1994；WickkiffC等，1980），也可抑制根系对氮的固定（WickkiffC等，1980；AcsrYB，1993）。可以知道很多植物是会由于重金属污染而被破坏，但还是有研究者找到了很多具耐性的植物。在国内，科研人员在超富集植物筛选方面也取得了显著成果，在浙江衡州市发现锌超积累植物——东南景天（杨肖娥等，2002）；在湖南发现砷超积累植物——蜈蚣草（陈同斌等，2002）。也有发现镉超积累植物：宝山茧菜和龙葵（刘威等，2003；魏树和等，2004）。锰超富集植物近年来也陆续被发现，分别为商陆、木荷、杠板归、水蓼和短毛蓼（XueSG等，2004；杨春香等，2007；任立民等，2007；王华，2007；邓华，2009）。而宽叶香蒲和芦苇对Zn、Pb和Cd具有先天重金属耐性（YeZH等，1997）。植物修复技术主要包括植物固定、植物提取和植物挥发（韦朝阳等，2002；AlkortaI等，2004）。2.1.1植物固定植物固定是指利用植物根系中特殊的物质能将土壤中的重金属转化成其他物质，从而减少土壤中重金属的含量。尽管该方法具有这种特殊的功能，但这也会由于外在环境条件的改变而重新使得转化了的重金属回到土壤中，所以它并不能真正的去除土壤中的重金属。该方法对铅和铬的固定最具有利用价值（张峻，2011）。2.1.2植物提取植物提取是指利用超积累植物从土壤中吸收重金属，再从根部转移到地上部分，从而通过人工的方法将它切割掉。该方法尽管在吸收的过程中会受到土壤中各因素的影响，但只要重金属被吸收就会被真正的去除掉。到2010年，发现的超级累植物约有400多种（王英辉等，2006朱雅兰，2010；）。2.1.3植物挥发植物挥发是指利用植物吸收、积累、挥发来使得土壤中的重金属转化成可挥发的物质，使其从土壤或植物的表明挥发出来。挥发的物质大多毒性小，但不能否认会转化成毒性更大的物质存在大气中。所以该方法应用是也要做好研究工作，不能使毒性转移。综上所述，植物修复技术都是靠特殊的植物吸收土壤中的重金属而是土壤的毒性降低，甚至将其还原成以前的状态。通过比较，植物提取是最有前景，最应该进一步研究的方法。2.2微生物修复微生物修复是利用土壤中的某些微生物对一种或多种重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用来降低土壤重金属的毒性或者通过微生物来促进植物对重金属的吸收。而且土壤微生物量是能够判定土壤污染程度的重要指标，重金属污染的土壤，其微生物活性也会明显受到抑制（AcevesMB等，1999）。但低浓度的重金属能刺激微生物的生长，使其生物量增加；反之，高浓度使其生物量会明显下降（FliepbachA等，1994）。曾有研究指出受Cu、Zn、Pb等污染的矿区，靠近矿区附的土壤微生物生物量明显低于远离矿区土壤中的生物量（KandelerE等，1997）。重金属的种类和浓度也会不同程度的影响土壤微生物生物量。有人研究了不同重金属浓度对其生物量的影响，结果表明只有当重金属浓度达到欧盟制定的土壤重金属环境标准的2～3倍，才能表现出对微生物生物量的抑制作用（BaathE等，1998）。所以我们可以利用微生物对土壤重金属污染进行修复，尽可能的选择耐重金属的菌属，所以可用于重金属修复的一般是土著的真菌(酵母)和细菌。如绿铜假单胞菌、大肠埃希菌、变形杆菌等，可使无机或有机化合物中的二价汞离子还原为单质汞。这种转移方式可暂时或永久地将金属从生物接触的环境中清除出去（张景来.2002）。2.3动物修复动物修复技术是利用在土壤中存货的某些低等动物能吸收土壤中重金属的特性，将土壤中的重金属得到降解，是土壤得到修复。如：蚯蚓、鼠类等。但相对于前两种来说，是相对应用和研究较少的。在国外有较长的研究史，国内研究则处于摸索阶段（朱兰保，盛蒂，2011）。用人工无污染土壤稀释的铅锌矿砂上，发现蚯蚓活动使土壤有效态Pb，Zn含量分别提高了48.2%和24.8%（MaboetaMS，1999）。这些低等动物不仅能自身吸收重金属，还能提高土壤重金属的活力，使植物能更好的吸收一些重金属（徐立明，1984）。但也有自己的局限性，就是可能会造成二次污染（陈丽莉，俄胜哲，2009）。3生物修复的前景与展望单项修复技术往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（BlaylockMJ等，1997）。开始投入应用的复合修复技术主要植物一微生物联合修复、动物一植物联合修复等（骆永明，2009）。