土壤修复与改良利用的生物技术研究进展

HansJournalofSoilScience土壤科学,2018,6(4),100-107PublishedOnlineOctober2018inHans.://doi.org/10.12677/hjss.2018.64013文章引用:安世花,王小利,段建军,王兴凯,夏东.土壤修复与改良利用的生物技术研究进展[J].土壤科学,2018,6(4):100-107.DOI:10.12677/hjss.2018.64013AdvancesinBiotechnologyResearchonSoilRemediationandImprovementShihuaAn1,XiaoliWang1*,JianjunDuan2,3*,XingkaiWang1,DongXia11AgriculturalCollege,GuizhouUniversity,GuiyangGuizhou2CollegeofTobacco,GuizhouUniversity,GuiyangGuizhou3KeyLaboratoryofTobaccoQualityResearchinGuizhouProvince,GuiyangGuizhouReceived:Sep.18th,2018;accepted:Oct.3rd,2018;published:Oct.10th,2018AbstractInrecentyears,soilpollutionanddegradationwereincreasinglybecominganimportantenviron-mentalproblem.Theresearchontherestorationandimprovementofsoilpollutionisbeingpaidmoreandmoreattention.Inordertoimprovethesoilenvironmentandenhancetheabilityofthesustaina-bleuseofsoil,biologicaltechnologyisanewtechnologyforsoiltreatment.Thispapermainlysumma-rizesthebioremediationofsoilheavymetalpollution,soilorganicpollutionandsoilsalinization,in-cludingphytoremediationandimprovement,microbialremediationandutilization.Atthesametime,theproblemsexistedinsoilbioremediationtechnologyandimprovementtechnologywerereviewed.Inthefuture,thedevelopmenttrendofbiotechnologyofsoiltreatmentisprospected.KeywordsSoilHeavyMetalPollution,SoilOrganicPollutants,SoilSalinization,Bioremediation土壤修复与改良利用的生物技术研究进展安世花1，王小利1*，段建军2,3*，王兴凯1，夏东11贵州大学农学院，贵州贵阳2贵州大学烟草学院，贵州贵阳3贵州省烟草品质研究重点实验室，贵州贵阳收稿日期：2018年9月18日；录用日期：2018年10月3日；发布日期：2018年10月10日*通讯作者。安世花等DOI:10.12677/hjss.2018.64013101土壤科学摘要随着工业的快速发展，我国的环境污染日益严重，尤其是土壤污染及退化，治理土壤污染和退化的工作越发受到重视。本文针对土壤重金属污染、土壤有机物污染和土壤盐碱地等问题，提出了生物修复技术，综述了其研究进展，明确土壤生物修复技术与盐碱地改良存在的技术难点，展望土壤污染治理新技术的研究前景，为改善土壤环境、增强土壤可持续利用提供理论依据。关键词土壤重金属污染，土壤有机污染物，土壤盐碱化，生物修复Copyright©2018byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).前言土壤作为万物生长的基本条件，是大自然馈赠给人类不可缺少的宝贵礼物，是人们发展各种农业产业的物质基础，更是不可再生的自然资源。随着经济的迅猛发展，工业生产中产生的污染物(废水、固体废弃物、废渣等)、大量农药的超标施用、石油开采加工运输所产生的废物等对水资源、土壤资源造成严重污染[1]。农业活动中化肥的不合理施用、农业资源的不合理开发，导致土壤结构破坏、肥力下降、土壤环境衰退；现代农业的出现改变了自然界原有状况，为追求高产优质，导致水肥和化学农药的大量使用，而在其生产过程中会排出大量有机污染物，如多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)及抗生素(ATBs)等，使土壤污染进一步加剧[2]；矿区重金属污染的来源有污水灌溉、工业废渣、工业废弃物堆放及大气沉降等，其中采矿及其冶炼加工是其主要来源。土壤重金属污染的特点是强度大、范围广，污染隐蔽、危害大，且治理难度大、费用高[3]；盐碱地也是一种重要的土地资源，随着人口压力不断增大，人们越来越重视开发利用大片分布的盐碱荒地来缓解危机。由于其存在酸、粘、瘦、板、季节性干旱及水土流失等问题，导致生态环境恶化，严重阻碍了农业发展[4]；因此，修复与改良利用土壤非常重要。2.土壤生物修复技术广义的土壤生物修复是利用土壤中的各种生物、植物、土壤动物和微生物通过吸收、降解和转化土壤中的污染物，让污染物的浓度下降到所要求的标准，或者使土壤中毒害作用较大的物质降解为毒害作用较轻或无害的物质。具体的土壤生物修复即通过使用微生物使在土壤里的毒害污染有机物转化为二氧化碳和水的过程。土壤修复技术包括物理修复技术、化学修复技术以及生物修复技术3种方式[2]。传统的物理和化学修复技术的最大弊端是污染物去除不彻底，致使土壤污染再次出现，因此会使环境质量受到影响。而生物修复技术主要有原位生物修复和异位生物修复，被污染的土壤依靠土壤微生物及外来微生物在不搬迁，不移动的条件下对污染物进行降解。此过程即为原位生物修复。原位生物修复有土耕法、投菌法、生物培养法、生物通气法等方法。异位生物修复是指土壤受污染程度较轻，受污染的土层厚度较小，且便于掘取，需要搬运污染物对其进行修复的过程，一般原位生物修复完成不了的土壤污染就使用异位修复技术。异位修复主要有土地耕作法、堆肥法、厌氧处理法、生物反应器法。生物修复有着物OpenAccess安世花等DOI:10.12677/hjss.2018.64013102土壤科学理修复、化学修复无可比拟的优越性，处理费用低，处理效果好，对环境的影响低，不会造成二次污染，操作简单，可以就地进行处理等优点而受到越来越多的关注[5]。生物修复技术是近年来治理土壤的新技术，目前生物修复技术处于实验室或模拟试验阶段的研究较多，商业性应用有待于该技术的进一步成熟和创新性技术的开发。2.1.土壤微生物修复技术土壤污染的微生物修复技术，是指微生物在污染土壤的条件中，分泌出具有络合或分解转化污染物能力的分泌物，使污染物的移动性降低或极性改变，或让污染物通过微生物分泌的胞酶的作用下，在体外被降解为其他物质。使土壤中抗性微生物有所升高，从而降低土壤污染程度，并且还能使土壤的养分肥效得到提高。根据土壤微生物根源可将微生物修复技术分为三个，分别是利用土著微生物代谢能力的技术、活化土著微生物分解能力的方法(简称生物活化法)和添加具有高速分解难降解化合物能力的特定微生物(群)的方法(简称生物添加法)[6]。2.1.1.重金属污染的微生物修复微生物对重金属污染物修复是利用土壤中的某些微生物对重金属污染物进行吸收、沉淀、氧化和还原，从而降低土壤中重金属的毒性[7]。目前，在微生物修复土壤中已经取得一些成果。例如：利用微生物技术修复重金属(Cd,Pb,Co,Ni,Mn,Zn,U,Cu,Se,As,Cr)[8][9][10]等污染的土壤。对于生物修复的后续处理还缺乏统一的系统装置或完善方法，生物修复重金属污染土壤后如何进行后续处理并回收重金属将会是未来研究方向的一个热点。生物修复技术涉及恢复生态学、环境科学、土壤学、生物学、物理化学等多门学科理论知识，只有具备完备的基础理论知识储备，才能更加灵活地运用生物修复技术治理现实土壤污染问题。加强生物修复技术与其他技术的联用，充分发挥各个修复技术的优势，如将分子生物学和基因工程技术应用于生物修复中；与纳米技术联用催化提高修复效率；利用稳定同位素标记(SIP)技术寻找可利用的生物；用转基因技术培育出大量耐性植物、动物和抗重金属微生物；物理、化学修复与生物修复技术联用等。一些微生物如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌以及某些藻类，能够与重金属离子形成络合物，因此修复重金属污染的土壤[11]。2.1.2.有机污染的微生物修复关于有机物污染环境的生物修复在我国已有许多基础性研究。通过土壤微生物的直接参与，将土壤有机污染物降解为无害物质，同时可以通过使用胞内酶和胞外酶的作用使有机污染物得到降解等。有些有机污染物通过土壤微生物分解、转变，使他们的毒性得到一定的减少。微生物降解土壤有机污染物主要有2种方法：胞外酶分解和胞内酶降解。污染物通过被动扩散、促进扩散、主动运输、基团转位及胞饮作用等方式被其吸收。潘学芳等[12]研究了微生物降解前后石油烃组分的变化和细胞内外烃组分的变化，结果表明菌体细胞与原油的成分具有选择性，最终到达细胞里。研究还显示，土壤微生物还能分解氯代芳香族污染物，主要有2种方式：好氧降解和厌氧降解[13]。好氧微生物能够在某些高浓度的有机污染物环境下生存，同时还将这些有机污染物分解。好氧微生物中的双加氧酶或单加氧酶可使苯环羟基化，生成氯代儿茶酚，然后进行邻位、间位开环，脱氯；也可先在水解酶作用下脱氯后开环，最终矿化。氯代芳香族污染物的厌氧生物降解是通过还原脱氯作用，慢慢合成低氯代中间产物或被矿化生成二氧化碳和甲烷的过程。通常条件下，高氯代芳香族有机物还原脱氯较容易，反之厌氧降解较难。降解土壤中有机污染物的微生物主要有：醋酸钙不动杆菌种、荧光假单胞菌、布鲁氏菌、枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌等[14][15][16]。安世花等DOI:10.12677/hjss.2018.64013103土壤科学2.2.土壤植物修复技术2.2.1.土壤重金属污染的植物修复通过植物对某种污染物具有特殊的吸收富集能力，将环境中的污染物转移到植物体内或将污染物分解重复使用，将植物回收处理，最终实现治理污染与修复生态的目标。根据植物治理污染土壤的原理，土壤重金属污染的植物修复有五种技术，依次为植物固定、植物挥发、植物吸收、植物降解和根际生物降解修复[17]。富集重金属及有机污染物的植物主要有：印度芥菜，黑麦草，等[18]。植物固定是通过植物吸收使重金属的含量和污染性降低，抑制重金属在地下水或其他物体中的积累。有结果显示，植物耐Al能力与生长介质的pH值有关，pH上升，使Al3沉淀，植物对Al的吸收就减少[19]。一些植物还可降低Pb的生物有效性，降低Pb对环境中生物的毒害作用，植物固定可能是植物对重金属毒害抗性的一种表现，并未去除土壤中的重金属，环境条件的改变仍可使它的生物有效性发生变化[20]。土壤中的污染物由植物吸收后转为气态物质并释放到大气环境中即为植物挥发。研究表明，将细菌体内的Hg还原酶基因转入芥子科植物并使其表达，植物可将从环境中吸收的液态汞还原为气态汞。也有研究发现，植物能把Se转化成气态形式。植物挥发的适用范