徐 慧，陳 明

(江西理工大學，江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西贛州 341000)

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土壤鉛、鎘污染及其微生物修復研究進展

徐 慧，陳 明*

(江西理工大學，江西省礦冶環(huán)境污染控制重點實驗室，江西贛州 341000)

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，受到重金屬污染的地區(qū)越來越多，環(huán)境問題也日益突出，特別是鉛、鎘等常見的重金屬元素，對土地造成的污染尤為嚴重。與微生物修復技術(shù)相比，常見的物理化學修復技術(shù)易造成二次污染。而微生物修復以污染小、成本低等特點成為熱門的重金屬土地污染修復技術(shù)，越來越受到關(guān)注。研究綜述了鉛、鎘污染現(xiàn)狀及其微生物修復技術(shù)在土壤修復中的應用，包括微生物修復的機理、優(yōu)缺點及今后的發(fā)展方向。

鉛、鎘污染；微生物修復；發(fā)展方向

隨著世界經(jīng)濟的飛速增長，人類經(jīng)濟活動增加，帶來了一個全球不容忽視的大問題——環(huán)境污染，特別是工業(yè)廢物排放、農(nóng)用化學品的隨意處理，給土壤、河流等造成很大的污染，尤其是重金屬污染。目前為止，目前，全世界平均每年排放鉛約5×105萬kg，汞約1 500萬kg等[1]。還有研究表明，一些進入市場的初級農(nóng)產(chǎn)品有重金屬殘留物，如鎘米[2]等。這些進入食物鏈，會給自然環(huán)境甚至人體造成很大的損傷。因此，重金屬污染修復工作的開展對于整個人類和生態(tài)環(huán)境都有很重大的意義。

1 土壤鉛鎘污染現(xiàn)狀

重金屬污染的治理工作已得到多方關(guān)注，尤其是對鉛鎘污染的土壤修復。鉛、鎘屬于五大污染重金屬，其污染范圍很廣，水體、土壤等均受其害。特別是土壤，近些年來污染范圍越來越廣。據(jù)統(tǒng)計，我國約有 1.3× 104hm2耕地受到鉛等重金屬嚴重污染污染，致使糧食減產(chǎn)達1.0×107t[3]。含鉛汽油的使用也加重了土壤中鉛的污染。近些年，在對蔬菜等可食用農(nóng)作物的檢測過程中發(fā)現(xiàn)均有鉛、鎘超標的現(xiàn)象[4-5]。

關(guān)于鎘污染所引發(fā)的事件，在世界各地發(fā)生得很頻繁，早在二戰(zhàn)時期日本就已發(fā)生“鎘米事件”。據(jù)統(tǒng)計，全世界大約每年要排放鎘1.0×106t[6]，而隨著工業(yè)的不斷的發(fā)展，還在繼續(xù)增長。

2 土壤中鉛鎘污染的來源、危害

土壤中是會含有鉛、鎘元素微量元素存在的。在自然情況下，鉛是通過火山爆發(fā)、巖石風化等散發(fā)到環(huán)境中去的。鎘是來源于巖石礦物的本底值[7]。在非自然情況下，人類的活動導致鉛的污染，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)等活動。在工業(yè)方面，在礦山開采過程中廢棄物的堆積、有毒的重金屬離子便會污染土壤，甚至污染地下水，還有選礦廢水的隨意排放，污染江河湖泊。在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)藥和化肥、塑料薄膜的使用造成農(nóng)用地的大量鉛鎘污染。另外，城市污水灌溉和污泥作為肥料所造成的污染也不容忽視，雖然里面含有氮磷鉀等豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，但鉛鎘等有毒的重金屬以離子態(tài)的形式沉淀下來，進入土壤，進入食物鏈，污染環(huán)境。

土壤鉛鎘的污染所帶來的危害是很大的，對人類和生態(tài)環(huán)境都有很大的影響。在植物方面，首先會導致產(chǎn)量下降，嚴重的植物會死亡。在人和動物方面，鉛、鎘對動物和人的毒害是通過食物鏈進入人體和動物體內(nèi)。鉛積累過量會導致腎臟衰竭、智力下降等中毒癥狀。鎘積累過量可能會導致“痛痛病”，引起腎小球功能衰竭等疾病，影響動物的生產(chǎn)活動，嚴重的重金屬會遍布動物全身[8]。

3 鉛鎘污染土壤的物理、化學、生物修復技術(shù)

3.1 物理法物理法是指通過物理或物理化學的原理來改良土壤，通常有換土法、隔離化法、玻璃化法、電化學法、吸附固定法等。換土法是指通過把受重金屬污染的土壤換成未受重金屬污染的土壤。隔離化法實質(zhì)向土壤中添加固化劑，使得土壤中的鉛鎘離子固定，防止其遷移。玻璃化法是利用電極把受污染的土壤融化，冷卻后形成較穩(wěn)定的玻璃物質(zhì)。電化學法是美國路易斯安那州立大學所研究出來的一種修復土壤的方法。該方法是在飽和的黏土中插入石磨電極，通過低強度直流電(1～5 mA)后使金屬陽離子流向陰極，然后采取措施回收。該技術(shù)已被應用于清除土壤中鎘的污染[9-10]。而吸附固定法就是向土壤中添加某種材料，能夠吸附重金屬離子，將重金屬離子固定，從而達到清除的效果。

3.2 化學法化學法是指通過向土壤中添加化學藥劑，使得土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，清除或固定重金屬離子，從而達到修復土壤的目的。常用的化學手段有向土壤中添加改良劑、金屬拮抗劑、表面活性劑、鈍化劑等，也可以調(diào)節(jié)土壤的酸堿度。GWOREK等[11]用膨潤土合成沸石等硅鋁酸鹽作為添加劑鈍化土壤中重金屬，顯著降低受鎘污染土壤中鎘的作用濃度。王發(fā)園等[12]研究表明，重金屬鈍化劑可以改變土壤中重金屬的形態(tài)，降低其在土壤中的有效濃度、植物毒性及生物有效性。

3.3 生物修復技術(shù)生物修復技術(shù)是指通過種植植物或添加外源微生物等生物手段減少或凈化土壤中重金屬的含量。生物修復技術(shù)目前主要分為植物修復技術(shù)和微生物吸附技術(shù)[13]。植物修復技術(shù)是通過在污染土地上種植植物，植物通過其根系吸收、轉(zhuǎn)化等固定在植物體內(nèi)。目前，超富集植物成為研究熱點。

微生物吸附技術(shù)則是通過微生物吸附、固定土壤中的重金屬離子，減少污染。物理法、化學法雖然方法多樣，有些修復效果很顯著，但仍存在很大的問題，如換土法工程龐大，真正實施起來可行性不大。隔離化法、吸附固定法等易造成二次污染，加大修復難度(表1)。而生物修復大大降低了二次污染，特別是微生物修復技術(shù)。

表1 不同方法優(yōu)缺點比較

4 微生物修復技術(shù)研究進展

4.1 微生物修復原理簡述具體的原理包括：通過微生物改變重金屬離子的化學形態(tài)，使得重金屬固定或解毒，甚至通過微生物的代謝，減少、固化重金屬離子的含量[14]。

微生物修復重金屬的機理大概可概括為幾個方面，包括表面生物大分子吸收轉(zhuǎn)運、細胞代謝、空泡吞飲、生物吸附和氧化還原反應等[15]。微生物吸附一般可分為胞內(nèi)吸附、細胞表面吸附和胞外吸附。胞內(nèi)吸附與轉(zhuǎn)化是指一些金屬離子能透過細胞膜進入細胞內(nèi)。微生物可通過區(qū)域化作用將其分布于代謝不活躍的區(qū)域(如液泡)，或?qū)⑵渑c熱穩(wěn)定蛋白結(jié)合，轉(zhuǎn)變成為低毒形式。細胞表面吸附是指重金屬離子通過與細胞表面特別是細胞外膜、細胞壁組分相互作用，吸附到細胞表面。胞外吸附是指一些微生物可以分泌多聚糖、糖蛋白、脂多糖等胞外聚合物(EPS)，具有絡(luò)合或沉淀重金屬離子作用。而且微生物對重金屬離子的吸附作用和轉(zhuǎn)化作用密不可分，兩者同時作用。

4.2 對鉛鎘污染土壤的治理對于含鉛鎘污染的土壤，也提倡采用生物治理方法，就是應用微生物來治理鉛鎘污染的土壤。在微生物方面，主要利用原土壤中的土著微生物或向被污染土壤中加入已被馴化的微生物，通過吸附和還原反應，改變鉛鎘在土壤中的價態(tài)和形態(tài)，從而達到修復的目的。

曹霞等[16]從污染土壤中篩選出微生物，擴大培養(yǎng)，并且加于含鉛鎘的液體培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)對鉛鎘有一定的去除作用。靳治國[17]篩選出抗鉛鎘的微生物——淡紫擬青霉菌，將其加入土壤中，發(fā)現(xiàn)它對Cd+有較好的活化作用。李榮林等[18]研究表明，從土壤中篩選出一種白腐菌，對土壤中的鉛鎘有很強的溶解作用，可以與植物連用，加大修復效率。對于某些單一菌種，有些被廣泛用于與植物共生修復土壤。比較典型的有假單胞菌、菌根真菌等。

4.2.1假單胞菌。假單胞菌是一類革蘭氏陰性桿菌，在生態(tài)系統(tǒng)中廣泛存在，并且在環(huán)境中有很好的適應性。耿印印等[19]從Cd超標的土壤分離、馴化出具有耐鎘能力的菌株。它屬于銅綠假單胞菌。用于吸附土壤鎘的試驗表明，對土壤中的鉛和鎘進行吸附，分別達到40%、47%。全亞玲等[20]將沼澤紅單胞菌接種到含有鉛、鎘等不同濃度的重金屬離子溶液中，對其進行重金屬脅迫試驗，發(fā)現(xiàn)它對鉛鎘均有一定的抗性。另外，熒光假單胞菌屬于假單胞菌菌屬，是植物生長根際促生細菌，對環(huán)境也有很強的抗性。李海華等[21]使用熒光假單胞菌去除鉻等重金屬離子，去除率達到89.70%。所以，假單胞菌屬用作工程菌修復重金屬污染的土壤將會有很大的應用前景。

4.2.2菌根真菌。菌根真菌是一種植物的根和土壤真菌共生的一種菌[22]，在自然界中廣泛存在。它作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有不可忽視的生物量，并且成為連接綠色植物和食真菌者食物鏈的重要一環(huán)。菌根通?？梢苑譃橥馍?、叢枝根菌(VA)、內(nèi)外生根菌等，其中VA菌、外生根菌是研究最多也是最重要的菌種。

陳家武等[23]通過比對不接種、接種菌根菌到種有玉米的土壤中，土壤中含有鉛鎘等重金屬元素，發(fā)現(xiàn)接種VA菌的玉米耐受性更好，能顯著減弱過量金屬對玉米生長的副作用，提高植株對重金屬的耐受性。劉靈芝等[24]通過盆栽試驗，研究了在不同施Cd濃度的情況下，接種礦區(qū)污染土壤中叢枝菌根真菌對萬壽菊根系侵染率、植株生物量及Cd吸收與分配的影響。結(jié)果表明，接種叢枝菌根真菌顯著提高了Cd脅迫下萬壽菊的根系侵染率和植株生物量。這說明叢枝根菌對Cd有很強的抗性，還表現(xiàn)出植物提取的應用潛力。

張旭紅等[25]研究了鉛(Pb)污染下叢枝菌根真菌(Glomusmosseae)對旱稻(OryzalsativaL.)生長的影響。結(jié)果表明，在接種處理下，旱稻根系侵染率隨著土壤 Pb含量的增加而顯著降低。這表明在一定的土壤Pb處理下接種叢枝根菌(Glomusmosseae)可以在一定程度上緩解Pb對旱稻毒害作用。郭友紅[26]采用微生物與礦區(qū)植物組合的方式，研究受鉛鎘等重金屬污染的土壤。研究表明，接種VA能明顯提高提高薺菜、鬼針草、蒼耳等植物的株高和生物量，促進煤礦區(qū)適生植物對土壤Cd、Cr、Cu、Ni、Pb等重金屬的吸收，提高薺菜、鬼針草和蒼耳的重金屬修復效果。還有一些技術(shù)在未來的發(fā)展過程中加以嘗試，如生物刺激技術(shù)、基因工程菌的構(gòu)建等。

4.2.3生物刺激技術(shù)。生物刺激技術(shù)就是通過向土壤中添加微生物所需要的營養(yǎng)物質(zhì)來刺激微生物。這種方法在國外已有報道。這種方法在未來有可能應用于微生物修復含重金屬污染的土壤中，用于添加外源物質(zhì)，從而增加微生物的量，加大土壤修復力度，達到修復土壤的目的。

4.2.4基因工程菌的構(gòu)建。基因工程菌的構(gòu)建可以打破細菌種屬的限制，如可以通過人工誘導構(gòu)建某種有抗重金屬離子的遺傳因子的微生物，或把有重金屬抗性基因轉(zhuǎn)移到對污染土壤抗性強的微生物上，構(gòu)建某種高效菌株[27]。由于大多數(shù)微生物對重金屬的抗性系統(tǒng)主要由質(zhì)粒上的基因編碼，且抗性基因亦可在質(zhì)粒與染色體間相互轉(zhuǎn)移，許多研究工作開始采用質(zhì)粒來提高細菌對的累積作用，且取得良好的應用效果[28]。

4.2.5植物與微生物聯(lián)合修復。植物和微生物共同作用于受重金屬污染的土壤中，近年來已成為研究熱點。目前，已篩選出一些抗鉛鎘的優(yōu)勢植物，如龍葵、東南景天等一系列的抗鉛鎘植物。它們與微生物共同作用能促進植物富集重金屬。

豆科植物作為固氮、增強土壤肥力的作物，也有很多是超富集植物如紫花苜蓿等。作為超富集、固氮植物，土壤中的微生物一定具有抗重金屬、提高土壤肥力的作用。那么，在未來的研究過程中，人們可以朝著篩選出更多的抗重金屬、有固氮作用的微生物的方向，與植物聯(lián)合作用，改良土壤肥力，加強微生物的修復作用。

5 展望

目前，土壤治理已是重中之重，雖然修復方法繁多，但是各有優(yōu)缺點。生物方法作為其中的一種方法，由于其本身的優(yōu)點，受到各方的關(guān)注。雖然當前已開展了各個方向的研究工作，但還有待進一步研究。

物理、化學方法作為普遍的修復方法，也被廣泛運用到土壤修復中，但由于方法的局限性，對環(huán)境的擾動性大，成本高，工程量大，還存在著造成二次污染的風險，適用范圍窄。而生物修復作為一種對生態(tài)友好的修復方法，被大眾所熟知，有很高的應用前景，但存在局限性，如在微生物篩選過程中不定性大、修復周期較長等。在以后的研究探索中，應朝著以下幾個方面去發(fā)展。①加強微生物吸附、轉(zhuǎn)化等機理研究，在基礎(chǔ)領(lǐng)域取得突破；②在微生物篩選部分進行深入研究，以便取得抗性強的菌株；③在基因工程技術(shù)方面，加大研究力度，與分子技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建新型菌種，加大修復效果；④與其他技術(shù)連用，如植物-物理、植物-物理化學、植物-動物-微生物等聯(lián)合修復技術(shù)，特別是植物-動物-微生物修復技術(shù)，開展深入研究，從而加大修復效果，減少修復周期；⑤對現(xiàn)有的植物-微生物聯(lián)合修復技術(shù)進行深入研究，并且深入研究假單胞菌、VA菌等這些具有很大應用前景的菌屬，使其能夠應用最大化，修復含重金屬污染的土壤。

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Research Progress of Soil Lead, Cadmium Pollution and Microbial Remediation

XU Hui, CHEN Ming*

(Jiangxi Key Laboratory of Mining and Metallurgy Environmental Pollution Control, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi 341000)

With the rapid development of economy, more and more areas was polluted by heavy metals, and environmental concerns are also increasingly prominent, especially in common materials, such as lead, cadmium, led to heavy soil pollution. The physical and chemical remediation technologies compared with bioremediation, are easily to cause secondary pollution, besides, bioremediation with its little pollution and low cost has become a hot land pollution repair technology of heavy metals. This paper reviews lead, cadmium pollution and the application of bioremediation in soil restoration, including the microorganisms repairing mechanisms, advantages and disadvantages, development direction in the future.

Lead, cadmium pollution; Microbial remediation; Development direction

江西省對外科技合作計劃項目(20133BDH80027)；國家“十二五”科技支撐計劃(2012BAC11B07)。

徐慧(1993-)，女，江西九江人，碩士研究生，研究方向：生態(tài)修復。*通訊作者，副教授，博士，從事水處理技術(shù)、礦山環(huán)保、礦物加工工程方面的研究。

2014-11-19

S 156

A

0517-6611(2015)01-065-03