張敏，郜春花，李建華，盧晉晶，盧朝東，靳東升，劉靚

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

重金屬污染土壤生物修復技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

張敏1，郜春花2，李建華2，盧晉晶2，盧朝東2，靳東升2，劉靚1

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

近年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境問題變得越來越嚴重，其中，土壤重金屬污染問題尤為突出，嚴重威脅著我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，因此，研究和治理土壤重金屬污染問題變得十分重要。目前，治理方法包括物理修復、化學修復和生物修復，生物修復以技術成本低、處理效果好、無二次污染等優(yōu)勢越來越受到廣泛應用。在論述生物修復技術的概念、方法、特點及應用現(xiàn)狀的基礎上，指出了生物修復技術存在的不足和今后的發(fā)展方向。

土壤；重金屬污染；生物修復技術；研究現(xiàn)狀；發(fā)展方向

目前，由于生活和工業(yè)生產(chǎn)中一些污染物的不合理處置，使得大面積的土壤和水體受到污染，其中，土壤重金屬污染尤為嚴重，特別是鎘和鉛污染，當重金屬含量超出土壤或水體的自凈能力時，在短期內(nèi)很難去除，而土壤中過量的重金屬含量不但會使土壤肥力下降，影響作物生長發(fā)育，而且使得作物的重金屬含量較高，并可通過食物鏈進入人體，為害到人體的健康[1]。此外，重金屬會通過降雨等滲入地下水，對整個生態(tài)系統(tǒng)構成威脅。在20世紀80年代中期，一些歐美國家首次探索用生物技術來修復污染的土壤和水體，結果發(fā)現(xiàn)，其治理效果明顯優(yōu)于物理、化學修復技術[2]。物理、化學修復技術主要是通過物理、化學方式來解析或固定土壤中的重金屬，從而減少重金屬對環(huán)境的毒害[3]。但這2種技術在實際應用中，技術量大，成本高，可能破壞土壤結構，導致生物活性下降和土壤肥力退化，這些缺點限制了其發(fā)展[3]。生物修復技術以其費用低，效果好，不會或很少造成二次污染的特點吸引著越來越多的科研人員從事其研究與實踐，因此，在土壤污染治理中，生物修復技術將會有廣泛的應用前景。

筆者主要介紹了生物修復技術的研究現(xiàn)狀，為了提高其修復效率，通過分析該修復技術存在的問題，針對其問題提出解決方案，并探索其未來的發(fā)展方向，為土壤污染修復領域提出新的思路。

1 土壤重金屬污染現(xiàn)狀

土壤重金屬污染是由于人類工業(yè)生產(chǎn)或生活產(chǎn)生的重金屬或其化合物進入土壤并積累，當超過其自我凈化能力時，土壤性狀和質量就會發(fā)生改變，從而造成環(huán)境污染，最終對人體健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響和危害[4]。重金屬具有獨特的特點，即隱蔽性、普遍性、積累性、不可逆轉性、形態(tài)多變性、遷移轉化形式多、復合性和綜合性等[1，5]。

隨著工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，土壤重金屬污染越來越嚴重，現(xiàn)已成為一個世界性的問題。2011年11月，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織統(tǒng)計得出，全球耕地嚴重退化面積達到25%，其退化原因主要是土壤污染[6]。李國平[7]調(diào)查表明，全國目前約有1.3萬hm2耕地受到Cd污染，涉及11個省市25個地區(qū)；而受到Hg污染的耕地約有3.2萬hm2，涉及到15個省市21個地區(qū)。2011年4月初，針對防治重金屬污染這一環(huán)境問題，我國提出第1個“十二五”專項規(guī)劃，并強調(diào)要控制5種重金屬（鉛、汞、鎘、鉻、類金屬砷）。統(tǒng)計資料顯示，目前我國土壤的污染狀況：耕地大于草地、林地土壤；無機型污染重于有機型，而復合型污染相對較輕；南方土壤污染狀況重于北方，而我國的一些老工業(yè)基地土壤污染問題特別嚴重[8]。因此，修復與治理受污染的土壤將是我們必須面臨的挑戰(zhàn)。

山西作為我國重要的工業(yè)基地，因采礦和工業(yè)制造導致的土壤重金屬污染問題尤為突出，栗獻鋒[8]研究表明，太原市污灌區(qū)土壤重金屬污染指數(shù)和單因子潛在生態(tài)危害系數(shù)均較高，其中，Hg，Cd在構成土壤環(huán)境污染的同時，也造成了相應的生態(tài)危害。

2 生物修復在土壤重金屬污染治理中的應用現(xiàn)狀

生物修復是利用天然或人工改造的生物的生命代謝活動來降低污染物的濃度，甚至達到無害的效果，其用于修復的生物有動物、植物、微生物[9]。生物修復可使污染物濃度達到最大限度地下降，而且成本低，修復時間較短，對周圍環(huán)境不會產(chǎn)生大的干擾[2]。作為一種新技術，在土壤污染治理領域，尤其是在土壤重金屬污染治理方面，越來越受到關注。

2.1 植物修復

植物修復技術是直接利用綠色植物及與其共存的微生物系統(tǒng)來吸收、富集環(huán)境污染物的一項新技術[10]。重金屬對植物的毒害作用表現(xiàn)在影響植物的萌芽、生長發(fā)育、光合作用、生理代謝和植物體內(nèi)化學物質含量的改變等方面[11]。近年來的研究表明，植物修復是一種更經(jīng)濟更易于操作的污染修復技術，用超富集植物修復重金屬污染土壤的類型主要有植物吸收、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定3種[12]。植物吸收指利用超富集植物的根系從污染土壤中吸收重金屬，然后再將其轉移到植物地上部，最終達到去除重金屬的目的；植物揮發(fā)是指植物將自身吸收與積累的重金屬元素轉化成可揮發(fā)的形態(tài)，從植物體揮發(fā)出來，達到去除重金屬的目的；植物穩(wěn)定是指利用植物來降低重金屬的活性，減少其生物有效性，或促進其轉化為低毒形態(tài)，降低其危害性[12]。楊秀敏等[9]認為，在受重金屬污染的土地上種植超富集植物，利用植物自身的新陳代謝活動，可把重金屬轉化為具有較低毒性的形態(tài)。目前，植物修復已取得了很好的修復效果，如李坤陶[10]通過在污染區(qū)種植水生植物鳳眼蓮，結果顯示，其對汞、鉛、鎘、銅、砷和鉻的富集程度達到了當?shù)丨h(huán)境中重金屬濃度的幾十、幾百倍，還有部分富集程度甚至達到環(huán)境濃度的上千倍。蔣先軍等[13]通過引進印度芥菜，研究了該植物對銅、鋅、鎘、鉛等重金屬的富集效果，結果表明，當土壤中含Cu 250 mg/kg，Pb或Zn 500 mg/kg時，該植物依然能夠正常生長，而當土壤中Cd濃度達到200 mg/kg時，該植物便會出現(xiàn)失綠黃化癥狀，而當鎘和中等濃度的鋅、銅、鉛共存時，植物中毒更為嚴重，最終表明該植物適用于鋅、銅、鉛中等污染土壤的修復[13]。研究發(fā)現(xiàn)，有700多種超積累重金屬植物，一般對Cr，Co，Ni，Cu，Pb的積累量在1 000 mg/kg以上[14]。

2.2 微生物修復

微生物修復技術是利用自然環(huán)境中現(xiàn)有的微生物或經(jīng)人為培養(yǎng)，并具有特殊功效的微生物的生命代謝活動，通過轉化或降解環(huán)境中的重金屬來降低其毒性，達到良好的修復效果[10]。微生物修復在生物修復中起著主導作用，利用其新陳代謝活動來對物質進行各種轉化作用[10]。DEREK等[15]認為，微生物修復主要是通過2種機理來達到修復效果，第一是通過微生物代謝產(chǎn)物或反應使污染地中重金屬元素發(fā)生形態(tài)改變，從而達到降低重金屬毒性的目的；第二是利用微生物代謝活動改變其價態(tài)，使重金屬元素成為一種易溶物，然后從土壤中濾除，實現(xiàn)修復的目的[15]。目前，微生物修復技術取得了很大成效，例如，有外國學者曾從受重金屬污染的污泥中分離、篩選出多種微生物，并對其進行培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)其中有一種微生物對鎘有極高的耐受性，并利用其修復受污染的土壤，其對環(huán)境中鎘的去除率達到了63%～70%[16]。微生物修復技術不僅能去除污染土壤中的有害物質，還能提高污染地區(qū)的土壤肥力，改善土壤結構。牛旭等[17]曾研究過微生物對礦區(qū)復墾的作用，對于受重金屬污染的礦區(qū)土壤，其含有一些難降解的腐殖質，腐殖質會影響土壤團粒結構的形成，土壤的疏松度也會受到影響，而通過微生物修復，利用多種土壤微生物共同降解這些腐殖質，積累土壤有機質，可起到改善土壤結構、提高土壤肥力的作用。常勃等[18]也對微生物復墾技術進行了研究，認為微生物修復在礦區(qū)土壤結構改善、養(yǎng)分增加和酶活性提高方面都有潛在的巨大作用。

2.3 動物修復

土壤重金屬污染的動物修復技術，即利用土壤中自身存在的動物及其腸道中現(xiàn)有的微生物，在自然條件或人為優(yōu)化下，在其生長、繁殖、穿插等代謝活動過程中，對污染物進行去除、分解、消解和富集作用，以減少或消除污染物的一種生物修復技術[19]。鄧繼福等[20]對生活在重金屬污染區(qū)土壤中的蚯蚓和蜘蛛進行體內(nèi)重金屬含量的檢測分析，結果顯示，蚯蚓、蜘蛛對重金屬元素有很強的富集能力，其體內(nèi)的Cd，Pb，As等重金屬含量與污染區(qū)土壤中重金屬的含量呈明顯的正相關關系；馬正學等[21]在研究采礦廢物對土壤原生動物的影響時發(fā)現(xiàn)，腐生波豆蟲和梅氏扁豆蟲對鉛有很高的富集作用。

3 生物修復技術存在的問題

生物修復在治理重金屬污染方面有很多優(yōu)點，但因生物自身的特性，仍有一定的局限性[22]：（1）生物對各種重金屬都有一定的耐受范圍，當受重金屬污染的環(huán)境中其污染程度超過用于修復的生物的耐受極限時，該生物的新陳代謝活動將不能正常進行，因此將影響生物修復的效果；（2）用于修復的生物可能與當?shù)赝林锎嬖诜N間競爭，因為缺乏實踐經(jīng)驗，使得生物修復效果可能沒有理論效果好；（3）生物修復中，生物極易受外部環(huán)境影響，酸堿度、溫度以及其他環(huán)境因素等都會制約生物修復的效率[10]；（4）生物修復技術專一性較強，而環(huán)境污染一般是受多種重金屬及其他污染物的復合污染。

4 生物修復技術未來展望

目前，對于生物修復技術的研究，我國起步較晚，現(xiàn)在主要集中于植物和微生物修復2個方面。為了提高該技術的修復效率，使得生物修復具有更優(yōu)的可行性和高效性，通過分析重金屬污染土壤的生物修復技術存在的問題，提出未來發(fā)展方向[2]：（1）深化基礎理論，加強生物修復機理的研究。（2）建立統(tǒng)一的修復后續(xù)處理系統(tǒng)裝置或完善方法。生物修復技術的后續(xù)處理及土壤污染中的重金屬回收處理方式有很大的研究價值。（3）結合先進的技術，如基因工程、現(xiàn)代分子生物學、轉基因技術等，充分利用各修復技術的優(yōu)勢[9]。（4）植物、動物、微生物聯(lián)合修復。三者相互作用，修復受損的土壤生態(tài)系統(tǒng)，最終達到高效、完善的修復效果[22]。

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Research Status and Development Direction of Bioremediation Technique on Heavy Metal Contaminated Soil

ZHANGMin1，GAOChunhua2，LI Jianhua2，LUJinjing2，LUChaodong2，JINDongsheng2，LIULiang1
（1.College ofBiological Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China；2.Institute ofAgricultural Environment&Resources，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

In recent years,environmental problems are becoming more and more serious with the rapid development of industry. The problem of soil heavy metal pollution is particularly serious,which seriously threatens the sustainable development of agriculture in China,so it is becoming more and more important to research and control the soil heavy metal pollution.At present,the methods include physical,chemical remediation and bioremediation.The bioremediation has been widely used in soil pollution control,because it has the character oflowcost,good treatment effect,and nosecondarypollution.This paper pointed out the existingproblems and the development direction on the basis ofstatingthe concept,methods,characteristics and research status ofthe bioremediation.

soil;heavymetal contaminated;bioremediation technique;research status;development direction

X53

A

1002-2481（2017）04-0674-03

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.04.44

2016-12-02

山西省重點研發(fā)計劃項目（201603D421044，201603D21110-1）；山西省農(nóng)業(yè)科學院重點攻關項目（YGG1628）

張敏（1991-），女，山西清徐人，在讀碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)微生物。郜春花為通信作者。