池文婷，鐘錦鋒，戴啟斌，林海雁，陳之均，滕 青

(廣東石油化工學(xué)院 環(huán)境與生物工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

汽車(chē)尾氣、生活垃圾以及不合理的采礦形成的污水灌溉是造成我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染的主要原因，隨著我國(guó)化工業(yè)的迅速發(fā)展及相關(guān)環(huán)保法律法規(guī)的不健全和監(jiān)管不力也是造成我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染的原因。宋偉等[1]研究表明我國(guó)農(nóng)田受重金屬污染的面積占耕地總面積的 1/6。研究表明[2]我國(guó)土壤污染總超標(biāo)率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點(diǎn)位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞、鉛。

土壤重金屬污染不僅對(duì)農(nóng)田作物的生長(zhǎng)和土壤中的微生物數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)等有很大影響，而且重金屬可以經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體，并通過(guò)生物富集作用危害人體健康[3]。《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[4]中規(guī)定要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)土壤中鎘、汞、砷、鉛、鉻等重金屬，重點(diǎn)監(jiān)管有色金屬礦采選、有色金屬冶煉、石油開(kāi)采、石油加工、化工和電鍍等行業(yè)；還要加強(qiáng)涉重金屬行業(yè)污染防控，嚴(yán)格執(zhí)行重金屬污染物排放標(biāo)準(zhǔn)并落實(shí)相關(guān)總量控制指標(biāo)；加大監(jiān)督檢查力度；對(duì)整改后仍不達(dá)標(biāo)的企業(yè)，依法責(zé)令其停業(yè)、關(guān)閉。

近年來(lái)，城市土壤重金屬污染嚴(yán)重，我國(guó)重慶、貴州、和中山等城市土壤均受到不同程度的鉛污染[5-7]；我國(guó)西南地區(qū)的汞礦區(qū)地表層土壤汞含量可達(dá)790 mg/kg[8]，胡國(guó)成[9]等通過(guò)對(duì)貴州萬(wàn)山汞礦周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)田土壤的分析，顯示農(nóng)田土壤汞污染嚴(yán)重，超過(guò)國(guó)家允許土壤農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)的135倍；江西、湖南及珠三角等多個(gè)城市存在不同程度的鎘污染[10-12]，目前土壤重金屬污染面積顯著擴(kuò)大并向東部人口密集區(qū)擴(kuò)散[13]，且大部分城市農(nóng)田土壤都受到不同程度重金屬的污染。

1 農(nóng)田土壤重金屬的污染特征及來(lái)源

1.1 農(nóng)田土壤重金屬的污染特征

重金屬污染具有多源性、表聚性、隱蔽性、滯后性、不可逆性等特性[14-15]。農(nóng)田重金屬大多殘留于土壤耕層，若土壤一旦發(fā)生重金屬污染，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法恢復(fù)原樣，造成生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重失衡。如何減少我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染問(wèn)題顯得尤為重要，迫切需要探尋符合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行土壤治理。土壤重金屬生物修復(fù)技術(shù)是一類(lèi)環(huán)境友好型技術(shù)，被廣泛用于實(shí)踐中并取得了良好的收效。

1.2 農(nóng)田土壤重金屬的來(lái)源

農(nóng)田土壤重金屬來(lái)源廣泛，途徑多樣，主要有農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市污染源。進(jìn)一步可分為土壤中成土母質(zhì)的差異和人類(lèi)活動(dòng)的影響這兩類(lèi)，其中人類(lèi)活動(dòng)影響較大，包括污水灌溉、有機(jī)氮肥、磷肥和農(nóng)藥的不合理使用、工業(yè)排污、汽車(chē)尾氣和城市生活垃圾的影響等[16-17]。

1.2.1 農(nóng)業(yè)污染

當(dāng)農(nóng)業(yè)灌溉水中的重金屬超標(biāo)時(shí)，其中的重金屬、病菌微生物等多種有毒物質(zhì)會(huì)進(jìn)入土壤，改變土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，使重金屬在土壤表層富集，破壞土壤生態(tài)平衡[18-19]。As和Cu等重金屬超標(biāo)的畜禽糞便經(jīng)過(guò)堆肥發(fā)酵作為有機(jī)肥料施用于農(nóng)田時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬超標(biāo)，典型的重金屬有As和Cu[20]。如果長(zhǎng)期施用重金屬含量較高的化肥時(shí)，會(huì)造成重金屬元素在農(nóng)田土壤中大量積累，導(dǎo)致土壤重金屬污染[21]。

1.2.2 工業(yè)污染

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)釋放大量有毒物質(zhì)，包括持久性有機(jī)污染物、一般性污染物和重金屬，這些有毒物質(zhì)會(huì)直接進(jìn)入環(huán)境，部分進(jìn)入土壤，造成土壤重金屬超標(biāo)[22]。重金屬?gòu)谋婚_(kāi)采冶煉到鑄造加工成成品或半成品過(guò)程中，其生產(chǎn)釋放物擴(kuò)散進(jìn)入大氣經(jīng)自然沉降和降水進(jìn)入周?chē)寥乐?，使土壤的重金屬含量增加[23-24]。

1.2.3 城市污染

城市垃圾中的重金屬和其他有毒有害物質(zhì)也會(huì)對(duì)土壤造成一定的影響。2012年我國(guó)垃圾無(wú)害化處理總量達(dá)14489.5萬(wàn)t，其中垃圾填埋量達(dá)10512.5萬(wàn)t，占總量的72.6%，焚燒處理量達(dá)3584.1萬(wàn)t，占總量的24.7%[25]。含Pb汽油燃燒、燃料及潤(rùn)滑油泄漏等產(chǎn)生的大量含Pb、Cd、Cu、Zn等的有害氣體，都會(huì)隨大氣沉降到土壤中，造成土壤重金屬超標(biāo)[26-27]。

2 農(nóng)田土壤重金屬生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)是指利用生物的新陳代謝活動(dòng)，降低重金屬的濃度，從而使被污染的土壤環(huán)境能夠部分或者完全恢復(fù)到原狀態(tài)的過(guò)程[28]。與物理和化學(xué)修復(fù)技術(shù)相比，生物修復(fù)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、成本低、處理效果好、不會(huì)造成二次污染、綠色環(huán)保以及對(duì)土壤環(huán)境的擾動(dòng)較小等優(yōu)點(diǎn)[29-30]，經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益顯著，是一種新興的經(jīng)濟(jì)環(huán)保型修復(fù)技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用廣泛[31]。生物修復(fù)技術(shù)主要包括植物修復(fù)、微生物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)和生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等。

2.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)是指利用某些自然生長(zhǎng)或者特地培育的植物對(duì)土壤重金屬進(jìn)行吸附、吸收、揮發(fā)、穩(wěn)定和降解等作用，從而降低土壤重金屬濃度的一種治理技術(shù)[32]。根據(jù)其作用機(jī)理可將植物修復(fù)技術(shù)分為植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定。

2.1.1 植物提取

植物提取是指植物吸收土壤中的一種或者幾種重金屬，富集在植物根部或地上枝條部位，隨后對(duì)富集部位收割并集中處理，使土壤中重金屬濃度降低到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[33]。

吳迪等[34]研究表明大吳風(fēng)草、苦蒿和米蒿這三種植物可有效富集土壤中的Ni；木賊科類(lèi)節(jié)節(jié)草、菊科類(lèi)橐吾、大吳風(fēng)草、米蒿、百合科類(lèi)萱草則對(duì)Cu富集能力較強(qiáng)。周杰良等[35]的水培篩選試驗(yàn)表明：從25種參試植物中篩選出的蔓長(zhǎng)春花對(duì)Cd的耐性較強(qiáng)，轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)均大于 1，具備鎘超富集植物的基本特征。賴捷等[36]首次發(fā)現(xiàn)并證實(shí)菊科串葉草是一種Sr超積累植物，為開(kāi)展污染區(qū)域修復(fù)治理工作提供參考。目前，超積累植物對(duì)重金屬的富集具有專(zhuān)一性。

超富集植物對(duì)重金屬的脅迫具有耐受度，當(dāng)重金屬達(dá)到一定濃度時(shí)，富集植物根系形態(tài)會(huì)發(fā)生不同程度的變化[28]。劉蕊[37]發(fā)現(xiàn)在鉛離子、鋅離子復(fù)合處理時(shí)，臺(tái)灣泡桐生長(zhǎng)指標(biāo)隨著鋅離子濃度的增加而降低。易詩(shī)明等[38]采用盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單一鉛離子濃度為 600 mg/kg 時(shí)，根系生長(zhǎng)受到明顯的抑制，較對(duì)照組相比，主根長(zhǎng)、根表面積分別下降 87.7%和47.7%；單一鋅離子濃度大于等于 400 mg/kg 時(shí)，主根長(zhǎng)、根表面積下降明顯高于單一鉛離子，抑制作用隨著鋅離子濃度的增加而增加?？梢?jiàn)，不同金屬離子對(duì)根系生長(zhǎng)產(chǎn)生的作用不同，離子濃度嚴(yán)重偏高時(shí)，根系生長(zhǎng)受到顯著影響。

雖然超積累植物在植物提取技術(shù)中應(yīng)用較廣泛，但是植株存在生長(zhǎng)緩慢、生長(zhǎng)量少、修復(fù)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，所以培育生長(zhǎng)快速、生物量大、適應(yīng)性強(qiáng)的復(fù)合重金屬超積累植株是農(nóng)田土壤重金屬?gòu)?fù)合污染修復(fù)的潛在途徑[39]。

2.1.2 植物揮發(fā)

植物揮發(fā)是將土壤中重金屬吸收到植物體內(nèi)通過(guò)蒸騰作用將其轉(zhuǎn)化為揮發(fā)態(tài)或者是毒性較小的物質(zhì)并釋放到大氣從而降低土壤重金屬濃度[40]。該方法主要是針對(duì)易揮發(fā)的重金屬汞應(yīng)用較多，但該方法存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際生活中推廣很少，目前，修復(fù)汞污染的時(shí)候基因工程技術(shù)常被用于植物修復(fù)。

Chen Yunan等[41]利用基因工程技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶(glutathi-one-S-transferase)基因可以調(diào)節(jié)植物氧化應(yīng)激效應(yīng)，提高植物對(duì)汞的富集能力。Meagher等[42]研究發(fā)現(xiàn)植物烤煙可以使二價(jià)汞離子轉(zhuǎn)化為氣態(tài)汞，使汞金屬毒性大大減弱。Soloducho等[43]研究顯示，洋麻(Hibiscus cannabinus)可以把根際土壤中的硒離子(Se3+)轉(zhuǎn)化為甲基硒，隨后揮發(fā)到空氣中，但其修復(fù)效率不高。植物揮發(fā)適用于修復(fù)氣化點(diǎn)較低的重金屬污染的土壤，比如受到非金屬砷、硒以及重金屬汞元素污染的土壤等[44]。

2.1.3 植物穩(wěn)定

植物穩(wěn)定是利用特定植物的根或分泌物，改變土壤根際環(huán)境，通過(guò)累積、沉淀、轉(zhuǎn)化重金屬的價(jià)態(tài)和形態(tài)，降低土壤中有毒重金屬的移動(dòng)性和毒性，從而降低重金屬滲漏污染地下水和周?chē)h(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)[45]。目前已發(fā)現(xiàn)能應(yīng)用植物穩(wěn)定技術(shù)的植物達(dá)500多種，如田菁、燕麥、香根草等[46]。Oh K等[47]在研究中發(fā)現(xiàn)植物對(duì)土壤中的鉛有固定作用，可降低鉛的生物有效性。Casierra-Posada F等研究中發(fā)現(xiàn)[48]馬蹄蓮對(duì)鐵有一定耐性并且可以大量固定在根部位置，適用重金屬污染濕地修復(fù)。但是這些措施卻沒(méi)有使重金屬?gòu)耐寥乐姓嬲コ?，?duì)土壤環(huán)境仍然存在一定的潛在危害。

2.2 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)是是利用活性微生物對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行吸收、沉淀、氧化和還原等作用，降低土壤中重金屬的濃度和毒性[49-50]。微生物修復(fù)技術(shù)包括異位生物修復(fù)和原位生物修復(fù)。

2.2.1 異位生物修復(fù)

異位生物修復(fù)[51]指將污染土壤移除并集中處理的一種方法，主要包括生物反應(yīng)器法和固相處理法，處理過(guò)程需嚴(yán)格控制，才能達(dá)到較好的處理效果；該方法對(duì)土壤環(huán)境的擾動(dòng)性大、處理成本高，不適合大面積的污染土壤治理。

2.2.2 原位生物修復(fù)

原位生物修復(fù)是指在不移除原土壤的基礎(chǔ)上通過(guò)外加微生物和無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)微生物對(duì)土壤重金屬的降解。用于修復(fù)的微生物菌種主要包括細(xì)菌、放線菌和真菌這三類(lèi)。

Cecchi等[52]研究表明，在洋蔥曲霉菌株、哈茨木霉菌株、粉紅粘帚霉菌株三種真菌中，哈茨木霉菌對(duì)Ag的耐受性和富集能力最高，當(dāng)環(huán)境中Ag濃度為330 mg/L的時(shí)，其體內(nèi)富集濃度最高可達(dá)153 mg/L。微生物能降解土壤中多種重金屬，但是微生物個(gè)體微小，較難從土壤中分離出來(lái)并且存在與修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)土著菌株競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題[53]。

2.3 動(dòng)物修復(fù)技術(shù)

動(dòng)物修復(fù)技術(shù)是指利用土壤中的某些低等動(dòng)物(蚯蚓、線蟲(chóng)、甲螨等)的直接作用(吸收、轉(zhuǎn)化和分解)或間接作用(改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力、促進(jìn)植物和微生物的生長(zhǎng))修復(fù)污染土壤[54-55]。

魏明榮等[56]發(fā)現(xiàn)蚯蚓對(duì)污廢水廠活性污泥中的重金屬有較強(qiáng)的富集能力，富集系數(shù)由高到低依次為Cd、Zn、Cu、Pb，經(jīng)蚯蚓處理后活性污泥金屬含量可達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。何永美等[57]通過(guò)室內(nèi)盆栽試驗(yàn)研究土壤滅菌和殺真菌劑(苯菌靈)對(duì)紫花苜蓿的生長(zhǎng)、重金屬含量與累積的影響，發(fā)現(xiàn)土壤滅菌能顯著減少苜蓿對(duì)重金屬的累積，植株P(guān)b、Zn、Cd和Cu的累積量分別下降74%、78%、68%和76%，可見(jiàn)微生物對(duì)于植物累積重金屬有很大的促進(jìn)作用。

2.4 生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

土壤重金屬污染復(fù)雜，單一的修復(fù)技術(shù)難以有效去除土壤中的重金屬，生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)可更好地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，提高重金屬的去除率。

植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)是利用土壤-植物-微生物復(fù)合體系，發(fā)揮植物與微生物修復(fù)的各自優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一修復(fù)方法的不足，共同降低土壤污染物的一種新興生物修復(fù)技術(shù)，同時(shí)兼具生物固定與生物去除土壤重金屬的這兩種功能[58-59]。

Jiang等[60]通過(guò)研究從枝真菌 Glomus versiforme(GV) 和 Rhizophagus intraradices(Ri)對(duì)金銀花盆栽試驗(yàn)的影響發(fā)現(xiàn)，金銀花與GV、Ri 的共生體系可以減少地上部的鎘含量以緩解鎘毒性，GV和Ri 能顯著增加所有鎘處理的金銀花地上部和根系的生物量，GV 處理顯著減少植物芽、根部的鎘含量，Ri 處理降低了植物芽鎘含量，但增加了根部鎘含量。共生體可顯著提高宿主植物對(duì)重金屬的耐受性，陳生濤等[61]通過(guò)土壤盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，接種Rhizobium sp.W33能夠促進(jìn)黑麥草吸收Cu并提高其對(duì)Cu的富集系數(shù)。羅巧玉等[62]介紹了關(guān)于叢枝菌根(Arbuscular Mycorrhizae,AM)真菌與宿主植物互惠共生體在重金屬污染土壤生物修復(fù)作用中的研究進(jìn)展，AM 真菌能夠促進(jìn)宿主植物提高對(duì)重金屬脅迫的耐受能力，增強(qiáng)植物對(duì)Zn、Pb、Cu、As 和 Cd 等重金屬的吸收量等。

植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)比單一的植物或者單一的微生物修復(fù)有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，而植物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)處理效果會(huì)比較好，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能夠自動(dòng)翻新，適合一些特殊環(huán)境下的污染，但是缺點(diǎn)就是實(shí)施起來(lái)成本較高，植物與微生物之間有不同程度的協(xié)同作用等[63]。

3 展望

我國(guó)生物修復(fù)技術(shù)起步晚，與國(guó)外還存在一定的差距；目前，植物提取技術(shù)和原位生物修復(fù)技術(shù)在我國(guó)生物修復(fù)技術(shù)中應(yīng)用較廣泛，而植物-動(dòng)物-微生物聯(lián)合使用較少，且三者聯(lián)合修復(fù)的機(jī)理還有待研究，針對(duì)目前農(nóng)田土壤重金屬污染生物修復(fù)現(xiàn)狀，可從以下兩個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

3.1 加強(qiáng)機(jī)理研究

植物修復(fù)技術(shù)在實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛，但是也存在一定的局限，經(jīng)修復(fù)處理后的一些后續(xù)問(wèn)題，比如被固定在植株上的重金屬和揮發(fā)到大氣環(huán)境中的氣態(tài)重金屬等，如何更好地集中收割成熟植株以及回收重金屬是研究的一個(gè)方向。要加強(qiáng)對(duì)不同類(lèi)型不同程度典型農(nóng)田土壤室內(nèi)試驗(yàn)和室外試驗(yàn)的研究，提出切實(shí)有效的修復(fù)方法，將理論更好地應(yīng)用于實(shí)踐中。

3.2 多種修復(fù)技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

大部分的農(nóng)田土壤屬于輕中度污染農(nóng)田，采用多種修復(fù)技術(shù)聯(lián)合使用，充分發(fā)揮多種修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，與生物修復(fù)技術(shù)共同修復(fù)達(dá)到治理農(nóng)田土壤的目的。比如將基因工程技術(shù)用于修復(fù)中、研究轉(zhuǎn)基因植物對(duì)土壤重金屬的耐受性、植物-動(dòng)物-微生物聯(lián)合修復(fù)、物理-化學(xué)-生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)等。在治理農(nóng)田土壤的同時(shí)，要切實(shí)尋找出一種符合我國(guó)國(guó)情的農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展方式。