山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院 周冉

土壤作為一個(gè)龐大的生命載體,土壤健康與環(huán)境、人類和動(dòng)物健康都是緊密地聯(lián)系在一起的。重金屬由于其毒性、不可生物降解性和作物吸收利用性,是重要的農(nóng)業(yè)土壤污染物,是農(nóng)作物和全球食品的重要有害物質(zhì)。重金屬污染的土壤有難治理、治理費(fèi)用高等特點(diǎn),這就需要我們國家和公民加強(qiáng)對(duì)土壤重金屬污染嚴(yán)重危害性的了解,提高大家的防范意識(shí)。分析重金屬污染的解決方法,進(jìn)而建立有效的土壤污染防治措施。物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)是近年來土壤中重金屬修復(fù)的常用手段。由于傳統(tǒng)的修復(fù)方法存在較大的局限性，所以利用生物對(duì)重金屬土壤污染進(jìn)行修復(fù)逐漸被廣泛應(yīng)用。生物修復(fù)是利用自然存在的動(dòng)植物將有害物質(zhì)分解成對(duì)環(huán)境污染危害較小或者無污染的一種處理方法,概括為微生物修復(fù)和植物修復(fù)。本文通過介紹微生物在土壤重金屬污染中的作用機(jī)理、適用性和優(yōu)缺點(diǎn),指明了微生物修復(fù)在重金屬污染修復(fù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略前景。

一、微生物修復(fù)機(jī)理

微生物修復(fù)是指利用真菌、細(xì)菌等對(duì)土壤中的重金屬進(jìn)行富集、結(jié)合、氧化和還原。微生物的新陳代謝速度驚人,通過本身的生理作用,可以利用土壤中各種有毒化合物作為生長、發(fā)育、繁殖的能量來源。微生物本身的細(xì)胞結(jié)構(gòu)可以識(shí)別捕捉金屬離子,并將土壤中重金屬離子結(jié)合到細(xì)胞壁的特定的結(jié)核位置上,這個(gè)通過從土壤中獲得離子以達(dá)到微生物表面電荷平衡的過程稱為微生物的吸附。此過程中吸附重金屬的量取決于微生物細(xì)胞表面的電荷量以及重金屬離子的種類。該過程速度快,修復(fù)效果見效快。而且微生物表面帶電的生理特征可以使其主動(dòng)吸附重金屬離子。由于微生物對(duì)特定污染物產(chǎn)生不同類型的降解酶,它們進(jìn)化出多種維持穩(wěn)態(tài)和抵抗重金屬的機(jī)制,以適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)中的有毒金屬。例如,有研究發(fā)現(xiàn)小白菜根際有兩種產(chǎn)脲酶細(xì)菌,可以使小白菜免受Cd和Pb毒害,增加了小白菜的產(chǎn)量,為農(nóng)田蔬菜安全生產(chǎn)提供了有力的依據(jù)。眾所周知,大部分重金屬離子具有很強(qiáng)的毒性,其毒性可以破壞微生物的生物膜甚至可以使微生物失活,但微生物本身的活性和適應(yīng)能力可以發(fā)展防御機(jī)制,幫助他們克服毒性并且吸收重金屬離子。例如細(xì)菌中的重金屬抗性基因能通過重金屬的誘導(dǎo)產(chǎn)生應(yīng)答，土壤中銅離子濃度的增加，變形菌門的相對(duì)豐度增加,酸桿菌門和芽單胞菌門的相對(duì)豐度降低，部分基因的濃度也相應(yīng)增加；WilliamPietro-Souza等人利用內(nèi)生真菌對(duì)汞進(jìn)行修復(fù),通過檢測(cè)32株內(nèi)生真菌在添加重金屬濃度的培養(yǎng)基中對(duì)汞的抗性,發(fā)現(xiàn)接種了Aspergillussp.A31,LindgomycetaceaeP87的土壤中汞濃度明顯降低,內(nèi)生細(xì)菌的分泌的酶使植物組織的揮發(fā)和積累機(jī)制顯著提升。微生物對(duì)土壤中重金屬離子等毒性物質(zhì)能夠迅速做出反應(yīng)，對(duì)于土壤中重金屬污染的修復(fù)微生物的生理響應(yīng)通常分為四個(gè)方面。首先通過細(xì)胞壁成分或細(xì)胞內(nèi)金屬結(jié)合蛋白和多肽(如金屬硫蛋白(MT)和植物螯合素以及化合物來隔離有毒金屬；其次改變生物化學(xué)途徑,阻礙金屬吸收；然后酶將金屬轉(zhuǎn)化成無害的形式；最后,利用精確射流系統(tǒng)降低細(xì)胞內(nèi)金屬濃度。

二、微生物修復(fù)特點(diǎn)

微生物修復(fù)土壤重金屬污染是一種替代物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)的更加綠色環(huán)保的修復(fù)方法,在土壤重金屬修復(fù)中發(fā)揮著重要的作用。不僅可以幫助土壤恢復(fù)到健康的自然狀態(tài),而且具有長期的生態(tài)收益和成本效益。微生物修復(fù)土壤中重金屬是一個(gè)自然的過程,在生物降解轉(zhuǎn)化等過程中不產(chǎn)生任何二次污染物,更不會(huì)把土壤中重金屬污染從一種環(huán)境介質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種環(huán)境介質(zhì),甚至完全銷毀有害重作用的金屬離子也是可能的。除此之外,微生物修復(fù)過程通常為原位修復(fù)，不會(huì)對(duì)正常的活動(dòng)形成干擾。微生物在修復(fù)的同時(shí),也可以參與土壤中的物質(zhì)循環(huán),提高土壤各類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率。與此同時(shí),微生物修復(fù)重金屬污染的土壤也存在一些弊端，微生物對(duì)重金屬離子污染的修復(fù)通常是高度特異性的,修復(fù)效果取決于微生物種群,要有適宜的生長環(huán)境條件，適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)水平和污染物濃度水平。但是，如果使得微生物高效的進(jìn)行土壤重金屬的污染,需要通過不斷地實(shí)驗(yàn)探究，找出合適的微生物種群參與土壤污染的修復(fù)和土壤中各組分的循環(huán)轉(zhuǎn)化。

三、生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

大量研究表明,微生物修復(fù)作為土壤重金屬修復(fù)手段較傳統(tǒng)的物理化學(xué)修復(fù)更有效、更環(huán)保且成本低。微生物具有更好的生物修復(fù)機(jī)制,他們能夠在重金屬離子的脅迫下生存并從環(huán)境中清除重金屬。微生物作用過程中，利用沉淀、生物吸附、金屬酶轉(zhuǎn)化、絡(luò)合作用；微生物利用吸附、固定、揮發(fā)等作用有效的修復(fù)技術(shù)。然而,有效的生物修復(fù)也需要適宜的修復(fù)環(huán)境條件。如果沒有恰當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件，微生物修復(fù)作用將受到阻礙，所以我們必須致力于尋找合適的微生物種群。重金屬土壤污染修復(fù)任務(wù)任重而道遠(yuǎn)，為了更有效地治理重金屬污染土壤,多元化的修復(fù)方法需要我們發(fā)展和推廣。

相關(guān)鏈接

土壤無機(jī)污染物中以重金屬比較突出，主要是由于重金屬不能為土壤微生物所分解，而易于積累．轉(zhuǎn)化為毒性更大的甲基化合物，甚至有的通過食物鏈以有害濃度在人體內(nèi)蓄積，嚴(yán)重危害人體健康。土壤重金屬污染物主要有汞、鎘、鉛、銅、鉻、砷、鎳、鐵、錳、鋅等，砷雖不屬于重金屬，但因其行為與來源以及危害都與重金屬相似，故通常列入重金屬類進(jìn)行討論。就對(duì)植物的需要而言，金屬元素可分為2類：①植物生長發(fā)育不需要的元素，而對(duì)人體健康危害比較明顯，如鎘、汞、鉛等。②植物正常生長發(fā)育所需元素，且對(duì)人體又有一定生理功能，如銅、鋅等，但過多會(huì)造成污染，妨礙植物生長發(fā)育。同種金屬，由于它們?cè)谕寥乐写嬖谛螒B(tài)不同，其遷移轉(zhuǎn)化特點(diǎn)和污染性質(zhì)也不同，因此在研究土壤中重金屬的危害時(shí)，不僅要注意它們的總含量，還必須重視各種形態(tài)的含量。土壤中重金屬元素主要有自然來源和人為干擾輸入兩種途徑。在自然因素中，成土母質(zhì)和成土過程對(duì)土壤重金屬含量的影響很大。而在各種人為因素中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通等來源引起的土壤重金屬污染所占比重較高。土壤是由巖石風(fēng)化而來，不同的巖石含有各種重金屬元素，成土母巖的化學(xué)元素決定了土壤中化學(xué)的最初含量，影響著土壤中重金屬元素的環(huán)境背景值：同時(shí)母巖在形成土壤過程中的影響因素也影響著土壤中的重金屬含量，如抗風(fēng)能力強(qiáng)的石英質(zhì)巖石對(duì)發(fā)育于其上的土壤中重金屬含量起控制作用，然而抗風(fēng)能力弱的碳酸鹽類巖石對(duì)其上發(fā)育的土壤中重金屬含量控制作用則不強(qiáng)。大氣中重金屬降塵也是影響土壤中重金屬含量的主要自然因素之一?；鹕奖l(fā)、森林火災(zāi)、海浪飛濺、植被排出、風(fēng)力揚(yáng)塵等過程使很多重金屬塵浮于空中?？諝庵械闹亟饘僭夭糠直恢参镂?，部分通過塵降進(jìn)入水體、土壤。在自然界中土質(zhì)污染也影響著土壤重金屬的含量。