吳 奇，劉海華，李瑞娟，金 文，馬 寧

(西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院,陜西 西安 710077)

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，危險(xiǎn)廢物大規(guī)模、長(zhǎng)期的使用，土壤污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物，包括重金屬、農(nóng)藥、石油烴和多環(huán)芳烴都會(huì)影響土壤的質(zhì)量和功能[1]。其中重金屬不能自然降解成無(wú)毒的形式，而是廣泛且持久地存留在土壤中[2]。農(nóng)藥可以降解，但由于過(guò)量和持續(xù)使用，使其分布廣泛但濃度較低[3]，大部分殘留農(nóng)藥通過(guò)降水和徑流分散在環(huán)境中[4]，是環(huán)境中最普遍的有機(jī)污染物之一[5]。大多數(shù)重金屬具有很高的流動(dòng)性和水/酸溶解性，而農(nóng)藥大多是疏水性。重金屬和農(nóng)藥同時(shí)污染土壤的情況時(shí)有發(fā)生，例如巴基斯坦的棉花種植區(qū)[6]、圣路易斯波托西的土壤[7]、大加那利群島的班達(dá)瑪高爾夫球場(chǎng)[8]。

土壤中重金屬和農(nóng)藥的復(fù)合污染不僅嚴(yán)重威脅土壤質(zhì)量和安全，而且對(duì)牲畜和人類(lèi)都有害[9-10]。重金屬和農(nóng)藥復(fù)合污染土壤的修復(fù)面臨著許多挑戰(zhàn)，因?yàn)椴煌奈廴疚镱?lèi)別需要不同的化學(xué)過(guò)程、修復(fù)技術(shù)和處理目標(biāo)。同時(shí)，土壤中重金屬與農(nóng)藥的相互作用使得修復(fù)過(guò)程變得更加復(fù)雜。例如，污染物的毒性隨著其他污染物的存在而增加[11]。Xu Zhi等[12]研究表明環(huán)草隆和鎘的復(fù)合污染下對(duì)蚯蚓的損傷更大。Uwizeyimana等[13]研究也表明復(fù)合污染環(huán)草隆和鎘對(duì)小鼠DNA損傷顯著增加。

土壤修復(fù)技術(shù)大致可分為生物修復(fù)和物理化學(xué)修復(fù)兩大類(lèi)。物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)是一種省時(shí)、易破壞土壤生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)，成本較高，如電動(dòng)修復(fù)、包埋、萃取清洗、填埋、納米材料修復(fù)、固化、土壤沖洗及表面覆蓋等。在過(guò)去的幾十年中，生物修復(fù)作為一種更加環(huán)保的方法被認(rèn)為是一種可行的土壤污染修復(fù)方法。微生物可以進(jìn)行生物修復(fù)，這取決于微生物的代謝能力(微生物修復(fù))[14]。微生物修復(fù)具有效率高(特別是對(duì)大面積、低污染區(qū)域)、成本低、易獲得、對(duì)生態(tài)系統(tǒng)無(wú)害、公眾接受度高等優(yōu)點(diǎn)[15]。已經(jīng)證明，許多微生物可以有效地修復(fù)土壤中的農(nóng)藥和重金屬[16]。例如在鎘的存在下，歐氏雷斯頓菌 JMP134作為一種除草劑降解菌，可降解除草劑[17]。

本文簡(jiǎn)述重金屬和農(nóng)藥的復(fù)合污染的危害及處理方法，重點(diǎn)介紹微生物法處理土壤中重金屬和農(nóng)藥的復(fù)合污染的原理、影響因素及微生物修復(fù)案例，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 重金屬農(nóng)藥復(fù)合污染土壤微生物修復(fù)

1.1 修復(fù)機(jī)理

許多細(xì)菌(如枯草芽孢桿菌、棉鈴蟲(chóng))可以產(chǎn)生生物表面活性劑，如表面活性劑、鼠李糖脂、槐脂、七葉皂苷和皂甙，以溶解土壤中的金屬。一般認(rèn)為微生物從水溶液中去除重金屬離子的主要機(jī)制是微生物細(xì)胞可以將重金屬離子吸附到細(xì)胞表面，然后通過(guò)細(xì)胞膜將重金屬離子輸送到細(xì)胞中，并“積聚”在細(xì)胞體內(nèi)[18]。當(dāng)農(nóng)藥量達(dá)到對(duì)微生物膜產(chǎn)生有害影響時(shí)，它可以改變重金屬在生物膜上的遷移。農(nóng)藥可麻醉微生物并與生物膜的親脂性成分相互作用，從而改變生物膜的通透性，使重金屬容易滲入微生物細(xì)胞。由于酶-底物復(fù)合物的形成，微生物產(chǎn)生的酶將促進(jìn)農(nóng)藥的降解。由于酶-金屬-底物復(fù)合物的形成，某些低濃度重金屬可能會(huì)促進(jìn)農(nóng)藥的酶降解。這些重金屬可以作為蛋白質(zhì)的輔助因子，并負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的生物活性。然而，過(guò)量的重金屬會(huì)與大量的營(yíng)養(yǎng)元素(如Mg2+、Ca2+)競(jìng)爭(zhēng)，抑制微生物產(chǎn)生酶或蛋白質(zhì)的活性。

1.2 微生物修復(fù)

生物修復(fù)是一個(gè)將有害污染物轉(zhuǎn)化成無(wú)毒化合物的活生物體的過(guò)程[19]。微生物具有巨大的分解代謝潛力，可以對(duì)污染物進(jìn)行生物修復(fù)，然后將其分解成活性/毒性較低的化合物或使其不能移動(dòng)。包括放線菌、真菌、細(xì)菌和植物在內(nèi)的生物已顯示出修復(fù)重金屬和農(nóng)藥復(fù)合污染土壤的能力。Polti M A等[20]研究表明，添加鏈霉菌M7(從重金屬和農(nóng)藥復(fù)合污染的環(huán)境中分離出來(lái))后，林丹的生物有效性降低了42%，Cr(Ⅵ)的生物有效性降低了52%。放線菌聯(lián)合體也是一種很有前途的生物技術(shù)工具，可以降解林丹，并減少?gòu)?fù)合污染土壤中的Cr(Ⅵ)。由鏈霉菌M7、MC1、A5和土庫(kù)曼擬青霉AB0組成的放線菌群被接種在6種不同程度的受林丹和Cr(Ⅵ)復(fù)合污染的土壤中，14天后，6種土壤中有5種成功修復(fù)[21]。除Cr(Ⅵ)外，利用細(xì)菌或真菌對(duì)土壤進(jìn)行微生物修復(fù)，可修復(fù)農(nóng)藥和Cd、Cu、Pb、Zn、As等幾種常見(jiàn)重金屬的復(fù)合污染。

與放線菌不同的是，用于修復(fù)重金屬和農(nóng)藥復(fù)合污染系統(tǒng)的細(xì)菌主要是工程菌。對(duì)能同時(shí)處理重金屬和農(nóng)藥的天然細(xì)菌研究較少。農(nóng)藥降解菌已被人工賦予去除重金屬的能力，用于修復(fù)復(fù)合農(nóng)藥重金屬污染場(chǎng)地。Yang C等[22]在實(shí)驗(yàn)室液體環(huán)境中成功地利用γ-HCH降解菌，降解鞘氨醇UT26和毒死蜱的同時(shí)，解毒重金屬鎘。一些研究還著重探討了抗重金屬的農(nóng)藥降解菌在重金屬和農(nóng)藥共同污染土壤中降解農(nóng)藥的可能性。例如，Tiwary M等[23]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在多種金屬時(shí)，氯氰菊酯已被芽孢桿菌AKD1降解。水溶液中存在砷、銅和鎘的情況下，銅綠假單胞菌YNS-85降解了超過(guò)55%的初始五氯硝基苯(40 mg·L-1)[24]。李亞茹等[25]分離得到一株拉烏爾菌，水溶液實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該菌種能同時(shí)去除芘與Cr(Ⅵ)，芘的存在對(duì)Cr(Ⅵ)還原有輕微促進(jìn)作用，而Cr(Ⅵ)對(duì)芘降解有抑制作用。真菌也被研究和應(yīng)用于重金屬和農(nóng)藥共污染土壤的修復(fù)，研究最多的是蘑菇，與放線菌和細(xì)菌相比，蘑菇能將土壤中的污染物吸收到體內(nèi)，更容易與土壤分離。同時(shí)蘑菇分泌的漆酶和MnP(錳過(guò)氧化物酶)促進(jìn)修復(fù)。通過(guò)這些機(jī)制，大杯蕈、杏鮑菇和雞腿菇成功地修復(fù)了重金屬和農(nóng)藥共同污染的土壤[26-27]。廢蘑菇基質(zhì)也具有修復(fù)重金屬和農(nóng)藥共污染的潛力。Jia Z等[28]將廢棄香菇基質(zhì)應(yīng)用于鎘-二氯酚共污染土壤，二氯酚降解率為85.0%～96.9%。重金屬的生物累積和農(nóng)藥的生物降解在其他真菌屬中也有發(fā)現(xiàn)，包括黃曲霉、灰黃霉素、康寧木霉、馬爾坎迪擬青霉[29]。

2 影響因素

影響重金屬農(nóng)藥復(fù)合污染土壤微生物修復(fù)因素較多，主要有非生物和生物因素。

2.1 非生物因素

非生物因素可以顯著影響金屬和農(nóng)藥的生物修復(fù)，如pH值、溫度、土壤濕度、土壤類(lèi)型、氧化還原電位(Eh)、陽(yáng)離子交換容量(CEC)、生物化學(xué)過(guò)程和土壤中污染物。生物可利用率是生物修復(fù)效率的關(guān)鍵，并對(duì)生物修復(fù)的成敗產(chǎn)生重大影響。

土壤pH值可以通過(guò)多種方式影響微生物修復(fù)。(1)影響金屬生物有效性。土壤pH值的降低通常導(dǎo)致金屬生物有效性的提高。在較低的pH值下，土壤顆粒表面的金屬離子與H+的交換容量大于較高pH值時(shí)的交換容量，粘土礦物顆粒和膠體表面的金屬離子進(jìn)入土壤溶液;而且金屬離子間的溶解-沉淀平衡被打破，金屬離子被釋放到土壤溶液中[30]。(2)對(duì)微生物影響。①不同物種的最適pH值范圍不同；②金屬的氧化還原和溶解度也受到pH值的影響，金屬的不同形態(tài)和價(jià)態(tài)對(duì)微生物產(chǎn)生不同的毒性作用[31]。(3)影響吸附過(guò)程。pH值的變化影響吸附反應(yīng)中結(jié)合金屬離子的有效性。(4)影響土壤中的有機(jī)成分。隨著pH值的增加，配體離子對(duì)金屬陽(yáng)離子的親和力會(huì)隨著土壤中有機(jī)組分的官能團(tuán)如醇、羰基、羧基和酚官能團(tuán)的離解而增強(qiáng)。

土壤溫度是影響金屬和農(nóng)藥生物修復(fù)的關(guān)鍵因素。首先，隨著溫度的升高，金屬和農(nóng)藥的溶解度增加，從而提高了金屬和農(nóng)藥的生物利用率。溫度也會(huì)影響有機(jī)污染物的物理性質(zhì)和化學(xué)組成。溫度直接影響微生物或土壤顆粒對(duì)金屬和農(nóng)藥的吸附和解吸過(guò)程。在適當(dāng)條件下，吸附容量和吸附強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而增大。其次，溫度影響微生物的生長(zhǎng)、活性和降解潛力。在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，溫度的升高有利于微生物的降解。此外，不適當(dāng)?shù)耐寥篮繒?huì)阻礙生物修復(fù)過(guò)程。土壤含水量低限制了微生物的生長(zhǎng)和代謝，而含水量高則減少了土壤通氣量。通常，在較高的土壤濕度條件下，重金屬的吸附率會(huì)得到提高。金屬離子和農(nóng)藥的生物可利用率與土壤顆粒的質(zhì)地密切相關(guān)。細(xì)密結(jié)構(gòu)的粘土有效性最低，其次是粘壤土，壤土和砂的有效性最高[32]。土壤類(lèi)型的差異也可能影響金屬和農(nóng)藥之間的相互作用[33]。

土壤的氧化還原電位是一種在土壤溶液中獲得或提供電子的趨勢(shì)的量度。許多金屬離子以多種氧化還原形式存在于土壤中。金屬的溶解度和遷移率在很大程度上取決于氧化狀態(tài)[32]。同時(shí)，氧化還原電位在很大程度上決定了細(xì)菌群落的代謝類(lèi)型，是土壤生物活性的重要參數(shù)。每種微生物類(lèi)型都適合其特定的氧化還原電位條件。

土壤陽(yáng)離子交換容量是土壤成分保持金屬離子能力的量度。隨著陽(yáng)離子交換容量的增加，金屬離子利用率降低。陽(yáng)離子交換容量越低，固定化的金屬離子越少，土壤中金屬離子的生物有效性越高[32]。金屬的遷移、轉(zhuǎn)化和生物有效性可受到金屬與某些土壤成分(如腐植酸和低分子量有機(jī)酸)之間的表面吸附、離子交換和配位絡(luò)合作用的影響。粘土含量、氧含量、鹽度、礦物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有效性都會(huì)影響金屬和農(nóng)藥的生物修復(fù)過(guò)程。同時(shí)，土壤特性，如土壤類(lèi)型、有機(jī)質(zhì)含量等，會(huì)影響生物對(duì)多種污染物的反應(yīng)以及不同污染物之間的相互作用。

2.2 生物因素

土壤中生物修復(fù)的效率在很大程度上取決于接種密度、存活率、繁殖能力、競(jìng)爭(zhēng)力、微生物活性和物理擴(kuò)散能力等[34]。生物修復(fù)成功的基礎(chǔ)是物種的生存。接種后死亡的細(xì)胞數(shù)應(yīng)在可接受的范圍內(nèi)。接種劑與原生生物之間的相互作用在生物修復(fù)過(guò)程中起關(guān)鍵作用，如生態(tài)位、捕食和營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)[5]。在存活后，生物修復(fù)還受到生物活性和許多可能影響生物活性因素的影響，如物種、生物量、營(yíng)養(yǎng)源、適當(dāng)?shù)臏囟?、濕度、pH范圍。此外，由于污染物的有毒中間產(chǎn)物，接種劑的活力可能會(huì)受到抑制，并且在生物修復(fù)過(guò)程中，接種劑的降解能力可能會(huì)降低。如果在接種過(guò)程中失去了太多的微生物活力，那么生物修復(fù)的目標(biāo)就很難實(shí)現(xiàn)。在尋找目標(biāo)生物的過(guò)程中，還需要考慮到在目標(biāo)生物環(huán)境中具有持久性和功能活性的其他基本特征，土壤中重金屬農(nóng)藥的生物修復(fù)需要一套系統(tǒng)的非生物因子和生物因子來(lái)維持污染物的高生物有效性和微生物的高生物修復(fù)能力。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

(1) 篩選出對(duì)重金屬和農(nóng)藥具有高效生物修復(fù)作用的細(xì)菌和真菌，與土著微生物競(jìng)爭(zhēng)，削弱其污染能力，增強(qiáng)菌株在實(shí)際中的活性。

(2)許多結(jié)論是在實(shí)驗(yàn)室人工控制條件下得出的。實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量模擬自然條件，包括氣候、天氣和污染物條件。因此，需要進(jìn)一步的工作來(lái)驗(yàn)證在實(shí)際條件下的生物修復(fù)效率。

(3)當(dāng)修復(fù)目標(biāo)涉及有機(jī)污染物時(shí)，應(yīng)針對(duì)有機(jī)污染物母體及其代謝物制定修復(fù)辦法，而不僅僅針對(duì)有機(jī)污染物母體。某些有機(jī)污染物的代謝物半衰期較長(zhǎng)甚至比母體污染物毒性更大。

(4)污染物的生物有效性直接影響微生物的利用。采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ岣呱锟衫枚瓤梢蕴岣咝迯?fù)效果。

(5)污染物對(duì)微生物的有害作用嚴(yán)重破壞了細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而影響修復(fù)效果。微生物的解毒機(jī)制以及延緩污染物生物毒性的方法仍需進(jìn)一步研究。不同污染物在生物修復(fù)和過(guò)程中的相互作用機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。

(6)用于污染土壤生物修復(fù)的微生物需要進(jìn)行后續(xù)處理，以避免因生物死亡或環(huán)境變化而造成二次污染。