（土壤学专业论文）黑曲霉30582对cd、zn污染土壤的原位修复效应研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得：塑皇垦壅些盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者虢幽霸签字睨年上月灿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑宴堡垒些盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑皇垦盔些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签玺毒 签字日期：f f 年 j 月? p 日 签字日期：劬，年产月夕一。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 摘要 i l u l i i i i i i i i i i il l l l l l l l r l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l y 18 9 7 115 微生物的生物活性能够影响重金属的生物有效性，能够减轻重金属对土壤植物 系统的危害，在生物修复中具有较大的应用潜力。针对微生物固定土壤中重金属的 问题，本试验运用二因素( c d 、z n ) 五水平回归正交设计，采用温室盆栽试验，以 油菜为供试植物，黑曲霉( 3 0 5 8 2 ) 为供试菌株，研究在外源镉、锌污染条件下， 不同体积黑曲霉菌液处理下和黑曲霉对不同镉、锌污染水平下油菜富集重金属效果 的影响。从而为黑曲霉应用于重金属污染土壤的微生物原位固化修复提供科学的理 论依据。主要研究结果如下： 1 随土壤中接种黑曲霉菌液体积的增加，油菜平均鲜重和株高呈先升高后降低 的规律，拐点为1 5 0 m l 时。 2 在接种不同体积菌液的处理下，各处理油菜地上部和地下部c d 、z n 富集量 均显著低于空白对照处理，地上部c d 、z n 富集量最高降幅分别为2 3 0 3 和2 8 7 0 o 地下部相应的分别降低3 5 0 8 和2 5 7 l 。 3 在接种不同体积菌液的处理下，土壤有效态c d 、z n 含量随加入菌液体积的 增加呈逐渐降低的趋势；土壤p h 呈现了随体积增加而显著升高的规律，且增长趋 势随体积的增大趋缓。 4 在c d 、z n 复合污染的条件下，油菜地上部和地下部吸收的c d 、z n 含量主要 受土壤中c d 、z n 添加量的影响，其次油菜对c d 的吸收还受共存元素z n 的影响， c d 、z n 之间的交互作用表现在：z n 抑制植物根部对c d 的吸收与向地上部的转移。 在黑曲霉处理下，油菜地上部和地下部c d 、z n 吸收量不受共存元素的影响，且较 对照处理显著降低。 5 在各污染处理下，随着土壤中c d 、z n 添加量的增加，土壤中有效态c d 、z n 含量显著增加。而在黑曲霉处理下，土壤有效态c d 、z n 含量较对照均有所降低。 黑曲霉原位固定修复重金属c d 、z n 复合污染技术的适宜范围是轻中度污染水平。 关键词：微生物；黑曲霉；油菜；c d 、z n 复合污染；原位固定修复 o f a s p e r g i l l u sn i g e ro ns i t ur e m e d i a t i o no fc a d m i u m a n dz i n c c o m p o u n dp o h u f i o n i ns o i l a u t h o r ：l il i 1 i m a j o r ：s o i ls c i e n c e t u t o r ：p r o f l ib o w e i i a b s t r a c t t h em i c r o b ec a ni n f l u e n c et h eb i o l o g i c a li n v a l i do fh e a v ym e t a la n d r e d u c et h ed a m a g eo fh e a v ym e t a l si ns o i l - p l a n ts y s t e m ，w h i c hh o l d sal a r g ep o t e n t i a li n b i o r e m e d i a t i o n a i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a ts i t ui m m o b i l i z a t i o no fm i c r o b ei ns o i l ，t a k i n g a n t h r o p o g e n i ca d d e dc da n dz ns o i la se x p e r i m e n t a ls o i l ，r a p ea se x p e r i m e n t a lp l a n t ， a s p e r g i l l u sn i g e ra se x p e r i m e n t a lm i c r o b e ，w i t ho r t h o g o n a lr e g r e s s i o nd e s i g no ft w o f a c t o r s ( c da n dz n ) i nf i v el e v e l s ap o te x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c t s o fd i f f e r e n ta s p e r g i l l u sn i g e rv o l u m et r e a t m e n ta n dd i f f e r e n tc da n dz np o l l u t i o nl e v e l s 0 1 1c da n dz nu p t a k eb yr a p e ，w h i c hc a np r o v i d es c i e n t i f i cb a s i s f o ra s p e r g i l l u sn i g e r u s e di nm i c r o b es i t ui m m o b i l i z a t i o n m a i nr e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sw e r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 w i 廿lt h ei n c r e a s i n gi nt h ev o l u m eo fa s p e r 函 l l u sn i g e ri nt h es o i l ，a v e r a g e 舭s h w e i g h ta n dl e n g t ho fr a p ei n5v o l u m eo ft r e a t m e n tw e r es h o w e dat r e n df r o ma s c e n tt o d e s c e n t , t h a tr e a c h e ds i g n i f i c a n tl e v e l n ei n f l e c t i o np o i n ti s15 0m 1 2 u n d e rt h et r e a t m e n t so fd i f f e r e n tv o l u m eo fb a c t e r i a ll i q u i d ，t h ec o n c e n t r a t i o n so f c da n dz ni ns h o o ta n dr o o to fo i l s e e dr a p ei ne a c ht r e a t m e n t sw e r es i g n i f i c a n t l yl o w e r t h a nc o n t r 0 1 c o n c e n t r a t i o n so fc da n dz ni ns h o o to fr a p ed e c r e a s e dh i g h e s tb v2 3 0 3 a n d2 8 7 0 ，w h i l ec o n c e n t r a t i o n so fc da n dz ni nr o o to fr a p ei ne a c ht r e a t m e n t s d e c l i n e db y3 5 0 8 a n d2 5 7 1 3 u n d e rd i f f e r e n tv o l u m eo fi n o c u l a t i o nb a c t e r i a ll i q u i dt r e a t m e n t s t h ec o n t e n t so f a v a i l a b l ec da n dz ns h o w e dat r e n do fd e c r e a s i n gs i g n i f i c a n t l yi ns o i lw i t ht h e i n o e u l a t i o nv o l u m ei n c r e a s e d t h ea v e r a g eo fs o i lp hi n c r e a s e sr e m a r k a b l yw i t l l i n c r e a s i n gt h ev o l u m e w i t ht h ev o l u m ei n c r e a s i n g , t h eg r o w t ht r e n dw a ss l o w i n gd o w n 4 u 1 1 d e l d i f f e r e n tc o m p o u n dc o n t a m i n a t i o no fc da n dz n c da n dz nc o n t e l l t si n s h o o ta n dr o o to fr a p en o to n l ya f f e c t e db yt h ea d d e dc da n dz nc o n t e n t sr e s p e c t i v e l y , b u ta l s ob ye o e x i s t e n th e a v ym e t a le l e m e n ti ns o i l t h ei n t e r a c t i o no fc da n dz n i n d i c a t e st h a tz ni n h a b i t e dc du p t a k eo fr o o t s u n d e rt h et r e a t m e n t so fa d d i n g a s p e r g i l l u sn i g e r , c da n dz nc o n t e n t si ns h o o ta n dr o o to fr a p eu n a f f e c t e db yc o e x i s t e n t e l e m e n t sa n dd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yt h a nt h ec o n t r o lt r e a t m e n t s 5 u n d e rd i f f e r e n tc o m p o u n dc o n t a m i n a t i o no fc da n dz n , t h ec o n t e n t so fa v a i l a b l e c aa n dz ns h o w e dat r e n do fd e c r e a s i n gs i g n i f i c a n t l yi ns o i lw i mi n c r e a s i n go fc da n d z nc o n t e n t si ns o i l w h i l ei nt h ea s p e r g i l l u sn i g e rt r e a t m e n t sg r o u p ，t h ec o n t e n t so f a v a i l a b l ec da n dz nd e c r e a s i n g s i g n i f i c a n t l y a s p e r g i l l u sn i g e rs h o w e db e t t e r i n i m m o b i l i z a t i o no nl o wh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t i o ni ns o i l s u i t a b l er a n g eo fa s p e r g i l l u s n i g e r o ns i t ur e r n e d i a t i o no fc a d m i u ma n dz i n cc o m p o u n dp o l l u t i o ni ns o i li sm i l dt o m o d e r a t ep o l l u t i o nl e v e l so fh e a v ym e t a l s k e yw o r d s ：m i c r o o r g a n i s m ；a s p e r g i l l u sn i g e r ；o i l s e e dr a p e ；c a d m i u ma n dz i n c c o m p o u n dp o l l u t i o n ；s i t ui m m o b i l i z a t i o n 目录 1 弓l 言1 1 1 研究目背景及意义1 1 2 国内外研究进展2 1 2 1 土壤重金属的来源和污染现状2 1 2 2 土壤重金属污染特点和危害3 1 2 3 土壤重金属污染的修复途径与技术4 1 3 微生物修复土壤重金属污染的研究进展6 1 3 1 用于微生物修复的微生物类群7 1 3 2 微生物与土壤重金属的作用机理7 1 3 4 微生物修复土壤重金属污染的主要影响因素1 1 1 3 5 微生物修复土壤重金属污染存在的问题及展望。1 1 1 4 研究内容与试验思路1 2 1 4 1 研究内容1 2 1 4 2 试验思路1 2 2 材料与方法1 5 2 1 供试作物和土壤1 5 2 2 供试菌株的活化及培养1 5 2 2 1 培养基的配置。1 5 2 2 2 菌种的开封、活化培养1 5 2 3 试验方案1 6 2 3 1 试验设计。16 2 3 2 试验布置1 7 2 4 样品采集与处理1 7 2 5 分析方法18 2 5 1 土壤理化指标的测定1 8 2 5 2 土壤中c d 、z n 含量的测定1 8 2 5 3 植物样品中c d 、z n 含量的测定1 8 2 6 数据处理18 3 接种不同体积微生物菌液处理的固化效果研究1 9 3 1 接种不同体积微生物菌液处理对油菜生长发育的影响1 9 3 2 接种不同体积微生物菌液处理对油菜体内c d 、z n 富集量的影响2 0 3 2 1 对油菜体内c d 富集量的影响。2 0 3 2 2 对油菜体内z n 富集量的影响2 1 3 3 接种不同体积微生物菌液处理对土壤中有效态c d 、z n 的影响2 2 3 4 接种不同体积微生物菌液处理对土壤p h 的影响2 3 3 5 本章小结：2 4 4 黑曲霉对潮褐土不同程度c d 、z n 污染的原位修复效果研究2 6 4 1 微生物处理对油菜生长发育的影响2 6 4 2 微生物处理下油菜体内c d 、z n 变化2 7 4 2 1 油菜体内c d 含量变化2 7 4 2 2 油菜体内z n 含量变化2 8 4 3 微生物处理下土壤c d 、z n 污染之间的交互作用2 9 4 4 微生物处理下土壤有效态c d 、z n 含量3 0 4 5 本章小结3 2 5 讨论与结论3 3 5 1 讨论：；：； 5 2 结论3 4 5 3 存在问题及展望3 5 参考文献3 6 在读期间发表的学术论文4 1 作者简介4 2 致谢4 3 黑曲霉( 3 0 5 8 2 ) 对c d 、z n 污染土壤的原位修复效应研究 1 1 研究目背景及意义 1 引言 土壤是人类赖以生存的最重要的自然资源之一，是连接生物与非生物、有机界 与无机界的枢纽，人类面临的农田环境、粮食安全和资源问题均与土壤紧密相关【l j 。 近年来，随着国民经济的飞速发展，现代化农业生产中农药和化肥的不合理使用、 城市生活污水和垃圾不当处理以及工矿废弃污染物的不合理排放，导致土壤承受越 来越多的环境污染物。当污染物积累超过土壤自然本底含量和自净能力的限度，就 会导致土壤理化性质和生物学特性发生不良变化，发生土壤污染。其中土壤重金属 污染问题尤其突出。由于土壤重金属污染的隐蔽性、累积性和不可逆性、难降解的 特点，土壤一旦受到重金属污染不仅会危害植物的生长和发育，而且影响农产品的 品质，并可通过食物链及其他途径直接或间接危害人体健康，影响社会的可持续发 剧羽。因此土壤污染成为当前农业环境领域亟待解决的问题。 在自然土壤生态系统中往往是多种重金属元素共存的复合重金属污染。它们之 间存在着加和、拮抗或协同作用。c d 是环境中毒害性、迁移性最强的重金属污染 物之一，土壤中c d 污染对动植物和人体都存在极大的生态和健康风险，对植物代 谢和根系活力影响更加显著【3 1 ；并且c d 能与许多营养元素如c u 、z n 、f e 、m n 、 c a 、p 等产生交互作用。z n 是植物所需微量营养元素之一，但一般土壤中z n 含量 超过2 0 0m g - k 9 1 时便可造成污染 4 1 。c d 、z n 两种重金属在元素周期表中均属于i ib 族元素，由于c d 、z n 这两种重金属元素化学性质与行为的相似性，它们在自然界 总是相伴而生，表现出重金属复合污染的多样性、复杂性。c d 、z n 复合污染在污 灌区和城郊的菜田土壤中普遍存在。许多研究都报道了二者共存条件下的环境生态 效应和在植物体内的交互作用，主要表现为：c d 与z n 竞争土壤胶体表面的吸附位 点；c d 与z n 在植物生长及植物体内的运移过程中存在协同作用，又存在拮抗作用。 事实上，c d 与z n 之间的交互作用是非常复杂的，它因土壤胶体种类、其他共存离 子、土壤氧化还原状态、土壤微生物作用、植物种类、c d 与z n 的浓度等而异。如 植物根系在生长发育过程中会向周围释放大量的分泌物，可通过络合、溶解作用影 响重金属在溶液或土壤中的迁移性和存在形式。因此，研究重金属c d 、z n 复合污 染要比单一元素更符合实际，研究成果更具实际应用价值。 物理、化学等修复重金属污染土壤措施，对于污染重、面积小的土壤能达到明 显的效果，但对于较大面积的污染土壤治理则需消耗大量的人力和财力，并存在二 次污染且常常导致土壤结构的破坏和肥力的下降。农业措施实施较方便，但修复周 期长、效果不明显。超富集植物在植物修复重金属污染土壤方面虽然具有很大的潜 力，但在实际中存在一些问题，主要表现在【5 】：自然界中的超累积植物往往种属 稀少、地上产量小、生长缓慢、气候环境适应性差等问题，而且异地引种有可能威 胁该区域的生物多样性；大多数超积累植物往往只能积累某种重金属，而土壤的 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 污染往往是多种重金属的复合污染；除了超积累植物本身的缺点外，还有其它因 素也影响植物修复的有效性，如土壤微生物活性，土壤本身的理化特性，还有污染 区的气候地理条件。 微生物修复前景广阔，这主要是因为微生物来源广泛、修复效率高、应用范围 广等优点，有良好的社会和生态综合效益。微生物修复对土壤中重金属生物有效性 的影响途径主要有两种：一是利用微生物分泌有机酸溶解重金属的特性，提高重金 属的生物有效性，增加植物对重金属的富集能力和提取量，从而加速修复效率；二 是应用微生物对重金属的吸附、沉淀原理，降低重金属生物有效性和可移动性，减 少重金属向植物地上部转移，从而减少这些重金属元素对动、植物的危害性，提高 诸如可食用植物的安全性，创造可持续的经济效益。前者微生物与富集植物联合修 复土壤重金属污染，但存在富集植物种类少、适应性差、修复及等待周期相对较长 等缺点，难以适于大面积污染修复，难以实现短时间内的经济效益。而后者，微生 物原位固定修复技术，被认为是一种环境友好的绿色治理技术，具有较好发展前景 的。它是利用土壤中的土著微生物或向土壤接入外源微生物，同时提供给这些菌生 长所需养分，利用微生物细胞壁上存在的主要由多糖、几丁质、类脂等组成的羧基、 羟基、氨基等重金属离子的结合位点，固定重金属，降低其移动性和毒性，达到改 良土壤的目的【6 】。该技术投资费用省、易于实施，对环境影响小，能够稳定土壤肥 力和代谢活性，有效降低污染物浓度和毒性，尤其适于在其他技术难以应用的场地， 从而在成本和时间上能更好的满足重金属污染土壤修复的要求，尤其对农业活动等 面源污染过程引起的轻度土壤污染的修复上具有明显的优判7 】。从目前来看，微生 物原位固定修复的理论和实践得到重视和发展，是最具发展和应用前景的生物修复 技术。 本研究以黑曲霉( 3 0 5 8 2 ) 作为供试微生物，其作为真菌的一种，具有较强的 吸附能力【8 】，且是常见的微生物资源，来源丰富，易于培养，如果能将黑曲霉引入 “植物土壤”重金属修复系统中，将大大降低污染土壤修复的成本和风险。本研究 根据黑曲霉代谢活动的特性，将其菌液添加到种植油菜的重金属污染土壤中，研究 其在土壤重金属复合污染中的钝化效果，旨在为潮褐土区域土壤重金属污染的原位 固定修复及其微生物调控提供科学依据，并指导在中、轻度土壤重金属污染土地上 的种植活动，减少重金属污染带来生产上的不良影响，使污染的土壤继续维持农业 生产，保证能够持续不断的发挥其经济效益。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 土壤重金属的来源和污染现状 土壤重金属污染源主要分为自然源和人为源。在自然源中，不同的成土母质、 成土过程所形成的土壤中重金属含量差异很大1 9 。土壤重金属污染的人为来源非常 广泛，且随着我国城市化进程步幅的加快，人类生产、生活方式多样化，出现了一 2 黑曲霉( 3 0 5 8 2 ) 对c d 、z n 污染土壤的原位修复效应研究 些有别于以往的污染来源。综合概况人为来源包括以下几个方面：工业来源 能 源型产业如采矿业、石油业等是最主要的污染来源。城市生活来源城市日益变 成重金属污染的重要来源之一。我国现正努力打破城乡“二元”结构，加快推进城 镇化建设，产生的大量城市垃圾和生活污水排放量及堆放过程中产生的飞灰和渗滤 液以及污水处理后的污泥都含有大量的重金属，对土壤环境造成污染；由于城市扩 张致使一些原先分布在城市外围郊区的农药厂、化肥厂、化工厂等在改变土地用途 时，出现土壤重金属污染状况。农业来源污灌、农药、化肥、地膜等重要农用 物资的长期不合理施用可导致土壤重金属污染。其中突出的变现是污灌使土壤重金 属污染面积大增，复合肥、棚膜及地膜的推广使用加剧了土壤重金属污染 1 0 , 1 1 , 1 2 】。 交通污染蓬勃发展的汽车行业带来的重金属污染也日益严重。越来越多的汽车 尾气排放、公路扬尘等使公里两侧土壤铅、铜等重金属污染严重。公路、铁路两侧 土壤中的重金属污染主要以p b 、z n 、c d 、c r 、c o 、c u 为主，来自于含铅汽油的燃 烧和汽车轮胎中添加剂一锌 9 , 1 3 】。环境事故污染源近年来突发性的环境污染事 件激增，其中不乏重金属污染案例。突发性污染事件会使高浓度的重金属在短时间 内进入土壤环境中，污染程度严重，可控性差，危害后果不可预料。 目前，世界各国土壤都有不同程度的重金属污染。全世界平均每年向环境排放 c d2 2 万吨、c u9 5 4 万吨、p b7 9 6 万吨、z n1 3 7 2 万吨【1 4 】，已经严重影响到粮食 安全i l 引。中国土壤重金属污染形势依然十分严峻，特别是汞h g 、c r 、c d 、p b 和类 金属s e 等污染日益凸显【1 6 j 。目前全国耕种土地面积的1 0 以上已受重金属污染， 全国每年因重金属污染的粮食高达1 2 0 0 万吨，造成的直接经济损失超过2 0 0 亿元【5 l 。 由污灌导致的农田土壤重金属污染是目前最为重要的污染问题之一【1 7 3 。据农业部调 查资料表明：在约1 4 0 万h m 2 的污灌区面积中，遭受重金属污染的土地面积占到了 总面积的6 4 8 ，其中轻度污染占4 6 7 ，中度污染占9 7 ，严重污染占8 4 t 惜】。 从地域分布上，我国污水灌溉主要分布在北方水资源严重短缺的海、辽、黄、淮四 大流域，约占全国污水灌溉面积的8 5 t 1 9 1 。目前，随着水资源短缺形势加剧，如何 有效地控制及治理土壤重金属污染，改良土壤环境质量，将成为生态环境保护工作 中亟待解决的一项重要内容。 1 2 2 土壤重金属污染特点和危害 土壤重金属污染的突出特点：隐蔽性和滞后性。由于土壤重金属本身无色无 味，人们单凭感觉器官很难察觉。人们往往要通过对土壤样品进行分析化验和对农 作物的残留检验，甚至通过研究对人畜健康状况的影响才能确定。积累性。重金 属在土壤中的扩散和迁移性大，具有明显的地域性限制，不断污染就会不断累积， 同时有沿食物链累积的特点，常常到一定严重程度才能反映出来。不可逆性。由 于土壤重金属污染具有长期性和累积性特点，重金属在土壤中易发生的化学行为且 使其形态发生变化，毒性强弱改变。此外，由于重金属很难降解，一旦污染很难恢 复原状。难治理性。土壤重金属污染很难像大气和水污染一样通过稀释和土壤自 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 净作用来缓解污染程度，有时需要通过换土、淋洗土壤等方法才能解决，成本高、 治理周期较长。 随大气、污水、固体废弃物等途径进入土壤中的重金属对自然环境和人畜健康 可产生直接或间接的危害。当大量的有毒重金属进入土壤后，在物质循环和能量交 换过程中发生变化，只有一少部分重金属可随其上种植作物的收获而被移去大部分 重金属被土壤中的物理和生物过程所控制，或与土壤中的其他物质发生一系列复杂 的化学反应，如氧化还原作用，作用后的部分重金属发生形态转化，影响其在土体 中的迁移、转化和植物效应。如砷酸铁在氧化还原电位低时可还原成亚铁形态，电 位进一步降低，可使砷还原为亚砷酸盐，增强砷的移动性【l6 】。土壤重金属更是一种 潜在的二次污染源，它可以通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水，造成水环境 的破坏。重金属对土壤中有机污染物的降解、土壤的呼吸代谢、土壤氨化以及硝化 作用会有抑制作用，并对土壤微生物的生理、生化性能及多样性、土壤酶的活性产 生一定影响【l0 1 。赵春燕【2 0 】等研究发现，低浓度的重金属促进土壤微生物的生长，酶 的活性也有较大提高；而高浓度的重金属抑制土壤微生物的生长发育，降低酶活性。 重金属对土壤酶的抑制有两方面的原因，首先是污染物进入土壤对酶产生直接作 用，使得酶的活性基因、酶的空间结构等受到破坏，单位土壤中酶的活性下降；其 次是污染物通过抑制微生物的生长、繁殖，减少微生物体内酶的合成和分泌，最终 使单位土壤中酶的活性降低【2 l 】。k a n d e l e r 2 2 】等研究发现土壤中1 3 种与土壤碳循环 有关的酶受到重金属胁迫较小，与土壤氮、磷、硫等循环有关的酶受重金属胁迫作 用显著。 当土壤中的有害重金属含量积累到一定程度，土壤植物系统就会遭受到危害。 重金属不仅可使土壤理化性质发生不良变化，还会抑制植物根系活动受到，使作物 生长量下降【2 职4 1 。如过量的锌可致使植物锌中毒，影响植物对铁的吸收，造成缺铁 失绿和生长障碍l 2 5 加j 。 重金属通过食物链或饮水进入人畜体内，有些重金属元素是人体代谢所必须 的，在一定含量范围内不会对机体造成危害；一旦摄入过量，由于重金属元素半衰 期长，很难排出体外，便会对机体产生毒害作用。例如，过量的锌能抑制吞噬细胞 的活性和杀菌力，从而降低人体的免疫功斛2 6 】；有毒的重金属可在肝脏等器官内累 积和浓缩，易引起中毒和其它重大疾病等 2 7 1 。重金属对人体的毒害程度与侵入途径、 时间、浓度、化学状态、排泄速度以及不同重金属间的相互作用有关。如汞化合物 进入人体后，主要分布在肝、肾、肺、头发及皮肤内，严重时会引起肾脏及神经系 统损伤【2 羽。 1 2 3 土壤重金属污染的修复途径与技术 由于重金属本身的难降解性，单一的治理方法效果不明显或耗时较长；同时重 金属又可随水体和植物迁移，导致环境的连锁反应【2 9 】。所以修复重金属污染土壤， 恢复土壤固有的生态功能，一直是国内外的研究热点和难点。目前，治理重金属污 4 黑曲霉( 3 0 5 8 2 ) 对c d 、z n 污染土壤的原位修复效应研究 染土壤主要有两种途径：一是将重金属从土壤中去除，如利用特殊植物吸收土壤中 的重金属，然后将该植物除去，或用改良剂将重金属变为可溶态、游离态，再经过 淋洗，收集淋洗液中的重金属，从而达到回收重金属和减少土壤中重金属的双重目 的【3 u 】；二是通过改变重金属形态，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性。目前， 围绕这两种途径展开的修复重金属污染土壤的方法有很多，包括物理修复法、化学 修复法、农业治理法和生物修复法等方法 3 1 , 3 2 】。 物理修复法物理修复法是指利用物理( 机械) 、物理化学原理治理土壤重 金属污染。包括客土换土法、热处理法、土壤淋洗法、电解法等。物理修复法是经 典有效的治理方法，具有针对性强、彻底的优点，在小面积轻度重金属污染的土壤 及在处理点源污染和突发性事故等方面有较好的应用前景【2 8 1 。但该方法能耗大、费 用高，其中土壤淋洗法容易产生次生污染等问题，因此不适合于结构较密实的污染 土壤和大规模应用难以大面积应用【2 9 矧。 化学修复技术重金属在土壤中的移动性取决于其在土壤中的存在形态。土 壤的理化性质如有机质含量、矿物组成、p h 值和e h 值均可影响重金属的形态及转 化，改变其生物有效性【3 4 1 。化学方法就是利用投入到污染土壤中的改良剂与重金属 之间的化学反应( 吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用) ，达到对重金属的分离提取 或固定。这种方法的关键在于选择一种经济而有效的改良剂，常用的改良剂有磷酸 盐、石灰和硅酸盐掣3 5 】。廖敏等【3 6 】研究表明：在低石灰水平下，土壤中有机质的主 要官能团羟基和羧基与o h - 反应可使土壤中可变电荷增多，土壤有机结合态的重金 属比较多。化学方法虽然简单易行，但它只改变了重金属在土壤中的存在形态，不 是一个永久的措施，重金属本身仍留存在土壤中。一旦土壤环境条件发生改变，容 易被再度释放出来危害植物。 农业治理法农业治理是因地制宜的改变一些耕作制度来减轻土壤重金属 的危害。该措施主要有以下几个方面：一是调整作物种类、种植结构和耕作管理。 一般重金属在作物体内的分配规律是根 茎叶 籽实【3 7 】。调整种植结构，配合进行合 理的耕作管理，以维持农田生产，降低或避免某些重金属污染的危害。二是合理选 择化肥，增加土壤胶体对重金属的吸附能力，改变重金属存在的形态，减少植物的 吸收量，阻碍其进入食物链【3 引。三是调控土壤物理和化学性质。通过调节土壤水分、 p h 值、土壤氧化还原状况及气温、湿度等生态因子，实现对污染环境介质的调控， 达到降低重金属污染的目的。四是推行科学的污水灌溉。在污灌时，应充分了解该 处污水主要成分，必要是须进行适当处理后再用。 生物治理法生物修复是利用生物体及其生命代谢活动等对重金属进行吸 收吸附，以降低重金属的毒性的方法【3 9 】。这种方法主要通过两种途径来达到对土 壤中重金属的净化作用：通过生物作用改变重金属在土壤中的化学形态，使重金 属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性。通过生物吸收、 代谢达到对重金属的消减、净化与固定作用m 】。该方法具有来源广、成本低、无二 次污染的优点，尤其适于地浓度重金属污染土壤的修复。生物修复主要包括植物修 复、动物修复和微生物修复两种技术。 5 。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 植物修复技术是以植物忍耐和超量富集某种或某些化学元素的理论为基础，利 用植物对某种污染物具有特殊的吸收富集能力，将环境中的污染物转移到植物体内 或将污染物降解利用，对植物进行回收处理，达到去除污染与修复生态的目的 4 1 , 4 2 j 。 植物修复这种绿色修复技术，以其运行成本低、操作简便、不易造成二次污染等优 点，符合环境友好型发展要求，近年来得到了重视和发展【4 引。用于植物修复的超积 累植物是影响植物修复的最重要因素，其次是对其进行农艺措施优化，使其生物产 量最高，对污染物降解积累吸收最多m 】。超富集植物( h y p e r a c c u m u l a t o r ) 的概念 是b r o o k s 掣4 5 】在1 9 7 7 年首次提出来的，一般认为重金属含量超过一般植物1 0 0 倍 以上的植物属于超富集植物。根据其作用过程和作用机理，重金属污染土壤的植物 修复技术主要有植物提取，根际过滤、植物挥发、植物稳定或固定。一般将前三者 统称为去除过程，而将后者称为稳定过程。一般将前三者统称为去除过程，而将后 者称为稳定过程【矧。但超级累植物产量小、重金属生物有效性低又成为该技术的主 要限制因素。 动物修复是利用土壤存在的某些动物( 蚯蚓、鼠类等) 生命活动及体内存在的 金属硫蛋白或代谢活动所产生的含s h 的多肽来吸附、螯合重金属，在一定程度上 降低土壤中重金属含量，达到修复重金属污染的目的的方法。如蚯蚓可以吞食含重 金属土壤，且其粪便表面积大，能够吸附重金属降低重金属的生物有效性【4 。陈志 伟【4 8 】等研究发现蚯蚓对重金属有良好的富集作用；s u l f am a i t y t 4 9 】也研究发现，蚯蚓 处理重金属z n 和p b 污染土壤后排出的粪便中有效z n 和有效p b 含量显著降低。动 物修复多集中在水体富营养化修复和土壤有机污染修复等方面开展了较为成熟的 研究与应用。 微生物修复是利用土壤中某些微生物与重金属之间的相互作用以减轻重金属 对土壤植物系统的危害。该方法利用细菌、真菌、放线菌、藻类等，主要包括受重 金属污染的土壤中存在一些嗜重金属的细菌和真菌。通过这些微生物的生物活性对 重金属产生的吸收、沉淀、氧化还原等作用，使重金属转化为低毒产物，从而达到 生物修复的目的【3 2 1 。微生物对土壤中重金属的主要作用原理包括：微生物可以降低 土壤中重金属的毒性；微生物可以吸附积累重金属；微生物可以改变根际微环境， 从而提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效率。在农业生产实际中，生物修复实 际上是指利用微生物的作用对进入土壤环境中的难降解物质，如大分子有机污染 物、重金属等进行治理与修复，是较为理想的一种治理污染土壤的途径。 1 3 微生物修复土壤重金属污染的研究进展 微生物对土壤中重金属元素的影响是广泛而多样的，通过微生物诱导调控土壤 中重金属元素的化学行为，以降低土壤中重金属的生物有效性，从而提高微生物修 复修复效率。目前，国内外学者在土壤微生物生理生化代谢活性以及微生物修复机 理等理论研究方面取得了一定的进展，且在国外，尤其是发达国家开展了一定程度 的实际应用。 6 黑曲霉( 3 0 5 8 2 ) 对c d 、z n 污染七壤的原位修复效应研究 1 3 1 用于微生物修复的微生物类群 所谓微生物修复( b i o r e m e d i a t i o n ) 是指利用微生物本身及其生命代谢活动改变 污染重金属的价态或化学形态，从而使污染了的环境能够部分地或完全地恢复到原 始状态的过程【5 0 1 。在长期受某种或多种重金属污染的土壤中，微生物也通过自身的 生命活动积极地改变着环境中重金属的存在状态【5 。部分微生物可通过自然突变形 成新的变种，并由基因调控产生诱导酶，在新的微生物酶作用下产生了与环境相适 应的代谢功能，从而形成了一定数量的、能抗或耐重金属污染并能富集、氧化或还 原重金属的微生物类群【2 9 1 。由于微生物种类繁多，因此，应用微生物修复技术的前 提就是从中筛选出对土壤重金属具有专性高效吸附或降解作用的菌株，并进行分类 鉴定【5 2 1 。 一般根据微生物来源不同可将它们分为3 大类：土著微生物、外源微生物和基 因工程菌( g e m ) 1 5 3 】。目前国内外开展研究应用最多的是土著微生物。所谓土著微 生物是以土壤为自己的栖息地，长期以来生长在当地土壤里的微生物群体。土著微 生物在发挥其修复功能时所表现出的潜力是比较强大的。在土著微生物不足以达到 修复污染土壤的效果或不能作为修复的菌种时，接种专性、高效的外源微生物就起 到了主要或辅助的修复作用阱】。随着微生物修复技术的不断发展和进步，在不断探 索筛选专性菌株的基础上，结合生物工程技术以发现更高效的基因工程菌成为了重 金属修复技术领域的一大热点。科学家利用基因工程技术将不同的功能基因插入载 体，拼接后转入同一菌株中，构建成基因工程茵，实现遗传的重新组合。 1 3 2 微生物与土壤重金属的作用机理 微生物对土壤中重金属活性的影响主要从溶解作用、生物吸附和富集作用、氧 化还原作用和菌根真菌对土壤重金属的生物有效性影响这些方面体现出来。 ( 1 ) 微生物对土壤重金属的溶解作用 土壤微生物能够利用土壤中有效的应用物质和能源。在土壤滤沥过程中通过分 泌有机酸络合并溶解土壤中的重金属。溶解过程主要是通过各种代谢活动直接或间 接地进行的。微生物在代谢过程中能产生多种低分子量的有机酸，如甲酸、乙酸、 丙酸和丁酸等：真菌可以通其产生的有机酸以及其他代谢产物溶解重金属及含重金 属的矿物【5 5 】。c h a n m u g a t h a s 和b o l l a g 5 6 】等报道，在营养充分的条件下，活跃的微生 物代谢可以促进c d 的溶解，从土壤中溶解出来的c d 主要是和低分子量的有机酸结 合在一起。 植物根际土壤是微生物活跃的区域，由于根际微生物的存在大大增加了根系分 泌物的数量和种类，通过分泌的这些有机酸改变根际p h 值，从而改变重金属在根 际的存在形态和毒性，减少其进入食物链的机会【5 7 j 。 ( 2 ) 微生物对土壤重金属的生物吸附 微生物对土壤重金属的吸附作用是利用细胞表面所带的电荷和结构特性来吸 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 附环境中的重金属离子，将重金属离子富集在细胞表面或内部。目前研究中常用于 吸附重金属的微生物种类主要有细菌、真菌和藻类( 见表1 ) 。其中一些微生物对某 些重金属元素具有明显的吸附能力，其本身及其代谢产物都能吸附和转化重金属 ( 见表2 ) s s 】。一些微生物细胞及组成部分对重金属的吸附能力强于土壤中的无机 矿物组分f 5 9 1 。有研究表明细菌和各种粘土矿物对重金属离子的吸附能力依次为细胞 壁 细胞外膜 蒙脱石 高岭石【叫j 。 表l 生物吸附中常见的微生物 t a b l e i c o m m o n