（环境科学专业论文）土壤镉活化功能微生物作用研究.pdf

摘要 随着科学技术的发展，重金属污染土壤的植物修复已成为国内外众多学者研究的焦点并取得 了一定的研究进展，而研究活化土壤重金属的功能微生物与超富集植物在富集重金属中的作用极 其相互机制对重金属污染土壤的植物修复具有重要的指导意义。 本研究针对植物修复c d 污染土壤需微生物活化c d 促进超富集植物的富集问题，以筛选出的 土壤c d 活化功能微生物( 产酸菌) 为研究对象，华北具代表性的c d 污染潮褐土为试材，印度芥 菜作超富集植物，采取小型生物反应器和盆栽试验相结合的方法，在接种与不接种土壤c d 活化 功能微生物( 产酸菌) 条件下，研究了土壤c d 不同形态组分含量、印度芥菜富集量及土壤微生 物群落结构变化与土壤c d 活化功能微生物( 产酸菌) 的酸类代谢产物的关系，初步揭示- 十壤重 金属活化功能微生物( 产酸菌) 的作用机理。主要研究结果如下： 1 经气相色谱分析产酸菌c 4 0 ，c 5 5 中含有种类丰富的有机酸，如乳酸、草酸、丙二酸、琥 珀酸、戊二酸、柠檬酸，此外还发现了一种未知的有机酸命名为未知酸l 。c a 0 ，c 5 5 中琥珀酸含 量分别达到o 1 6 6 9 l 和1 0 3 2 9 l ，未知酸l 含量分别达到1 2 6 4 9 l 和1 6 1 2 9 l 。 2 产酸菌发酵液处理对灭菌非灭菌土壤中镉形态含量的影响研究发现，与对照相比，m c 4 0 ， m c 5 5 ，和m c c 交换态镉分别增加了2 7 4 8 ， 1 1 7 6 ，6 1 8 ；碳酸态镉分别增加了8 2 5 0 ， 9 7 1 l ，5 3 2 6 ；铁锰态镉分别降低了1 2 9 2 ，1 1 2 7 ，1 2 5 0 ；残渣态镉分别降低了4 6 7 ， 3 3 2 4 ，7 4 6 ；有机态无明显变化。表明接种产酸菌发酵液( 有机酸) 使得铁锰态和残渣态向交 换态和碳酸态转化，且转化能力为，m c 4 0 m c 5 5 m c c 。 3 植物修复的盆栽实验表明，接种微生物菌液后，各处理印度芥菜均能顺利发芽正常生长， 均无明显受毒害现象。各处理下印度芥菜生物量，株高均高于对照处理。且印度芥菜地上部镉吸 收量高于地下部，地上部地下部镉吸收量均高于对照。印度芥菜镉富集量显著高于地下部，地上 部地下部镉富集量均高于对照。分析原因可能是产酸菌发酵液中的有机酸如乳酸、琥珀酸、柠檬 酸等，能够促进微生物对镉的溶解，提高了c d 的生物可利用性，增加了植物对c d 的吸收和富集。 且c c 菌液处理条件下，表现出对印度芥菜的高富集量，适于进一步的研究。 4 接种产酸菌对根际非根际土壤中不同形态镉含量的影响表明：交换态镉含量较对照分别降 低了3 0 0 7 ，3 6 9 3 和5 3 9 2 ，有机结合态镉含量较对照分别降低了6 4 ，6 0 和4 0 ；残渣 态镉含量较对照分别降低了5 1 0 0 ，5 9 和2 4 ，碳酸态镉含量分别是对照1 6 4 ，2 0 8 和2 0 1 倍，铁锰结合态镉含量分别是对照的2 0 2 ，1 8 7 ，1 6 3 倍。可见在微生物菌液( 有机酸) 处理条 件下，土壤中有机结合态和残渣态镉含量向碳酸态和铁锰态转化，研究表明有机酸的作用促进了 镉形态的转化( 土壤有机态和残渣态镉向碳酸态和铁锰态转化) ，并且在种植植物的条件下，促 进了交换态镉的吸收，使各种镉形态之间保持动态的平衡。 5 接种产酸菌对根际月 根际微生物群落结构变化的影响表明：接种产酸菌( 有机酸) 发酵液 明显促进了微生物数量的增加。不同处理根际非根际土壤中，均表现为细菌数量最多，数量级为 1 0 7 c f u g ；其次是放线菌，数量级为1 0 5 c f u g ；真菌数量最少，数量级为1 0 3 c f u g 。根际 微生物的数量显著大于非根际。c l ( p 处理显著促进了根际非根际细菌数量的增加，根际细菌数量 达到1 5 4 3 x1 0 7 c f u g ，非根际数量达到1 0 7 3x1 0 7 c f u g 。c 5 5 显著促进了根际放线菌的增加， 数量达到9 3 7 x1 0 5 c f u g ，c 4 0 显著促进了根际真菌的增加，数量达到6 2 3 x1 0 3 c f w g 。 关键词：土壤污染：气相色谱：产酸菌；发酵液；镉形态 t h ee f f e c t so fa c t i v a t e df u n c t i o n a lm i c r o b e so nc d - c o n t a m i n a t i e ds o i l s a u t h o r ：l iy a n l i m a j o r ：e n v i r o n m e n ts c i e n c e t u t o r ：p r o f l ib o - w e n & l i us h u q i n g a b a s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，p h y t o r e m e d i a t i o no fh e a v ym e t a l p o l l u t i o nh a sb e c o m et h ef o c u sd u r i n gd o m e s t i ca n df 0 r e i 驴s c h o l a r sa n dg o tac e r t a i no f r e s e a r c hp r o g r e s s ，a n dt h es t u d yo nt h em e c h a n i s mb e t w e e nf u n c t i o n a lm i c r o o r g a n i s mt o a c t i v a t eh e a v ym e t a la n dh y p e r a c c u m u l a t i o np l a n t sh a si m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei n s o i lc o n t a m i n a t i o nw i t hh e a v ym e t a l a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fp h y t o r e m e d i a t i o nc dc o n t a m i n a t e ds o i lw i t hm i c r o b i a l a c t i v a t i o nt op r o m o t ea c c u m u l a t i o no fh y p e r a c c u m u l a t i o np l a n t s ，b a s e do nd e v e l o p i n gt h a t m i c r o b e sp r o m o t ep h y t o r e m e d i a t i o nc d c o n t a m i n a t e ds o i l s t 1 1 i sr e s e a r c ht a k ef u n c t i o n m i c r o b i a lo fa c t i v a t i n gc d c o n t a m i n a t e ds o i l sa sr e s e a r c ho b j e c t ，c d - c o n t a m i n a t e db r o w n s o i l so fn o r t hc h i n aa st e s tm a t e r i a l s ，b r a s s i c aj u n c e aa st e s tp l a n t t h ee x p e r i m e n t st a k et h e m e t h o do fs m a l lb i o l o g i c a lr e a c t o ra n dp o te x p e r i m e n tt o g e t h e rt h a ts t u d i e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec o n t e n t so fd i f f e r e n tc a d m i u ms p e c i a t i o na n dt h ea c c u m u l a t i o n sa m o u n to f c d h y p e r a c c u m u l a t i o np l a n t s a n dm e t a b o l i t e sa c i d so fc d a c t i v a t i o nf u n c t i o n a l m i c r o o r g a n i s m s ，u n d e ri n o c u l a t i n g a n dn o i n o c u l a t i n gs i t u a t i o n s ，t h e nr e v e l i n g t h e m e c h a n i s mo fc d a c t i v a t i o nf u n c t i o n a lm i c r o o r g a n i s m t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： 1 a f t e ras e r i e so fa n a l y s i sw i t hg a sc h r o m a t o g r a p h ，c 5 5a n dc 4 0c o n t a i naw i d e v a r i e t yo fo r g a n i ca c i d ，s u c ha sl a c t i ca c i d ，o x a l i ca c i d ，p r o p y l e n ea c i d ，b u t a n e d i o i ca c i d , m a l i ca c i da n dc i t r i ca c i d ，a l s of o u n dak i n do fu n k n o w no r g a n i ca c i dn a m e du n k n o w na c i d 1 t h ec o n t e n to f b u t a n e d i o i ca c i da r eo 1 6 6 9 la n d1 0 3 2 9 lr e s p e c t i v e l yi nc 5 5a n dc 4 0 ， t h eu n k n o w na c i dla r e1 2 6 4 9 la n d l 6 1 2 9 lr e s p e c t i v e l y 2 t h es t u d yo nt h ee f f e c ti nf e r m e n t a t i o nb r o t ht r e a t m e n to nt h ec a d m i u m s p e c i a t i o nw i t hs t e r i l i z a t i o n n o n s t e r i l i z a t i o n s o i l ss h o w s c o m p a r e dw i t l lt h ec o n t r a s t ， e x c h a n g e s t a t ec a d m i u mi n c r e a s e d2 7 4 8 11 7 6 a n d6 18 r e s p e c t i v e l y , c a r b o n a t e s - b o u n di n c r e a s e d8 2 5 0 ，9 7 11 a n d5 3 2 6 r e s p e c t i v e l y ；w h i l et h ef ea n d m n - b o u n dd e c r e a s e d1 2 9 2 ，11 2 7 a n d1 2 5 0 r e s p e c t i v e l y ；r e s i d u a l b o u n dd e c r e a s e d 4 6 7 ，3 3 2 4 ，7 4 6 ，t h ec db o u n dt oo r g a n i cw a sn oo b v i o u sc h a n g e 1 1 1 i si n d i c a t et h a t t h eo r g a n i ca c i dm a d et h ef ea n dm n - b o u n da n dr e s i d u a l - b o u n dt r a n s f o r mt oe x c h a n g e s t a t ea n dc a r b o n a t e s - b o u n d ，t r a n s f o r m a t i v ec a p a c i t yw e r em c 4 0 m c 5 5 m c c 3 p o te x p e r i m e n t so fp h y t o r e m e d i a t i o ns h o w st h a te a c ht r e a t m e n t sw e r ea b l et om a k e m u s t a r dn o r m a lg r o w t ha n dn o ts i g n i f i c a n t l yb yp o i s o np h e n o m e n o n b o t ht h et o t a lf r e s h w e i g h ta n dp l a n th e i g h to fb r a s s i c aj u n c e aa r el a r g e rt h a nc o n t r o lu n d e re a c ht r e a t m e n t s c o n c e n t r a t i o n so fc di ns h o o to fb r a s s i c aj u n c e aw e r eh i g h e rt h a nt h er o o t ，t h es h o o t a c c u m u l a t i o no fc dw e r ef a rh i g h e rt h a nt h er o o ta p a r t m e n t ，t o o t h er e a s o n sm a yt h a tt h e o r g a n i ca c i d st h a tp r o d u c e df r o mb a c t e r i al i k el a c t i ca c i d ，a m b e ra c i da n dc i t r i ca c i dc a n p r o m o t em i c r o b e sd i s s o l v i n gc a d m i u m ，i m p r o v et h ea v a i l a b i l i t yo fc a d m i u m ，i n c r e a s et h e a b s o r p t i o na n da c c u m u l a t i o no fc a d m i u mi np l a n t u n d e rc ct r e a t m e n t s ，i ts h o w sh i 曲 a c c u m u l a t i o na m o u n tt ob r a s s i c aj u n c e a , t h e ns u i t i n gf o rf u r t h e rr e s e a r c h 4 t h ee f f e c to fv a c c i n a t i n ga c i d - p r o d u c e db a c t e r i ao nd i f f e r e n tc a d m i u ms p e c i a t i o n o fr h i z o s p h e r ea n dn o n r i z o s p h e r ei n d i c a t et h a tt h ec o n t e n t so fe x c h a n g es t a t ec a d m i u m d e c r e a s e d3 0 0 7 ，3 6 9 3 a n d 5 3 9 2 r e s p e c t i v e l y , t h ec db o u n dt oo r g a n i cd e c r e a s e d 6 4 ，6 0 a n d4 0 ；r e s i d u a l - b o u n dd e c r e a s e d51 0 0 ，5 9 a n d2 4 ，c a r b o n a t e s - b o u i l d w e r e1 6 4 ，2 0 8a n d2 0 1t i m e s ，t h ef ea n dm n - b o u n dw e r e2 0 2 ，1 8 7a n d1 6 3t i m e s t h e c db o u n dt oo r g a n i ca n dr e s i d u a l b o u n dt r a n s f o r mt oc a r b o n a t e s - b o u n da n df ea n d m n - b o u n d t h es t u d ys h o wt h a tt h ef u n c t i o no f o r g a n i ca c i dp r o m o t et h et r a n s f o r m a t i o no f c a d m i u mf o r m ，a n du n d e rc u l t i v a t i n gp l a n t ss i t u a t i o n s ，i tp r m o t et h ea b s o r p t i o no f e x c h a n g es t a t ec a d m i u m ，t h a nk e e pd y n a m i cb a l a n c eb e t w e e nc a d m i u mf o r m 5 t h ee f f e c to fv a c c i n a t i n ga c i d p r o d u c e db a c t e r i ao nm i c r o o r g a n i s m sc o m m u n i t y s t r u c t u r ec h a n g ei nr h i z o s p h e r ea n dn o n - r h i z o s p h e r ei n d i c a t et h a tv a c c i n a t i n gf e r m e n t a t i o n b r o t hp r o m o t et h ei n c r e a s eo ft h em i c r o b i a lc o m m u n i t ys t r u c t u r eo b v i o u s l y d i f f e r e n t t r e a t m e n tu n d e rr h i z o s p h e r ea n dn o n r h i z o s p h e r e a l lr e p r e s e n t e dt h el a r g e s tn u m b e rf o rt h e b a c t e r i a ，o r d e ro fn a g n i t i t u d ei s 1 0 7c f u gt h a n1 0 。c f u ga n d1 0 j c f u | g t h e n u m b e ro f r h i z o s p h e r em i c r o o r g a n i s m ss i g n i f i c a n t l yg r e a t e rt h a nt h en o n r h i z o s p h e r e c k p t r e a t m e n t s i g n i f i c a n t l yp r o m o t e t h ea m o u n to f b a c t e r i a , t h e n u m b e r c o m et o 1 5 4 3 x 1 07 c f u gi nr h i z o s p h e r e ，1 0 7 3 x 1 0 7 c f u gi nn o n r i z o s p h e r e c 5 5s i g n i f c o n t l y p r o m o t et h ei n c r e a s eo fa c t i n o m y c e t e si nr h i z o s p h e r e ，t h en u m b e rc o m et o9 3 7 x10 c f u g ， c 4 0s i g n i f c o n t l yp r o m o t et h ei n c r e a s eo fe p i p h y t ei nr h i z o s p h e r e ，t h en u m b e rc o m et o 6 2 3x10 3 c f u g k e yw o r d ：s o i lp o l l u t i o n ；g a sc h r o m a t o g r a p h y ；a c i d p r o d u c e db a c t e r i a ；f e r m e n t a t i o n b r o t h ；c a d m i u ms p e c i a t i o n 目录 l 弓i 言1 1 1 土壤重金属污染研究现状l 1 1 1 土壤重金属污染的来源2 1 1 2 土壤重金属污染的危害2 1 1 3 土壤重金属镉污染现状”3 1 2 土壤重金属污染的治理方法4 1 2 1 物理化学措施修复重金属污染土壤4 1 2 2 生态农艺措施修复重金属污染土壤5 1 2 3 生物修复措施5 1 3 土壤重金属污染的生物修复技术6 1 3 1 微生物修复技术6 1 3 2 植物修复技术7 0 4 植物修复的强化技术1 l 1 4 1 重金属的生物有效性f o boooo o o d 1 1 1 4 2 土壤中重金属形态1 2 1 4 3 化学添加剂强化植物修复技术1 3 0 4 4 基因工程技术在植物修复技术中的应用1 4 1 4 5 微生物强化的植物修复技术1 4 2 研究背景及总体思路- 1 6 2 1 研究背景及意义“1 6 2 2 研究内容1 7 2 3 技术路线”1 7 3 材料与方法1 9 3 1 小型生物反应器试验1 9 3 1 1 供试土壤1 9 3 1 2 供试菌株1 9 3 1 3 试验设计与布置1 9 3 1 4 样品的采集2 0 3 1 5 测定方法2 0 3 2 盆栽试验”2l 3 2 1 供试材料2l 3 2 2 试验方案与布置2 1 3 2 3 样品的采集与分析2 2 3 2 4 样品的测定2 2 3 3 数据分析2 3 4 结果与分析2 4 4 1 小型生物反应器试验一2 4 4 1 1 标准样品的线性关系2 4 4 1 2 方法精密度及回收率试验2 4 4 1 3 萃取试验”2 5 4 1 4 产酸菌发酵液中有机酸成分分析“2 5 4 1 5 产酸菌发酵液对上清液中有机酸及镉含量的影响2 7 4 1 6 产酸菌发酵液对灭菌非灭菌土壤中不同形态镉含量的影响”2 7 ，4 2 植物修复的盆栽试验”2 8 4 2 1 接种产酸菌对印度芥菜生长发育的影响”2 8 4 2 2 接种产酸菌对印度芥菜镉吸收量的影响2 9 4 2 3 接种产酸菌对印度芥菜镉富集量的影响2 9 4 2 4 接种产酸菌对根际月e 根际土壤中镉形态含量的影响- 3 0 4 2 5 接种产酸菌对微生物数量的影响3 2 4 2 6 接种产酸菌对土壤p h 的影响“3 3 5 结论”3 5 6 研究展望3 6 参考文献”3 7 作者简介4 4 在读期间发表论文4 5 致谢”4 6 士壤镉活化功能微生物作用研究 1 引言 2 0 世纪8 0 年代以来，随着我国工农业的迅猛发展，环境污染日益严重，特别是重金属在环 境中的释放严重污染了土壤、水体和大气。人为活动或自然作用释放出的重金属经过物理、化学 或生物的过程，在土壤中逐渐积累从而造成土壤的重金属污染，使土壤肥力退化，影响植物的生 长发育，降低作物的产量和品质。在土地资源日益紧张的情况下，既要生产出满足人口需求的粮 食，又要发展经济，对重金属污染土壤的利用与治理研究显得非常迫切。 1 1 土壤重金属污染研究现状 目前，全国遭受不同程度重金属污染的耕地面积已接近2 0 0 0 万h m 2 ，约占耕地总面积的1 5 e 1 1 ， 全国每年因重金属污染的粮食达1 2 0 0 万吨，造成的直接经济损失超过2 0 0 亿元【2 j 。农业部的调查 表明，我国污灌区面积约1 4 0 万h m 2 ，遭受重金属污染的土地面积占污染总面积的6 4 8 ，其中 轻度污染面积占4 6 7 、中度污染占9 7 、严重污染占8 4 ，以h g 和c d 的污染面积最大。此 外，c d 污染耕地1 3 万h m 2 ，涉及1 1 个省市的2 5 个地区；h g 污染3 2 万b a n 2 ，涉及1 5 个省市 的2 1 个地区；粮食含p b 量大于1 0 m g k g 的产地有1 1 个，有6 个地区生产的粮食含触量超过 0 7 m g k g 。 国内蔬菜重金属污染调查结果显示，中国菜地土壤重金属污染形势更为严峻。珠三角地区近 4 0 菜地重金属污染超标，其中l o 属“严重”超标p j 。重庆蔬菜重金属污染程度为c d p b h g ， 近郊蔬菜基地土壤重金属h g 和c d 出现超标，超标率分别为6 7 和3 6 7 n 。广州市蔬菜地铅 污染最为普遍，砷污染次之嘲。李秀兰等人t 6 1 2 0 0 3 年至2 0 0 4 年对上海宝山区蔬菜进行的采样分析 表明；上海市蔬菜已经受到重金属污染，尤其以p b 和c d 最为严重，分别超标8 1 9 7 和5 4 1 。 保定市污灌区土壤中p b 、c d 、c u 和z i l 的检出超标率分别为5 0 、8 7 5 、2 7 5 和1 0 0 ，蔬 菜中c d 的检出超标率为8 9 3 【7 】。罗晓梅等【8 】研究发现：成都市某蔬菜批发市场及生产基地的蔬 菜中，c d 和p b 是主要污染元素，超标率分别为2 9 4 和2 2 。刘重苋等人1 9 j 的调查则表明：在 成都地区，重金属除c r 以外，其它元素的含量都高于背景值，且人口密集区高于郊区。陈亚华 等人【1o 】报道，南京地区农田有1 2 的土壤p b 、5 6 的土壤c i u 、1 8 的土壤历和5 8 的土壤c d 总量超过国家土壤环境质量二级标准限。这些调查同时也表明，我国农产品重金属污染以p b 、 c d 、h g 、c u 、z n 五种元素为主。 这些重金属造成水污染、大气污染、固体废物污染、土壤污染等，尤其是重金属进入土壤后 就会永久性的存在，并在环境中产生累积效应。重金属通过各种途径一旦进入人体就会形成一个 重金属储存库，不断释放并产生持续毒性作用和累积效应，造成人体器官损害，对生殖、免疫系 统产生毒副作用，并导致癌症等各种疾病的发生。2 0 0 8 年，我国相继发生了贵州独山县、湖南辰 溪县、广西河池、云南阳宗海、河南大沙河等5 起砷污染事件。2 0 0 9 年8 月份以来，又发生了陕 西风翔儿童血铅超标、湖南浏阳镉污染及山东临沂砷污染事件。2 0 1 0 年1 月l 目的广东清远儿童 血铅超标事件和1 月3 日的江苏盐城大丰市儿童“血铅事件”的相继出现，浙江德清血铅超标 河北农业大学硕+ 学位( 毕业) 论文 是引发对国内重金属污染大事件关注和讨论的又一根导火索， 2 0 1 0 年2 月，重金属污染事件被 认定为全国生态文明建设十大负面事件之首。 解决危害群众健康的重金属污染问题被列为2 0 1 0 年环境保护部污染防治工作的头等大事， 环境保护部将加快组织编制重金属污染综合防治规划，全面开创重金属污染防治： 作新局面。 2 0 1 0 年，环境保护部将组织编制重金属污染综合防治规划并制定实施考核办法，会同有关部门对 规划实施情况进行监督检查，全面开创重金属污染防治工作新局面【l l l 。 1 1 1 土壤重金属污染的来源 土壤重金属的来源主要有自然来源和人为干扰输入两种途径。在自然情况下，土壤中重金属 主要来源于母岩和残落的生物物质，含量比较低，一般不会对土壤一植物系统和生态环境造成危 害。人为活动是造成土壤遭受重金属污染的重要原因，在金属矿床开发、城市化建设、固体废 弃物堆积以及为提高农业生产而施用化肥、农药、污泥和污水灌溉的过程中，都可能导致重金属 在土壤中人量积累【1 3 j 。 1 1 2 土壤重金属污染的危害 土壤植物系统中的重金属污染物移动性很小，不易随水淋滤，不易被微生物降解。一方面因 大多数重金属在土壤中相对稳定且难以迁出土体，对土壤理化性质及土壤生物学特性( 尤其是土壤 微生物) 产生了明显的不良影响，从而影响土壤生态结构和功能的稳定性【1 4 1 。另一方面对农作物、 农产品和地下水等许多方面产生重大影响，并通过食物链危害人体健康。 1 1 2 1 重金属对土壤生态结构和功能稳定性的影响 大多数重金属在十壤中相对稳定，重金属进入士壤后，很难在生物物质循环和能量交换过程 中分解，更难以从土壤中迁出，因此逐渐对土壤的理化性质、生物特性和微生物群落结构产生明 显的不良影响，进而影响到土壤生态结构和功能的稳定。a e e v e s 掣”】认为，土壤微生物量是判定 土壤污染程度的重要指标，重金属污染的土壤，其微生物活性明显受到抑制。重金属在土壤中 不断累积必然会破坏土壤同有的微生物群落结构及活性，减弱土壤微生物的作用，最终降低土壤 肥力和质量。因此，土壤微生物群落结构特征和活性状况可以反映出重金属的污染程度【l6 1 。重金 属( c u 、z n 、p b 、c d ) 不同程度的复合污染明显改变了农田土壤的微生物群落遗传多样性，但与其 的改变不是简单的负相关关系，最大的多样性指数出现在中等污染程度的土壤中【1 7 1 。可交换态和 f e m n 结合态n i 可用来表示士壤微生物群落水平的生理学剖面的变化i l8 】。 利用微生物的生物量及其活性可以评价环境中不同介质的重金属污染水平【峥l 。一般认为，重 金属污染能引起微生物生物量的下降，而土壤呼吸量的增加则被认为是微生物对逆境的一种反应 机理例。f l i e b b a c h 等研究结果表明，低浓度的重金属能刺激微生物的生长，增加微生物生物量： 而高浓度重金属则导致土壤微生物量的明显下斛2 1 】。土壤酶活性值的大小可综合反映重金属含量 的高低，近3 0 年来国内外学者先后提出了脲酶、脱氢酶、过氧化氢酶、转化酶、磷酸酶等重金 属污染监测指标 2 2 1 。此外，污染_ 十壤中重金属的大量积累可减弱有机物质的矿化速率，增加土 壤有机质的积累；污染土壤中颗粒态有机质对重金属有显著的富集，这可能是影响土壤有机物质 2 土壤镉活化功能微生物作用研究 进一步矿化的原因之一；重金属污染可改变土壤有机质的矿化速率，影响土壤有机质的积累与分 配【2 3 】。 重金属对土壤污染程度的进一步加剧，使生物群体生存受到严重威胁，国土资源的安全受到 影响，人类社会的生存和发展也面临着巨大的挑战。 1 1 2 2 重金属污染对植物的危害 吸收到植物体内的重金属能诱导其体内产生某些对酶和代谢具有毒害作用和不利影响的物 质，间接引起植物伤害。如在某些重金属胁迫下植物体内会产生过氧化氢、乙烯类等物质，使植 物体内代谢和酶活性形成负效应，对其造成直接伤害。重金属在植物生理方面也对植物产生危害： 重金属对膜透性的破坏：重金属对光合作用的影响；重金属对植物呼吸作用的影响：重金属对植 物细胞的遗传危害。如镉与巯基氨基酸和蛋白质的结合引起氨基酸蛋白质的失活，甚至导致植物 的死亡【2 4 j 。c d 通过形成过量的氧自由基，影响植物体内抗氧化酶活性，破坏细胞膜系统、蛋白、 核酸等生物大分子，抑制水稻叶绿素合成和植株生长【2 5 6 】。有研究表明，当镉超过一定浓度后， 对叶绿素有破坏作用，并促进抗坏血酸分解，使游离脯氨酸积累，抑制硝酸还原酶活性叨。 1 1 2 3 土壤一植物系统重金属对人体的危害 重金属污染土壤，使农产品质量下降。土壤中的污染物会通过各种食物链，经过逐级生物富 集对人体健康产生危害。它可以通过食物链对人体健康产生直接危害，还可以通过影响水体和大 气环境质量间接对人类健康造成威胁。更值得注意的是许多低浓度有毒污染物属环境激素类物 质，其影响是缓慢的和长期的，可能长达数十年乃至数代人。有调查表明，己经多年禁止使用的 农药“六六六”和“滴滴涕”，目前婴儿自母乳中摄人的量仍薪于相应的每日允许摄人量。有机 氯农药在中国虽己禁用近加年，但各种农产品中仍有残留，危害可达几十年，并通过食物链富集 后，其浓度往往比最初在环境中的浓度高出万倍以上，对人体健康影响巨大，甚至造成区域性疾 病的发生。 环境污染方面所指的重金属主要是对农作物和人畜生物显毒性的h g 、c d 、p b 、c r ，以及类 金属a 8 ，还包括具有毒性的z n 、q l 、c o 、n i 、s n 、v 等污染物，后者在常量下对作物和人体是 营养元素，过量时则出现危害。有研究表明，人体摄入或聚集的c d 、h g 、p b 、c r 、a s 、s n 、c u 、 盈等重金属含量的增高，会引起风湿性关节炎、骨痛病、肾炎、溃疡病、贫血、高血压、冠状 动脉硬化等疾病，并引发皮肤癌、食道癌、宫颈癌、肝癌、鼻咽癌等一系列癌症以及造成慢性中 毒等。砷被广泛用于杀虫剂和除草剂，通过对内蒙古、山西等地砷中毒与环境关系的研究【2 8 1 ，证 明自然和人为作用能将环境中砷释放出来提高水的毒性，加剧砷中毒的发生并导致癌症发生。 可见，土壤污染的最终受害者是人类，重金属对土壤的持续污染以及土壤中污染物的长期存 在，必将对人类生命安全构成巨大的、严重的、潜在的威胁。 1 1 3 土壤重金属镉污染现状 自2 0 世纪3 0 年代，因重金属污染导致的公害事件频频发生，最著名的世界八大公害事件中 “日本水俣病事件”、“日本富山骨痛病”事件就是因为人们误食了含有汞、镉的食物而 对人体造成损害的悲惨事件。特别是近几十年，随着工农业的发展，重金属污染成为当今世界备 受关注的公害之一。重金属污染尤其是镉污染及其防治已引起各国的高度关注。 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 世界上每年生产的镉大约为2 万吨( 截至2 0 0 9 年6 月) 。镉在电镀、颜料、塑料稳定剂、镍 镉电池工业、电视显像管制造的应用上日益增加。随着采矿、冶炼精炼、电镀工业、电子产品的 不断发展和汽车尾气排放的日益增多，大量排入河流的含镉废水、排放出的污染气体及固体废弃 物垃圾造成严重的镉污染。 据统计，全球每年释放到环境中的镉有3 9x1 0 4 t 2 9 】，美国工业每年向大气排放的c d 多达 1 7 0 ( 0 以上，日本神户每年排放含c d 的废水高达3 0 0 0 t 以上 3 0 l 。1 9 8 9 年我国有色冶金工业向环境 中排放c d 为8 8 1 1 ，我国有关农田c d 污染的调查工作是2 0 世纪7 0 年代中期开始的，但至今朱 见c d 污染总体状况的资料报道。值得注意的是，我国c d 污染多数是由于引用工业污水灌溉造成 的。9 0 年代初，我国污水灌溉农田己扩大到1 4 x1 0 6 h m 2 ，其中c d 污染耕地1 3 1 0 4 h m 2 ，涉及 1 1 个省市的2 5 个地区，每年生产镉米( c d 含量超过1 0m g k g 的糙米) 5 0 1 0 7 k g l 3 2 】。据不完全统 计，目前我国c d 污染的农田已超过2 0 x1 0 4h m 2 ，每年生产c d 含量超标农产品1 4 6 1 0 8k g ( 3 3 1 。 据2 0 1 0 年2 月1 4 日新世纪周刊报道，重金属镉正通过污染土壤侵入稻米，农业部门及 学者抽样调查显示中国市场上约1 0 大米镉超标。在广西桂林思的村，经过检测，大米中镉含量 严重超标。当地人将这种大米简称为“镉米”。多位土壤学者在其发表的论文和报告中不具名地 提到桂林思的村，称不少村民具有疑似“痛痛病”初期症状，且“鸡下软蛋，初生小牛软骨”， 后来已证实是由于稻田的水源是流经本村的思的河，污染源是村庄上游1 5 公里以外的一家铅锌 矿，含镉的废水作为灌溉用水流进了村民的耕地。后有研究表明，矿山早期废水含镉量超过农灌 水质标准1 9 4 倍。1 9 8 6 年的实测数字显示，上述土地有效态镉含量高达7 7 9 m g k g ，是国家允许 值的2 6 倍；2 0 0 2 年，农业部稻米及制品质量监督检验测试中心曾对全国市场稻米进行安全性抽 检。结果显示，镉超标率为1 0 3 。2 0 0 7 年，南京农业大学农业资源与生态环境研究所教授潘根 兴和他的研究团队，在全国六个地区( 华东、东北、华中、西南、华南和华北) 县级以上市场随 机采购大米样品9 1 个，结果表明：l o 左右的市售大米镉超标。据不完全统计，土壤中的作物 受c d 污染导致“镉米”的地区还有：贵州铜仁万山特区、四川德阳地区、湖南株洲马家和镇新 马村、湖南湘西风凰铅锌矿区、浙江遂昌、广西大余钨矿区、广东大宝山矿区、辽宁沈抚污灌区。 1 2 土壤重金属污染的治理方法 由于土壤重金属污染具有长期性、潜伏性和隐蔽性的特点，因此对土壤重金属污染的控制和 修复显得十分重要。重金属污