重金属污染土壤的生物修复研究进展

重金属污染土壤的生物修复研究进展重金属污染土壤的生物修复研究进展 摘要 摘要 生物修复是近些年发展起来的一种治理重金属污染土壤的有效技术方法 是利用生物体将 重金属降解 富集 转移而恢复土壤生态功能的过程 本文综述了重金属污染的来源 植物修 复 微生物修复 动物修复等技术的研究进展 就该技术的应用前景和研究方向进行了分析和展 望 关键词 关键词 土壤 重金属污染 生物修复 土壤是人类赖以生存的自然资源之一 同水 大气 生物等环境要素之间相互联系 相互 影响 土壤层位于地球陆地表面 是一个有机无机的复合体 介于生物界和非生物界之间 土壤也 是环境各要素剧烈作用的场所 因此 土壤与人和环境关系较为密切 土壤污染可引起和促进水 体 大气 生物要素的污染 士壤是生态系统的重要组成部分 也是地球化学循环的储存库 对 环境变化具有高度的敏感性 所以土壤污染是环境污染的重要环节 土壤具有肥力 能够为人类 生产各种作物 是人类赖以生存的 最基本的生产资料 一旦被污染 不仅会影响作物的正常生长 发育 同时也使作物成为污染物被摄入人体 危害人类健康 土壤污染最终会导致土地资源的枯 竭 土壤受到重金属污染后 可能导致重金属在农作物体内积累 造成食物链污染 严重威 胁人体健康 生物修复技术是利用生物体将重金属降解 富集 转移而恢复土壤生态功能的过 程 是重金属污染土壤的环境友好型治理技术 生物修复技术的早期研究主要集中于植物对重金 属的吸收和富集机理方面 随着现代生物技术的发展 分子生物学和基因工程技术应用于超富集 高耐性生物的培育 筛选和鉴定 促进了生物修复技术的发展 目前 生物修复技术的主体主要 包括植物 微生物和动物 1 土壤重金属污染的来源土壤重金属污染的来源 土壤是一个开放体系 时刻与其他环境要素间进行着物质和能量的交换 重金属汞 镉 铜 砷 铬 铅 锌 镍 硒等可以通过大气沉降 污水灌溉 固体废弃物排放以及农药和化肥的 施用等途径进入土壤 因此人类的生产和生活是造成土壤污染的主要原因 1 1 工业污染工业污染 工业污染是指在采矿 选矿 冶炼 锻造 加工 运输等工业生产过程中 排放的废气 废 水 废渣 使环境中的重金属浓度数千甚至数万倍于本底值 工业污染是土壤中汞 铅 镉 铬 砷等重金属污染的主要来源 据统计 目前全世界平均每年排放的汞 铅 锰 镍分别约为 1 5 万 t 500 万 t 1 500 万 t 和 100 万 t 1 2 农业污染农业污染 在农业生产中 重金属可通过污水灌溉 污泥利用以及化肥 有机肥和农药的不合理施用 等途径进入土壤 其中 污水灌溉会导致土壤重金属 Hg Cd As Cu 等含量的增加 据不完 全统计 污水灌溉引起的土壤重金属污染面积达 66 7 万 hm2 同时 有许多研究指出 污泥的 施用可使土壤重金属含量有不同程度的增加 长期大量施用品位较差的化肥如过磷酸钙和磷矿粉 等会引起土壤中 As Cd 及氟含量超标 于是 随着 绿色食品 有机食品 的兴起 有机肥 被人们广为推崇 大量应用于生产中 但当前有机肥肥源大多来源于集约化的养殖场 这些地方 大都使用饲料添加剂 而目前饲料添加剂中常有含量较高的 Cu 和 Zn 这使得有机肥料中的 Cu Zn 含量也明显增加 并随着肥料施入农田而在土壤中积累 此外 有报道指出 施在作物上 的杀虫剂约有一半流入土壤 且含铅 砷 铜 汞等重金属的农药在土壤中的半衰期为 10 30 年 短期内含量很难下降 2 土壤重金属污染的生物修复土壤重金属污染的生物修复 2 1 植物修复植物修复 植物修复技术是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 植物修 复的机理通常包括植物固定 植物挥发和植物吸收 3 种方式 具有成本低 可提高土壤肥力 避免二次污染以及对环境扰动小等优点 被广泛应用于土壤重金属污染治理中 其中 应用最多 的是植物吸收 2 1 1 植物固定 植物固定是指植物通过某种生化过程使污染基质中金属的流动性降低 生物可利用性下降 从而减轻有毒金属对植物的毒性 适用于固化污染土壤的理想植物应是一种能忍耐高含量污染 物 根系发达的多年生常绿植物 这类植物主要通过保护土壤不受侵蚀 减少土壤渗漏来防止污 染物的流失 并通过在根部累积和沉淀 或通过根系吸收重金属来增加对污染物的固定 其根系 分泌的粘胶状物质可与 Pb Cu 和 Cd 等金属离子竞争性结合 使其在植物根外沉淀 同时也影 响其在土壤中的迁移性 如植物可通过分泌磷酸盐与铅结合成难溶的磷酸铅 使铅固化而降低铅 的毒性 植物能使毒性较高的 Cr6 转变为基本没有毒性的 Cr3 使其固化 但是 植物固定可 能是植物对重金属毒害抗性的一种表现 并未使土壤中的重金属去除 环境条件的改变仍可使重 金属的生物有效性发生变化 2 1 2 植物挥发 植物挥发是利用植物去除环境中部分挥发污染物的方法 即植物将污染物吸收于体内后又将 其转化为气态物质而释放到大气中 植物挥发要求被转化后的物质毒性要小于转化前的污染物 质 以减轻环境危害 研究发现 一些植物能将体内 Se As Hg 等甲基化而形成可挥发性的分 子 释放到大气中去 Rugh 等研究表明 将来源于细菌中的汞抗性基因转入到植物 可以使其具 有在通常生物中毒的汞浓度条件下生长的能力 而且还能将土壤中吸取的汞还原成挥发性的单质 汞 Meagher R B 研究发现 烟草能使毒性大的二价汞转化为气态汞 印度芥菜有较高的吸收和 积累硒的能力 在种植该植物的第 1 年即可使土壤中的全硒含量减少 48 Banuelos GS 等报道 指出 洋麻可以使土壤中 47 的三价硒转化为甲基硒挥发去除 植物挥发只适用于具有挥发性 的金属污染物 应用范围较小 同时该方法只是将污染物从土壤转移到大气 对环境仍有一定影 响 2 1 3 植物吸收 植物吸收又称植物提取 植物萃取 是利用耐受并能积累重金属的植物吸收土壤环境中的金 属离子 将它们输送并贮存在植物体的地上部分 通过种植和收割植物而去除土壤中的重金属 这些能够大量吸收并累积重金属的植物称为超富集植物 其对某种重金属的累积量是普通植物的 10 500 倍以上 通常超富集植物被要求具有生物量大 生长快和抗病虫害能力强等特点 以及 具备对多种重金属较强的富集能力 现已发现 Cd Co Cu Pb Ni Se Mn Zn 超积累 植物 400 余种 它们中部分已被广泛用于土壤重金属污染治理中 如 1991 年 纽约的一位艺术 家在环境科学家 Chaney 等的协助下 利用曼陀罗属植物为工具 进行了为期 3 年的 雕刻 大 作 即在明尼苏达州圣堡罗遭受 Cd 污染的土地上 种植曼陀罗属植物 最终将一片光秃的死地 转变成生机盎然的活土 Lasat M M 等报道 红根苋 Amaranthus retroflex us L 可富集较高浓 度 137Cs 利用其对切尔诺贝利核电站 1986 年泄漏后大面积土壤的放射性核污染进行植物修复 有较大的潜力 植物吸收技术是目前应用最多 最有发展前景的土壤重金属污染植物修复技术 2 2 微生物修复微生物修复 有关微生物的修复机理 目前学术界还没有形成统一认识 一些学者认为 微生物修复技 术是在人为优化的条件下 利用自然环境中的微生物或人为投加的特效微生物对重金属吸收 沉淀 氧化 还原等过程 降低土壤中重金属的含量或毒性 使污染的土壤恢复生态功能 Urrutia 发现 Cu Cd Pb 能以硅酸盐或氢氧化物形式结合在芽孢杆菌 Bacillus sub tilis 细胞的表 面 变价金属 A s C r Co A u 等 在环境中可以同价态形式存在 细菌的代谢活动可将这些重金 属离子氧化还原 某些细菌可向胞外分泌硫和磷酸等物质使环境中的重金属离子沉淀 或在细菌 的成矿过程中伴随有重金属的共沉淀 氧化硫杆菌 氧化亚铁杆菌等可通过提高氧化还原电位 降低酸度等滤除污泥 土壤和沉积物中的重金属 另一些学者认为 新陈代谢是微生物修复功能 实现的生理基础 在新陈代谢过程中微生物通过对重金属元素的价态转化或通过刺激植物根系的 发育影响植物对重金属的吸收 从而降低土壤中重金属含量或毒性 微生物通过产生有机酸 提供质子或与重金属络合的有机阴离子交换或络合金属离子 使土壤溶液中的金属含量增加 有 利于超富集植物吸收 某些菌还能通过胞外络合作用 胞外沉淀作用 胞内积累与转化等生理 过程将重金属由高毒性变为低毒性 蔡信德等发现 在长期受 N i 胁迫土壤中 某些微生物对 N i 的毒害产生抗性 并通过吸收 沉淀 络合作用减少土壤中重金属的迁移和生物毒性 动胶菌 蓝细菌 硫酸还原菌及某些藻类能产生胞外聚合物与重金属离子形成络合物 柠檬酸菌能分解 有机质产生的 HPO2 4 与 Cd 形成 CdHPO4 沉淀 某些微生物能将剧毒的甲基汞降解为毒性小 可挥发的单质汞 微生物还可与植物根系相互作用 形成菌根或刺激根系分泌重金属络合剂 螯合剂 抑制重 金属的毒性 或促进植物对重金属的吸收富集 降低土壤中重金属的含量 利用真菌与根系形成 的菌根吸收和固定重金属 Fe M n Zn Cu 取得了良好的效果 此外 菌根还能增加植物对微 量元素 特别是 Cu Zn 的吸收 在施用污泥的土壤中 接种菌根能明显促进植物的生长 增加 根瘤数和量 增加植物体内 N P Zn M n Cu N i Cd Pb Co 等的含量 减少土壤中的重金属含量 R icken 等观察种植在施用污泥土壤中的紫花苜蓿和燕麦接种球囊霉菌根真菌后耐受重金属毒 害的变化 发现由于菌根的侵染 燕麦根中 Zn Cd N i 的含量增加 地上部分的 Zn 含量减少 L am bert 等在施用污泥的土壤中接种菌根 发现幼苗中 Cu 和 Zn 的含量较多 而非菌根化幼苗中 Cu 和 Zn 的含量却较少 3 生物修复技术存在问题及展望生物修复技术存在问题及展望 生物修复是利用天然或人工改造的生物整体或组分来处理环境污染物的方法 具有投资少 效率高 可以原位处理低浓度有害污染物的特性 在环境治理中显示了极大的潜力 还可以协调 经济发展与环境保护之间的关系 实现社会的可持续发展 尽管微生物修复已引起极大重视 但 大多数技术仍局限在实验室水平 少有重金属污染生物修复的报道 限制的因素主要是污染物成 分复杂 化学和物理性质变化很大 pH 范围广 有机和无机成分共存等 但最终决定技术取舍 的因素是要考虑生物方法与物化技术相比的优缺点以及有效性 坚固性和可靠性 生物修复技 术本身也存在一些缺点 例如 一些有毒物质 如重金属 对生物降解有抑制作用 电子受体 营养物 释放的物理性障碍 物理因子 如低温 引起的低反应速率 有些污染物生物不能利用而使其无法被 降解 有些污染物在降解的过程中会转化成有毒的代谢产物等 近年来 新技术特别是生物工程技术如基因工程 酶工程 细胞工程等被运用于生物修复 提高了该技术的处理效率 使得生物修复的可行性与有效性逐渐加强 降低了处理成本 被广泛接 受和采纳 生物修复技术在防治和治理污染方面的作用将越来越重要 其前景十分广阔 参考文献参考文献 1 龙新宪 杨肖娥 倪吾钟 重金属污染土壤修复技术研究的现状与展望 应用生态学报 2002 13 6 757 762 2 廖国礼 周音达 吴超 尾矿区重金属污染浓度预测模型及其应用 中南大学学报 自然 科学版 2004 35 6 1 009 1 013 3 全先庆 张小茜 单雷等 植物耐受重金属胁迫细胞机制研究进展 安徽农业科学 2006 34 5 850 852 902 4 Zhang X Y Zhou W Ru B G Transgenic tobacco with mutant gene has high tolerance to heavy metal J Integr Plant Biol 2000 42 4 416 420 5 旷远文 温达志 钟传文等 根系分泌物及其在植物修复中的作用 植物生态学报 2003 27 5 709 717 6 何益波 李立清 曾清如 重金属污染