重金属污染土壤生物修复技术研究现状

环境与健康杂志2008年3月第25卷第3期JEnvironHealth，March2008，V01．25，No．3 ·273· 文章编号：1001．5914(2008)03-0273-03 重金属污染土壤生物修复技术研究现状 林春梅 【综述】 摘要：土壤是生态环境的重要组成部分，与人类的生存和健康密切相关。目前，生物修复技术已开始成为土壤污染修 复的主要处理技术。该文系统介绍了重金属污染土壤生物修复的概念、生物修复特点及其机制、类型，重点论述了植物、微 生物、动物对重金属污染土壤的修复技术方面的研究进展，并在此基础上提出了一些见解和看法，为今后该方面的研究提 供参考。 关键词：金属，重；土壤；生物修复 中图分类号：R124 文献标识码：A TheResearchStatusofBio·remediationofHeavyMetalsContaminatedSoils S婶en，isiotl’Yingkou,Liaoning115004，China Abstract：Thispaperintroducedtheconcept,principlesandtypesofbio-remediationsystematicallyandfocusedon discussingthereseal'chprogressofplant,microorganismandanimalsonremediationtechniquesofheavymetalscontaminated soils．SuggestionswerepresentedbasedOntheabovediscussion．whichcouldprovidereferenceforthefuturestudies． Keywords：Metals，heavy；Soil；Bio-remediation 土壤是生态环境的重要组成部分，是人类赖以生存的主要 资源之一。近年来，随着工农业的迅速发展，重金属污染土壤日 益严重m≈。在过去50年里，粗略统计排放到全球环境中的镉达 到2．2x104t，铜为9．39x105t，铅为7．83x105t和锌为1．35xl伊tM。 其中有相当部分进入土壤，致使世界各国土壤出现不同程度的 重金属污染161。我国部分地区土壤重金属污染已相当严重，如沈 阳的张士灌区在过去20多年的污灌中，污灌面积达2．5x107 m2，其中有3．3x106m2土壤含镉5—7ms／ks，镉污染十分严重f7】。 土壤重金属污染导致了土壤环境质量恶化，严重危害土壤生态 系统的良性循环和人类的生存环境[S-lZ]。近年来，世界各国都非 常重视污染土壤修复技术的研究，尤其有关生物修复技术方面 的研究更是备受关注Io-t61。20世纪80年代末和90年代初期，国 外开始研究基于物理、化学过程的微生物、植物分解代谢土壤污 作者单位：营口市卫生监督所理化检验科(辽宁营口115004) 作者简介：林春梅(1971一)，女．副主任技师，从事卫生检验研究。 染的生物修复 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，目前，生物修复技术已开始成为土壤污染修 复的主要处理技术”嘲。 1生物修复特点及其机制 1．1生物修复及其特点 生物修复是指利用生物的生命代谢活动减小存在于环境中 有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染了的环境 能够部分或完全恢复到原初状态的过程田。主要是利用土著的、 引入的微生物的代谢作用进行消除或富集有毒有害物质的生物 学过程。应用环境生物修复技术处理污染物时，最终产物大都是 无害的、稳定的物质，如二氧化碳、水、氮气等，而且这种处理方 法能一步到位，避免了污染物的多次转移。生物修复技术有许多 方面的优点：可以使污染物完全从环境中去除，处理时间短，对 周围环境影响较小，并且投资少，不会产生二次污染。 1．2生物修复机制 重金属污染生物修复技术是利用生物(主要是微生物、植物 [16]YangCY，ChangCC。TsaiSS，eta1．Pl哟['nldeliveryamongpeopleliving aroundPortlandeenmntplants[J]．EnvironRes，2003，92：64—68． [17]YangCY，ChangCC，ChuangHY，eta1．Evidenceforincreasedrisksof pretermdeliveryinapopulationresidingnearafreewayinTaiwan[J)． ArchEnvironHealth．2003．58：649--654． 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比，利用植物修复的方法来治理重金属污染土壤有其独特的优 点，主要包括：(1)成本低。据估计，把土壤铅含量从1．4卵唱降到 0．4g,'kg，植物修复法的费用仅为客土法的l／7，土壤淋洗法的 1／3。(2)不破坏土壤生态环境。能使土壤保持好的结构和肥力状 态，无需进行二次处理。(3)通过对植物的集中处理，造成二次污染 的机会较少。(4)植物修复是一个自然过程，易为公众所接受乩竭。 2．1．1 植物提取法 利用一些植物对重金属的吸收和在地上部 的蓄积，并通过收获地上部达到减少土壤重金属含量的目的，这 些植物主要分为两类，超量蓄积植物和诱导的超量蓄积植物。目 前已发现有400多种植物能够超量蓄积各种重金属。一些超量 蓄积植物能同时超量吸收、蓄积2种或几种重金属元素。用植物 提取方法来修复重金属污染土壤的成功与否取决于两个方面， 即植物体内有毒重金属含量的多少和植物生物量的大小，理想 的用于植物提取的植物其地上部必须有一种或一种以上的有毒 重金属含量比普通植物高百倍甚至千倍以上。在植物修复的实 际操作中，植物体内金属含量多少比植株生物量的大小更有意 义咧。植株或灰分中的重金属含量越高，对植株或灰分进行二次 处理的成本就越低，经济效益越明显。 2．1．2植物挥发法植物挥发法是利用一些植物来促进重金属 转变为可挥发的形态，挥发出土壤和植物表面的过程。一些金 属，如硒、砷和汞等，可以生物甲基化而形成可挥发性的分子。有 关资料表明，印度芥菜有较高的吸收和蓄积硒的能力，在种植这 一植物的第2年可使土壤中的全硒减少48％。在自然环境中， 汞主要以H矿存在，一些细菌利用汞还原酶可把汞离子还原成 分子汞。Ru小等已成功地把细菌的Hg还原酶基因导入拟南芥 植株，使植株耐汞能力大大提高伽。Hg被转基因植物还原可以 促进汞从土壤中的挥发，进一步的工作是研究如何使汞转化为 无毒的形态，或使汞气的挥发控制在环境许可的范围内。 2．1．3植物(根系)过滤法水生植物、半水生植物和陆生植物 均可作为根系过滤的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 。理想的根系过滤的植物一是根系生 长迅速，二是根系在一相对长的时问内有较高清除重金属的能 力。目前已筛选出了几种较理想的植物，如向日葵和印度芥菜 等。对不同的金属来说，植物根系或幼苗清除有毒金属的机制不 尽相同。例如，清除铅的机制主要是沉淀和离子交换吸附，在印 度芥菜的根系细胞壁上形成沉淀，这一沉淀多为铅的碳酸盐类。 铅也可交换性地吸附到细胞壁的负电荷点上圈。 2．1．4植物固化一稳定化法植物钝化是利用一些植物来促进 重金属转变低毒性形态的过程。在这一过程中，土壤的重金属含 量并不减少，只是形态发生变化。这方面最有应用前景的是铅和 铬的钝化∞。一般来说，土壤中铅的生物有效性较高，而铅的磷 酸盐矿物则比较难溶，难于被生物所利用。 2．2微生物修复 许多重金属是生命必需的物质或元素，例如砷，C一，但是当 它们在环境中的浓度超过了限度就成了毒物，微生物虽不能将重 金属像有机物矿化那样彻底降解，但可对它们进行固定、移动或 转化，改变它们在环境中的迁移特性和形态，从而进行生物修复。 2．2．1对重金属离子的生物转化 2．2．1．1 甲基化作用 汞、砷、镉、铅等金属或类金属离子都能 够在微生物的作用下发生甲基化反应。假单胞菌属在金属及类 金属离子的甲基化作用中具有重要的贡献，它们能够使许多金 属或类金属离子发生甲基化反应，从而使金属离子的活性或毒 性降低。但有些离子甲基化后毒性反而增强，例如甲基汞的生物 毒性比无机汞高50-100倍。 2．2．1．2还原作用微生物还能够将高价金属离子还原成低价 态，将有机态金属还原成单质，有些金属在这个过程中毒性消 失。中科院微生物研究所的研究人员用烟草头孢霉F2在含有 200mg／LHgCl2的液体培养基中生长了16h后，汞量减少 90％，此后菌量迅速增加，结果表明，HgCl2能被还原成汞元素； 据 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，约有12％的汞挥发到大气中，7％的汞被菌体吸附，其余 以元素汞的形式沉积在培养液底部1271。 2．2．1．3氧化作用微生物还能将环境中一些重金属元素氧 化，某些自养细菌如硫铁杆菌类能氧化A矿、Fe“、Mo“、Cu+等， 通过氧化作用使这些金属离子的活性降低。有些金属离子如 Mn“和Snh的生物毒性分别比Mn“和Sn“大。有些微生物能够氧 化Mn“和Sn*，使之成为毒性较小的Mn“和Sn舢。 2．3对重金属离子的生物吸附 微生物吸附最早是由Ruchhofi在1949年提出的，他利用 活性污泥去除水中的放射性元素Pu，并认为Pu的去除是由于 微生物的繁殖形成具有较大面积的凝胶网，而使微生物具有吸 附能力。微生物吸附重金属的机制十分复杂，研究表明它们对金 属的作用可分为微生物吸着和微生物累积两个不同的生物化学 阶段。第一阶段是重金属在细胞表面吸附，即微生物吸着阶段， 主要是指重金属离子与生物体细胞壁表面的一些基团如—C00H、 一OH、一NH2,-SH、一P043-等通过络合、螯合、离子交换、静电吸附、 共价吸附以及无机微沉淀等作用中的一种或几种相结合的过 程。第二阶段是指微生物累积这一主动过程，它仅发生在活细胞 内嗍。当活细胞生存在环境中时，它可以通过多种机制，包括运 输以及细胞内外的吸附来“提高”本身的金属含量。已提出的金 属运送机制有脂类过度氧化、复合物渗透、载体协助、离子泵等。 2．4利用某些低等动物修复措施 土壤中的某些低等动物(如蚯蚓和鼠类)能吸收土壤中的重 金属，因而能一定程度地降低污染土壤中重金属的含量。 Czamowaka等对华沙交通要道附近3个草坪采集土壤和蚯蚓进 行测定，土壤中Cu，Pb，Zn，Cd的含量分别为26—53、170—180、 170—250和0．62—1．1mg／kg，而相应的富集系数分别为0．56、0．36、 7．3和17．1，可见，蚯蚓对锌和镉有良好的富集作用嗍。陈志伟 等阁用威廉环毛蚯蚓进行试验，发现向土壤投加Hg10ng／kg，蚯 蚓能存活；投加As100-300mg／kg及同时投加Cd、Cu、Pb各 10、300和300mg／kg，蚯蚓已不能成活，蚯蚓对重金属的富集系 数以砷为最大，其次为Cd、Hg、Cu。由此可见，在重金属污染的 土壤中放养蚯蚓，待其富集重金属后，采用电激、清水等方法驱 出蚯蚓．集中处理，对重金属污染土壤也有一定的治理效果。 3问题与展望 重金属的生物修复技术不仅效果好、实施简便、投资较少、 万方数据 环境与健康杂志2008年3月第25卷第3期JEnvironHeath，March2008，V01．25，No．3 ·275· 对环境干扰少，运行费用低，且杜绝了二次污染，还有利于生态 环境的改善，在治理污染的同时，还可以获得一定的经济效益。 生物修复技术在重金属污染治理方面虽然取得了一些成功，但 目前还有许多问题有待进一步的研究：(1)治理效率低，不能治 理重污染土壤。需要进行超量积累和耐性强的植物资源筛选工 作。(2)对重金属具有较强解毒、吸附能力的生物的分离与培育技 术；植物吸收、富集和稳定化重金属的机制等方面的研究。(3)有 关重金属对微生物的抑制效应及吸附机制的研究。(4)如何从功 能和成本两个方面开发优良的生物吸附剂。(5)研究重金属污染 的环境中植物根系与根际环境微生物类群的相互作用。筛选可 供应用的耐重金属并促植物生长的根际微生物。 参考文献： [1]陈同斌．黄启飞，高定，等．中国城市污泥的重金属含量及其变化趋 势[J]．环境科学学报，2003，23(5)：561-569． [2]李永进，李堵军．重金属污染土壤毒性的大型蚤法诊断[J]．农业环 境科学学报，2003，22(2)：159—162． [3]王焕校．吴玉树．污染生态学[M]．北京：高等教育出版社，2001； 68—70． [4]丁疆华，温琰茂．土壤环境中镉：锌形态转化的探讨[J]．城市环境 与城市生态，2001，14(2)：47--49． [5]华珞，白铃玉．镉锌复合污染对小麦籽粒镉积累的影响和有机肥调 控作用(J]．农业环境保护，2002，21(5)：393-398． [6]SinghOV，LabanaS，PandeyG，eta1．Phytoremediation：∞overviewof metalliciondecontaminationfromsoil[J]．APpfMicrobolBioteehnol, 2003。61：12—15． [7]郭书海，胡筱敏．沈阳张士灌区重金属污染再评价及镉的形态分析 [J]．应用生态学报，2007．18(9)：2144—2148． [8]冷天利，蒋小军，杨远祥．锌铬复合污染对水稻根系可溶性糖代谢 的影响[J]．生态环境，2007。16(4)：1088-1091． [9]刘霞，刘树庆，王胜爱．河北主要土壤中Cd和Pb的形态分布及其 影响因素(J]．土壤通报，2003，40(5)：393—399． [10]莫争，王春霞．重金属Cd、Pb、Cu、Zn、Cr在土壤中的形态分布和转 化CJ}．农业环境保护，2002．21(1)：9-12． [11]马榕．重视磷肥中重金属镉的危害[J]．磷肥与复肥，2002，17(6)： 5_6． [12]韩志萍，王趁义．不同生态型芦竹对Cd的富集与分布[J]．生态环 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