土壤重金属污染生物修复技术研究
摘要：生态修复技术是防控和修复土壤重金属污染，改善土壤生态环境质量，保障生态环境和食品安全的重要举措，其具有积极的现实意义。为此，本文在分析当前土壤重金属污染现状的基础上，具体从植物修复技术、微生物修复技术和动物修复技术方面探讨了生物修复技术在土壤重金属污染修复中的应用机理及存在的不足，并提出了未来相关研究的努力方向，以期为进一步丰富土壤重金属污染生物修复理论、指导实践发挥积极指导作用意义。
关键词：重金属污染；生物修复；土壤
中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）06-0246-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.147
Abstract： The use of ecological restoration technology is an important measure for prevention and control of heavy metal pollution in soil， improvement of soil ecological environment quality， and protection of ecological environment and food safety. It has positive and practical significance. Based on the analysis of current status of heavy metal pollution in soil， this paper discusses the application mechanism and existing deficiencies of bioremediation technology in soil heavy metal pollution remediation from phytoremediation technology， microbial remediation technology and animal remediation technology， and proposes further research. The direction of efforts has further enriched the theory of bioremediation of soil heavy metal pollution， and has positive and practical significance for guiding practice.
Keywords： Heavy metal pollution； Bioremediation； Soil
近年來，随着工业化、城镇化的发展，我国土壤重金属污染形式十分严峻，其不仅影响农作物的产量，也会直接威胁到居民的身体健康。为此，在国务院《“十三五”生态环境保护规划》《近期土壤环境保护和综合治理工作安排的通知》中均明确要求做好土壤修复和试点示范工作。采用生态修复技术是防控和修复土壤重金属污染，改善土壤生态环境质量，保障生态环境和食品安全的重要举措，具有积极的现实意义。
1 土壤重金属污染现状
1.1 污染范围广
根据《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，19.4%的农田受到污染，以重金属污染为主，其中Cd的点位超标率为7%。在2015年第一届重金属污染土壤治理修复大会上，与会专家指出，目前我国受重金属污染的耕地有1000万hm?，占18亿亩耕地的8%以上，每年因土壤重金属污染所导致的粮食产量减少约100亿kg。长三角地区的地一些省份土壤中Cr、Hg、Pb超标48.7%，珠三角地区为44.5%，京津冀地区也有超过10%的耕地不同程度的受到重金属污染。此外，西南、西北等地区的土壤重金属污染也不容乐观，可见，我国耕地土壤重金属污染分布范围广。
1.2 工矿企业周边污染加剧
工业企业场地和采矿区是土壤重金属污染的重要区域。2001年至今，随着国家产业结构调整和去产能的现实需要，我国有超过10余家的企业关停运转，电镀、化工、农药、钢铁、机械、冶炼等场地、含有大量排放危险废弃物高耗能企业场地成为土壤重金属污染的重要源头。此外，湖南、江西、云南等有色金属矿区的过量开采，造成大面积土壤受到重金属污染。如云南作为铅锌蕴藏量最高的省份，多年来的开采冶炼，使得云南成为我国西部重金属污染最为严重的省份。
1.3 土壤重金属污染呈流域性态势
土壤重金属污染并非点线面，而是呈现出流域性发展趋势，这给后期的生态修复增加了难度。例如，广西的西江流域、广东的西北江流域土壤重金属污染分布明显。湖南的湘江、枝江、澧水等流域重金属超标率达到50%以上。流域性土壤重金属污染增大了生态与健康风险，导致微生物群落功能、结构发生变化，影响生态系统的稳定性，受重金属污染的土壤中的动物多样性显著降低。生态问题的发生势必会影响健康问题[1]。如，食用镉超标的稻米会诱发各种疾病。
重金属污染长期在土壤中富集，会改变土壤性状和质量，降低土壤的自我净化能力，最终会影响生态环境和人体健康。土壤重金属污染的隐蔽性、积累性、不可逆性等特点，使土壤重金属污染的修复难度较大。目前，运行费用低、无二次污染的生物修复技术在土壤重金属污染中应用较为广泛，取得了良好的应用效果[2]。
2 土壤重金属生物修复类型
生物修复法是利用天然或人工改造生物的代谢功能降低土壤中的重金属污染浓度，具有修复时间短、修复费用低，对周围环境干扰小等优势。目前，生物修复主要包括植物修复、微生物修复和动物修复等。
2.1 植物修复
植物修复土壤重金属污染，就是利用植物及与其共生共存的微生物系统吸收、富集土壤中的重金属。目前，主要应用超富集植物的吸收、挥发和稳定特性，修复土壤中的重金属污染物。吸收，是指利用植物的根系将受污染的土壤中的重金属吸收。挥发是指植物自身将土壤中的重金属元素吸收、累积后转化成一种可以挥发的状态，从而达到去除重金属污染物的效果[3]。稳定，是指通过植物来降低土壤中重金属的活性，促进其浓度或毒性的转化、降低，达到去除重金属污染物的效果。我国野生植物种类繁多，生长于自然环境中的耐重金属植物和超积累植物不计其数，如马齿苋、美人蕉、鹅掌藤、向日葵等对Zn、Cd、Ni、Cu等重金属污染物都具有良好的吸收积累功能，在土壤重金属污染修复中取得了良好的应用效果。袁敏等利用高羊茅、早熟禾、黑麦草和紫花苜蓿在铅锌尾矿土壤重金属修复中的应用，并通过改良措施与草本植物结合，提升土壤重金属污染的修复效果。
2.2 微生物修复
微生物修复土壤中的重金属污染物，主要是利用人工培养或野生的，具有特定功能的微生物群落，在一定条件下通过代谢活动降低土壤中的重金属污染物活性或将其轉化为无毒物质的一种修复技术。目前，土壤重金属微生物修复原理包括富集、吸着及转化三种。其中，富集是指微生物将土壤中的重金属贮存在不同部位或胞外基质上，通过微生物自身的代谢，将重金属离子沉淀或轻度螯合在可溶或不溶性生物多聚物上，达到降低或去除重金属污染物效果。吸着是指微生物细胞表面的负电荷，以及存在烃基、醛基、氨基等多种官能团，通过微生物的静电吸附或络合功能将重金属离子固定，实现去除或降低毒性的效果。微生物转化，包括甲基化、去甲基化、重金属溶解、生物氧化还原等。生物修复土壤重金属污染具有修复操作简单，可以原位修复、异位修复及原/异位联合修复完成，对土壤的侵扰性小等优势[4]。许燕波等利用碳酸盐矿化菌生长代谢过程中所产生的脲酶分解土壤底物中的尿酸，固结重金属离子，降低其危险性和重金属浓度，取得了良好的效果
2.3 动物修复
动物修复土壤重金属污染，是指利用动物群路的吸收、转化、分解或间接改善土壤理化性质，提高土壤肥力，促进植物、微生物的生长作用而达到修复土壤中的重金属污染物的效果。
3 土壤重金属生物修复技术不足及展望
生物修复在土壤重金属污染治理中具有费用低、易操作等诸多优势，也是实际应用十分广泛的技术方法。但因生物自身的特性，生物修复土壤重金属污染也存在一些局限性。主要表现在：
3.1 不足
（1）耐受性问题。与物理、化学等修复方法不同的是，生物修复技术应用于土壤重金属修复中往往产生耐受性问题。即，土壤中的重金属污染物浓度超过了生物的耐受极限时，生物的新陈代谢功能将难以发挥出来，势必会影响生物修复技术的应用效果。（2）外界干扰因素多。生物修复土壤中的重金属污染物，土壤中的酸碱度，以及温湿度等都会对生物自身的活性产生一定影响，进而影响到重金属污染的实际修复效果。（3）专一性问题。生物修复土壤中的重金属污染物往往针对性较强，对于土壤中多种重金属污染的修复效果不够理想，尤其是出现多种重金属污染与其他污染物混合的复合污染时，治理效果有待进一步提升。
3.2 展望
生物修复技术在土壤重金属污染修复中具有很强的可操作性和高效性，虽然还存在一些问题和不足，但其应用前景十分广阔。针对上述存在的不足，下一步需：（1）加强生物修复技术的机理研究，为生物修复土壤重金属污染提供扎实的理论基础。（2）与其他技术应用相结合。生物修复技术与转基因技术、现代分子生物学技术等结合起来，发挥现代技术的优势，提升生物修复技术的应用效果。（3）植物、动物、微生物联合修复技术应用。针对土壤中往往存在着多种重金属污染物，应发挥植物修复、动物修复和微生物修复技术的优势，将3种主要生物修复技术联合应用，提升土壤重金属污染修复效果，达到预期修复目的。
参考文献
[1]袁敏，铁柏清，唐美珍等.四种草本植物对铅锌尾矿土壤重金属的抗性与吸收特性研究[J].草业学报，2005，（6）：57-62.
[2]许燕波，钱春香，陆兆文.微生物矿化修复重金属污染土壤[J].环境工程学报，2013，（7）：2763-2768.
[3]陈怀满，郑春荣.中国土壤重金属污染现状与防治对策[J].人类环境杂志，1999，（2）：130-134.
[4]吴新民，潘根兴.影响城市土壤重金属污染因子的关联度分析[J].土壤学报，2003，40（6）：921-928.
收稿日期：2015-05-02
作者简介：吴宏军（1975-），大专，技师，研究方向为土壤保护。
关键词：重金属污染；生物修复；土壤
中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）06-0246-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.147
Abstract： The use of ecological restoration technology is an important measure for prevention and control of heavy metal pollution in soil， improvement of soil ecological environment quality， and protection of ecological environment and food safety. It has positive and practical significance. Based on the analysis of current status of heavy metal pollution in soil， this paper discusses the application mechanism and existing deficiencies of bioremediation technology in soil heavy metal pollution remediation from phytoremediation technology， microbial remediation technology and animal remediation technology， and proposes further research. The direction of efforts has further enriched the theory of bioremediation of soil heavy metal pollution， and has positive and practical significance for guiding practice.
Keywords： Heavy metal pollution； Bioremediation； Soil
近年來，随着工业化、城镇化的发展，我国土壤重金属污染形式十分严峻，其不仅影响农作物的产量，也会直接威胁到居民的身体健康。为此，在国务院《“十三五”生态环境保护规划》《近期土壤环境保护和综合治理工作安排的通知》中均明确要求做好土壤修复和试点示范工作。采用生态修复技术是防控和修复土壤重金属污染，改善土壤生态环境质量，保障生态环境和食品安全的重要举措，具有积极的现实意义。
1 土壤重金属污染现状
1.1 污染范围广
根据《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总的点位超标率为16.1%，19.4%的农田受到污染，以重金属污染为主，其中Cd的点位超标率为7%。在2015年第一届重金属污染土壤治理修复大会上，与会专家指出，目前我国受重金属污染的耕地有1000万hm?，占18亿亩耕地的8%以上，每年因土壤重金属污染所导致的粮食产量减少约100亿kg。长三角地区的地一些省份土壤中Cr、Hg、Pb超标48.7%，珠三角地区为44.5%，京津冀地区也有超过10%的耕地不同程度的受到重金属污染。此外，西南、西北等地区的土壤重金属污染也不容乐观，可见，我国耕地土壤重金属污染分布范围广。
1.2 工矿企业周边污染加剧
工业企业场地和采矿区是土壤重金属污染的重要区域。2001年至今，随着国家产业结构调整和去产能的现实需要，我国有超过10余家的企业关停运转，电镀、化工、农药、钢铁、机械、冶炼等场地、含有大量排放危险废弃物高耗能企业场地成为土壤重金属污染的重要源头。此外，湖南、江西、云南等有色金属矿区的过量开采，造成大面积土壤受到重金属污染。如云南作为铅锌蕴藏量最高的省份，多年来的开采冶炼，使得云南成为我国西部重金属污染最为严重的省份。
1.3 土壤重金属污染呈流域性态势
土壤重金属污染并非点线面，而是呈现出流域性发展趋势，这给后期的生态修复增加了难度。例如，广西的西江流域、广东的西北江流域土壤重金属污染分布明显。湖南的湘江、枝江、澧水等流域重金属超标率达到50%以上。流域性土壤重金属污染增大了生态与健康风险，导致微生物群落功能、结构发生变化，影响生态系统的稳定性，受重金属污染的土壤中的动物多样性显著降低。生态问题的发生势必会影响健康问题[1]。如，食用镉超标的稻米会诱发各种疾病。
重金属污染长期在土壤中富集，会改变土壤性状和质量，降低土壤的自我净化能力，最终会影响生态环境和人体健康。土壤重金属污染的隐蔽性、积累性、不可逆性等特点，使土壤重金属污染的修复难度较大。目前，运行费用低、无二次污染的生物修复技术在土壤重金属污染中应用较为广泛，取得了良好的应用效果[2]。
2 土壤重金属生物修复类型
生物修复法是利用天然或人工改造生物的代谢功能降低土壤中的重金属污染浓度，具有修复时间短、修复费用低，对周围环境干扰小等优势。目前，生物修复主要包括植物修复、微生物修复和动物修复等。
2.1 植物修复
植物修复土壤重金属污染，就是利用植物及与其共生共存的微生物系统吸收、富集土壤中的重金属。目前，主要应用超富集植物的吸收、挥发和稳定特性，修复土壤中的重金属污染物。吸收，是指利用植物的根系将受污染的土壤中的重金属吸收。挥发是指植物自身将土壤中的重金属元素吸收、累积后转化成一种可以挥发的状态，从而达到去除重金属污染物的效果[3]。稳定，是指通过植物来降低土壤中重金属的活性，促进其浓度或毒性的转化、降低，达到去除重金属污染物的效果。我国野生植物种类繁多，生长于自然环境中的耐重金属植物和超积累植物不计其数，如马齿苋、美人蕉、鹅掌藤、向日葵等对Zn、Cd、Ni、Cu等重金属污染物都具有良好的吸收积累功能，在土壤重金属污染修复中取得了良好的应用效果。袁敏等利用高羊茅、早熟禾、黑麦草和紫花苜蓿在铅锌尾矿土壤重金属修复中的应用，并通过改良措施与草本植物结合，提升土壤重金属污染的修复效果。
2.2 微生物修复
微生物修复土壤中的重金属污染物，主要是利用人工培养或野生的，具有特定功能的微生物群落，在一定条件下通过代谢活动降低土壤中的重金属污染物活性或将其轉化为无毒物质的一种修复技术。目前，土壤重金属微生物修复原理包括富集、吸着及转化三种。其中，富集是指微生物将土壤中的重金属贮存在不同部位或胞外基质上，通过微生物自身的代谢，将重金属离子沉淀或轻度螯合在可溶或不溶性生物多聚物上，达到降低或去除重金属污染物效果。吸着是指微生物细胞表面的负电荷，以及存在烃基、醛基、氨基等多种官能团，通过微生物的静电吸附或络合功能将重金属离子固定，实现去除或降低毒性的效果。微生物转化，包括甲基化、去甲基化、重金属溶解、生物氧化还原等。生物修复土壤重金属污染具有修复操作简单，可以原位修复、异位修复及原/异位联合修复完成，对土壤的侵扰性小等优势[4]。许燕波等利用碳酸盐矿化菌生长代谢过程中所产生的脲酶分解土壤底物中的尿酸，固结重金属离子，降低其危险性和重金属浓度，取得了良好的效果
2.3 动物修复
动物修复土壤重金属污染，是指利用动物群路的吸收、转化、分解或间接改善土壤理化性质，提高土壤肥力，促进植物、微生物的生长作用而达到修复土壤中的重金属污染物的效果。
3 土壤重金属生物修复技术不足及展望
生物修复在土壤重金属污染治理中具有费用低、易操作等诸多优势，也是实际应用十分广泛的技术方法。但因生物自身的特性，生物修复土壤重金属污染也存在一些局限性。主要表现在：
3.1 不足
（1）耐受性问题。与物理、化学等修复方法不同的是，生物修复技术应用于土壤重金属修复中往往产生耐受性问题。即，土壤中的重金属污染物浓度超过了生物的耐受极限时，生物的新陈代谢功能将难以发挥出来，势必会影响生物修复技术的应用效果。（2）外界干扰因素多。生物修复土壤中的重金属污染物，土壤中的酸碱度，以及温湿度等都会对生物自身的活性产生一定影响，进而影响到重金属污染的实际修复效果。（3）专一性问题。生物修复土壤中的重金属污染物往往针对性较强，对于土壤中多种重金属污染的修复效果不够理想，尤其是出现多种重金属污染与其他污染物混合的复合污染时，治理效果有待进一步提升。
3.2 展望
生物修复技术在土壤重金属污染修复中具有很强的可操作性和高效性，虽然还存在一些问题和不足，但其应用前景十分广阔。针对上述存在的不足，下一步需：（1）加强生物修复技术的机理研究，为生物修复土壤重金属污染提供扎实的理论基础。（2）与其他技术应用相结合。生物修复技术与转基因技术、现代分子生物学技术等结合起来，发挥现代技术的优势，提升生物修复技术的应用效果。（3）植物、动物、微生物联合修复技术应用。针对土壤中往往存在着多种重金属污染物，应发挥植物修复、动物修复和微生物修复技术的优势，将3种主要生物修复技术联合应用，提升土壤重金属污染修复效果，达到预期修复目的。
参考文献
[1]袁敏，铁柏清，唐美珍等.四种草本植物对铅锌尾矿土壤重金属的抗性与吸收特性研究[J].草业学报，2005，（6）：57-62.
[2]许燕波，钱春香，陆兆文.微生物矿化修复重金属污染土壤[J].环境工程学报，2013，（7）：2763-2768.
[3]陈怀满，郑春荣.中国土壤重金属污染现状与防治对策[J].人类环境杂志，1999，（2）：130-134.
[4]吴新民，潘根兴.影响城市土壤重金属污染因子的关联度分析[J].土壤学报，2003，40（6）：921-928.
收稿日期：2015-05-02
作者简介：吴宏军（1975-），大专，技师，研究方向为土壤保护。
