土壤重金属污染的生物修复方法1

靖元孝jingyx@学科专业：生态学、微生物学研究方向：环境生态、微生物生态研究兴趣：①土壤重金属污染的植物-微生物联合修复作用②人工湿地系统污水净化效果及其机理③两栖植物的筛选及其在水库涨落区植被恢复的应用④生态系统服务功能价值评估土壤重金属污染的生物修复1土壤重金属污染现状及危害2土壤重金属污染的修复技术概况3土壤重金属污染的植物修复4土壤重金属污染的植物-微生物联合修复1.土壤重金属污染现状及危害

1.1.土壤重金属污染现状重金属污染是指比重大于5或4(主要包括Cu、Zn、Cd、Pb、Hg、Cr、As、Ni)的金属或其化合物在土壤环境中所造成的污染。重金属污染是当今土壤污染中，污染面积最广、危害最大的环境问题之一。土壤重金属元素按生物化学性质可分为2类:一类是在一定浓度范围内可以维持生物体正常生理活动的必需元素，但如果其浓度超过一定范围，就会导致机体中毒，如铜、锌等;另一类是生物体正常生理活动的非必需元素，也是有害元素，如镉、汞、铅等。根据生物对重金属不同形态的吸收难易程度,可将其分为三类:可利用态、潜在可利用态和不可利用态。矿山的开采和冶炼、工业废弃物和城市生活垃圾的倾泻、含重金属的化肥和农药的使用、污水灌溉和污泥的施用以及汽车尾气的排放等均可造成重金属侵入土体。①隐蔽性:土壤中的重金属不易察觉，一般要通过植物进入食物链，易于传递给人或动物，积累到一定程度时才能表现出其严重的危害。②长期性:污染物在土壤中的滞留时间长，易积累。③不可逆性:重金属不能被植物或微生物降解而从环境中彻底消除，这是它和其他类型污染物相比的一个重要特殊性。④表聚性:重金属污染物主要累积在土壤耕作层，很少向土壤的下层移动。由于有机胶体、无机胶体和有机－无机复合胶体对阳离子有较强的吸附、代换、络合等作用，重金属在土壤中的迁移能力受到限制。1.2土壤中重金属污染的特点1.3土壤中重金属污染的危害

土壤中累积的重金属浓度过高能够直接影响土壤质量、水质状况、抑制土壤中生物的活性，严重阻碍植物的生长发育，并且可以通过食物链直接进入人体，从而威胁到人体健康。而当重金属通过食物链进入人体后，对人体也将产生严重的毒害作用。对人类危害较大的重金属，主要有汞(Hg)、镉(Cd)、砷(As)、铅(Pb)和铬(Cr)几种，有人称之为“五毒”。它们能引发多种疾病，还有致畸、致突变和致癌作用。泰国发生过由砷引起的“黑脚病”;日本发生过分别由镉、汞污染而引起的“骨痛病”、“水俣病”。粤北“癌症村”2土壤重金属污染的修复技术

土壤中重金属污染修复方法的研究在国内外已经有了大量的报道，治理途径主要分两种思路:一是固化作用(immobilization)，使重金属在土壤中由活化态转变为稳定态，从而减少重金属的迁移性和生物可利用性.二是活化作用(mobilization)，将重金属从土壤中去除，使其存留浓度接近或达到背景值。具体有物理控制、化学、生物修复等方法。其中生物修复，尤其是植物和微生物的方法近年来得到了特别的的重视，并取得了显著的进展。

2.1物理修复技术

物理控制法是一种基于机械物理或物理化学原理的工程技术，它包括改土法、热处理法、玻璃化技术、电动修复法等。2.1.1改土法

主要包括排土、换土、去表土、客土和深耕翻土等。治理土壤重金属污染切实有效。深耕翻土即采用深耕，翻动上下土层，使得表土壤中的重金属降低，这种方法动土虽然比较少，但在严重污染区不宜采用，因为严重污染区受到污染的土层较深。而排土、换土、去表土、客土被认为是治本的4种好方法。它们是通过向污染土壤中加入大量的干净土壤，覆盖在表层或混匀，甚至将污染土壤全部换掉，使污染物浓度降低或减少与根系的接触，减小其对环境的危害。改土法工程量大，费用高，并有污土的处理问题，在换土过程中可能由于渗漏等因素而造成环境的二次污染，因此目前只用于小面积污染严重的地区。2.1.2热处理法

热处理是通过加热的方式，将一些具有挥发性的重金属如汞、砷等从土壤颗粒内解吸出来，或者进行热固定等的一种方法。处理后可以将其再回收利用。美国一家汞回收服务公司对汞的回收利用进行了实验室和中型模拟实验研究，成功地将此方法应用于现场治理。该方法工艺简单，但能耗大，操作费用高，且只适用于挥发性较强的污染物，并且回收不良时易造成大气污染。2.1.3玻璃化技术

把重金属重污染区土壤置于高温高压条件下熔化，冷却后形成比较稳定的玻璃态物质。使重金属固定于其中，达到消除重金属污染的目的。这种技术能从根本上消除土壤的重金属污染，见效快，但是技术比较复杂、工程量大、费用高昂，实地应用中还会出现难以达到统一地熔化以及地下水的渗透等问题，限制了它的应用，仅仅用于重金属重污染区的抢救性修复。2.1.4电动修复

通过在水分饱和的污染土壤中插入一些电极，然后通一低强度直流电，在电解、电迁移、扩散、电渗、电泳的作用下，土壤中的重金属离子在电场中作相对运动，流向土壤中的一个电极，然后通过工程化的收集系统将电极收集起来进行处理，从而达到去除重金属的目的。由于土壤系统中组分的复杂性，经常出现实际应用与实验结果相反的现象，从而使这一方法的商业化受到了限制。总体来说，物理方法比较复杂、工程量大、费用高昂，难以大面积推广。2.2化学修复技术

现有土壤重金属污染修复方法主要集中在采用化学方法来改变重金属在土壤中的活性方面。主要有化学固化法和土壤淋洗法，另外也有施加重金属拮抗剂、利用天然矿物吸附固定重金属污染物等报道。2.2.1化学固化

向土壤中添加改良剂，改变土壤的理化性质，通过重金属的吸附或共沉淀作用改变其在土壤中的存在形态，从而降低其生物有效性和迁移性。该技术关键在于选择经济有效的改良剂，常用的改良剂有石灰性物质、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐、钢渣、高炉渣、粉煤灰及膨润土等。在重金属污染的酸性土壤，施用石灰、矿渣、粉煤灰等碱性物质，能提高土壤的pH值，降低重金属的溶解性，从而有效的降低了植物体的重金属浓度。如通过向土壤中加入不同形式的磷改良剂，能有效地将土壤中的铅从非残渣态转化成为残渣态的形式存在，从而降低土壤中铅的移动性与生物有效性。但这种方法并不是一个永久性的措施，只是改变了重金属在土壤中的存在形态，仍持留在土壤中。2.2.2土壤淋洗

土壤淋洗是把土壤固相中的重金属转移到土壤液相中去，再把富含重金属的废水进一步回收处理的土壤修复方法。用于淋洗土壤的淋洗液较多，包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂等。该方法的技术关键是寻找一种既能提取各种形态的重金属，又不破坏土壤结构的淋洗液，但事实上很难找到。而且，如果处理不当的话，引入的提取剂很有可能造成二次污染。由于经济和技术上的原因，例如成本高、实地应用经验不足及处理效果不稳定等，此技术尚没有进入商业化阶段。化学方法治标不治本，容易造成二次污染。2.3生物修复技术

与其他较为成熟、应用较早的土壤重金属修复技术及改良措施相比，生物修复(remediation)是近年来发展起来的用于治理土壤重金属污染的一门新技术。其生物学机制是通过生物对土壤重金属污染物转化和蓄积，从而达到将污染物清除的目的。这项技术充分利用了生态系统的自净作用，减少了对土壤环境的扰动，同时，对土壤与周围生态环境也有积极的促进作用。其高效、安全、经济、持久等特点符合可持续性发展的目标。从20世纪80年代以来，生物修复己经成为国际学术界研究的热点问题。它主要包括微生物法和植物修复法。2.3.1微生物修复技术

有些微生物具有嗜重金属性，利用微生物对重金属污染区进行净化。微生物金属修复的机理包括胞外络合、沉淀、氧化还原反应和胞内积累等。日本发现一种嗜重金属菌，能有效地吸收土壤中的重金属。李志超发现有些微生物能把剧毒的甲基汞降解为毒性小、可挥发的单质Hg。耿春女等利用菌根吸收和固定重金属Fe、Mn、Zn、Cu取得了良好的效果。研究表明，许多细菌、真菌都有从周围环境富集重金属的能力，但是至今仍没有一种经济有效的方法从土壤中回收富集了重金属的微生物，限制了其应用。因此尽管微生物修复引起极大重视，但大多数技术仍局限在科研和实验室水平，少有微生物重金属修复的实例报道。2.3.2植物修复技术

目前，在土壤重金属污染的生物修复中应用较早、较广泛的是植物修复(Phytoremediation)技术。植物修复法有其独特的优点:(l)成本低;(2)绿色净化，不破坏土壤生态环境;(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。3土壤重金属污染的植物修复重金属污染土壤的植物修复技术可分为植物提取、植物挥发和植物稳定三种类型。3.1植物挥发植物挥发(Phytovolatilization)是指利用一些植物来促进重金属转变为可挥发的形态，并将之挥发出土壤和植物表面的过程。其机理是利用植物根系吸收金属，在植物体内将Se、As和Hg等甲基化而形成可挥发性的分子，释放到大气中去，以降低土壤污染，目前研究较多的是Hg和Se。烟草能使毒性大的二价汞转化为气态的汞，洋麻可使土壤中47%的三价硒转化为甲基硒挥发去除。植物挥发易形成二次污染，将污染物转移到大气中，对人类和生物具有一定的风险。如汞、铅等挥发可能会对环境产生更大的影响。3.2植物稳定植物稳定(phytostabilization)又称植物钝化、植物固定。即利用植物根系固定和钝化等活动来固定土壤中的重金属，以降低其生物有效性，防止其进入地下水和食物链进一步污染环境。主要是通过保护土壤不受侵蚀，减少土壤渗漏来防止污染物的淋失，并通过金属在根部的积累、沉淀或根表吸收来加强土壤中重金属的固化。植物根系分泌物能改变土壤根际环境，可使多价态的Cr、Hg、As的价态和形态发生改变，影响其毒性效应。根毛可直接从土壤交换吸附重金属增加根表固定。但这只是一种临时的措施，不能彻底清除土壤重金属。3.3植物提取植物提取(Phytoextraction)又称植物吸收，是利用一些植物对重金属的吸收作用和在地上部的积累，通过收获其地上部分进行集中处理，以达到降低土壤中重金属含量的目的。与植物挥发或植物钝化相比，植物提取法具有更大的可行性，更不易造成二次污染。它成为了如今污染整治的重要手段之一，亦是目前仅见的一种土壤污染治理的环境友好技术。3.3.1植物提取技术的影响因素

植物吸收土壤中的重金属大致可分为四个主要阶段:(l)重金属离子进入土壤溶液;(2)重金属离子或者可溶性金属络合物向根表迁移;(3)金属或者可溶性金属络合物被根系吸收;(4)金属离子或者金属络合物从根系向地上部转运。其中，前两个过程受土壤理化性质及生物因素的影响，而后两个阶段主要与植物种类和金属特性相关。植物的选择与植物根际土壤中的重金属形态是影响该技术修复土壤重金属污染效率的两个重要因素。根际土壤中的重金属形态

土壤中重金属的总量分析可以给出关于土壤中重金属可能富集的信息，但不能表明该元素在土壤中的赋存状态、迁移能力以及植物吸收的有效性。这是因为重金属在土壤中以不同的方式与各组分相联系，因而形成了不同形态的重金属，从而影响重金属的移动性和生物利用率，有可能表现出不同的活性和生物毒性。植物提取修复效率的高低在很大程度上依赖于重金属在土壤中的生物有效性。而“有效态重金属”主要指土壤中能为植物所迅速吸收与同化的那部分重金属含量。土壤中金属形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁-锰氧化物结合态、有机物结合态和残渣态5种形态。根据生物对重金属不同形态的吸收难易程度,可将其分为三类:可利用态、潜在可利用态和不可利用态。重金属的植物可利用态包括水溶态和离子交换态，水溶态重金属能被植物直接吸收利用，离子交换态重金属是最易被植物吸收的部分;潜在可利用态包括碳酸盐态、铁锰氧化物结合态和有机硫化物态，它们是可利用态重金属的直接提供者;不可利用态一般是指残渣态，对生物无效。植物的选择

植物对重金属的抗性即植物在有重金属压力的环境中仍能存活、繁殖后代，并将这种能力遗传给下一代。植物对重金属的抗性可通过植物体内某些特定的生理机制获得，植物虽富集金属但可自身解毒，即重金属在植物体内以不具生物活性的解毒形式存在，因此植物能生存于高含量的重金属环境中而不受损害，并且植物体内具有较高浓度的重金属。另外，除了对重金属的抗性和吸收能力，植株的生物量大小也是一个非常重要的指标。因此，植物的选择对提高植物修复土壤重金属污染的效率是非常重要的。3.3.2超富集植物概念提出、定义及其界定标准

1977年新西兰科学家Brooks等提出了超富集植物（hyperaccumulator）的概念，用来描述自然界中发现的茎叶中可积累Ni达1000μg·g-1（干重）以上的植物，后来Baker和Brooks定义了重金属超富集植物，即能超量吸收重金属并将其运输到地上部，在地上部能够较普通植物累积100倍以上重金属的植物。超富集植物的界定可考虑以下2个主要因素：（1）植物地上部富集的重金属应达到一定的量，即富集系数，即指物体金属含量与土壤含量之比，以表征植物从土壤中去除金属的有效性；（2）植物地上部的重金属含量应高于根部，即转运系数，即植物地上部金属含量与根部含量之比，以显示根部吸收的重金属向地上部的转运能力。由于各种重金属在地壳中的丰度及在土壤和植物中的背景值存在较大差异，因此，对于不同重金属，其超富集植物富集浓度界限也有所不同。目前采用较多的是Baker和Brooks于1983年提出的参考值,即把植物叶片或地上部（干重）中:Cd含量达到100mg·kg-1,As、Co、Cu、Ni、Pb含量达到1000mg·kg-1,Mn、Zn含量达到10000mg·kg-1以上的植物定为超富集植物。

超富集植物的种类

超富集植物主要集中在十字花科，研究最多的主要是芸苔属、庭芥属及遏蓝菜属植物。Cd超富集植物：天蓝遏蓝菜(Thlaspicaerulescens)和东南景天(Sedumalfredii)被广泛认为Cd超富集植物。龙葵(Solanumnigrum)、宝山堇菜（Violabaoshanensis）、商陆(PhytolaccaacinosaRoxb)、印度芥菜(Brassicajuncea)、油菜(Brassicajuncea)等也是Cd超富集植物。Ni超富集植物：目前发现的超量积累植物大概有400多种，其中277种是Ni超富集植物。Pb超富集植物：主要为高山漆菇草、遏蓝菜属圆叶遏蓝菜植物。Zn超富集植物：Zn超富集植物报道有18种,主要是十字花科的遏蓝菜属植物，其Zn最高积累量为39600mg·kg-1(DW),东南景天（SedumalfrediiHance）由浙江大学在我国东南部地区古老铅锌矿上首次发现的Zn超富集植物，同时对Pb具有一定的积累作用。另外，通过野外调查发现长柔毛委陵菜（PotentillagrifithiiHook）也是一种新的Zn超积累植物。Cu超富集植物：迄今为止，已发现铜超富集植物24种，主要是甘薯属高山薯（Ipomoeaalpina）、异叶柔花（Aeollanthusbiformifolius）、星香草（Haumaniastrumrobertii）植物。其中异叶柔花含铜高达13500mg·kg-1(DW)，是当今已知的铜积累量最高的植物。1999年陈同斌、韦朝阳在中国本土发现世界上第一种砷的超富集植物—蜈蚣草（Pterisvittata)。超富集植物对重金属的解毒机制

①沉淀与区隔化重金属在细胞壁的沉淀以及细胞内的区隔划分是植物内部解毒的两个重要途径。植物细胞壁含有的蛋白质和多糖含有大量羟基、羧基、醛基、胺基或磷酸基等亲金属离子的配位基团，它们与进入植物体的金属离子配位结合，在细胞壁形成沉淀，从而降低了原生质体中的金属离子浓度，避免损伤功能相对重要的组织、细胞和细胞器，因此细胞壁是重金属进入细胞内部的第一道屏障。当细胞壁结合的金属离子达到饱和点时，进入细胞内的金属离子被转运到液泡中储藏起来，液泡中含有多种蛋白质、有机酸、有机碱等物质，它们能与重金属结合，而使金属离子在细胞内区隔化。②抗氧化系统在植物忍耐重金属毒害过程中的作用重金属胁迫能导致大量的活性氧自由基产生，包括超氧阴离子自由基(O2-)、过氧化氢、羟自由基(·OH)等，进而对植物细胞膜产生伤害。为了控制活性氧水平，植物体启动自身保护系统。抗氧化保护系统由还原型谷胱甘肽、抗坏血酸等非酶抗氧化保护物质和超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)、过氧化物酶(peroxidas，POD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)、谷胱甘肽还原酶(GR)等抗氧化保护酶类组成。植物修复的局限性

植物修复是一种颇具吸引力的原位绿色技术。然而，就技术本身而言，植物修复技术也有许多限制因素。美国能源部规定，能用于植物修复的植物应有五个特性，其中关键两个即是超积累和高生物量。理想的可用于植物修复的植物，不仅其地上部必须有一个或一个以上的有毒重金属含量比在普通植物的含量高百倍甚至千倍以上，而且植株生长快，干物质积累量大。但人们还未能找到一种同时超积累和高生物量的植物。超富集植物一般生长速度缓慢，生物量小，因而限制了它们在净化重金属污染土壤上的应用。由于植物的重金属毒害及其耐性机理的关键因子至今还不明白，从而直接地影响植物抗重金属基因的分离与克隆，影响转基因植物的培育和抗性品种的构成。虽然从长远来说，植物提取修复技术大规模地推广应用有赖于基因工程技术，但近期内利用基因工程来提高植物提取修复功效的可能性较小。为了解决这个问题，一方面是要寻找方法提高植物的生物量，另一方面也要采取措施促进土壤中难吸收态重金属的活化，从而提高植物修复的效率。4土壤重金属污染的植物-微生物联合修复

为了提高超富集植物对重金属污染土壤的修复效果，一方面是要寻找方法提高植物的生物量，另一方面也要采取措施促进土壤中难吸收态重金属的活化。通过添加化学螯合剂、表面活性剂等提高重金属的生物有效性，但这些化合物会产生二次污染。20世纪90年代以后，许多学者注意到微生物和植物共存体系对重金属超积累的重要性。大量研究表明，植物体内和根际存在促进植物生长和提高植物重金属抗性的微生物，并且微生物通过代谢活动促进重金属的溶解，提高重金属的生物有效性，从而提高植物重金属富集能力。因此寻求一条大幅度提高植物修复效率，并且环境友好且成本低廉的新的微生物-植物联合修复途径，将具有重要的理论意义和现实意义。①植物根际促生菌（Plantgrowth-promotingrhizobacteria,PGPR)②植物内生菌③植物-菌根真菌共生体系（菌根）④豆科植物-根瘤菌共生体系（根瘤）近年来，国际上把土壤中有益的根际细菌统称为根际促生菌(Plantgrowth-promotingrhizobacteria,PGPR)。PGPR常常位于根际土壤中或附生于根表。国内外己发现包括荧光假单胞菌、芽孢杆菌、根瘤菌、沙雷氏属等20多个种属的根际微生物具有防病促生的潜能，其中最多的是假单胞菌属。4.1.植物根际促生菌

植物根际促生菌促生机制可分为直接和间接两种方式。直接的促生作用是指促生菌能合成某种化合物供植物利用，或者有助于植物对营养物质的吸收。间接的促生作用是指通过对病原微生物的生物防治，减轻或抑制有害的根围微生物，从而间接促进植物生长。植物促生菌的直接作用途径主要有:①分泌有机酸溶解磷并使之有效化;②固氮作用;③通过嗜铁素增加植物铁营养;④产生植物激素;⑤调节植物乙烯。4.1.1根际促生菌的促生作用.产生植物激素根际促生菌可以产生生长素、赤霉素、细胞分裂素等植物激素，促进植物根系有效地吸收土壤中的水分和养分，刺激植物根系的发育，同时对植物体其他生命活动进行调控。

固氮作用微生物在生命活动过程中能将空气中的惰性氮素转化成植物可直接吸收的离子态氮素，提供给植物吸收，保证了植物的氮素营养。自生固氮菌共生固氮菌联合固氮菌:联合固氮是介于自生固氮和共生固氮体系的中间类型，固氮细菌与相应联合的植物之间具有较密切的相互影响，但又不形成根瘤那样的共生结构。溶磷作用

磷肥在农业生产中占有重要地位，然而磷肥施入土壤中大部分被固定，利用率较低。改善根际环境，促进固定化磷转化为可被利用的磷是植物促生菌发挥促生作用的一个有效途径。一些植物生长促生菌可分泌有机酸如甲酸、醋酸、丙酸、乙醇酸、延胡索酸、乳酸、丁二酸等，这些酸可降低pH，使不溶性的磷转变成可溶性的磷，供植物吸收和利用。解磷的微生物种类很多，目前报道的解磷细菌主要有芽孢杆菌属、假单胞菌属、埃希氏菌属、欧文氏菌及多硫杆菌属等。实验表明，解磷菌的溶磷作用是中低肥力土壤上促进植物生长最重要的机制之一。调节植物乙烯

乙烯的正常生理功能是促进植物成熟和衰老。植物一生大部分生长发育阶段只需很低水平的乙烯，只是在接近成熟和衰老阶段才大量合成乙烯。种子萌发后，过多的乙烯会抑制根的伸长。乙烯的过量产生将导致植物生长发育受阻或死亡。植物体内乙烯合成的中间物质为ACC(1-氨基环丙烷-1-羧酸)，ACC经ACC氧化酶氧化后形成乙烯和氢氰酸。最近研究发现，多种植物促生菌可分泌ACC脱氨酶。这种酶可将植物乙烯前体ACC分解成为α－丁酮酸和氨。通过ACC脱氨酶，植物促生菌将ACC作为氮源利用，从而可大大减少植物有害乙烯的产生，促进植物的生长发育。产生嗜铁素（铁载体）

尽管地球表面矿物含铁丰富，但土壤中能够直接为植物和微生物利用的铁却不多，一般无法满足土壤微生物繁衍和植物生长发育的需要。然而，某些细菌分泌一种专门结合铁的小分子蛋白可从土壤中收集铁，这种物质被称之为嗜铁素或铁载体。铁一旦与嗜铁素相结合则形成可溶性铁嗜铁素复合体，并可进入生物体内。产生嗜铁素被认为是植物促生菌最主要的直接和间接促进植物生长的有效途径之一。嗜铁素具有极强的吸收铁的能力，可在铁有效性极低时收集土壤中微量的移动性铁。促生细菌所产生的嗜铁素一方面很快地耗尽了土壤中仅存的微量可用铁，使病原菌因缺铁而无法繁衍，另一方面通过铁嗜铁素向植物提供铁营养，从而使植物获益。4.1.2根际微生物对重金属的作用

植物根际环境对于植物吸收环境中的重金属都具有十分重要的作用。有研究说明，超积累植物能够吸收土壤溶液中的难溶态矿质元素，可能与植物根际存在特殊的微生物区系有关。微生物可通过多种渠道影响土壤中重金属的生物有效性，微生物本身及其代谢产物都能吸附和转化重金属。微生物对重金属的吸附固定作用

微生物能通过多种途径将重金属吸附在其细胞表面。在这方面，微生物表面结构对重金属的吸附起着重要的作用