铅污染耕地土壤的生物修复技术研究进展

铅污染耕地土壤的生物修复技术研究进展
张胜爽;张凌云
【摘要】为铅污染土壤的生物修复技术提供参考,从细菌修复、真菌修复、植物修复、动物修复和联合修复等方面综述了铅污染耕地土壤的国内外生物修复的研究进展,并针对我国耕地污染的现状,提出耕地土壤铅污染修复的发展方向.
【期刊名称】《贵州农业科学》
【年(卷),期】2019(047)006
【总页数】5页(P154-158)
【关键词】耕地;土壤;铅污染;生物修复
【作者】张胜爽;张凌云
【作者单位】贵州师范大学地理与环境科学学院,贵州贵阳550025;贵州师范大学地理与环境科学学院,贵州贵阳550025
【正文语种】中文
【中图分类】X53
土壤是人类赖以生存的自然资源之一，是连接自然环境与人类生活的重要纽带。

但随着污水灌溉，农药、化肥及塑料薄膜的过度使用，土壤环境污染成为世界性环境污染问题，而耕地土壤铅污染问题也很突出。

据资料显示[1]，目前，全世界平均每年约排放铅500万t，而中国受污染的耕地面积已达2 000万hm2，每年出产重金属污染的粮食约1 200 万t，造成的经济损失超过25 亿美元。

而通过首次公
布的全国土壤污染状况调查公告显示，全国污染总超标率为16.1%，耕地污染超
标率为19.4%。

我国部分地区耕地土壤受到不同程度的铅污染，据报道，郑州、
甘肃、扬州、贵阳、徐州、广州、成都和广西的土壤铅污染浓度分别为17.11
mg/kg、21.44 mg/kg、35.7 mg/kg、43.2 mg/kg、56.2 mg/kg、58 mg/kg、77.27 mg/kg和218.6 mg/kg[2-9]，表明我国许多地区耕地土壤已经受到不同程度的污染。

目前，针对土壤铅污染的修复技术主要分3类：物理修复、化学修复和生物修复[10-11]。

物理修复技术主要是通过某些物理技术将污染物从土壤中去除或隔离的
方法，主要包括客土法、换土法、深耕翻土法、隔离包埋法以及热力恢复法[12-13]。

物理修复技术见效快、去除比例高，但工程量大，费用高，有局限性，适用
于面积较小，污染浓度高，且急于修复的土壤。

化学修复主要通过化学方法或是添加一些物质发生化学反应，使重金属被固定或去除。

包括淋洗法、固化法和化学改良剂法[14-15]。

化学修复去除效果好，时间短，易于实施，但添加的化学物质易
造成对土壤或是植物的二次污染[16]。

生物修复技术主要通过耐性微生物、植物吸收或固定土壤重金属[17]。

根据修复主体的不同可将生物修复技术分为3类：微生物修复、植物修复和动物修复。

其中，以微生物修复技术和植物修复技术应用最为广泛。

生物修复技术易于操作、费用低，利用耐性微生物、植物不易造成二次污染，因此生物修复技术是目前重要的一项清洁、经济的重金属污染修复技术。

生物修复技术开始于20世纪80年代中期，到20世纪90年代才有成功应用的实例。

为促进土壤重金属污染修复技术的进一步发展，笔者等对耕地铅污染生物修复技术进行综述，对比不同耐性微生物及超富集植物的铅污染修复效果，以期为铅污染土壤的生物修复技术提供参考。

1 微生物修复
1.1 微生物类型及修复效果
利用细菌、真菌、放线菌等各种微生物，通过自身的代谢活动，降低土壤中有害重金属的浓度。

研究表明，不同微生物对重金属的耐性顺序为真菌>细菌>放线菌。

在Pb、Zn、As、Cu等复合污染的土壤中，当重金属总量达658 mg/kg时，细菌和真菌数量分别为对照的29%和45%[18]。

曹霞[19]筛选的真菌产黄头孢霉和头孢霉对铅的去除率分别为72.45%和54.82%。

曾远[20]将特异性细菌接种到土壤中，可提高硝酸铵的含量，进而提高铅的生物有效性。

当微生物处于重金属混合污染时，对不同的重金属离子吸附效果存在差异，并且混合污染时，某些低浓度的重金属离子会促进微生物的生长。

1.2 修复原理
从表1可知，不同的微生物修复重金属的原理不同，但综合分析主要分3类：生物富集、生物转化和生物吸附[27]。

微生物通过表面络合、离子交换、氧化还原、无机微沉淀以及酶促作用等方式降低铅的生物活性，固定游离的铅离子；或者促进植物对铅离子的吸收，从而达到降低或去除铅污染的目的。

刘洁[28]筛选的抗铅细菌，在铅浓度为1 200 mg/L时仍能正常生长，在铅离子浓度为200 mg/L、pH 为6.0、温度为35℃的环境条件下，表现出最佳生物吸附的效果。

细菌与重金属的相互作用通常有表面络合，离子交换等形式。

表面络合是重金属离子与微生物细胞壁表面的官能团结合，形成络合物，降低金属离子的浓度。

pH会影响金属离子与微生物的络合作用。

通过向污染土壤中添加耐性或吸附性强的真菌，降低土壤重金属含量。

某些真菌需要与植物根系共生，不仅降低土壤重金属含量，还能促进植物生长。

朱金山等[29]利用真菌墨汁鬼伞吸收猪粪中的铅，其最大吸收量为700 mg/kg，将处理后的猪粪施入土壤，在避免二次污染的同时也改善了土壤的微生物平衡。

真菌修复土壤污染的过程中通常几种反应机理同时发生。

表1 重金属污染土壤中常见的微生物及修复效果Table 1 Microorganisms commonly found in soils contaminated with heavy metals and their
remediation effects微生物Microorganism 修复重金属类型Heavy metal type 修复效果Remediation effect参考文献Reference假单胞杆菌PseudomonasPb固定了游离的铅,促进了青菜的生长[21]聚团肠杆菌Enterobacter agglomeransPb活化络合土壤中的金属,促进印度芥菜的生长 [22]鲍士醋酸钙不动杆菌 Acinetobacter calcoaceticus阴沟肠杆菌 Enterobacter cloacaePb降低铅的生物可利用性[23]伯克霍尔德菌 Burkholderia sp.Pb促进玉米和番茄对Pb的吸收[24]黄孢原毛平革菌 Phanerochaete chrysosporium BurdsallPb促进金属的络合作用,降低铅的生物有效性[25]洋葱伯克霍尔德菌Burkholderia cepaciaPb发生离子交换作用,吸附游离的铅离子[26]
1.3 存在的问题
微生物修复作为土壤重金属污染修复的方式，具有绿色环保，经济，操作简单等优势。

但针对微生物修复的研究都是在理想情况下的人为模拟污染下进行的，对于实际土壤的污染状况，污染土壤中土著微生物的存在与筛选的修复微生物之间的关系的研究较少，而实际污染土壤的条件复杂，土壤微生物，土壤动物存在情况复杂，因此微生物修复技术应急需解决实际应用中复杂的土壤环境对微生物筛选的影响。

2 植物修复
2.1 铅富集植物
植物修复技术指植物忍耐某种重金属，或是将重金属转化成无毒状态的一种技术。

BROOK在1977年首次提出超积累植物(Hypccumulator)的概念，1983年CUNNINGHAM 等[30]提出运用植物去除土壤中的重金属污染物，以此达到修复土壤的目的。

能从土壤中大量吸收一种或几种重金属并将其转运到地上部的植物称为超富集植物。

目前，世界上发现的超富集植物有400多种，而国内外报道铅的超富集植物主要有羽叶鬼针草、绿叶苋菜、圆锥南芥、东南景天、苍耳、小飞蓬、圆叶遏蓝菜(Thlaspirotundifolium)、夏至草等[31-33]，这为植物修复铅污染的
土壤提供了丰富的物种资源。

刘秀梅等[34]通过室内砂培盆栽试验研究了小麦、水稻、玉米和油菜对重金属铅的耐性和提取能力，4种作物体内铅含量依次为小麦>水稻>玉米>油菜。

此外，不同作物体内铅的分布也不同，小麦和水稻的根系含铅量高于茎，玉米和油菜相反，茎叶的含铅量高于根系；低浓度的重金属污染可以促进植物生长，但是高浓度的污染会抑制植物生长。

郭平等[35]研究了向日葵幼苗对铅的耐性，结果表明，当重金属浓度为1.00 mmol/L时，向日葵幼苗茎叶中的铅含量是864.24 μg/g，根中铅含量是43 575.76 μg/g，向日葵幼苗对铅有很强的富集能力，根系是主要的富集器官。

同时有研究报道，高粱是可以有效吸收重金属的作物，并且具有生物量大，吸收量高等优势[36]。

农作物富集重金属，人类食用之后对人类的健康造成危害。

何泳辉等[37]研究了市郊公路边的农作物中重金属的富集结果发现，食用番薯叶、食用南瓜叶、豆角、苋菜和灰菜中铅含量为0.30～0.83 mg/kg，均超过国家限量标准。

常晓歌等[38]对2015—2016年洛阳市市售蔬菜中重金属含量进行分析的结果表明，铅的超标率为10%，较镉、汞严重。

针对以上研究分析，农作物、蔬菜富集重金属后通过食物链的传递，危害人类健康。

因此，在铅富集农作植物蔬菜的选择上应慎重，尽量选择根茎等不可食用部分富集效果好，对人体健康无危害的作物进行铅污染耕地土壤的修复。

2.2 发展方向
植物修复土壤铅污染的研究，应筛选生物量大、易存活的植株。

前人的研究筛选的超富集植物多数是当地的优势植物，存在一定的地域性，对于其他地区的使用有外来物种入侵的危险。

因此，植物修复土壤重金属铅污染应向生物量大、地域性小，具有一定的经济或观赏价值的方向努力，在保证土壤重金属污染得到修复的同时保证土地的经济价值。

3 动物修复
3.1 修复原理
动物修复技术是利用土壤中大量的动物及肠道微生物等进行的一系列生命活动来分解、吸收、富集土壤中的重金属，使土壤中的污染物浓度降低的一种修复技术。

MORGAN等[39]研究发现Cd、Pb、Zn富集在蚯蚓消化组织细胞的囊泡中，与磷键结合，形成难溶性的金属磷酸盐矿物，达到降低重金属浓度的目的。

STÜRZENBAUM等[40]研究发现，重金属在蚯蚓体内与小分子蛋白质结合形成金属结合蛋白金属络合元素，降低其体内的毒性或是增强抵抗性。

蚯蚓的另一种解毒机制是利用体内的溶酶体和细胞质粒抑制重金属的活性。

蚯蚓的取食、做穴等生命活动直接或间接影响重金属的生物有效性。

MABOETA等[41]报道蚯蚓活动使土壤中Pb的有效态增加48.2%。

同时发现，不同的土壤接种蚯蚓后其土壤pH会发生变化，间接影响土壤重金属生物有效性。

3.2 发展方向
目前，针对铅的动物修复多集中于蚯蚓的研究，并且集中在实验室的理想条件下。

但现实中的土壤环境复杂多变，土壤动物、微生物种类繁多，蚯蚓与土壤中其他动物、微生物的相互作用的研究甚少，今后应分析蚯蚓与其他动物、微生物的作用机制，为蚯蚓修复重金属污染提供更完善的数据支撑。

同时，蚯蚓吸附重金属后，体内重金属严重超标，针对蚯蚓的后续处理，不要造成对土壤的二次污染也应是今后的研究方向。

4 联合修复
4.1 微生物-植物联合修复效果
单一的修复技术对污染的修复存在周期长、修复对象单一，效果不显著等弊端。

因此，将现有的修复技术进行有效地整合，2种或2种以上修复技术联合修复是现在及未来的研究趋势。

而其中的微生物-植物联合修复技术因其操作简单、避免二次污染等优势成研究热点。

据报道，微生物的代谢活动不仅可以促进植物生长，增加植物干重，而且会分泌一些有机酸、铁载体，影响土壤pH及重金属的形态，间接
促进植物吸收重金属，或抑制重金属活性，减少对植物的危害[42-43]。

JING 等[44]从矿区植物毛竹的根际土壤分离出2株对铅和镉具有耐性的细菌JYX7和
JYX10，并进行了与油菜联合修复的盆栽试验，结果表明，接种了菌株的处理组，由于菌株的活动产生了有机酸、铁载体，改变了土壤pH及重金属活性，不仅提高了油菜的地上部干重，也增加了对重金属的吸收量；同时有研究发现[45]，添加“双耐”细菌不仅能提高香根草的生物量，促进其地上部、地下部对铅、镉的吸收，而且降低了香根草根际土壤中有效态铅、镉的含量。

CHIICHING等[46]发现，接
种丛枝菌根真菌提高了鬼针草和龙珠果对Cu、Pb、Zn的吸收积累。

JIANG等[47]通过给印度芥菜、玉米和番茄接种特异性伯克霍尔德氏菌(Burkholderia sp.J62)发现，该微生物不仅提高了植物根际土壤中Pb的醋酸铵提取态，也促进玉米、番茄两种植株的生长，增强玉米根系对铅的吸收。

4.2 发展方向
随着《土壤污染防治行动计划》(土十条)的逐渐落实，以及人口基数大，土地资源少的基本国情，保证国家粮食供应充足，耕地土壤承担的责任尤为重要。

因此，选择有利于实现生态、环境效益相统一的联合修复技术对当今的耕地土壤重金属修复尤为重要。

而微生物-油料作物、微生物-经济作物及不同农作物套种、轮播等方法非常适合当下中国人均地少的现状。

经济作物(甜高粱、玉米)及油料作物(向日葵、花生、油菜)具有生物量大及重金属耐性、积累特性强的特征。

据报道，接种产铁
载体细菌后，提高了甜高粱的生物量及重金属吸收含量，同时促进了甜高粱对土壤矿质营养元素Fe和P的吸收[48]。

王帅等[49]研究了大豆、花生、向日葵、蓖麻
4种油料作物对铬、铅的耐受性及积累特性，结果表明，花生对2种重金属的耐性较强，可优先考虑作为修复重金属污染的潜在植物。

同时，添加耐镉的土壤微生物可以有效促进油菜的生长，提高其对Cd 和Pb 的吸收效率，提高比例分别为16%～74%和59%～131%[50]。

因此，发展经济作物及油料作物与耐性微生物的
联合修复是未来耕地土壤污染修复的研究方向，而重点是筛选耐性强的土著微生物及耐性强的作物品种，以期寻找安全有效的重金属修复方式。

5 展望
随着全国土地污染调查的开展，人们对土壤污染的认识越来越深入，对耕地土壤污染的危害也有了深刻了解。

因此，对耕地土壤污染的修复刻不容缓，而生物修复及联合修复是未来研究的重点，想要在此方面取得突破性的进展，必须解决以下问题：首先，针对我国人口基数大，耕地资源有限的基本国情，筛选耐性及累积特性强的植物是未来植物修复耕地土壤污染的关键。

因此，需加强筛选优良的经济作物及高效的作物品种方面的研究。

其次，随着人们对环境保护认识的深入，修复技术需朝着绿色生态方面发展，微生物不仅可以有效避免对土壤的二次污染，而且可以影响土壤的pH、重金属活性。

但微生物对土著微生物的影响研究较少，应加强微生物对土著微生物的长期影响，筛选耐性强的土著微生物等方面的研究，利用基因工程等高新技术将筛选的耐性基因与土著微生物结合，减少外来微生物的潜在危害。

同时，联合修复技术是应对现在土壤复合污染的有效技术之一，因农田土壤的特殊性，对修复效果的要求更高，不仅要除去污染物，还要保证土壤肥力，保证耕地的正常使用。

因此微生物-植物-动物联合修复技术是关键，保证土壤污染修复的绿色经济可行性。

同时应增加大田试验的开展及商业化的发展。

最后，应加强对土壤修复的长期监测，修复技术对周围环境及土壤肥力等的影响进行风险评估，保证修复效果的长期有效及稳定性。

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