土壤重金属污染及其生物修复研究综述

土壤重金属污染及其生物修复研究综述

摘要：本文主要综述了土壤重金属污染的危害及影响，以及土壤重金属污染中用以去除在土壤中累积的重金属的各种生物修复技术、特点、机理等进行了综述。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，最后对生物修复的发展前景进行展望，并在此基础上提出了一些见解和看法。

关键词：土壤污染；重金属；生物修复

土壤是人类赖以生存的基本条件。近年来，随着人口急剧增长，人类对土地资源的过度开发，导致土地质量下降、生产能力退化。而在农业生产中使用化肥与农药以及如生长激素等化学物质，土壤中某些成分含量过高，致使其物理、化学和生物学性质发生变化，土壤功能受到损害，微生物活动受到影响，土地肥力下降，影响农作物的产量与品质，威胁着人类的健康，也影响到国民经济的发展。目前,土壤重金属污染的总体形势相当严峻。目前，中国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积约占总耕地面积的15％[1]。据不完全调查,全国受污染的耕地约有1000万km2。据估算,全国每年因重金属污染而损失的粮食达1200万吨,直接经济损失超过200亿元[2]。因此，寻找高效并对环境影响小的土壤污染防治和修复方法成为当务之急。

1.土壤重金属污染

1.1 重金属土壤生态结构和功能稳定性的影响

大多数重金属在土壤中相对稳定，但是大量的重金属进入土壤后，就很难在生物物质循环和能量交换过程中分解，更难以从土壤中迁出，逐渐对土壤的理化性质、土壤生物特性和微生物群落结构产生明显不良影响，进而影响土壤生态结构和功能的稳定[3]。大量研究证明：重金属污染的土壤，其微生物生物量比正常使用有机粪肥的土壤低得多，且减少了土壤微生物群落的多样性。重金属对土壤污染程度的进一步加剧，使生物群体生存受到严重威胁，国土资源的安全受到影响，人类社会的生存和发展也面临着巨大的挑战。

1.2 重金属对作物的危害

重金属在土壤一植物系统中迁移直接影响到植。物的生理生化和生长发育，从而影响作物的产量和质量。镉是危害植物生长的有毒元素，土壤中如果镉含量过高，会破坏植物叶片的叶绿素结构，减少根系对水分和养分的吸收，抑制根系生长，造成植物生理障碍而降低产量。研究表明，镉污染对土壤脲酶活性的影响很大，随土壤镉浓度的增加，脲酶活性下降趋势明显，如在金盏菊中，脲酶活性下降幅度为51％-88％，在月季中，脲酶活性下降幅度为36％-78％，故可用土壤脲酶活性变化来表示土壤受镉污染的程度[4]。铅在植物组织中的累

积可导致氧化、光合以及脂肪代谢的强度减弱，同时可导致对水的吸收量减少、耗氧量增大，从而阻碍植物生长，甚至引起植物死亡。铜、锌是植物生长必需的微量元素，但在土壤中含量超过一定限度时，作物根部会受到严重损害，使植物对水分和养分的吸收受到影响，造成生长不良甚至死亡。若土壤生态系统中同时存在多种污染物，则会造成复合污染，如宋良纲等研究表明，重金属在复合污染条件下对植物的毒害及其在土壤中的迁移动态要比单一元素的污染复杂、严重得多。铜、锌、铅、镉单一污染或复合污染对白菜种子的发芽与根系伸长均有抑制作用，但复合污染产生明显的协同作用，对白菜根系伸长的抑制效应阈值明显降低。

1.3 重金属对人体健康的危害

重金属污染土壤，农产品质量下降。土壤中的污染物会通过各种食物链，经过逐级生物富集对人体健康产生危害。它可以通过食物链对人体健康产生直接危害，还可以通过影响水体和大气环境质量间接对人类健康造成威胁。更值得注意的是许多低浓度有毒污染物属环境激素类物质，其影响是缓慢的和长期的，可能长达数十年乃至数代人。有机氯农药在中国虽已禁用近20年，但各种农产品中仍有残留，危害可达几十年，并通过食物链富集后，其浓度往往比最初在环境中的浓度高出万倍以上，对人体健康影响巨大，甚至造成区域性疾病的发生。有调查表明，已经多年禁止使用的农药“六六六”和“滴滴涕”，目前婴儿自母乳中摄人的量仍高于相应的每日允许摄人量。研究表明，人体摄人或聚集的Cd、Hg、Pb、Cr、As、Sn、Cu、Zn、V等重金属含量增高，会引起风湿性关节炎、骨痛病、肾炎、溃疡病、贫血、高血压冠状动脉硬化等疾病，并引发皮肤癌、食道癌、宫颈癌、肝癌、鼻咽癌等一系列癌症以及造成慢性中毒等等[5]。可见土壤污染的最终受害者是人类，重金属对土壤的持续污染以及土壤中污染物的长期存在，必将对人类生命安全构成巨大的、严重的、潜在的威胁。2．重金属土壤污染生物修复

2.1植物修复技术

植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的理论为基础，利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物的一门环境污染治理技术。它是一门新兴的应用技术。广义的植物修复技术包括利用植物修复重金属污染的土壤、利用植物净化空气、利用植物清除放射性核素和利用植物及其根系微生物共存体系净化土壤中有机污染物四个方面。狭义的植物修复技术主要指利用植物清洁污染土壤中的重金属。

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。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

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Hg存在，一些细菌利用汞还原酶可把汞离子还原成分子汞。Rugh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。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。理想的根系过滤的植物一是根系生长迅速，二是根系在相对长的时间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[6]。

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[7]。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 微生物修复技术

微生物对重金属污染土壤的修复微生物对重金属污染土壤的生物修复作用主要是通过微生物对重金属的溶解、转化与固定来实现。

2.2.1 微生物对重金属的溶解

微生物对重金属的溶解主要是通过各种代谢活动直接或间接进行的，土壤微生物通过代谢作用能产生多种低分子量的有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等。Siegel 等报道,真菌可以通过分泌氨基酸、有机酸以及其他代谢产物来溶解重金属以及含重金属的矿物[8]。Chanmugathas 等比较了同一碳源条件下微生物对重金属的溶解,发现以土壤有机质或土壤

有机质加麦秆作为微生物的碳源时,微生物并不促进铅、镉、锌、铜等重金属的溶解；如果在加入土壤有机质、麦秆的同时还加入容易被微生物利用的葡萄糖，经过一段时间后,未灭菌处理的淋洗液中重金属离子的浓度明显高于灭菌处理的[9]。

2.2.2 微生物对重金属的转化

研究表明一些微生物可对重金属进行生物转化。其主要机理是微生物通过氧化、还原、