土壤中重金屬污染的生物修復(fù)技術(shù)

土壤中重金屬污染的生物修復(fù)技術(shù)摘要：本文主要講述了生物修復(fù)在土壤重金屬污染中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)各種途徑進(jìn)入土壤中的重金屬類(lèi)型的分析，列舉了在對(duì)重金屬污染中所應(yīng)用的幾種生物修復(fù)技術(shù)。用以去除在土壤中累積的重金屬。在列舉了上述的幾種可操作的生物修復(fù)技術(shù)后，說(shuō)明出在現(xiàn)有的土壤重金屬污染治理技術(shù)中，生物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是最具生命力的。關(guān)鍵詞：生物修復(fù)重金屬生物修復(fù)微生物修復(fù)一、生物修復(fù)的產(chǎn)生與發(fā)展生物修復(fù)起源于有機(jī)污染的治理，最初的生物修復(fù)是從微生物利用開(kāi)始的。人類(lèi)利用微生物制作發(fā)酵食品已經(jīng)有幾千年的歷史，利用好氧或厭氧微生物處理污水已有100多年的歷史，但利用生物修復(fù)技術(shù)處理現(xiàn)場(chǎng)有機(jī)物才有30年的歷史。首次記錄實(shí)際使用生物修復(fù)是在1972年，于美國(guó)賓夕法尼亞洲的Ambler清除管線(xiàn)泄露的汽油。最初，生物修復(fù)的應(yīng)用范圍僅限于實(shí)驗(yàn)階段，直到1989年美國(guó)阿拉斯加海域受到大面積石油污染以后，才首次大規(guī)模應(yīng)用生物修復(fù)技術(shù)。隨著近年來(lái)生物修復(fù)技術(shù)的飛速發(fā)展，生物修復(fù)的內(nèi)涵豐富。除了傳統(tǒng)的生物修復(fù)外，還發(fā)展起來(lái)了真菌修復(fù)、植物修復(fù)以及生態(tài)修復(fù)。二、生物修復(fù)的類(lèi)型生物修復(fù)是一門(mén)新型的學(xué)科，很多內(nèi)容還處于發(fā)展之中，因此其分類(lèi)體系還不夠健全。一般的生物修復(fù)可根據(jù)修復(fù)主體、修復(fù)受體和修復(fù)場(chǎng)所等進(jìn)行分類(lèi)。生物主體是參與生物修復(fù)的生物類(lèi)群，顯然這些生物類(lèi)群包括微生物、植物、動(dòng)物以及由它們構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)。因此，生物修復(fù)可以分為微生物修復(fù)、植物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)和生態(tài)修復(fù)四大類(lèi)，其中微生物修復(fù)就是我們通常所稱(chēng)的狹義上的生物修復(fù)。生物受體是生物修復(fù)的對(duì)象，即我們通常所說(shuō)的環(huán)境要素。眾所周知，環(huán)境要素一般包括土壤、水體、大氣等?？紤]到固體廢棄物涉及的環(huán)境要素是土壤、水體、大氣的自然綜合體，有時(shí)也將固體廢棄物納入第四環(huán)境要素。有些環(huán)境要素還可分為若干次級(jí)要素，因此，根據(jù)修復(fù)對(duì)象可將生物修復(fù)分為土壤生物修復(fù)、河流生物修復(fù)、湖泊生物修復(fù)、海洋生物修復(fù)、地下水生物修復(fù)、大氣生物修復(fù)、礦區(qū)生物修復(fù)、垃圾場(chǎng)生物修復(fù)等。根據(jù)生物修復(fù)實(shí)施的場(chǎng)所（或形式），可將生物修復(fù)分為原位生物修復(fù)、異位生物修復(fù)以及聯(lián)合生物修復(fù)。原位自然生物修復(fù)，是利用環(huán)境原有的微生物，在自然條件下對(duì)污染區(qū)進(jìn)行自然修復(fù)。異位修復(fù)，有時(shí)也稱(chēng)易位修復(fù)，是指將受污染的環(huán)境對(duì)象搬運(yùn)或輸送到其他場(chǎng)所，進(jìn)行集中修復(fù)。本文著重以土壤中重金屬污染的生物修復(fù)為主體進(jìn)行論述。三、土壤中重金屬污染的生物修復(fù)技術(shù)通過(guò)各種途徑進(jìn)入土壤中的重金屬，由于化學(xué)、物理、生物因素的作用，在土壤中不斷累積。由于重金屬不能被微生物降解和在土壤中難于遷移，使治理土壤重金屬污染變得十分困難。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，一些科學(xué)家開(kāi)始探索在不破壞土壤生態(tài)環(huán)境的情況下來(lái)治理重金屬污染土壤的新途徑。在現(xiàn)有的土壤污染治理技術(shù)中，生物修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是最具生命力的。四、重金屬生物修復(fù)技術(shù)原理生物修復(fù)是利用各種天然生物過(guò)程而發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)場(chǎng)處理各種環(huán)境污染的技術(shù)。重金屬生物修復(fù)技術(shù)就是利用生物（主要是微生物、植物）作用。削減、凈化土壤中的重金屬或降低重金屬毒性。出于重金屬污染的特點(diǎn)是不能被降解而從環(huán)境中徹底消除，只能從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種形態(tài)，從高濃度變?yōu)榈蜐舛?，且能在生物體內(nèi)積累富集。所以重金屬的生物修復(fù)有兩種途徑：1.通過(guò)在污染土壤上種植木本植物、經(jīng)濟(jì)作物以及生長(zhǎng)的野生植物，利用其對(duì)重金屬的吸收、積累和耐性除去重金屬。2.利用生物化學(xué)、生物有效性和生物活性原則，把重金屬轉(zhuǎn)化為較低毒性產(chǎn)物（絡(luò)合態(tài)、脫烷基、改變價(jià)態(tài)）；或利用重金屬與微生物的親合性進(jìn)行吸附及生物學(xué)活性最佳的機(jī)會(huì)，降低重金屬的毒性和遷移能力。五、重金屬生物修復(fù)技術(shù)1.植物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)技術(shù)是以植物忍耐和超量積累某種或某些化學(xué)元素的理論為基礎(chǔ)，利用植物及其共存微生物體系清除環(huán)境中的污染物的一門(mén)環(huán)境污染治理技術(shù)。它是一門(mén)新興的應(yīng)用技術(shù)。廣義的植物修復(fù)技術(shù)包括利用植物修復(fù)重金屬污染的土壤、利用植物凈化空氣、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體系凈化土壤中有機(jī)污染物四個(gè)方面。狹義的植物修復(fù)技術(shù)主要指利用植物清潔污染土壤中的重金屬。這種技術(shù)主要通過(guò)兩種途徑來(lái)達(dá)到對(duì)土壤中重金屬的凈化作用：①通過(guò)植物作用改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)，使重金屬固定、降低其在土壤中的移動(dòng)性和生物可利用性；②通過(guò)植物吸收、揮發(fā)及降解代謝達(dá)到對(duì)重金屆的削減、凈化和去除作用。根據(jù)其作用過(guò)程和機(jī)理，重金屬污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)可歸納為以下四種類(lèi)型：1.1植物提取法利用一些植物對(duì)重金屬的吸收和在地上部的蓄積,并通過(guò)收獲地上部達(dá)到減少土壤重金屬含量的目的,這些植物主要分為兩類(lèi),超量蓄積植物和誘導(dǎo)的超量蓄積植物。目前已發(fā)現(xiàn)有400多種植物能夠超量蓄積各種重金屬。一些超量蓄積植物能同時(shí)超量吸收、蓄積2種或幾種重金屬元素。用植物提取方法來(lái)修復(fù)重金屬污染土壤的成功與否取決于兩個(gè)方面,即植物體內(nèi)有毒重金屬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須有一種或一種以上的有毒重金屬含量比普通植物高百倍甚至千倍以上。在植物修復(fù)的實(shí)際操作中,植物體內(nèi)金屬含量多少比植株生物量的大小更有意義［1］。植株或灰分中的重金屬含量越高,對(duì)植株或灰分進(jìn)行二次處理的成本就越低,經(jīng)濟(jì)效益越明顯。1.2植物揮發(fā)法利用一些植物來(lái)促進(jìn)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓳]發(fā)的形態(tài),揮發(fā)出土壤和植物表面的過(guò)程。一些金屬,如硒、砷和汞等,可以生物甲基化而形成可揮發(fā)性的分子。有關(guān)資料表明,印度芥菜有較高的吸收和蓄積硒的能力,在種植這一植物的第2年可使土壤中的全硒減少48%。在自然環(huán)境中，汞主要以Hg存在,一些細(xì)菌利用汞還原酶可把汞離子還原成分子汞oRugh等已成功地把細(xì)菌的Hg還原酶基因?qū)霐M南芥植株,使植株耐汞能力大大提高［2］。Hg被轉(zhuǎn)基因植物還原可以促進(jìn)汞從土壤中的揮發(fā),進(jìn)一步的工作是研究如何使汞轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的形態(tài),或使汞氣的揮發(fā)控制在環(huán)境許可的范圍內(nèi)。1.3植物（根系）過(guò)濾法水生植物、半水生植物和陸生植物均可作為根系過(guò)濾的材料。理想的根系過(guò)濾的植物一是根系生長(zhǎng)迅速,二是根系在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)有較高清除重金屬的能力。目前已篩選出了幾種較理想的植物,如向日葵和印度芥菜等。對(duì)不同的金屬來(lái)說(shuō),植物根系或幼苗清除有毒金屬的機(jī)制不盡相同。例如,清除鉛的機(jī)制主要是沉淀和離子交換吸附,在印度芥菜的根系細(xì)胞壁上形成沉淀,這一沉淀多為鉛的碳酸鹽類(lèi)。鉛也可交換性地吸附到細(xì)胞壁的負(fù)電荷點(diǎn)上［3］。1.4植物固化-穩(wěn)定化法植物鈍化是利用一些植物來(lái)促進(jìn)重金屬轉(zhuǎn)變低毒性形態(tài)的過(guò)程。在這一過(guò)程中,土壤的重金屬含量并不減少,只是形態(tài)發(fā)生變化。這方面最有應(yīng)用前景的是鉛和鉻的鈍化［4］。一般來(lái)說(shuō),土壤中鉛的生物有效性較高,而鉛的磷酸鹽礦物則比較難溶,難于被生物所利用。2.微生物修復(fù)技術(shù)許多重金屬是生命必需的物質(zhì)或元素,例如但是當(dāng)它們?cè)诃h(huán)境中的濃度超過(guò)了限度就成了毒物,微生物雖不能將重金屬像有機(jī)物礦化那樣徹底降解,但可對(duì)它們進(jìn)行固定、移動(dòng)或轉(zhuǎn)化,改變它們?cè)诃h(huán)境中的遷移特性和形態(tài),從而進(jìn)行生物修復(fù)。2.1對(duì)重金屬離子的生物轉(zhuǎn)化2.11甲基化作用汞、砷、鎘、鉛等金屬或類(lèi)金屬離子都能夠在微生物的作用下發(fā)生甲基化反應(yīng)。假單胞菌屬在金屬及類(lèi)金屬離子的甲基化作用中具有重要的貢獻(xiàn),它們能夠使許多金屬或類(lèi)金屬離子發(fā)生甲基化反應(yīng),從而使金屬離子的活性或毒性降低。但有些離子甲基化后毒性反而增強(qiáng),例如甲基汞的生物毒性比無(wú)機(jī)汞高50?100倍。2.12還原作用微生物還能夠?qū)⒏邇r(jià)金屬離子還原成低價(jià)態(tài),將有機(jī)態(tài)金屬還原成單質(zhì),有些金屬在這個(gè)過(guò)程中毒性消失。中科院微生物研究所的研究人員用煙草頭抱霉F2在含有200mg/LHgCl2的液體培養(yǎng)基中生長(zhǎng)了16h后,汞量減少90%,此后菌量迅速增加，結(jié)果表明,HgC12能被還原成汞元素;據(jù)分析，約有12%的汞揮發(fā)到大氣中,7%的汞被菌體吸附,其余以元素汞的形式沉積在培養(yǎng)液底部[5]。2.13氧化作用微生物還能將環(huán)境中一些重金屬元素氧化,某些自養(yǎng)細(xì)菌如硫鐵桿菌類(lèi)能氧化As3+、Fe2+、Mn4+、Cu+等,通過(guò)氧化作用使這些金屬離子的活性降低。有些金屬離子如Mn2+和Sn3+的生物毒性分別比Mn4+和Sn4+大。有些微生物能夠氧化Mn2+和Sn3+，使之成為毒性較小的Mn4+和Sn4+。2.2對(duì)重金屬離子的生物吸附微生物吸附最早是由Ruchhoft在1949年提出的,他利用活性污泥去除水中的放射性元素Pu,并認(rèn)為Pu的去除是由于微生物的繁殖形成具有較大面積的凝膠網(wǎng),而使微生物具有吸附能力。微生物吸附重金屬的機(jī)制十分復(fù)雜,研究表明它們對(duì)金屬的作用可分為微生物吸著和微生物累積兩個(gè)不同的生物化學(xué)階段。第一階段是重金屬在細(xì)胞表面吸附,即微生物吸著階段,主要是指重金屬離子與生物體細(xì)胞壁表面的一些基團(tuán)如-COOH、-OH、-NH2、-SH、-PO4等通過(guò)絡(luò)合、螯合、離子交換、靜電吸附、共價(jià)吸附以及無(wú)機(jī)微沉淀等作用中的一種或幾種相結(jié)合的過(guò)程。第二階段是指微生物累積這一主動(dòng)過(guò)程,它僅發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)［6］。當(dāng)活細(xì)胞生存在環(huán)境中時(shí),它可以通過(guò)多種機(jī)制,包括運(yùn)輸以及細(xì)胞內(nèi)外的吸附來(lái)“提高”本身的金屬含量。已提出的金屬運(yùn)送機(jī)制有脂類(lèi)過(guò)度氧化、復(fù)合物滲透、載體協(xié)助、離子泵等。隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和城市人口的劇增，環(huán)境污染問(wèn)題日益突出。污染環(huán)境的修復(fù)已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，各種各樣的環(huán)境污染治理技術(shù)中，生物修復(fù)技術(shù)以其費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)單、處理效果好、并且不易造成二次污染等特點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。生物修復(fù)至今僅有30多年的研究歷史，但是20世紀(jì)80年代以后，一些生物修復(fù)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在污染治理中推廣應(yīng)用并取得了良好的效果。近年來(lái)，利用微生物、植物修復(fù)污染環(huán)境的生物技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。本論文共分三大部分，首先對(duì)環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)等產(chǎn)生和發(fā)展以及生物修復(fù)技術(shù)的主要方法和研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)的論述；接著重點(diǎn)闡述了生物修復(fù)技術(shù)在土壤重金屬污染修復(fù)中的應(yīng)用，詳細(xì)說(shuō)明了植物修復(fù)和微生物修復(fù)的技術(shù)原理。參考文獻(xiàn)：鐘鬧禎,李明順.礦區(qū)植物重金屬元素測(cè)定的兩種前處理方法比較J].分析科學(xué)學(xué)報(bào),2007,23(4):23?26.周啟星,宋玉芳.污染土壤植物修復(fù).污染土壤修復(fù)原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2004：134?138.張永利,戴九蘭.土壤重金屬污染的微生物生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展[J].生態(tài)科學(xué),2007,26(2)：186~188.滕應(yīng)竺,駱永明.污染土壤的微生物修復(fù)原理與技術(shù)進(jìn)展[J].土壤,2007,39(4)：497?502.戴欣,王保軍,黃燕,等.普通和稀釋培養(yǎng)基研究太湖沉積物可培養(yǎng)細(xì)菌的多