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土壤重金属污染的生物修复技术

时间:2016-09-27 14:49来源:环境科学与技术 作者:李飞宇 点击:
    导读:随着城市化和工业化的加速,土壤的重金属污染问题日趋严重。生物修复技术作为一种环境友好型治理措施越来越受到关注,其主体主要包括植物修复、动物修复以及微生物修复。文章首先综述了生物修复土壤重金属污染的机理及其研究进展,其中植物修复包括降解、提取、挥发、根系钝化以及固定等,而微生物修复机理主要包括生物富集、生物吸着以及生物转化;其次分析了生物修复技术的局限性,如超富集植物积累重金属的单一性,植物的生长速度慢、积累效率低、适应性弱,微生物的种间拮抗作用等;最后对其发展前景提出展望,认为通过加强国际交流,重视多学科的交叉应用,以及合理配置人才与资源等措施,有利于突破技术瓶颈,发展出更具应用价值的复合修复技术。
    植物富集生态系统中,土壤子系统是人类及一切陆生动植物赖以生存发展的物质基础之一。土壤系统自身具有一定的缓和及减少污染的自净能力,可通过自身的物理、化学和生物的复杂作用,使进入系统的污染物质逐渐转化、减毒、消失,最终使土壤系统重新达到平衡状态,恢复原有的生态功能。然而,这种自净能力是具有一定限度的。一旦进入系统的污染物总量超过了系统本身的耐受度,会导致土壤污染的发生。
    土壤一旦受到污染,本身的物理、化学性质便发生改变, 如土壤板结、肥力降低、土壤被毒化等,污染物还可通过雨水淋溶,由土壤流入地下水或地表水,造成水质的污染和恶化。受污染的土壤上生长的生物,吸收、积累和富集土壤污染物后,会通过食物链进入人体,最终对人体造成危害。严重的土壤污染还可导致农作物生长发育减慢甚至枯萎死亡,生物多样性迅速下降。令人担忧的是,土壤污染一直未受到足够的重视,这主要是对土壤污染的特点及其危害性的认识不足所致。据了解,土壤污染具有隐蔽性和潜伏性,不可逆性和长期性及后果严重性等特点。这主要体现在土壤污染一般经食物链危害动物和人类健康,是一个逐步积累的过程,不易被察觉;同时土壤污染物毒性一般较强,一旦受到污染后极难得到恢复。
    占世界人口1/5 的中国,其耕地面积只占世界的7%,人均耕地面积仅为世界人均耕地面积的1/4,且可开垦的土地资源严重不足。另一方面,随着城市化和工业化的加速,我国的耕地面积迅速锐减,同时土地资源的生态环境面临着不断恶化的威胁。重金属由于不能被土壤微生物所分解,易于在土壤中积累,甚至在土壤中经微生物作用,转化为毒性更强的甲基化合物,通过食物链进入动物、人体内,并在生物体内积累,严重影响人体健康,和牲畜的生长发育及繁殖。如日本的水俣病以及湖南儿童血铅超标事件都是由重金属污染引起的。环境污染中所说的重金属主要指镉、铅、锌、汞、铬和类金属砷等几种生物毒性显著的元素,以及锰、钼、镍、钴、铜及铝等常见元素。在过去几十年,由于人为活动(包括采矿、工业活动、不正当使用重金属浓缩的化肥和农药、重金属污染废水灌溉等)的影响,土地的重金属污染已成为一个严重的问题。据估计,目前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。此外,“砷毒”、“血铅”、“镉米”等事件频发使镉、铅、砷等有毒重金属污染成为最受关注的公共事件之一。如不及时采取科学有效的防治措施,我国的受污染耕地面积讲进一步扩大,我国生态环境的稳定性将处于极其危险的境地。
    为缓解土壤重金属污染问题,国内外专家曾采用非毒性改良剂法、深耕法、排土法和客土法以及化学冲洗等方法,但由于上述方法自身的局限性,都未能得到理想的治理效果。近年来,重金属污染的生物修复技术正在兴起。生物修复技术是利用特定的生物(植物、微生物或原生动物)将重金属吸收、转化、降解、富集、转移,进而恢复土壤系统正常生态功能的过程,是实现环境净化、生态效应恢复的生物措施,是重金属污染土壤的环境友好型治理技术。
    与传统的物理和化学方法相比,生物修复技术具有成本低、来源广、无二次污染的特点,尤其适用于低浓度重金属的去除。生物修复技术的早期研究主要集中于植物对重金属的吸收和富集机理方面。随着现代生物技术的发展,分子生物学和基因工程技术逐步应用于超富集、高耐性生物的培育、筛选和鉴定,促进了生物修复技术的发展。目前,生物修复技术的主体主要包括植物、动物和微生物。其中应用较为广泛,治理效果显著的是植物修复和微生物修复。
1 生物修复的类型
1.1 植物修复
    植物对土壤重金属污染的修复包括植物降解、植物提取、植物挥发、根系钝化以及植物固定。其内在机理可能包括回避、吸收排除、细胞壁防御、重金属胞内区域化、重金属与各种有机酸络合、酶适应、渗透调节等机制。
    植物降解指重金属进入植物体内,通过植物机体生化过程,改变重金属离子价态,降低其生物毒性。
    植物提取是利用富集或超富集植物将土壤中的重金属提取出来,运输并富集到植物可收获部分,最终可通过收获植株、集中处理,使重金属脱离土壤。提取修复包括两个阶段,首先是将土壤中束缚态重金属转化为非束缚态,其次是将重金属向植物可收获的地上部运输。
    植物根系钝化是指植物根系分泌有机酸、氨基酸、多肽等与重金属离子结合,降低重金属的移动性和生物可利用性,减小重金属被淋溶到地下水或通过空气扩散进一步污染环境的风险,并减轻对植物的毒害作用。植物体内存在一种金属硫蛋白(MT),富含半胱氨酸,半胱氨酸上的巯基易与重金属结合,形成低毒或无毒的络合物。此过程仅改变重金属离子的形态,并未减少土壤中重金属的含量。
    植物气化是利用植物根系分泌的一些特殊物质使土壤中的重金属转化为可挥发态,或者植物将土壤中的重金属吸收到体内后将其转为气态物质释放到大气中,从而净化土壤。植物气化技术应用于修复重金属污染土壤,能有效去除土壤中的重金属,但同时使重金属挥发到环境中,可能造成二次污染。因此在采用植物气化技术时应持谨慎态度。植物提取修复技术是目前应用最多、最有发展前景的土壤重金属污染植物修复技术。
    我国野生植物资源丰富,生长在天然的污染环境中的野生超积累植物和耐重金属植物不计其数,因此开发与利用这些野生植物资源对植物修复的意义十分重大。据有关资料显示,大量水生植物对重金属Zn、Cr、Pb、Cd、Co、Ni、Cu 等有很强的吸收积累能力。仙丹花、鹅掌藤、马齿苋、变叶木、美人蕉、孔雀草以及向日葵等,这些植物吸收重金属的能力以及在污染场址的生长状态都不错。木本植物生物量大,修复效果好于草本植物,如池杉富集Pb 和Cd 能力优于芦苇。陆生植物具有发达的根系,将幼小的陆生植物种苗用于水体中重金属的去除会更加有效。
    然而,目前利用野生抗性植物进行重金属污染土壤的治理还未取得理想结果。这主要是因为超富集植物一般只能积累某些重金属元素,植物物种的选取受到不同地理气候条件的限制,同时富集植物和超富集植物生物量一般较少,生长速度慢,积累效率低。目前,大多数学者都试图通过基因工程的方法来获得重金属超富集植物(如芸苔属植物)。如导入金属硫蛋白基因或引入汞离子还原酶的半合成基因,以及其他与重金属耐性有关的基因,以此来增加植物对重金属的耐受性,最后规模种植这些超富集植物体来回收土壤中的重金属元素。
    除此以外,生长的土壤与环境条件,如有机质、酸碱度CEC、水分、土壤肥力等都将影响植物对重金属污染的修复。因此,生态修复的应用进一步得到了推广。通过调节如土壤水分、养分、pH 值、氧化还原状况及气温、湿度等生态因子,实现对污染物所处环境介质的调控。我国在这一方面研究较多,并取得了一定的成效,但利用该技术修复污染土壤周期长,效果不显著。
1.2 微生物修复
    微生物修复是指利用野生或人工培养的具有特定功能微生物群,在适宜环境条件下,通过自身的代谢活动,降低有毒污染物活性或降解成无毒物质的生物修复技术。近年来,微生物修复技术已成为污染土壤生物修复技术的重要组成部分。
    微生物修复重金属污染土壤的原理主要包括生物富集、生物吸着以及生物转化3 个方面。生物富集是指有毒金属被吸收后贮存在细胞的不同部位或被结合到胞外基质上,通过代谢过程,这些离子可被沉淀,或被轻度螯合在可溶或不溶性生物多聚物上。微生物积累重金属也与金属结合蛋白和肽以及与特异性大分子结合有关。生物吸着是由于细胞表面带有负电荷,且存在氨基、羧基、羟基、醛基、硫酸根等多种官能团,可通过静电吸附或者络合作用固定重金属离子。生物转化包括生物氧化还原、甲基化与去甲基化以及重金属的溶解和有机络合配位降解等作用方式。Hg的生物转化具有代表意义,如Hg2+的甲基化,Hg2+还原成Hg,甲基Hg 和其它有机Hg 化合物裂解并还原成Hg。此外,某些微生物可以利用自身的氧化还原特性及代谢产物,使Cu2+还原形成Cu,如地衣芽孢杆菌(Bacillus lichenif ormis)。
    微生物能够通过自身的代谢活动作用于重金属元素是因其体内携带重金属抗性基因。重金属抗性基因是微生物在自然条件或人工诱导下产生的抗重金属毒性的遗传因子,可以激活和编码金属硫蛋白、操纵子、金属运输酶和透性酶等,通过利用这些物质与重金属结合、形成失活晶体或促进重金属排出体外等机制对重金属进行解毒。研究显示,重金属抗性基因很可能位于细菌质粒上。如丁香假单胞菌和大肠杆菌均含抗Cu 基因,芽孢杆菌和葡萄球菌含有抗Cd和抗Zn 基因,产碱菌含抗Cd、抗Ni 及抗Co 基因,革兰氏阳性和革兰氏阴性菌中含抗As 和抗Sb 基因。
    微生物修复技术多元,可进行原位修复、异位修复及原位/异位联合修复。原位修复操作简单,对原有的土壤环境破坏程度低。然而,加入到污染环境中的微生物可能由于种间竞争或难以适应环境导致目标微生物或其代谢活性的丧失,其田间试验效果不理想。同时微生物修复受各种环境因素的影响较大,pH、温度、氧气、水分等均可影响微生物活性从而影响修复效果。因此,为降解菌提供适宜条件以促进其生长繁殖至关重要。
    为解决上述问题,近年来微生物修复研究工作着重于筛选和驯化特异性高效降解微生物菌株,提高功能微生物在土壤中的活性、寿命和安全性,修复过程参数的优化和养分、温度、湿度等关键因子的调控等方面,以实现针对性强、高效快捷、成本低廉的微生物修复技术的工程化应用。某些微生物可在极端环境条件下生存,若通过基因技术使其具有高效降解能力,则对治理极端环境条件下的污染有利。通过添加菌剂和优化作用条件发展起来的污染土壤原位、异位微生物修复技术有:生物堆沤技术、生物预制床技术、生物通风技术和生物耕作技术等。
1.3 动物修复
    动物修复是指土壤动物群通过直接的吸收、转化和分解或间接的改善土壤理化性质,提高土壤肥力,促进植物和微生物的生长等作用而修复土壤污染的过程。它包括将生长在污染土壤上的植物体、果实等饲喂动物,通过研究动物的生化变异来研究土壤污染状况,或者直接将土壤动物,如虹蝴、线虫饲养在污染土壤中进行有关研究。其生理基础包括:生成某种金属硫蛋白,与重金属结合形成低毒或无毒的络合物;代谢产生一些富含—SH 的多肽(如PC),与重金属螯合,降低重金属离子的活性;体内携带多种编码金属转运蛋白基因(如最早克隆的Zn 转运蛋白基因和Fe转运蛋白基因),这些基因编码的转运蛋白能提高生物对金属的抗性。由于土壤动物修复技术自身的局限性,有关动物修复的研究报道较少,主要集中在有机物和农药污染土壤的修复(如利用蚯蚓等修复)和富营养化水体的修复(如利用滤食性贝类、河蟹、棘皮动物等修复),对重金属污染土壤的动物修复机理仍处于探索阶段。
1.4 综合修复技术
    现实中土壤中污染物种类繁多,复合污染普遍,污染程度与厚度差异大,同时地球表层的土壤类型多,其组成、性质、条件的区域差异明显,而且修复后土壤再利用式的空间规划要求不同。因此,单项修复技术往很难达到修复目标,而开发复合修复模式就成为土壤污染修复的主要研究方向。现今开始投入应用的复合修复技术的主要类型有植物/微生物联合修复、动物/植物联合修复以及化学/物化-生物联合修复。
    植物/微生物联合修复的机理是高等植物与土壤微生物在生长过程中往往存在协同作用,一方面植物可以提供土壤微生物生长所需的碳源,同时又经叶茎向根部输送氧气,形成有利于氧化的微环境,促进好氧微生物对污染物的分解作用。微生物(细菌、真菌)-植物、动物(蚯蚓)-植物联合修复是土壤生物修复技术研究的新兴方向。筛选有较强降解能力的菌根真菌和适宜的共生植物是菌根生物修复的关键。利用能促进植物生长的根际细菌或真菌,发展植物-降解菌群协同修复、动物-微生物协同修复,及其根际强化技术,促进有机污染物的吸收、代谢和降解将是生物修复技术新的研究方向。化学/物化-生物联合修复能够发挥化学或物理修复的周期短、见效快的优势,结合非破坏性的生物修复特点,发展基于化学-生物修复技术是最具应用潜力的污染土壤修复方法。如利用有机络合剂的配位溶出,增加土壤溶液中重金属浓度,提高植物的吸收效率,从而实现强化诱导植物吸取修复。
2 结论
    自1983 年美国科学家Chaney首次提出了利用能够富集重金属的植物来清除土壤重金属污染的设想后,生物修复便被认为是替代物理、化学修复的一种最具优势的方法,而实践证明,将三者有机结合更为科学有效。随着生物修复技术中的生物工程技术,如基因工程、酶工程、细胞工程等的广泛运用,生物修复的处理效率得到很大提高,可行性与有效性逐渐增强,处理成本进一步降低,被广泛接受和采纳。
    然而,该项技术还未到达成熟阶段,尙存在技术瓶颈有待突破,我国的研究水平与国际水平间还存在较大差距。例如,我国筛选出超积累植物数量少,全世界已鉴定到的超积累植物有400 多种,其中由我国发现的还不到10 种;目前所发现的大多数超积累植物存在生物量少,生长速度慢,适应性弱等特点,限制了对超积累植物的规模利用;我国的研究方向以追踪国际前沿为主,自主创新性不足,研究成果影响因子低;植物修复的产业化和商业化与国际水平有较大差距,对植物修复材料的处理及资源化利用研究较少。
    要进一步推广生物修复技术以防治土壤重金属污染,我们必须加快植物修复的商业化与产业化的推进步伐;加强修复材料资源化研究;加强农业、环境、生态和化学等相关学科的结合,实现多学科的交叉应用,合理配置科研资源和人才;促进国际间学术交流和合作,积极引导国内外高等院校、科研机构间进行多学科、多角度、多层次的合作,最终推动我国生物修复研究达到世界领先水平。参考文献(略)


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