土壤重金属污染的微生物修复技术
农业资源与环境111班 罗赛云【1131240125】
【摘要】 土壤是农业生产的基础,是人类最基本的生产资料和劳动对象,也是人类世代相传的生存条件和生产条件,是我们的生命线。然而，土壤污染已成为世界性问题，我国土壤污染总体形势也相当严峻；随着工业、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，我国土壤重金属污染日益严重。目前，土壤污染的修复方法中以生物修复效果较好，其中微生物修复在土壤污染净化、修复中显示出的作用越来越重要。该文以土壤污染中的重金属污染为切入点，分析了我国土壤的重金属污染,综述了微生物修复土壤重金属污染的研究进展，讨论了微生物在土壤重金属污染修复中的前景。
【关键词】 土壤重金属污染 微生物修复原理 微生物修复技术
一． 引言
土壤重金属污染是指由于人类活动将重金属加入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于其自然背景含量，并造成生态破坏和环境质量恶化的现象。重金属不能为土壤微生物分解，而易于积累、转化为毒性更大的甲基化合物，甚至有的通过食物链以有害浓度在人体内蓄积，严重危害人体健康。 根据农业部环保监测系统对全国24个省市，320个严重污染区约548万公顷土壤调查发现，大田类农产品污染超标面积占污染区农田面积的20％，其中重金属污染占80％，对全国粮食调查发现，重金属Pb，Cd，Hg，As超标率占10％。重金属污染物在土壤中移动性差，滞留时间长，大多数微生物不能使之降解。并可经水，植物等介质最终危害人类健康。
二． 土壤重金属污染状况
污染土壤环境的重金属主要是指生物毒性显著的镉、汞、铅以及类金属砷,其次是指毒性一般的重金属铜、铬、镍、锌、钴、锡等,当前最引起人类关注的是汞、镉、铅、铬、砷等。我国农田土壤重金属污染现象已经十分严重,近10%的耕地和多数城市近郊农田土壤都受到了不同程度的污染。调查表明工矿企业的污水排放、污水灌溉、污泥、垃圾肥料、畜禽粪便以及化肥的大量使用是土壤重金属污染的来源。污水灌溉是我国农田重金属污染的主要原因之一，我国的大型污灌区主要集中在部分大中城市的近郊县,普遍出现了重金属污染问题。
重金属污染不仅使土壤肥力退化,农产品的产量和品质降低,而且促使水环境恶化,并且通过食物链最终危及人类的生命健康。和其他类型的污染物相比,重金属污染具有普遍性、隐蔽性、表聚性、长期性、不可逆性、易积累、不能被降解、毒性大等特点,是影响生态系统安全的一类重要污染物质,对土壤污染有较长的潜伏期，一旦进入农田土壤,对其进行治理十分困难，其修复不仅见效慢而且费用高。
三． 土壤重金属污染的微生物修复技术
（一） 微生物修复技术的概念
微生物修复技术是指利用微生物的作用去除土壤中污染物的过程。该技术主要是针对降解有机污染物而提出的修复技术，在重金属污染的修复方面也进行了大量的研究工作。微生物可以降低土壤中重金属的毒性，如细菌产生的酶可使重金属还原或与重金属结合为毒性小且稳定的状态；可以吸附积累重金属；改变根际微环境，提高植物对重金属的吸收、挥发或固定效益。如动胶菌、蓝细菌、硫酸还原菌及某些藻类，能产生多糖、糖蛋白等物质对某些重金属有吸收、沉淀、氧化和还原等作用。
（二） 微生物修复技术的类型
可用作微生物修复技术的微生物类型包括：土著微生物、外来微生物和基因工程菌。 土著微生物 土壤中微生物的种类和数量都是相当大的，在长期重金属污染的环境中，由于重金属的诱导作用，一些特异的微生物在重金属的诱导下产生一定的酶系，将重金属进行转化，或微生物可能产生由结构基因与调节基因组成的抗性基因，提高对重金属的耐性。
目前大多数生物修复技术中引用的微生物都是土著微生物。经典的有：耐Ni、V的埃希细菌和肠杆菌，抗Cd和Hg的假单胞菌、克氏杆菌、变形杆菌和葡萄状球菌等菌株。研究发现，经蚯蚓处理后，垃圾的重金属的溶出量明显增加； 发现蚯蚓粪中水溶态铅比重金属污染土壤中增加了50%； 有人研究发现蚯蚓通过肠道消化和养分富集 2 个过程可以提高土壤中植物养分和金属元素的有效性 外来微生物 土著微生物生长速度较慢，代谢活性低，在一定程度上影响了修复效率。接种具有高效广谱的微生物，将有效提高微生物修复的效率。
采用现代微生物工艺技术代替昂贵化学制剂作添加材料改良贫瘠土壤，能够产生孢外聚合物与重金属离子形成络合物，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，利用菌根吸收和固定重金属Fe、Mn、Zn、Cu取得了良好的效果。
基因工程菌 采用遗传工程手段将多种降解基因或抗性基因转入微生物中，时期获得广谱的降解能力或抗性能力。借助蛋白质工程等对细菌进行遗传修饰，如质粒转移、DNA重组、基因诱变和原生质体融合等技术，可快速获取耐重金属的菌株。
（三） 微生物修复技术的机理
重金属微生物修复的机理包括细胞代谢（专一性的代谢途径可使金属生物沉淀或通过生物转化使其低毒或易于回收）、表面生物大分子吸收转运、生物吸附（利用活细胞、无生命的生物量、金属结合蛋白和多肽或生物多聚体作为生物吸附剂）、空泡吞饮、沉淀和氧化还原反应等。微生物对土壤中重金属活性的影响主要体现在以下4个方面：①生物吸附和富集作用；②溶解和沉淀作用；③氧化还原作用；④菌根真菌与土壤重金属的生物有效性关系。 ①微生物对重金属离子的生物吸附和富集
微生物可通过带电荷的细胞表面吸附重金属离子，或通过摄取必要的营养元素主动吸收重金属离子，将重金属离子富集在细胞表面或内部。大肠杆菌K12细胞外膜能吸附除Li、V以外的其他30多种金属离子。
②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地进行的。土壤微生物的代谢作用能产生多种低分子量的有机酸、氨基酸等，溶解重金属及含重金属的矿物。 ③ 微生物对重金属的氧化还原
土壤中的一些重金属元素可以多种价态存在，它们呈高价离子化合物存在时溶解度通常较小，不易迁移，而以低价离子形态存在时溶解度较大，易迁移。微生物还能氧化土壤中多种重金属元素，某些自养细菌如硫-铁杆菌类能氧化As(I)、Cu(I)、Mo(I)、Fe(V)等。 ④ 菌根真菌对重金属的生物有效性的影响
菌根真菌与植物根系共生可促进植物对养分的吸收和植物生长,也能借助有机酸的分泌活化某些重金属离子。菌根真菌还能以其他形式如离子交换、分泌有机配体、激素等间接作用影响植物对重金属的吸收。当土壤重金属含量较高时，VA 菌根接种处理明显促进植物减少对 Cu、Zn、Pb 的吸收。
（四） 微生物修复技术的应用
近年来随着研究工作的深入,人们发现微生物及其抗性基因在重金属污染土壤的生物修复方面也显示出越来越大的作用和潜力。目前为止，污染土壤的微生物修复技术主要有 2 类：原位生物修复技术和异位微生物修复技术。
1. 原位生物修复技术
原位微生物修复技术包括加活菌法、培养法、生物通气法、生物翻耕法和植物—微生物联合修复法等。 ①投加活菌法 通过发酵工程获得的活性微生物和必需的营养物质直接接种到重金属污染的土壤，对重金属污染土壤进行修复。微生物通过氧化作用、还原作用、甲基化作用和去烷基化作用对重金属的形态进行转化。阴沟肠杆菌在厌氧的条件下，能使CrO42-还原为Cr3+，
发生沉淀反应而去除。柠檬酸杆菌细胞表面存在酸性磷酸酶，可以催化有机磷酸如2-P-甘油释放HPO2-，与二价阳离子发生沉淀反应，形成沉淀物累积于细胞表面，从而去除环境中的重金属污染。 ②培养法 向重金属污染的土壤中添加外源活性物质，如N、P营养盐、O2、NO3-、SO42-等电
子受体、表面活性剂等，刺激土著微生物的生长和活性，以来自然菌群的联合代谢，修复污染土壤。例如，提供乙醇作为微生物生长的底物，利用脱硫弧菌，在厌氧条件下产生H2S，与重金属Zn、Cd、Cu、Fe和Pb等形成难容化合物。 ③生物通气法 在污染的土壤上打井，安装鼓风机和抽真空机，将空气压入土壤，同时也可以将氨气压入作为微生物生长的N源，然后抽出，可以将土壤中挥发态重金属化合物或元素
2+2+抽出，而得以修复。利用抗Hg的细菌，可以把Hg还原为Hg0，Hg0的挥发速度为2.5mg/(L.h)，
Hg2+的去除率为98%。有机汞在微生物的有机泵裂解酶作用下，产生有机质和Hg2+，Hg2+继续被微生物还原为Hg0，而得以去除。另外，重金属的甲基化反应，产生的甲基化合物具有一定的挥发性，可以达到去除的效果。 ④生物翻耕法 通过将污染土壤进行翻耕，提高土壤的通气性，配施一定的肥料，改善土壤微生物生长的条件，有助于不同深度的污染物的去除。 ⑤植物—微生物联合修复法 利用超累积植物及其根际周围土壤微生物的联合作用，共同对土壤重金属元素进行转化、吸收和累积，达到修复的目的。
2. 异位微生物修复技术
异位微生物修复技术主要包括微生物淋滤堆浸法、堆制法、填充床生物反应器和流体床反应器等。 ①微生物淋滤堆浸法 利用好气性的硫氧化菌（如硫杆菌）氧化硫为硫酸，将重金属进行淋滤，最后，利用厌氧性的硫还原菌将重金属硫酸盐还原为硫化物沉淀，达到修复的目的。如，土壤中Cu、Ni和Mn的去除率可以达到69%。一般采用地表堆浸处理来修复重金属污染的土壤，堆浸需要保持30%的空隙，增加通风透气能力，提高修复的效率。 ②堆制法 将树皮、稻草、泥炭和粪肥等物质作为支撑材料均与搬入污染土壤中制成堆体，调节pH值，使用充气系统进行充气，并接种微生物，微生物可以采用一定的固定材料进行固定，避免微生物的损失提高修复效率。 ③填充床生物反应器和流体床反应器 将污染的土壤挖出转移到生物反应器中，加入一定的水、营养物质和表面活性剂等，接种微生物并搅拌均匀，反应一定时间后，快速脱水，并将处理后的土壤填回的方法。
微生物修复技术投资费用低，对环境影响较小，适用于其他修复技术难以开展的场所，如建筑物或公路下的重金属污染土壤，并能同时修复土壤和地下水。但是，微生物处理具有一定的专一性，不能同时处理所以的污染物，微生物的活性收到唯独、pH值、土壤质地和其他环境条件的影响，导致修复效率的变异性。
四． 微生物修复土壤重金属污染的思考与展望
（一）土壤重金属生物修复技术的局限性
土壤重金属污染的微生物修复技术虽然已取得很大成功，但在实施中仍然存在不少问题。首先，微生物恢复技术对土壤肥力、气候、水分、盐度、酸碱度、排水、通气等自然和人为条件有一定的要求；其次，一种微生物往往只作用于一种或两种重金属元素，对土壤中其它浓度较高的重金属则表现出某些中毒症状，从而限制了微生物技术在多种重金属污染土壤修复方而的应用前景；再次，用于清洁重金属的大多数微生物往往会死亡后又会使重金属部分重返土壤，带来二次污染；最后，异地引种或者培育新品种对生物多样性的威胁，也是一个不容忽视的问题。
除了以上问题外，目前还需要对以下几个方面的问题进行深入的研究：①重金属对微生物降解的抑制效应及外源物质（如表面活化剂）对微生物降解的促进效应；②通过遗传工程构建高效降解的微生物菌株，通过生物技术手段将微生物的耐重金属基因克隆到植物体中,创造超积累型转基因植物；③重金属超常环境中植物—土壤—微生物—重金属之间的关系，以及正常环境中野生植物的根际微生物和土壤酶活性。
（二）土壤重金属生物修复技术的展望
随着生物技术的发展，一些通过转基因技术克隆了金属硫蛋白的具有超量蓄积重金属的微生物，将广泛应用于土壤重金属污染治理的过程中。而对复合污染的生物修复，单一修复技术往往难以奏效，必须将不同修复技术有效结合，形成联合生物修复技术，采用生态修复方式，以更有效地降解、去除污染物。目前，受到关注较多的方法是采用专性微生物与特异性植物相结合的生物修复技术，其中，特异性植物用于吸收、转化和富集污染物，同时提供微生物生存的有利生态条件、促进其降解过程。这一方法不需扰动土壤，可减少污染物在人群中的暴露程度和暴露时间，特别适合大范围的土壤污染修复。
【结语】
好的微生物修复，需要污染生态学、分子生物学与生物技术、土壤化学、植物学、微生物学和环境工程学等多学科的共同合作。只有通过吸收、借鉴、采纳已有微生物修复的成功和失败的经验，特别是结合我国资源、环境等方面的国情进行研发，才会使我国污染重金属土壤的微生物修复的工作进入到一个崭新的阶段。