生物强化修复技术在土壤重金属污染治理中的应用

文_袁凯燕 南京博环环保有限公司

1 土壤重金属污染的现状

根据2014年环境保护部和国土资源局于2014年联合发布的《全国土壤污染状况调查报告》，我国地表土壤环境污染状况总体不容乐观。污染类型以无机为主，其中镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍等8种重金属点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。

表1 代表性重金属在典型行业产业中污染存在情况

2 重金属污染的危害

重金属污染物具有不可降解，形态多变，有机化后毒性增强，迁移转化途径多样，致毒效应浓度较低等特点，对农作物的生产、产量和品质都有非常大的影响。据不完全统计，全国受污染耕地约有1.5亿亩，每年因重金属污染的粮食达1.2×107吨，不仅造成经济损失，而且重金属能通过食物链进入人体，危害人体健康。

2.1 对土壤肥力的影响

氮、磷、钾被称为植物生产必需的三大要素。在被重金属污染的土壤中，土壤有机氮的矿化势明显降低，土壤供氮能力下降。重金属进入土壤后，土壤对磷的吸持固定作用增强，使土壤磷有效性下降。重金属还会影响土壤磷的形态，使土壤可溶性磷、铜结合态磷、闭蓄态磷的比例发生变化。重金属对钾的影响，一方面表现在影响钾在土壤中的吸附、解吸和形态分配；另一方面，导致土壤中植物对钾的吸收能力减弱，土壤钾素流失加剧。因此土壤重金属污染最终影响土壤中氮、磷、钾的保持和供应。

2.2 对土壤微生物的影响

土壤微生物是土壤生态系统中极其重要的生命组分。大多数重金属在低浓度下，会对微生物的生长产生刺激作用，而在高浓度下则抑制微生物生长。微生物能吸附和转化重金属及其化合物，但当土壤中重金属的浓度增加到一定限度时，就会抑制微生物的生长代谢，甚至导致微生物死亡。

2.3 对土壤酶活性的影响

土壤酶与土壤微生物密切相关，土壤中很多酶由微生物分泌，并且与微生物一起参与土壤中物质和能量的循环。重金属对土壤酶的活性有较明显的影响。一方面重金属对酶活力产生直接影响，使酶类活性基团空间结构受到破坏，从而降低其活性。另一方面，重金属抑制土壤微生物的生产繁殖，减少微生物体内酶的合成和分泌量，最终导致土壤酶活性降低。

2.4 对土壤生化过程的影响

土壤中的重金属对土壤有机残落物降解具有抑制作用。如Cr能抑制土壤纤维素的分解，当Cr浓度大于40mg/kg时，纤维分解在短时间内全部受到抑制。

土壤中的重金属对土壤呼吸有一定的抑制作用。其中As对吸附的抑制作用最强。土壤呼吸作用的强弱意味着土壤系统代谢旺盛程度，与微生物数量、土壤有机质水平、N和P的转化强度、pH值、中间代谢产物等因素相关。

2.5 重金属对人体健康的影响

重金属污染土壤的最终后果是影响人畜健康。通常重金属污染严重的土壤，其农作物重金属含量也很高。如果通过食物链进入体内，或人体长期暴露在重金属污染土壤的扬尘环境，重金属从呼吸道进入人体，都会对人体健康造成直接或间接的影响。重金属污染具有隐蔽性、积累性和不可逆性，因此一旦发生污染危害时，往往已经到了非常严重的程度。

3 重金属污染土壤生物强化修复技术

生物强化技术可以分为生物强化和生物促进。生物强化是指施加对目标污染物具有一定处理能力的外源微生物，利用其新陈代谢反应进行修复；生物促进是指直接向遭受污染的土壤添加外源营养物质或电子受体，来刺激土著微生物的活性，以达到降低目标污染物风险。因此区别于一般的生物修复技术，生物强化修复技术需要接种外源微生物。所接种的外源微生物可以是自然界中筛选出来的优势菌种，或通过人工驯养的活性菌种，也可以是通过基因工程手段得到的基因工程菌。

3.1 生物强化技术的研究现状

生态强化修复技术，国外已经探索研究了40年，并且在土壤重金属修复领域取得了良好的修复效果。我国也在该领域取得了一定的研究成果。文中以南开大学环境科学与工程学院孙红文教授课题研究组试验的诱变菌株B38、生物炭为例，介绍生物强化修复技术研究现状及成果。

3.2 生物强化技术的应用

3.2.1 高效诱变菌对土壤重金属污染修复的应用

以枯草芽孢杆菌（Bacillus subtillis）为出发菌种，利用紫外诱变5分钟获得一株对Cd具有高耐受的诱变菌株B38，并将部分菌株烘干、粉碎、高温灭菌，得到B38死体菌株吸附剂。

利用活体菌株、死体菌株对3种重金属阳离子Cd（Ⅱ）、Hg（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）和1种重金属阴离子Cr（Ⅵ）分别进行吸附研究，研究结果如表2所示。

表2 活体菌株、死体菌株最高吸附效率 / %

根据实验结果，活体菌株吸附剂和死体菌株吸附剂对4种重金属离子的吸附能力依次为：活体菌株，Cd≈Hg＞Pb＞Cr；死体菌株Pb＞Cd＞Cr＞Hg。诱变菌株B38作为一种以Cd（Ⅱ）为目标物质筛选出来的高抗性菌株，其活体菌株吸附剂对重金属阳离子表现出较高的吸附能力，对Cd、Hg的亲和性最高；而B38死体菌株对4种重金属离子均表现出较高的吸附性能。因而诱变菌株B38可作为处理多种金属离子符合污染的优良吸附剂。

3.2.2 生物炭质材料对土壤重金属的影响

生物炭是由生物残体，如植物秸秆、动物粪便等在完全或部分缺氧情况下，经高温慢热产生的一种难溶解、稳定、富含碳素、高度芳香化的固态物质。

生物炭能补偿土壤的有机质消耗，提高土壤肥力，实现能量和物质循环的效益最大化，提高作物产量。生物炭作为改良剂加入土壤，可以改变土壤微生物的活性，为微生物生产提供养分，同时作为微生物生产的载体，减少了微生物的损失。生物炭具有良好的吸附性能，固定土壤中的重金属。

根据研究表明，生物炭对土壤Cu（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）具有固定作用，其主要机理有：①生物炭的施加提高了土壤pH值，从而影响重金属的形态和活性；②重金属离子通过d轨道与生物炭表面的π电子之间的相互吸引作用而吸附于生物炭表面；③重金属离子与生物炭发生专项吸附作用。

3.2.3 生物质载带诱变菌对重金属污染的吸附

生物炭作为微生物载体，为微生物提供了良好的栖息环境。生物炭可以通过静电引力作用将微生物固定在生物炭表面。另外，由于生物炭具有多孔结构，当生物炭孔径是微生物的2～5倍时，微生物还可以吸附在微孔内。同时生物炭内部含有多种微生物生产必需的微量元素，能促进微生物的生长繁殖。

动物源生物炭、猪粪生物炭（PCB）为表面凹陷的多孔颗粒状结构，表面凹陷形成塌陷的空腔，可以为重金属离子提供更多的吸附位点，为微生物吸附提供更大的空间。FT-IR光谱和XPS能谱研究发现，B38与PCB结合，可增加PCB表面官能团的种类和数量，显著促进植株生长。

4 结语

综上所述，诱变菌株对多种重金属离子均具有较高的吸附能力；生物炭作为一种新型的环境材料，不仅能够吸附重金属，而且能提高土壤肥力，改善土壤环境，为微生物的生产繁殖提供营养物质和栖息场所。微生物和生物炭协同固定土壤重金属，实现了土壤重金属的原位修复，为土壤重金属修复提供了一个新的途径。