申屠灵女

（中国石油化工股份有限公司广州分公司，广东 广州 510726）

土壤是人类和生物赖以生存与发展的环境要素，如果土壤被污染，就会对生态环境造成极大影响。2018年8月31颁布了《中华人民共和国土壤污染防治法》，对土壤污染风险管控和修复、监测提出了一系列的要求，也颁布了相应的土壤污染控制标准。在《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）和《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600-2018）中对镉、铅、铬、铜、锌、镍、汞、砷等8种重金属规定了标准限值。而重金属在土壤中是持久性，不可降解的，因此对其污染的控制尤为重要。要研究土壤污染管控方法，首先要了解污染的来源。

在农业生产过程，为追求农业生产的高效，在生产期间，各种农药与化肥的使用量较大，对土壤造成极大污染，同时也会对附近的河流及地下水产生污染。在土壤中有着丰富的微生物，一旦土壤被污染，就会对其造成极大危害。

在工业生产过程，物料泄漏、含有重金属的废催化剂无序堆放等均会给土壤环境带来污染。对于一些环境中已有但低浓度存在的物质如重金属、放射性元素及天然有机化学品，人类的工业技术将这些物质浓缩和富集，对一些局部土壤环境造成污染。同时，人类合成大量新物质，其中一部分已被证明对环境造成危害如DDT、狄氏剂、艾氏剂等。

在人类生活活动中，大量的废弃物会不断向生态系统中排放，比如携带大量动植物油类、洗涤剂及富营养N、P的生活废水排放，又如含大量合成塑料、建筑废料的垃圾的堆放会污染土壤环境，另外垃圾掩埋和焚烧也会造成土壤二次污染。

所以这些年在对于重金属污染土壤修复技术的研究也成为重点。

1 土壤生物修复

土壤受到污染后，尤其是高浓度难降解污染物，会影响土壤生态系统正常的生态功能，并通过与地下水、大气等生态系统的交换扩散作用和食物链的传递作用危害人类身体健康。土壤修复技术多样，包括物理修复、生物修复等，其中，近些年来土壤生物修复技术发展迅速，包括场地修复和异地修复，采用培养专有菌种吸收降解、种植专属植物吸收等各种先进技术达到恢复土壤质量的目标。

土壤生物修复按照修复机理不同分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型，分别是利用土壤中的植物、土壤动物和微生物吸收、降解和转化土壤中的污染物。利用生物降解污染物的技术在废水处理中的应用具有较长的时间，包括常见的好氧生物处理和厌氧生物处理技术在城市生活污水和工业废水处理中的应用，但是将生物处理技术大规模应用于受污染的土壤治理则尚处于起步阶段[1]。

土壤生物修复与传统物理化学修复方法相比，具有成本低、环境破坏性小、可回收利用、公众易接受等优点[2]。土壤生物修复技术被认为有广泛的发展前景。但会受限于场地和修复时间长的因素。

土壤中常见的污染物包括两大类，重金属污染物和有机污染物，由于两者在化学性质、土壤中存在形式及微生物作用机理上存在很大的不同。土壤中有机污染物相对稳定且容易被微生物吸收和降解，而重金属污染由于其存在形态的多变性，毒性随存在形态不同而有所差异，使得大多数重金属的迁移途径相当复杂，且具难分解性、累积性和难修复性，因此本文重点介绍重金属污染土壤生物修复的原理和常见技术应用。

2 重金属污染土壤的生物修复

土壤中重金属可以随着雨水淋溶作用进入地表水、地下水，可以被土壤种植的果蔬吸收进而进入人体。重金属污染的土壤产生的颗粒物可以被人或动物吸收，尤其是重金属进入食物链会给人体健康和生态系统带来危害。此外，当土壤中有重金属时，由于其危害较大，难以转化与分解，所以其产生的污染过程具有隐蔽性、长期性及不可逆性的特征，因此目前世界各国都很重视重金属污染土壤修复技术的研究。

在土壤中的重金属污染，是无法自行消减的，只能从一种形态转化为另一种形态，整个过程会从高浓度开始变化，然后转变为低浓度，还会累积在生物体内，因此在对重金属的生物修复期间，一般有两种方法[1]：

（1）根据各类植物对不同类别的重金属吸收性能，选择适宜的植物进行处理，比如经济作物或者野生植物等。

（2）可以利用生物化学等手段，将重金属进行形态转化，对毒性产物进行控制；也可以利用重金属与微生物的亲合性和生物学活性耦合最佳的机会，降低重金属的毒性和迁移能力。

目前应用比较广泛的重金属污染土壤生物修复技术主要包括植物修复和微生物修复两种技术，也存在着二者与其他修复方法联合使用的技术，下面分别对这三类生物修复技术进行介绍。

3 重金属污染土壤的植物修复技术

植物修复技术在实际应用中发挥着重要作用，理论基础为植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素。狭义上的植物修复技术就是在对污染土壤进行处理期间使用植物清洁，植物修复技术在广义上则有植物净化空气等，对土壤中的有机污染物进行净化[3]。

植物修复技术主要通过两种途径来达到对土壤中重金属的净化作用：

（1）改变土壤中重金属的存在形态，发挥植物对土壤中固定重金属的移动作用，进而达到净化土壤目标。

（2）通过植物吸收、挥发及降解代谢达到对重金属的削减、净化和去除作用[3]。

按照植物修复的具体原理，可以将植物修复技术分为植物吸收、植物挥发和植物固化三类技术。

3.1 植物吸收

植物吸收是利用自然生长的植物或人工培育的专属植物来修复重金属污染土壤的技术，其原理主要依赖于植物的超积累现象及其对金属毒性的耐受力。超积累现象一般指某些植物的地上部分能够较普通作物累积10～500倍以上的某种金属。Reeves建议了Ni超积累现象的定义：生长在自然群落的某种植物地上部分，干物质中Ni的浓度只要达到1000mg/kg以上,就可以称为Ni的超积累现象[4]，于是便产生了相应的Zn、Hg等的超积累现象。具有超积累现象的植物被称为超富集植物，它们往往对某种或某几种金属具有超积累作用和超常的忍受力。此种方法可以用于重金属生产行业的厂区内多种植适宜的植物。

超富集植物对土壤溶液中的金属离子吸收过程可能有主动吸收的过程，但超富集植物对于金属离子的吸收并不能随着土壤溶液中离子浓度的升高而增加，这受限于根部对于特定金属吸收的载体的容量；普通植物的根部金属浓度往往高于地上部分，但是对于超富集植物，地上部分浓度往往高于根部，这可能是由于金属离子与氨基酸或羧酸形成金属络合物而降低了金属对于地上部分的毒害作用，相关的研究参见文献[5]。人类对超富集植物的报道可以追溯到19世纪，早在1885年，Baumann报道了遏蓝菜属(Thlaspi alaminare)植物茎叶灰分中的ZnO含量达17%；1948年，Minguzzi和Vergnano在1948年报道,一种庭荠属植物(Alyssum berbolonii)干物质中含Ni量达1%,而灰分中达10%[6]。如今利用超富集植物来修复重金属污染的土壤，让超富集植物的研究进入了一个新的时代。

植物吸收技术的关键是寻求合适的超富集植物来治理不同的重金属污染，利用超富集植物对重金属的超累积能力，将重金属从土壤中转移到植物的地上部分，然后再对植物的地上部分进行收割处理，从而达到对土壤质量修复的目的。目前总结的植物往往针对某种特定的金属，能修复Zn 污染的主要 植 物 种 类 有:Arabidopsis halleri，Brassica juncea，Cepseifolum vila calaminaria等；能修复Cd 污染的植物种类有: Arabidopsis haller，Brassica juncea等；能修复Ni 污染的植物种类有: Alyssum bertoloni，Bornmllea tymphacea等；能 修 复Pb 污 染的 植 物 种 类 有：America martitima va balleri，Mimuaritia verna等；能修复Cu 污染的植物种类有: Aellanthus biformifolius，Haumaniastorum robertti；能修复Co 污染的植物种类有：Aellanthus biformifolius，Haumaniastorum robertti；能修复Cr 污染的植物种类有：Dicoma niccolifero，Sutera fodilina[7]。

超富集植物通常具有种属特征，对于某种金属，往往一个种属的植物对其都具有超累积能力。王庆仁等人总结了国内外有关超富集植物的报道，对于Zn、Ni、Cd、Se、Cu、Co以及Mn的超富集植物见表1[8]。

表1 某些植物种对重金属的超富集状况及其来源

表1罗列的超富集植物大多是上世纪90年代之前的成果，近年来关于超富集植物的报道出现很多，R. Bennicelli等人发现一种小型蕨类植物Azolla caroliniana对于修复Hg和Cr污染的土壤，效果良好[9]；旋花植物（Convolvulus arvensis L.）可以对Cr产生超累积现象，叶子干重中Cr的浓度可达到2100mg/kg[10]；P. Vervaekea等人研究发现一种柳树（Salix viminalis L.）对于Cd也有一定的累积作用[11]。

从上面的分析中，我们可以看出，超富集植物的种类很多，涵盖了蕨类、草本、木本等多种植物，我们可以利用基因等技术手段，保留与超累积现象有关的基因并使之放大，是我们利用超富集植物进行土壤修复的一个重要出路。利用相关的技术，我们可以改良植物的性状，使其地上部分的生物量变大，提高植物对于重金属毒性的忍受能力，从而提高植物修复重金属土壤污染的能力[12]。总之，利用超富集植物的生理过程来修复土壤中重金属污染只能解决某些特定种类金属污染问题，而且对于植物吸收方法富集到的重金属，要妥善处置，否则容易造成二次污染。尽管这类技术还存在着很大的不足，但是随着基因技术的引入，植物修复技术对于重金属的土壤污染问题的解决将拥有更广阔的前景。

3.2 植物挥发

植物挥发技术是指利用植物吸收、积累和挥发的过程，使土壤中的污染物质吸收到植物体内后转化为气态物质，扩散到大气中以减少土壤重金属污染。目前研究最多的是金属Hg和非金属元素Se，但是尚未见到植物挥发As的报道。通过植物或与微生物复合代谢，形成甲基砷化物或砷气体是有可能的[13]。

在相关研究中显示，在植物拟南芥属（Arabidopsis）中转入细菌体内对汞的抗性基因（汞还原酶基因），这就是转基因植物转化汞，可以将植物从环境中吸收的汞还原为元素汞，从而形成汞气体而挥发[13]。研究证明，当生物中毒后，可以在这种条件下实现转基因植物的生长，然后对土壤中的离子态汞进行还原。汞的植物挥发过程如下式所示。

同时，有研究证明紫云英、窄叶野豌豆、双槽毒野豌豆、帝王羽状花及印度芥菜[2], 还有水稻、花椰菜、卷心菜、胡萝卜、大麦和苜蓿也能挥发Se。硒的植物挥发过程如下式所示：

由于这种方法只适用于挥发性污染物，应用范围很小，并且将污染物质转移至大气中，容易带来新的问题，因此应用有所限制。

3.3 植物固化

土壤中有毒金属的移动性的降低，是通过植物固化技术达到的，通过耐重金属植物的作用实现的，这样就可以对金属被淋滤到地下水的情况进行控制，减少对环境造成的污染。主要通过三个途径实现：一是植物对土壤的固定作用，防止土壤被侵蚀，从而造成重金属元素的转移；二是通过植物根表对重金属元素的吸附作用，减小重金属的迁移性；三是通过植物根部的调节改变周围土壤的pH值和电位，使得金属的有效态浓度降低，从而降低其毒性[14]。

相对不宜移动的物质是这种技术的最佳使用场所，这种技术在很多区域的使用比较广泛，比如一些矿区污染区域等。需要注意的是，这种技术仅仅是将金属暂时固定，使其毒性暂时性的降低，当外界条件改变，金属的毒性还可以被重新释放出来，因此，这种方法并不是一个从根本上解决问题的技术。

3.4 重金属污染土壤植物修复技术展望

植物修复技术是一种很有前途的新技术，它可以在低成本的前提下对污染土壤产生良好的综合生态效应，同时该技术在理论体系、修复机理和修复技术工艺上还有不完善之处，目前国内外学者对该技术日后的展望大致有如下几点：①寻找更多的野生超积累植物；②利用分子生物学和基因工程技术，开发能同时超高效积累多种重金属的植物，并缩短植物生长周期，加快繁殖速度，提高植物修复重金属污染土壤的效率。③加强耐重金属和超积累植物及其根际微生物共存体系的研究。

4 重金属污染土壤的微生物修复技术

微生物修复重金属污染土壤是利用微生物对于自身周围不利其生长的因素产生抗性以及个别嗜金属类微生物进行修复。通常而言，微生物往往具有变异快，优良性状遗传性好的特点，因此微生物对于重金属污染的土壤，会产生一定内部的抗性机制，具体包括荚膜保护、细胞壁结合、生物膜保护、细胞内隔离、主动外排系统、酶脱毒、降低金属敏感性以及抗性质粒等[15]。

除了上述的内部机制之外，微生物分泌物质，如胞外高聚体、铁载体等，也能直接与重金属发生沉淀作用和胞外络合作用而减少重金属的毒性。另外，微生物在对重金属进行转化期间，也可以在生物甲基化作用、挥发等作用下实现[16]。以修复铬污染的土壤为例，表2列举了能够还原六价铬的菌株[17]，通过将六价铬还原为三价铬，使铬的毒性降低，从而达到修复的目的。

表2 近年来报道的能还原六价铬的菌株

需要指出的是，对于微生物修复技术，引入外来微生物种一定要慎重，只有在本地菌种对于污染物没有去除作用或者污染物导致本地菌种毁灭性的结果时才考虑引入外来种；引入微生物要注意微生物驯化过程中对于新环境的适应程度和影响其生长的因素等问题。宋玉芳等人总结了土壤微生物修复技术中应当注意的问题和细节，对于实际工作的指导很有帮助[18]。

微生物对于重金属污染土壤的修复拥有广阔的前景，但是如何将微生物和土壤分离是研究工作的重点；因此，微生物修复技术的规模有限，在野外放大过程中，往往容易出问题，需要与其它的技术相配合。

对于金属污染土壤的微生物修复技术，未来应该在基因工程菌的培养和筛选上加强研究，使工程菌在不危害土壤微生态系统的情况下更高效地固定、移动或转化重金属。

5 重金属污染土壤的生物修复配合技术

前面分别介绍了一些植物和微生物修复重金属污染土壤的机理和具体方法，在实际工作中，往往不能利用单一的某种植物或某种微生物来解决具体的问题，也不可能完全依赖生物修复方法，需要各种技术配合使用。

5.1 立体植物修复技术

所谓立体植物修复技术，是指利用多种生物相互配合来修复受重金属污染土壤的技术。自然界中，受重金属污染的土壤，通常不只含有一种金属元素，往往是含有多种元素的复合污染，这就表明，仅依靠某种超富集植物无法彻底解决土壤污染问题，需要多种植物配合。

赖发英等人验证了杨树和铜草、杜鹃和狼把草、红枫及元宝枫和酸模草三个组合对于Cu、Cd、Zn复合污染的修复效果，这主要是利用了木本植物和草本植物的结合来改善当地的土壤性状，体现了一种垂直结构的变化，从而达到协同修复的目的[19]。

很多学者认为，蚯蚓对于改善土壤性状，提高植物对重金属的富集能力有很大作用。蚯蚓可以利用自身对重金属的耐性吸收重金属；此外，蚯蚓可通过改善土壤肥力，使得土壤pH、电位等参数发生变化，降低重金属毒性[20]。这些观点的提出，表明我们可以利用土壤中的一些小型动物来配合土壤修复工程，为土壤重金属污染的修复开辟了一条新路。

此外，目前提出了利用农田生态系统恢复重金属污染的土壤。在农田中，通过轮种、改变作物品种等措施可以修复重金属污染的土壤：在污染严重的地区，可以种植观赏植物、花卉、经济林木；在重金属轻污染区，种植耐重金属性强的作物品种。

总之，通过立体植物修复技术，可以营造一个从木本到草本，从地表到地下的完整的生态系统，各种生物相互配合，可以取得很好的效果。

5.2 螯合剂-植物修复技术

该技术是通过向土壤中施加螯合剂，提高重金属的生物可利用性，促进超富集植物对于重金属元素的吸收，达到修复重金属污染土壤的目的。如EDTA、DTPA、CDTA、EGTA及柠檬酸可以明显促进印度芥菜对镉和铅吸收的效果[21]；F. Madrid等人发现使用EDTA可以促进植物对于Cd、Fe、Mn、Ni、Pb、Zn等元素的吸收[22]。

总之，螯合技术可以显著提高重金属的生物可利用性，提高土壤修复效果。

5.3 清洗剂-微生物修复技术

由于目前微生物处理水体中的重金属污染技术已经相当成熟，于是有人提出利用清洗剂将土壤中的重金属元素洗脱出来，然后将清洗液进行集中处理来解决问题。这项技术的本质是将土壤污染问题转为水体污染问题，从而达到土壤修复目的[21]。

5.4 电压-植物修复技术

在电压作用下，电极附近土壤溶液发生电化学元素反应改变土壤中氧化 还原电位、pH等理化性质，重金属在被土壤吸收时，速度可以加快，提高土壤溶液中重金属的含量，通过植物的吸收等作用，加快对土壤的修复[21]。

6 结论

利用生物修复技术可以有效地去除土壤中的重金属污染物，应用最广泛的是植物修复技术、微生物修复技术以及它们和其他物理化学修复技术的协同使用。重金属污染的生物修复技术发展从微观上应该结合分子生物学，寻找更高效的植物和微生物；从宏观上应该加强修复技术的现场推广和应用，积累应用生物修复技术的经验。