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浅谈生物修复治理重金属污染土壤

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发布日期:2019-10-11 浏览次数:74
核心提示:生物修复技术是借助生物代谢活动治理环境污染的技术,降解转化土壤中有机化合物,或对重金属进行转化固定,使其处于无害形态。相对于物理和化学修复来说,该技术经济有效,成本较低,对环境扰动小,本文论述了生物修复的优点与缺点,并分析了几种重金属污染土壤生物修复技术。

这些年来,各国愈来愈重视土壤污染修复技术的探究,荷兰、日本、美国等都对土壤污染修复技术的相关研究投入大量成本。就我国来说,因为各方面的影响,土壤环境污染情况令人堪忧,2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示:全国土壤总的超标率为16.1%,其中无机污染物超标点位数占总的82.8%。土壤重金属污染物在无机污染物中较为突出,主要是由大气沉降、污水灌溉、矿业活动、农药和化肥等因素所致。

1 生物修复的优点与缺点

生物修复技术是借助生物代谢活动治理环境污染的技术,降解转化土壤中有机化合物,或对重金属进行转化固定,使其处于无害形态。相对于物理和化学修复来说,该技术经济有效,成本较低,对环境扰动小,防止二次污染,产物大多是稳定、无害的物质,比如水、氧气、二氧化碳等。最近几年,生物修复技术和应用在美国占有10%左右的市场份额,在国内也有一定的应用。生物修复也有一定的局限性,例如精确控制难度大,时间跨度长等。以巨菌草为例,要将土壤镉含量为2mg/kg降到0.3mg/kg,理论上需用4-5年,很大程度受制于生物的代谢活动和生长周期。

2 重金属污染土壤生物修复技术

2.1动物修复技术

动物修复技术是利用可以在土壤中生存的,对某些污染物有吸收作用的动物进行修复的技术。这些动物能吸收污染土壤中的重金属,减少其含量,进而减轻污染水平。比如蚯蚓就是以有机物为主要食物,通过对土壤中有机物的取食活动影响土壤的理化性质变化,降低土壤的污染程度。而且蚯蚓的活动能促进土壤中植物的生长,改善周围的生态环境,具有十分积极的生态作用。有研究表明,蚯蚓可以吸收土壤中的重金属铅和镉,将之铅/镉-金属硫蛋白复合物,将这两类重金属进行富集,从而减轻污染。

2.2 微生物修复技术

重金属污染的土壤中,一般会富集多种抗重金属的微生物,从中筛选出合适的抗性微生物。这些微生物可以改变重金属的形态和特性,对其进行固定、转化或移动等,以此减轻污染。

一是可以借助微生物的吸附和富集作用。部分微生物可以借助电荷的存在,吸附相关金属离子,或将其富集在表面等。比如根霉菌可有效吸附铜离子;类产碱单胞菌能在弱酸条件下有效吸附铜离子和铅离子;绿色木霉可以有效吸附锌离子和铅离子。

二是可以借助微生物的生物转化作用。比如氧化还原反应,部分微生物可以改变金属离子的价态,或者可以将离子的有机态变成单质,部分重金属在此过程中会降低甚至消除有害性。有研究发现,烟草头孢酶F2在含有二氯化汞的液体培养基中生长,最终会将溶液中的汞含量降低90%左右,这说明头孢酶F2可以将二氯化汞还原成汞元素,在这个过程中,少数汞会被挥发和吸附,大部分会沉积在培养液底部。另外,甲基化与去甲基化、络合物反应等,都能使重金属的毒害作用减轻或者消除,进而降低污染的可能。

2.3植物修复技术

植物修复技术是借助种植针对某些重金属,可以耐受或超积累的植物,借助植物的生长过程,对这部分重金属进行富集,然后将植物收集后进行无害化处理(如灰化焚烧等),从而将该重金属从土壤中移出,达到修复目的。

一是植物提取法。

该方法是借助植物的富集功能,通过生长阶段的进行,提取土壤中的重金属,转移到自身可收割的部位(花、果实等),再通过集中处理,减少重金属含量和污染。一般植物对土壤中重金属的提取能力有限,而超富集植物的提取能力是一般植物的100倍以上。例如,将土壤含锌量从444mg/kg降低到300mg/kg的欧盟标准,需要种植萝卜2046次,油菜832次,而种植遏蓝菜理论上只需要13-14次。目前,经过多年的研究,全世界已经发现500多种超富集植物:商陆、鼠麴草能超富集Mn;绿叶苋菜、裂叶荆芥、麻疯树等能超富集Pb等。部分植物还能超富集多重金属,如印度芥菜能超富集Pb、Cr、Ni、Cd等。

二是植物挥发法。该方法主要运用在挥发性重金属(如汞和硒等)污染的土壤中。借助特殊的植物,将将带来污染的重金属转化为气态,挥发出去,减少土壤中的含量,从而减轻污染。有研究表明,杨麻可以将土壤中的三价硒离子转变成甲基硒,继而挥发出去,去除土壤的硒污染;烟草可以将Hg2+转化为气态的单质Hg。除了天然植物,部分转基因植物也有该种作用,比如说拟南芥 。

三是植物稳定法。该方法是利用植物根系分泌出能与重金属离子相结合的有机酸、氨基酸和多肽等物质的功能,再借助与土壤等环境介质的共同作用,将重金属钝化固定,降低其迁移性和有效性。此方法虽然没有减少重金属在土壤中的分量,但是其无法再进入水体和食物链中。养麦未来比较有前景的是对铅和铬的固化。

四是植物-微生物协同修复技术。该技术借助植物-微生物-土壤形成的复合环境来降解重金属污染物,一般是依靠真菌侵袭植物根部,形成菌根,其可以分泌多种酶,分解土壤中的有机物以及矿物质;同时,还可以产生植物激素等物质,促进植物的生长,提高抵抗力。比如丛枝菌根真菌,可以与目前所知的90%以上高等陆生植物建立这种共生关系。有实验发现,杨柳对Zn、Cu、Cd的富集能力在形成菌根后有显著提升。

3 重金属污染土壤生物修复技术的展望

目前来说,重金属生物修复技术相比过去有很大的进步,新的研究成果不断出现,但在实际实施过程中,需要考虑众多因素。该技术不适合用于污染严重的土壤,且修复时间跨度较长等。

未来对于重金属生物修复技术的发展,应从以下方面加强理论研究和实际应用:一是筛选高效降解污染物菌种,采用基因重组等生物技术培育新的工程菌,提高对于污染的抵抗能力和治理能力,以及高效降解能力。二是利用分子生物学等技术筛选超富集植物,最好是根据地方环境,诱导培育当地植物,使其具有超积累和高富集能力。三是创新生物修复技术与物理、化学等其他技术的联合应用,进行多种修复方式组合研究,充分发挥各自修复技术的优势,达到最佳修复效果。

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