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生物修复污染土壤技术研究进展

 1土壤污染和生物修复概述

 
土壤是指陆地表面具有肥力、能够生长植物的疏松表层,其厚度一般在2 m左右。土壤不但为植物生长提供机械支撑能力,并能为植物生长发育提供所需要的水、肥、气、热等肥力要素。
 
近年来,由于人口急剧增长,工业迅猛发展,固体废物不断向土壤表面堆放和倾倒,有害废水不断向土壤中渗透,大气中的有害气体及飘尘也不断随雨水降落在土壤中,导致了土壤污染。凡是妨碍土壤正常功能,降低作物产量和质量,还通过粮食、蔬菜,水果等间接影响人体健康的物质,都叫做土壤污染物。人为活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度,引起土壤质量恶化,并进而造成农作物中某些指标超过国家标准的现象,称为土壤污染。
 
土壤重污染对人体以及动植物危害的严重性以及其循环过程中不能被降解的特殊性无疑给科学家们提出了巨大的挑战。传统的修复技术,包括物理修复和化学修复,虽然在局部小范围的修复中应用效果明显,但其治理成本高,破坏土壤理化性质,存在二次污染风险,而且对于污染面积巨大且程度较轻的土壤难以实施应用。近年来,应用生物(包括植物和微生物)来修复重污染土壤的研究已经引起了各国科学家的广泛关注。生物修复方法对土壤生态环境不会有影响.是保证土壤生态健康和农业叮持续发展的重要措施[1]。
 
1.1 微生物修复
 
微生物修复是研究得最早、最深入、应用最为广泛的一种生物修复方法。它利用自然环境中的土著微生物或特效外源微生物的代谢活动,在人为优化的环境条件下加速对环境中污染物的转化、降解与去除[2]。
 
1.2植物修复
 
植物修复技术是一种新兴的绿色生物技术.能在不破坏土壤生态环境.保持土壤结构和微生物活性的情况下.通过植物的根系直接将大量的重金属元素吸收.通过收获植物地上部分来修复被污染的土壤。植物修复的机理通常包括植物萃取作用、植物挥发作用和根系过滤作用,目前主要是植物萃取作用。
 
植物修复技术被认为具有物理、化学修复方法所无法比拟的费用低廉、不破坏场地结构、不造成地下水的二次污染、能起到美化环境的作用、易于为社会所接受等优点。是一项很有发展前途的修复技术。
 
1.3植物一微生物联合修复
 
植物修复是近年来发展起来的一项主要用于清除环境中有毒污染物的绿色修复技术,它主要利用植物修复由有机毒物和无机废物造成的污染土壤。其机理是利用土壤一植物一微生物组成的复合体系来共同降解污染物汹,通过利用植物的特殊功能,与根际微生物协同作用对污染土壤进行修复。植物修复具有利用太阳能作驱动力,能量消耗和费用大大减少,对环境破坏极小,可适用于大面积的污染治理,易于为民众接受等优点。植物生长过程中,植物生活周期对其周围物理、化学和生物过程均可产生深远影响。
 
2 生物修复在几种土壤污染中的应用
 
2.1重金属污染土壤生植物修复
 
土壤重金属污染主要是由于Zn、ca、Cr、Cd、Pb、Ni、Hg、As等8种重金属元素引起的土壤污染。土壤莺金属污染具有隐蔽性、不可逆性和不可降解等特点.其治理一直是国际性的难点和重点研究问题。目前常用的控制和治理已被重金属污染的土壤的方法有淋滤法、客土法、吸附固定法等物理方法以及生物还原法、络合物浸提法等化学方法。物理方法见效缓慢,化学方法快但易带来二次污染[3]。
 
植物修复是近年来兴起的一种污染土壤修复技术,由于其环境友好、经济以及适用于大面积、低浓度污染土壤的原位修复, 而受到广泛的关注并成为环境科学领域研究的热点。超富集植物对土壤中重金属的去除潜力,主要受3个方面的影响, 即植物本身对目标重金属富集的能力(植物体内重金属含量)、植物生物量的大小以及土壤中重金属生物有效性的高低。其中,前 2个因素的乘积反映了植物对目标重金属的修复潜力, 二者乘积越大则表示植物的去除能力越强, 也就更有利于重金属污染土壤的修复。但是,目前发现的重金属超富集植物仅有 400 多种,不足被子植物的 0.2%。而且大部分超富集植物生物量小、 生长缓慢, 还无法满足重金属污染土壤修复的需求。因此,人们将目光转向生物量高、生长迅速、易于田间管理且对重金属有较高耐性的作物,但是这类植物对重金属的富集潜力十分有限,且存在很大的健康风险,不是理想的发展方向,以至人们考虑采取一些强化措施来提高现有超富集植物的提取修复潜力。总的来看,重金属污染土壤植物提取修复的强化途径主要有2种:一是提高超富集植物的生物量;二是提高植物体内的重金属含量。螯合剂能够有效活化土壤中的重金属,进而促进植物对重金属的富集, 因此被广泛用于强化植物对土壤中重金属的提取修复[4]。
 
2.2螯合剂的作用机理[4]
 
土壤通过矿物质的表面吸附作用、 腐殖质的络合作用和沉淀反应固定进入其中的外源金属污染物。不同金属在土壤中的生物有效性存在很大差异同一金属的生物有效性还与其在土壤中的赋存形态有关。当螯合剂投加到土壤中后, 其和土壤中的重金属发生螯合作用, 能够形成水溶性的金属-螯合剂络合物, 改变重金属在土壤中的赋存形态, 提高重金属的生物有效性,进而可以强化植物对目标重金属的吸收。螯合剂的作用机制如图1所示
 
 
图1螯合剂在土壤修复中的作用机制
 
 
 
2.3 螯合剂的种类
 
重金属污染土壤植物提取修复常用螯合剂主要有两类:氨基多羧酸类螯合剂 (aminopolycar-boxylate chelating agents, 简称 APCAs)和小分子有机酸类螯合剂(low molecular organic acids, 简称 LM原WOAs)。APCAs类螯合剂是指一大类含有N和O原子的有机化合物, 它们几乎能与所有的金属离子形成稳定的配合物。LMWOAs 是螯合诱导植物提取修复研究较多的另一类螯合剂。它们产生于植物根-土界面, 其在土壤溶液中的含量通常较低, 二价和三价的 LMWOAs,它们具有十分重要的土壤生态功能。
 
2.4植物一微生物联合修复
 
植物一微生物联合修复是在植物修复的基础上,联合与植物共生或非共生微生物,形成联合修复体,通过以下2种主要途径强化植物修复作用:①促进植物营养吸收,增强植物抗逆性,借助增加生物量的手段提高修复能力。如菌根真菌可以溶解转运土壤中的无机矿物元素;根瘤菌进行生物固氮等促进植物营养吸收;根部多种微生物的存在所形成的稳定根部微环境,增强了植物抗逆性等。这些都直接或间接地增加了植物的生物量;提高了植物修复能力。②增加植物根部重金属浓度,促进重金属的吸收或固定。微生物不仅通过其自身的组成成分如菌根外菌丝、几丁质、色素类物质,EPS等吸附重金属,而且通过其分泌的各种有机酸或特殊物质来活化重金属,增加其在植物根部浓度。通过某些植物体内存在的对特定重金属具有转运作用的蛋白,将富集在植物根都的重金属转运到植物体内;或使土壤中重金属吸附于根际,降低其流动性,从而减少其进入食物链的可能,并且在移除植物体时降低土壤中重金属的浓度,借此达到植物吸收和固定的目的。修复植物与根际微生物、重金属间的相互关系见图2
 
 
图2植物与微生物联合修复原理
 
尽管植物一微生物联合修复重金属荇染土壤的研究取得了一定的进展,但在理论基础和实践体系上还有许多不足之处,离该项技术的广泛应用还有很长的路要走,将来还应在以下几方面给予更多的关注:①植物-微生物联合体的筛选与培育,针对不同的重金属选育出最佳的修复组合;②分子生物学和基因工程技术的充分利用,以构建生物量大、生长速度快、耐性强的植物一微生物联合修复体;③多种修复技术的综合运用。
 
3石油、多环芳烃污染土壤生物修复技术
 
多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是指2个或2个以上苯环以线状、角状或簇状排列组合成的一类稠环化合物。具强致癌性、致突变性、致畸性等三致作用,还会产生光致毒效应。且其在土壤中具有隐弊性大、潜伏期长、涉及面广、治理困难等特点,威胁食品安全和人群健康。因此,土壤的多环芳烃污染倍受关注[2]。
 
3.1植物与微生物的互利作用
 
该技术可以将植物修复与微生物修复两种方法的优点相结合,而且两者之间的互利作用强化了根际有机污染物的降解。植物为微生物提供了生存场所,并可转移氧气使根区的好氧作用能够正常进行;根分泌物、脱落物可为微生物提供大量营养,刺激根际各种菌群的生长繁殖,增强细菌的联合降解作用;某些情况下,植物根分泌物可作为微生物天然的共代谢底物促进污染物的降解;根区形成的有机碳可阻止有机化合物向地下水转移,也可增加微生物对污染物的矿化作用。某些情况下,植物根分泌物也可作为天然的共代谢底物促进污染物的降解。此外,植物根系可以伸展到不同层次的土壤中,故无须混合土壤即可使降解菌分散在土壤中。另一方面,微牛物使污染物转换成植物可以吸收利用的状态,减轻了污染物对植物的毒性,提高了植物的耐受性。
 
3.2联合作用机理[5]
 
修复作用通常发生子根际而非植物体内,因此,石油污染物的根际调控研究是建立根际修复技术的关键。Guenther等总结了根际石油污染物快速消解的可能机理包括:(1)根系生长改善了土壤理化性状;(2)从整体上增加微生物种群数量及多样性,或者选择性地富集石油污染物降解特异菌群;(3)根系分泌物及脱落物为石油污染物提供共代谢降解底物;(4)根系释放酶催化降解石油污染物;(5)加速石油污染物的腐殖化进程;(6)提高石油污染物的土壤吸附、植物吸收及迁移转化能力等。其研究与桑伟莲等对联合系统修复PAHs污染物机制的结果相似:(1)植物根区的菌根真菌与植物形成共生作用并有着独特的酶途径用以降解不能被细菌单独转化的有机物;(2)植物根区分泌物刺激厂细菌的转化作用;(3)植物还可为微生物提供生存场所并可转移氧化使根区的好氧转化作用能够正常进行。             尽管植物一微生物联合修复在石油污染物降解中的重要性已经被充分认识,但是由于植物根际环境的微域性、动态性和复杂性等特点,目前对石油污染物植物一微生物联合修复的机理研究还存在一定的困难,现阶段只是一些猜想和构思而已。
 
3.3研究进展
 
利用苜蓿草与微生物修复PAHs和矿物油污染土壤的研究表明,在植物生长条件下,土壤微生物降解功能明显增强;Leigh等通过实验室和温室根箱实验证实,从树根释放的芳香类化合物可作为多氯联苯降解菌的底物,激发它们的生长;Jo-siah等研究表明,向在植物修复的土壤中投加被生物刺激物激励过的生物菌剂可以提高污染物的降解率;常慧萍利用实验室驯化培养分离到一组能以中原原油为碳源的快速生长的石油烃降解菌与不同植物进行联合强化修复污染土壤,实验数据显示此方法对强化土壤中污染物的降解是很有效地;李春荣等研究发现节细菌的施加显著加快了玉米、向日葵修复的速度,石油降解率提高了。
 
赵爱芬等在石油污染的水稻田中分离出的微生物Bacillussp.仅在有水稻根分泌物的情况下才能在石油的残留物中生长,表明水稻根分泌物促进了特定微生物消除石油残留物;研究表明,在用苜蓿草修复矿物油污染土壤时,投加特性降毹真菌可不同程度的提高土壤PAHs的降解率,但真菌与细菌的降解提高对象不同;Jennifer等从植物影响微生物角度出发,不同组合下生物量的不同导致了降解率的不同口嵋;刘继朝等对微生物与四种植物组合进行了研究,发现降解顺序有差别,与程国玲研究结果一样:不同的微生物一植物组合的降解效率不同。可见,植物与微生物的协同作用可以加速石油污染物的降解,同时,由于个体差异会导致降解效果的不同。所以在植物一微生物联合修复体系中,为了达到高效降解污染的目的,需要选择合适的植物,培养高效菌种,以及对污染物一微生物一植物之间的相互关系进行深入研究,筛选出合适的降解组合。在植物一微生物联合修复技术研究的过程中,结合影响降解因素,开发出一套新的修复方法———多技术植物修复系统(MPPS)。这种系统是利用微生物一植物一机械联合修复,去除炼油厂含油淤泥中总石油烃含量从5%降到0.5%,去除率达90%,比单独植物修复高出35个百分点。这种多技术包括土地耕作,加入植物生长菌和特性降解菌,种植耐污染植物的联合。植物生长菌具有固氮;合成铁载体,溶解土壤中的铁,并提供给植物细胞;合成植物激素(生长素);自制酶,调节植物生长和发育等作用。植物生长菌的加入可以解决植物在石油烃污染土壤中生物量小、降解率不高等局限。这种修复系统不仅能有效去除低分子量饱和烃,而且对于大分子量,高疏水性石油烃化合物也有较高的去除效果。
 
4 展 望
 
植物与微生物联合修复技术在污染土壤修复过程地位重要,潜在发展前景良好,市场效能高。但在理论体系、修复机制和修复技术上还有许多不完善的地方,还需利用现代分析技术进一步深入,逐步完善植物一微生物联合修复理论体系[3]。
 
(1)植物一微生物联合修复技术可以成为一种很有发展前途的新型生物修复技术,但由于降解微生物的群落组成和变化动态的了解甚少,为降解机理的阐明带来了困难,所以其理论体系、修复机制和修复技术需进一步完善;
 
(2)在基础研究方面,除了筛选耐受性高的植物和高效微生物以外,如何通过遗传学、分子生物学、基因工程等手段进一步提高生物的活性和环境适应性,也是今后研究的重点;
 
(3)由于植物一微生物联合修复技术是两种单一生物修复技术的结合,所以影响因素的复杂性要求还需对因素实现可行性操控以及优化。
 
污染土壤的修复是一项系统工程,单一的修复技术或两两结合的修复技术都很难达到预期效果,应以植物.微生物联合修复为主,辅以化学及农业生态措施等,增加重金属的生物有效性,促进植物的生长和吸收,从而提高植物修复效率。
 
 
 
参考文献
 
[1] 牛荣成,魏树和,周启星,詹杰,马丽辉,李云萌,王姗姗,张立丹,王晓静.植物一微生物联合修复重金属污染土壤研究进展.世界科技研究与发展 2010.5
 
[2]杨辉,王海霞,李晓军,毛华军,吴海燕,于秀娜,罗宏宇.多环芳烃污染土壤生物修复技术研究进展.安徽农业科学.2011,39(3):1427—1429,1431
 
[3]张霓.重金属污染土壤植物修复研究进展.2010.2
 
[4]胡亚虎,魏树和,周启星,詹 杰,马丽辉,牛荣成,李云萌,王姗姗. 螯合剂在重金属污染土壤植物修复中的应用研究进展. 农业环境科学学报.2010.29(11):2055-2063
 
[5]冯冬艺,余成洲,白 云.石油污染土壤的植物一微生物联合修复研究.2010.6