生物钝化技术修复重金属污染土壤的研究进展

随着我国工业化进程的加快, 大量有毒重金属离子未经处理直接排放到土壤和水体中, 造成了严重的重金属污染土壤问题, 这不但直接导致土壤的生产力下降造成作物减产, 而且通过生物富集作用危害人类健康。我国的土壤重金属污染的情形显现了广泛和持久的典型特质, 修复和再生重金属污染土壤的问题刻不容缓。

1 土壤重金属污染治理现状

重金属污染土壤的治理方法分为两类:一是将污染物清除, 即将污染物从一个地方转移至另一地方;二是将污染物钝化, 即从可溶态或可交换态转变为难溶态, 有效减少污染物在土壤中的迁移性和生物可利用性[1]。现有的土壤修复技术包括换土法、化学修复、生物钝化、电修复和热修复等方法。其中生物钝化技术将土壤中的细菌及真菌通过生物吸附固定、溶解、氧化还原等降低重金属的可交换态, 具有不存在二次污染, 对土壤破坏小等优点[2]。因此对重金属污染土壤进行生物钝化修复, 降低其中的重金属的含量, 从而减少其在农作物中的累积, 无论对于改善土壤本身种植能力, 还是提高人类自身健康均具有重大的科学研究意义和实用价值。

2 土壤重金属污染微生物钝化的原理

重金属原位钝化技术是指向污染土壤中适量加入特定的活性物质 (又称为钝化修复剂) , 达到减少重金属在土壤中的活性含量或改变重金属离子的氧化还原价态的目标, 因而能够高效的减少重金属离子的迁移性、毒性及生物有效性[3]。采用微生物进行钝化修复是一种环境友好型的治理技术。该技术是指利用微生物菌体及其分泌产物将重金属进行价态转化、固化、富集、转移而恢复土壤生态机制的流程。

微生物自身的细胞表层带有电荷, 可以通过静电作用吸附重金属离子, 在摄取氮、磷、钾等营养元素进行代谢过程时, 可以将重金属离子进一步富集于细胞的表层或者内层。土壤中存在的微生物本身和其代谢产物对重金属离子具有良好的吸附作用和转化机制。微生物本身对重金属离子具有吸附结合力, 使得毒性离子直接沉积于细胞表层或细胞基质, 甚至直接将毒性离子螯合在生物体中的多聚物上[4]。

微生物对重金属的生物钝化机制主要存在胞外络合、胞外沉淀和胞内积累这3种类型。

(1) 胞外络合机制。特定的微生物种类可以产生胞外聚合物, 由多糖、蛋白质、少量的脂类、核酸等构成, 具有大量的阴离子基团, 能与重金属离子结合。部分菌种细胞壁含有负电离子导致整个细菌表层呈现阴离子环境, 进一步通过其细胞中的多聚物 (均聚物或杂聚物) 上的羰基或磷酰基等 (—C=O、—PO3H2) 阴离子团的静电作用增强对有毒离子的吸附能力。构成微生物细胞壁的分子, 其结构也具有活性, 通过与重金属离子间相互螯合作用沉降在细胞表层。此外, 微生物可以通过细胞表层的蛋白质分子的络合机制而抑制特定的重金属离子渗析进入细胞体内敏感区位, 而对于微生物化学反应需要的金属离子则可以通过细胞壁运输到原生质中特定位点。真菌对重金属离子的吸附形式可以分为2种:一种是细胞壁上的琉基、羧基、羟基等活性官能团 (—SH、—COOH、—OH) 与重金属离子结合 (如离子交换、配位结合或络合等) 后形成大分子进而实现吸收的目标;二是通过物理性吸附作用或形成无机难溶化合物而将重金属离子污染源沉降于细胞壁表面。细胞本身经过螯合反应吸附重金属离子的机制与真菌细胞壁结构密切有关, 例如细胞壁中分子孔状构造促使活性化学配位结构在细胞表层有序排列, 使其容易和金属离子相互结合。此外, 细胞壁上的多糖分子含有氨基、羧基、羟基、醛基以及硫酸根 (—NH2、—COOH、—OH、—CHO、SO42—) 等活性基团, 这些官能团与重金属离子间容易形成较强的络合作用[5]。

(2) 胞外沉淀机制。特定种类的微生物 (如动胶菌、蓝细菌、硫酸盐还原菌以及某些藻类) , 可以在细胞外产生含有大量阴离子基团的聚合物, 并进一步与重金属离子形成络合物。某些微生物产生的代谢产物, 如草酸则与金属形成不溶性草酸盐沉淀[5,6]。

(3) 胞内积累机制。某些微生物可对重金属产生生物转化作用, 其主要反应机理是微生物本身通过氧化还原反应、甲基化反应和脱甲基化反应改变重金属离子价态, 降低其毒性作用, 因而产生了某些微生物对特定重金属离子的解毒作用。重金属离子经过渗析作用进入细胞体内后, 由于“区域化作用”分布在细胞体内的不同区域, 在细胞内对有毒金属离子形成相对封闭的环境, 或直接将其转变为低毒的价态。如真核微生物如藻类、酵母和真菌等, 其体内某些蛋白质可以作为特定的容器, 装载重金属离子并进一步将其转化成低毒分子。真菌通过累积作用, 将钴、锰重金属化合物聚集在特殊的细胞器中, 形成微小的“气囊体”, 进一步转化为离子状态或与多聚磷酸盐相互结合。生物钝化技术的特点是处理成本低、适宜于污染土壤的原位处理[5,6]。

3 结语

在土壤污染治理工程中, 微生物钝化修复技术具有独特的优势, 土壤微生物生态学研究手段的进步为深入探究土壤污染物降解过程提供了可能, 微生物钝化技术极具发展潜力和应用前景, 但微生物钝化修复技术本身及发展过程中也存在一些难点, 有待于进一步解决, 例如修复周期长、筛选菌种难等。希望通过本文的研究, 深入进行土壤环境中的重金属污染防治工作的开展, 有效解决土壤环境中的重金属污染问题, 切实促进人类的生存状况的改进。

摘要：本文阐述了目前重金属污染土壤的治理现状和微生物钝化法修复污染土壤的内在机理, 此法深度治理重金属污染土壤具有潜在的应用前景。

关键词：重金属,微生物,土壤,钝化修复

参考文献

[1] 崔德杰, 张玉龙.土壤重金属污染现状与修复技术研究进展[J].土壤通报, 2004, 35 (3) :366-370.

[2] 顾继光, 周启星, 王新.土壤重金属污染的治理途径及其研究进展[J].应用基础与工程科学学报, 2003, 11 (2) :143-151.

[3] 王立群, 罗磊, 马义兵, 等.重金属污染土壤原位钝化修复研究进展[J].应用生态学报, 2009, 20 (5) :1214-1222.

[4] 张贵龙, 任天志, 郝桂娟, 等.生物钝化重金属污染土壤的研究进展[J].化工环保, 2007, 27 (4) :328-333.

[5] 陈范燕.重金属污染的微生物钝化技术[J].现代农业科技, 2008, 24:297-299.

[6] 滕应, 黄昌勇.重金属污染土壤的微生物生态效应及其修复研究进展[J].土壤与环境, 2002, 11 (1) :85-89.